全钢智能硫化机的开发与应用

秦玉成

摘 要：现代工业生产对智能设备的要求越来越高。本文讨论了一种全钢硫化机的开发与应用，该装置的设计本着优化效率、提升自动化水平的思路，从胎坯自动运送定位、装胎机械手转进转出自动装胎、主机自动合模加压硫化、主机自动卸压开模、卸胎辊道自动有序输送轮胎等功能出发，完成了硫化机设计。整台机器设计受力均匀，运行平稳，效率良好，定位精度高。设备的成功开发减少了人工劳动强度，实现无人操作，使产线的自动化程度显著提高。

关键词：轮胎硫化机;智能制造;变频控制;存胎器

0 引言

随着智能物流、智能生产、智能工厂等理念的发展与落地，轮胎的生产正稳步向着智能制造推进。硫化是轮胎加工的末道工序，也是生产成品轮胎的关键步骤，它将预备和成型产出的生胎坯放置在轮胎模具中，在一定的温度和压力作用下，经过一定的时间，最终形成具有各种规格花纹的轮胎。轮胎的多项性能指标均取决于硫化工序的生产工艺，硫化机正是完成这道工序的终端设备。传统的机械式硫化机因合模力不稳定、横梁易变形、自动化程度低等缺陷制约了生产效率，显然无法满足轮胎智能制造的需要。

为了适应轮胎硫化工艺的智能化发展，立项开发了全钢子午轮胎智能硫化机，用以替代市场上的传统生产设备——机械式硫化机。新机型实现了全钢子午轮胎的胎坯自动运送、机械手自动装卸胎、自动硫化等生产过程，提高了轮胎生产的效率及品质。

1 设备开发思路

本款硫化机主要采用了液压+变频电机的控制模式，胎坯输送由自动输送物流小车从机器操作侧顶部输送至硫化机操作侧，定位后物流小车停止运动，下降，胎坯落至胎坯存胎器定位装置上，存胎器将胎坯自动送至机械手抓取位置，机械手下降抓取胎坯，放至中心热板，自动合模，加温加压，定时硫化，硫化完成后自动开模，卸胎机械手抓取成品轮胎放至机器后部卸胎辊道上，卸胎辊道将成品轮胎送至主运输带，输出硫化地沟，进入下道工序。

整机结构紧凑，单台机器总重约在25t左右，高度约7.3m，宽度约4.2m，机器空循环时间约200s，设计规划一条硫化地沟可布置18*2台硫化机。

2 结构设计及工作原理

设备由自动存胎器、装卸胎机械手、主机、卸胎辊道等几个主要部分组成，这些结构以自动化及一体化联动，完成轮胎硫化工艺，实现轮胎硫化的无人操作。

2.1 自动存胎器

自动存胎器的主要作用是存放生胎坯。物流小车定点投放胎坯后，存胎器承接住胎坯并输送至装胎机械手下方，确保机械手在确定位置抓取到胎坯。它既与顶部物流小车对接，又要辅助装胎机械手进行装胎，是主机与物流输送之间的过渡载体。

自动存胎器主要结构为框架式结构。存胎器由底盘、定位块、移动架、驱动机构、定位开关等组成，底盘底部安装有脚轮及定位盘，为可移动式结构，主机维修及模具更换时存胎器能够推移至其他地方，增大维修空间;移动架由定位块、移动体组成，移动架与驱动机构固连，起到移动的作用;定位块由4个锥度体组成，形成一個由大到小的锥度圆体，胎坯存放在锥度体内侧，实现规格大小的自动更换，锥度斜块起定位与支撑胎坯作用。驱动机构由变频电机、减速机、同步带组成，为胎坯移动提供动力。定位开关将检测信号反馈给控制系统，控制电机旋转与停止，使胎坯的起始与终点位置准确无误，起到准确定位胎坯位置的作用。

2.2 装胎机构

装胎机构用于将胎坯从存胎器位置抓取并安放至模具内部，目的就是用机械手来代替人工取放胎坯，实现自动装胎的功能。它的取胎坯位置是存胎器存放胎坯的位置，取胎坯后机械手带着胎坯上升旋转进入模具中心位置，下降后机械手收缩，将胎坯自动准确地安放在模具内部。

装胎机构由升降装置、旋转装置、机械手等几个部件共同组成，通过上升、下降、旋转张缩等动作完成抓取、安放胎坯的过程。

2.2.1 升降及旋转装置

升降装置与传统的水缸、油缸驱动方式明显不同。无论是水缸还是油缸，总是会存在缸体内部渗漏、外部接头漏油等问题，造成装胎油缸下滑，机械手高度不准确，从而导致无法装胎。为了解决此类问题，本次设计采用变频电机驱动的方式，即变频电机驱动滚珠丝杠，带动机械手沿固定轨道升降并通过光电开关检测传送信号，控制电机旋转与停止，满足机械手高度准确定位的功能。

旋转装置也采用了变频电机带动滚珠丝杠的驱动方式，旧机型均选用水缸或气缸推动机械手旋转并有缓冲器作为机械定位，但这种结构在动作时起步转动较慢，到达终点时又速度过快，给缓充器带来相当大的冲击，造成缓冲器损坏频繁。变频电机的驱动方式有效地解决了这个问题，在减速电机的带动下，旋转速度恒定，到达定点位置后光电开关发送信号，电机驱动机械手停止旋转，实现机械手与中心机构准确定中。

2.2.2 机械手

机械手是抓取胎坯的核心机构，能进行自动张缩的动作，爪片收缩后下降进入胎坯内部，达到一定高度后机械手自动张开，爪片的外形呈圆弧状，撑住胎坯内孔。这个动作既有对胎坯的定位作用，又能抓取胎坯。

机械手的设计采用了转盘旋转、推动滑块在圆弧槽内沿径向做直线运动的机械原理，即六个爪片固定在相应的滑块上，气缸推动转盘旋转，滑块沿着转盘上的六个滑槽做相对运动，实现爪片的自动张缩。

2.2.3 装胎机构的精度

通过整个机构的巧妙设计，装胎机构的承重能力与动作精度相对于机械式硫化机的装胎机构有着较大的提高，为机器自动化运行提供更有效的保障。

2.3 卸胎机构

卸胎机构用于将硫化后的成品轮胎从模具中取出，放置在后部卸胎辊道上。卸胎机构的结构与装胎机构类似，同样由升降装置、旋转装置、机械手等机构组合而成。但卸胎机构设置在主机后侧，在主机操作侧的对面。卸胎对高度及旋转精度要求相对较低，液压配管容易实现，故在卸胎机构中升降装置采用油缸驱动，旋转装置采用气缸驱动，简化了相应的机械传动方式。

2.4 主机加压装置

半钢硫化机主机承受的合模力来自于主机上方的增压油缸，单模压力一般在1960KN左右;机械式硫化机主机承受的合模力来自于电机，单模压力在4500KN左右;全钢智能硫化机对合模力的要求也同样要达到4500KN才能满足轮胎硫化工艺的需求，本装置设计中采用液压加压的方式来达到所需的合模力。

首先要确认增压油缸的安装位置。半钢硫化机的增压油缸在机器主框架的正上方，压力可达到1960KN，机架不发生形变。而全钢硫化机的合模力在4500KN左右，如果还是将增压装置设计在机器上方，将对机架产生严重的影响，为了确保机架不发生形变，设计中将增压缸布置于主机硫化室下托板的下方。

其次，确保合模力满足工艺要求，确认增压油缸的缸径是设计的关键。如果合模力不达标，硫化出的轮胎会出现飞边，造成轮胎缺陷，产生废胎。根据下托板的面积及结构布局，初步确认使用6个增压油缸，但使用多大直径的油缸才能达到所需要的合模力，需在设计过程中进行计算。

根据已知条件，最大合模力F1=4500KN，设定液压系统工作压力120kg/cm2，则每个油缸承受的压力为F=750KN。增压油缸缸径计算：

由P=F/S

P——液压系统工作压力

F——作用在活塞上的负载力

S——活塞有效工作面积

S=F/P         S=750×102kg/120kg/cm2=625cm2

S=πD2/4      D=28.2cm

为获取最大安全系数，取增压油缸缸径为φ310mm，

由此得：F0=PS0=PπD2/4=120×3.14×312/4=905.3KN;

根据安全系数1.1～1.2范围，905.3÷750=1.2取得安全系数是1.2为最大值，如果取安全系数最小值1.1则F=905.3/1.1=823KN

823KN≥750KN

即F0≥F

由此得出，加力油缸直径310mm，可以满足750KN的加压力。

已知柱塞的直径为φ310mm，产生750KN的油压为P

P=750×4/π·312=99.4kg/cm2

由上可知硫化时加力油缸的油压约为120kg/cm2便十分可靠。

2.5 卸胎辊道

卸胎辊道采用半钢液压硫化机的辊道方式，该结构设计了两道挡胎杆，第一道挡胎杆是对从模具中出来的轮胎进行分段控制，目的是确保轮胎能有足够时间降温冷却;第二道挡胎杆由一个电磁阀集中控制，此电磁阀接受放胎指令后统一放胎，避免轮胎在进入主运输带时相互干涉，造成主运输带上轮胎卡滞，无法正常输送。

3 设计难点分析

轮胎硫化的前道工序是成型，成型与硫化在不同的生产区域。如何取代传统的人工作业，将成型产出的胎坯自动输送到硫化区并顺利存放在硫化机的生胎存胎器上是实现整机自动化的关键点。

轮胎工厂现有的胎坯运输模式是用人力小车将车间所有的成型胎坯推送至硫化车间，再由硫化机操作工将胎坯放至硫化机存胎器上，小车上的胎坯被硫化操作工全部取走要有一个时间段，故硫化车间需要配备一定数量的辅助工和大量小车，硫化机工作场地也常常被胎坯小车占据了很多位置。经过研讨，将方案细化分解，着重落实以下几方面的问题：

3.1 成型生产区域胎坯的自动收集

参考一些先进的轮胎厂自动化物流运输经验，在成型车间配备了悬挂链输送体系，这套体系可以使成型机产出的胎坯在车间顶部（成型机器上方）流水线运送，最终送至指定的位置区域。

3.2 设立胎坯自动存放与交换区

成型自动输送过来的胎坯需要一个固定的地方存贮，硫化工序也可以到此处取走胎坯，这就要求在成型与硫化两道工序之间建立一个交换平台，以满足成型与硫化的工序切换。经过缜密讨论，此交换区设置在硫化生产区域的起始端（紧临成型区），在存放与交换平台内，成型送来的胎坯经过爬坡、对中等多种运送模式到达取胎坯区等待下一步动作。

3.3 自动取胎坯物流小车

在硫化机生产区域车间顶部（硫化机上方）设置了固定的轨道，然后由物流小车沿着固定轨道到胎坯存放与交换区取胎坯，取到胎坯的物流小车承载着胎坯在固定轨道上行走，地面的硫化机与物流小车由MES系统传送信号，如果存胎器上缺少胎坯，物流小车在指定位置下降，将胎坯放至硫化机存胎器上，再上升后快速返回至胎坯存放与交换区，继续抓取胎坯。

4 动作程序

18*2台全钢智能硫化机呈Ⅱ状一字排开，物流小车从胎坯存放点取走胎坯后，沿着设定的轨道前进到达指定放胎坯位置，自动停止，向下放胎坯，自动存胎器接取胎坯，垂直移动至装胎位，装胎机械手动作，向下抓取胎坯，上升并旋转，下降放胎，中心机构充气定中，硫化室合模，加温、加压进行硫化。硫化结束，卸胎机械手下降转进取胎，取胎后上升、旋转、下降，将成品轮胎放至卸胎辊道，卸胎辊道动作，将轮胎输送到第一道存放位，一定时间后再输送到第二个存胎位，最后集中统一放胎，完成整个轮胎硫化工序。在卸胎完成的同时，前面接取胎坯及装胎已开始进入下一轮动作程序。

5 智能硫化机优势比较

5.1 设备特色

全钢智能硫化机在方案设计上充分考虑了智能化发展的需要，无论是存胎器还是卸胎辊道均可以实现无人操作，整机设计具有以下亮点：

5.1.1 实现自动接取胎坯

存胎器能够自动从物流小车上接取胎坯并输送至存胎位，解决了旧式硫化机人工推送小车转运、人工搬卸运胎坯的人力耗费。

5.1.2 装胎定位更加精准

装胎机构上下及旋转均采用变频电机驱动的方式，不再沿用水缸、油缸或气缸的模式，使定位更加精确，之前的油缸、水缸等跑冒滴漏现象、缓冲器频繁更换得以杜绝，稳定性及自动化程度进一步提高。

5.1.3 往复运动精度提高

开合模运动垂直上下，呈直线运动状态，避免了模型翻转和水平移位等动作，减少卡滞、磨损等常见維护问题，往复运动精度提高，零部件寿命亦相应提高。

5.2 相对优势

与机械式硫化机相比，全钢智能硫化机在产能效率、经济效益等方面也大大提高。

5.2.1 开合模时间缩短

机器采用垂直升降的动作，使开合模动作简化，开合模的时间相对于机械式硫化机可缩短25%左右，提高了生产效率。

5.2.2 维护大修工作减少，寿命提高

机械结构的简化大大降低了主机构件磨损的风险，大修周期由5年延长至10年，既延长了机器寿命又提高了生产效率。

5.2.3 人工成本降低

机械式硫化机一条地沟36台硫化机需要6个操作工和4个辅助工，而全钢智能硫化机则只需要1～2个操作工在电脑前监视或巡检即可，节省了人工成本。

6 结束语

全钢智能硫化机是目前市场上自动化程度较高的硫化机，完全可以满足轮胎工厂硫化工序智能制造的生产需求。机器各运动构件较少或不存在法向力，可长期保持精度稳定不变，维护保养工作量减少，停机检修时间缩短，提高了机器生产的效率;主机为刚性框架式结构，不易变形，安装运输方便，设备基础制作也相对简单;机器自动化的实现摆脱了人工操作的困扰;整机各项精度技术指标达标，能适应多规格、小批量的生产，更有助于轮胎企业工业自动化的快速推进与发展，深受客户与市场认可。

参考文献：

[1]橡胶工业手册（第九分册）[M].橡胶机械，1992.

[2]HG/T 3236-2006.中华人民共和国化工标准[S].北京：中国标准出版社，2007.