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摘要：针对子午线轮胎成型机胎体接取传送装置存在的不足，从轻量化结构角度，提出了导柱和夹持爪组件的轻量化设计方案。应用Netfabb软件，对二者进行轻量化设计分析。分析结果表明，导柱和夹持爪组件的轻量化设计方案均可行，导柱和夹持爪组件分别减重51.9%和30.2%。
Abstract： For the shortage of the transfer device of the body of carcass in the agricultural radial tire building machine， the lightweight design schemes for guide pillar and gripper are put forward from the perspective of lightweight. The application of UG software， the lightweight design for guide pillar and gripper are analyzed. The analysis results show that the lightweight design schemes for guide pillar and gripper are feasible， weight reduction of guide pillar and gripper are 51.9%and 30.2% respectively.
关键词：子午线轮胎成型机;胎体接取传送装置;轻量化设计;Netfabb
Key words： radial tire building machine;body of carcass;lightweight design;Netfabb
0 引言
福建建阳龙翔科技开发有限公司是一家集科研开发、生产制造、营销服务一体化的创新型企业，其产品远销欧美等国家，子午线轮胎成型机是公司的主导产品之一。早期，子午线轮胎通常采用二段成型法进行生产，为了提高生产效率、保证产品质量，同时降低劳动强度，公司成功开发出二段一次法子午线轮胎成型机[1]和巨型农用轮胎成型机胎体接取传送装置[2]，即将在一段机成型鼓上完成胎料贴合的轮胎胚胎（即胎体）通过胎体接取传送装置接取并传送至二段机贴合鼓，从而大大提高产品精度。针对胎体接取传送装置存在重量较大、费材耗能的问题，采取减少夹持爪组件数量和减轻导柱重量两个方向进行优化[3]。本文从轻量化设计角度，以某型号子午线轮胎成型机为例，应用Netfabb软件，对夹持爪组件和导柱进行轻量化设计分析，寻求其减重、节材、降耗的解决方案。
1 胎体接取传送装置
该型号子午线轮胎成型机的胎体接取传送装置由环体、夹持爪组件、伺服电机组件、底板等主要零件组成，如图1所示。其中，夹持爪组件包括夹持片、导柱、转接座、齿条等零件，如图2所示。工作时，伺服电机组件带动齿条运动，驱动转接座、导柱、夹持片运动，最终通过夹持爪组件伸缩实现对胎体的夹持与松开。
2 轻量化设计方案
目前，轻量化设计通常有轻量化材料和轻量化结构等途径，轻量化结构则有轻量化晶格模型[4]和轻量化拓扑优化设计[5]两种方式，本文从轻量化晶格模型切入，对导柱和夹持爪组件进行轻量化设计。
导柱和夹持爪组件材料均为45钢，屈服强度为355MPa，密度7.85e3kg/m3，彈性模量210GPa，泊松比0.269。
2.1 导柱轻量化设计
导柱外形大致是一个尺寸为340×200×80mm的长方体，左侧面均布载荷0.45MPa，方向朝右，Hexagon晶格，图3所示为导柱内部晶格参数设置和载荷工况。
2.2 夹持爪组件轻量化设计
夹持爪组件载荷：夹持片左侧面均布载荷0.1MPa，齿条右侧面均布载荷2MPa，Hexagon晶格，图4所示为夹持爪组件内部晶格参数设置和载荷工况。
3 轻量化设计结果分析
应用Netfabb软件对导柱和夹持爪组件分别进行轻量化设计。
3.1 导柱轻量化设计结果分析
图5（a）为导柱整体轻量化设计结果，（b）为隐藏外部表皮导柱内部晶格情况。从图中可以看出，导柱进行轻量化设计后，其最大应力为7.7MPa，最大应力集中在靠近导柱两端。对于45钢，其屈服极限σs为360MPa（20℃），因此轻量化后的结构方案能满足强度要求。
然后，对导柱轻量化设计前后的重量进行分析。轻量化设计前导柱体积为5.352485e+06mm3，质量为42.016kg;轻量化设计后体积为2.575318e+06mm3，质量为20.216kg，质量降低了51.9%。
3.2 夹持爪组件轻量化设计结果分析
图6（a）为夹持爪组件整体轻量化设计结果，（b）为隐藏外部表皮夹持爪组件内部晶格情况。从图中可以看出，夹持爪组件进行轻量化设计后，其最大应力为15.36MPa，最大应力集中在夹持片与导柱两个零件的交接处。对于45钢，其屈服极限σs为360MPa（20℃），因此轻量化后的结构方案能满足强度要求。
然后，对夹持爪组件轻量化设计前后的重量进行分析。轻量化设计前夹持爪组件体积为8.619404e+06mm3，质量为67.662kg;轻量化设计后体积为6.019528e+06mm3，质量为47.253kg，质量降低30.2%。
4 结论
本文基于对子午线轮胎成型机胎体接取传送装置节材减重角度，对导柱和夹持爪组件进行轻量化设计，分析结果表明：①导柱轻量化设计化方案满足强度要求，优化后减重21.801kg，减重51.9%，该方案可行。②夹持爪组件轻量化设计化方案也满足强度要求，优化后减重20.409kg，减重为30.2%，该方案亦可行。
通过对胎体接取传送装置的轻量化设计，在用材、生产、运输、使用等各个环节实现节材降耗，体现了基于低碳、环保理念的产品绿色设计，具有较好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]戴造成，沈国雄，刘杰.二段一次法子午线轮胎成型机.中国专利，204640836U，2015-05-23.
[2]戴造成.巨型农用轮胎成型机胎体接取传送装置.中国专利，205326319U，2016-02-01.
[3]伊启中，戴造成，谢济兴，等.农用子午线轮胎成型机胎体接取传送装置优化设计[J].价值工程，2019，38（27）：148-150.
[4]袁磊.面向3D打印的轻量化结构研究[D].内蒙古工业大学，2019.
[5]张聪，贾德君，李范春，等.三体船横舱壁拓扑优化设计及力学分析[J].哈尔滨工程大学学报，2020（06）：1-8.
Abstract： For the shortage of the transfer device of the body of carcass in the agricultural radial tire building machine， the lightweight design schemes for guide pillar and gripper are put forward from the perspective of lightweight. The application of UG software， the lightweight design for guide pillar and gripper are analyzed. The analysis results show that the lightweight design schemes for guide pillar and gripper are feasible， weight reduction of guide pillar and gripper are 51.9%and 30.2% respectively.
关键词：子午线轮胎成型机;胎体接取传送装置;轻量化设计;Netfabb
Key words： radial tire building machine;body of carcass;lightweight design;Netfabb
0 引言
福建建阳龙翔科技开发有限公司是一家集科研开发、生产制造、营销服务一体化的创新型企业，其产品远销欧美等国家，子午线轮胎成型机是公司的主导产品之一。早期，子午线轮胎通常采用二段成型法进行生产，为了提高生产效率、保证产品质量，同时降低劳动强度，公司成功开发出二段一次法子午线轮胎成型机[1]和巨型农用轮胎成型机胎体接取传送装置[2]，即将在一段机成型鼓上完成胎料贴合的轮胎胚胎（即胎体）通过胎体接取传送装置接取并传送至二段机贴合鼓，从而大大提高产品精度。针对胎体接取传送装置存在重量较大、费材耗能的问题，采取减少夹持爪组件数量和减轻导柱重量两个方向进行优化[3]。本文从轻量化设计角度，以某型号子午线轮胎成型机为例，应用Netfabb软件，对夹持爪组件和导柱进行轻量化设计分析，寻求其减重、节材、降耗的解决方案。
1 胎体接取传送装置
该型号子午线轮胎成型机的胎体接取传送装置由环体、夹持爪组件、伺服电机组件、底板等主要零件组成，如图1所示。其中，夹持爪组件包括夹持片、导柱、转接座、齿条等零件，如图2所示。工作时，伺服电机组件带动齿条运动，驱动转接座、导柱、夹持片运动，最终通过夹持爪组件伸缩实现对胎体的夹持与松开。
2 轻量化设计方案
目前，轻量化设计通常有轻量化材料和轻量化结构等途径，轻量化结构则有轻量化晶格模型[4]和轻量化拓扑优化设计[5]两种方式，本文从轻量化晶格模型切入，对导柱和夹持爪组件进行轻量化设计。
导柱和夹持爪组件材料均为45钢，屈服强度为355MPa，密度7.85e3kg/m3，彈性模量210GPa，泊松比0.269。
2.1 导柱轻量化设计
导柱外形大致是一个尺寸为340×200×80mm的长方体，左侧面均布载荷0.45MPa，方向朝右，Hexagon晶格，图3所示为导柱内部晶格参数设置和载荷工况。
2.2 夹持爪组件轻量化设计
夹持爪组件载荷：夹持片左侧面均布载荷0.1MPa，齿条右侧面均布载荷2MPa，Hexagon晶格，图4所示为夹持爪组件内部晶格参数设置和载荷工况。
3 轻量化设计结果分析
应用Netfabb软件对导柱和夹持爪组件分别进行轻量化设计。
3.1 导柱轻量化设计结果分析
图5（a）为导柱整体轻量化设计结果，（b）为隐藏外部表皮导柱内部晶格情况。从图中可以看出，导柱进行轻量化设计后，其最大应力为7.7MPa，最大应力集中在靠近导柱两端。对于45钢，其屈服极限σs为360MPa（20℃），因此轻量化后的结构方案能满足强度要求。
然后，对导柱轻量化设计前后的重量进行分析。轻量化设计前导柱体积为5.352485e+06mm3，质量为42.016kg;轻量化设计后体积为2.575318e+06mm3，质量为20.216kg，质量降低了51.9%。
3.2 夹持爪组件轻量化设计结果分析
图6（a）为夹持爪组件整体轻量化设计结果，（b）为隐藏外部表皮夹持爪组件内部晶格情况。从图中可以看出，夹持爪组件进行轻量化设计后，其最大应力为15.36MPa，最大应力集中在夹持片与导柱两个零件的交接处。对于45钢，其屈服极限σs为360MPa（20℃），因此轻量化后的结构方案能满足强度要求。
然后，对夹持爪组件轻量化设计前后的重量进行分析。轻量化设计前夹持爪组件体积为8.619404e+06mm3，质量为67.662kg;轻量化设计后体积为6.019528e+06mm3，质量为47.253kg，质量降低30.2%。
4 结论
本文基于对子午线轮胎成型机胎体接取传送装置节材减重角度，对导柱和夹持爪组件进行轻量化设计，分析结果表明：①导柱轻量化设计化方案满足强度要求，优化后减重21.801kg，减重51.9%，该方案可行。②夹持爪组件轻量化设计化方案也满足强度要求，优化后减重20.409kg，减重为30.2%，该方案亦可行。
通过对胎体接取传送装置的轻量化设计，在用材、生产、运输、使用等各个环节实现节材降耗，体现了基于低碳、环保理念的产品绿色设计，具有较好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]戴造成，沈国雄，刘杰.二段一次法子午线轮胎成型机.中国专利，204640836U，2015-05-23.
[2]戴造成.巨型农用轮胎成型机胎体接取传送装置.中国专利，205326319U，2016-02-01.
[3]伊启中，戴造成，谢济兴，等.农用子午线轮胎成型机胎体接取传送装置优化设计[J].价值工程，2019，38（27）：148-150.
[4]袁磊.面向3D打印的轻量化结构研究[D].内蒙古工业大学，2019.
[5]张聪，贾德君，李范春，等.三体船横舱壁拓扑优化设计及力学分析[J].哈尔滨工程大学学报，2020（06）：1-8.