钢丝圈挤出缠绕生产线覆胶机头结构优化设计

钢丝圈挤出缠绕生产线覆胶机头结构优化设计
吕炜帅
（天津机电职业技术学院，机械学院，天津，300350）
摘要：以钢丝圈挤出缠绕生产线覆胶机头为例，针对实际生产过程中出现流道体变形问题，对覆胶机头提出两种优化设计方案，并对其进行结构有限元分析比较。

结构表明，两种改进方案都能有效控制流道体工作过程的变形与应力集中，并经比较选取最佳产品设计方案，这对保障钢丝覆胶过程中机头稳定运行、钢丝均匀覆胶具有重要意义。

关键词：钢丝圈；挤出；覆胶；机头
随着轮胎工业的迅猛发展，胎圈生产中钢丝的需求量不断增加，为满足轮胎低阻力、轻量化、高寿命要求，轮胎企业对胎圈钢丝性能的要求也越来越高。

钢丝与橡胶之间的黏合力是胎圈钢丝在轮胎中的主要特性指标之一，但在使用过程中钢丝圈覆胶环节偶尔存在露铜、散圈、覆胶工艺性能差的问题，这将造成大量钢丝的报废[1-3]。

经研究，影响胎圈钢丝黏合力的因素很多，主要有钢丝镀前的表面处理和钢丝表面的化学镀层质量[4]。

此外，若想实现钢丝排列整齐、紧密，覆胶厚薄均匀、粘合性能好，强度高的钢丝圈，并获得外观光滑平整，包布级差均匀，平衡性和挺性好的优质性能，这必须对钢丝圈挤出缠绕生产线中挤出机覆胶环节的机头进行合理化设计。

钢丝圈的制造通常通过钢丝圈挤出缠绕生产线实现，主要有钢丝导开装置、钢丝去污装置、钢丝加热装置、钢丝覆胶装置、扩口装置、钢丝牵引储丝装置、钢丝收缩装置、预弯曲装置、缠绕装置和卸圈接圈装置十个部分组成。

钢丝圈挤出缠绕生产线的生产过程中胎圈制品常见问题：
（1）胎圈排列易乱；
（2）胎圈内径误差较大；
（3）胎圈椭圆度较大；
（4）出现搭头翘头。

除此之外，覆胶机头的口型板、排丝板皆属于易损件，钢丝带挂胶厚度和宽度经常存在尺寸不均。

而上述问题的产生，一方面与钢丝质量、钢丝表面锈渍以及胶料的物理性能有关；另一方面与钢丝圈在挤出生产过程中挤出机机头的结构合理化设计密切相关，如钢丝覆胶直径方向厚度不均，圆柱度差等问题[5]。

这些都直接影响成型与硫化环节的相关精度，进而影响成品轮胎的生产质量。

作者简介：吕炜帅（1985~），男，汉族，山东诸
城人，天津机电职业技术学院教师，工程师，硕士，
发表论文数十篇，主要从事高分子材料加工机械、数
控加工、3D打印技术科研与教学。

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图1 钢丝圈挤出缠绕生产线
1 覆胶机头结构设计
覆胶机头在实际工作过程中，由于胶料经螺杆推动进入机头流道体，由于流道体内部穿丝板、口型板结构对胶料流体的导向作用，流道体内部在胶料的压力推动下容易产生鸭嘴式变形，无法实现正常生产。

为解决这一问题，研究中运用三维设计软件Inventor 对钢丝圈挤出缠绕生产线挤出机机头进行三维设计，并利用其有限元应力分析模块进行结构分析。

1.1模型建立
钢丝圈覆胶挤出机的应用以及机头模型如图2所示。

挤出机为φ65mm 冷喂料挤出机。

挤出机最大挤出能力：150kg/h ，此数据按胶料允许最高排胶温度和挤出制品断面尺寸而定。

挤出机机头主要由①转架、②顶杆、③框架板、④流道体、⑤螺杆连接体组成。

机头通过顶杆足够的预紧力，通过顶杆和框架板固定作用保证流道体及内部部件与螺杆连接体的紧密连接。

1.2边界条件确定
在进行三维计算时，基于流场的几何形状、物料性质、流动状态、加工条件等因素造成的流场复杂性，同时流动过程能满足工程的近似要求，通常做以下基本假设[6]：
①物料完全充满整个流道体；
②流体为稳定流动，即流动过程与时间无关； ③流体为等温流动，即流场中各点温度相同，各物性参数不变；
④流体为层流流动，雷诺数较小；
⑤流体的惯性力、重力等体积力远小于粘滞力，可忽略不计；
⑥由于物料为橡胶； ⑦流体的壁面无滑移； ⑧流体为非牛顿流体。

机头压力14~16Mpa ，螺杆温度为70℃，机头胶料温度85℃。

经计算，顶杆的推力为269000N 。

图
2 钢丝圈挤出缠绕生产线中覆胶装置及挤出机机头
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图3 钢丝圈挤出缠绕生产线中覆胶装置及挤出机机头
2 覆胶机头结构优化
针对流道体工作过程中鸭嘴式开口变形问题，为保证覆胶机头实现正常工作，对原有结构进行优化设计，并提出两种方案。

方案一为对螺杆连接体进行改造，将其与流道体接触表面进行铣削深度3mm 沟槽，保证流道体原有开口方向进行约束；方案二为在机头框架板上下各增加两个M10螺纹孔，并通过螺钉进行约束限制流道体的工作变形。

具体方案结构形式如图4和图5所示。

并通过有限元对机头结构进行优化分析。

图4 钢丝圈挤出缠绕生产线中覆胶挤出机机头结构优化设计方案一
图5 钢丝圈挤出缠绕生产线中覆胶挤出机机头结构优化设计方案二
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3 覆胶机头有限元比较分析 为更好的验证两种优化方案的结构特点，对其结构性能进行比较分析，具体分析结果如 图6~图11所示。

图
6 覆胶挤出机机头优化设计方案一位移变化云图
图7 覆胶挤出机机头优化设计方案二位移变化云图
通过图6和图7两种方案位移变化云图可见，优化后的两种方案能够有效的降低钢丝覆胶过程中机头的变形。

而且，变形较大区域存在于流道体内部，这是由于流道体中，胶料流动过程中产生的强大压力，带来的结构变形。

方案二中，变形区域除流道体内部外，较集中于框架板，这是由于增加的螺钉虽可实现一定的预紧力，控制流
道体的变形，但由于作用力同时受到流道体内部胶料作用下的不均衡作用力，产生框架板的变形。

经比较发现，在方案一中，通过对螺杆连接体的修正，可实现更加稳定的机头结构工作过程中产生的变形。

方案二中，通过螺钉的固定也可有效的控制原有的变形，但相比之下，方案一中的优化结构方案，位移变化更小，结构更加合理。

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图
8 覆胶挤出机机头优化设计方案一等效应力变化云图
图9覆胶挤出机机头优化设计方案二等效应力变化云图
通过图8和图9可见，优化后的两种结构方案，应力与应变更多集中在流道体尾部，这是由于覆胶机头中顶杆对流道体在螺栓预紧力作用下的推力所致，在顶杆作用下，当机头流道体内部胶料
流动过程中产生流道体在压力作用下的变形，由于顶杆的螺纹预紧力作用，可有效保证流道体与螺杆连接体的紧密贴合。

图10 覆胶挤出机机头优化设计方案一安全系数云图
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图11 覆胶挤出机机头优化设计方案二安全系数云图
通过图10和图11覆胶挤出机机头安全系数云图可见，危险区域主要集中在螺杆连接体、流道体以及固定螺钉相关区域。

对于方案一中，由于整个覆胶机头是通过螺杆连接体与挤出机固定约束，而且框架板通过螺杆连接体进一步固定流道体，而流道体又在顶杆作用下挤压固定，故而出现云图中安全系数显示值。

且最危险区域为流道体与顶杆接触区域，这样进一步说明顶杆位置螺纹预紧力在机构设计过程中要求严格。

对于图11方案二中，危险区域除方案一中所述位置外，由于此优化结构方案为通过增加螺钉实现对流体体变形的控制，故而螺钉的预紧力要求严格，通过云图可见，此方案中，螺钉的合理化选型与寿命是结构设计的关键所在。

4 总结与展望
覆胶挤出机机头是钢丝圈挤出缠绕生产线中的重要部分，覆胶机头的合理化设计是实现质量稳定的钢丝覆胶的有效保障，同时也是保障轮胎成型贴合质量，实现轮胎成品性能优化的重要基础。

4.1覆胶机头的平稳运行，特别是流道体的结构稳定是实现钢丝覆胶厚度均匀，最终实现轮胎生产高效、高质生产的有效保障；
4.2通过对覆胶机头结构有限元分析发现，钢丝覆胶工作过程产生的强大压力对机头流道体及连接结构产生较大的应力变形；
两种机头的优化设计方案都能有效的实现机头工作过程的平稳运行，相比之下，对流道体的结构改进能够更好的控制覆胶机头工作过程机头结构的稳定性。

参考文献：
[1]张文.钢丝圈质量缺陷分析与改进[J].轮胎工业,2003(11):684-685.
[2]胡廷飞.全钢载重子午胎钢丝圈常见缺陷分析及解决措施[J].中国橡胶,2007(09):30-31.
[3]张苗,杨维建,胡录伟,袁德彬.全钢载重子午线轮胎胎圈钢丝挂胶配方优化设计[J].中国橡胶,2013,29(13):43-45. [4]杭卫明,张守东,刘天亮.影响胎圈钢丝黏合力因素的研
究[J].金属制品,2015,41(01):32-34.
[5]叶强,霍占东,雷振,李凤威,纪丽丽.全钢载重子午线轮胎胎圈大边原因分析及解决措施[J].轮胎工业,2018,38(11):695-697.
[6]吕炜帅,边慧光.POLYFLOW 在橡胶挤出机流道研发设计中的应用[J].现代橡胶技术,2018,44(03):34-38.。