杨慧丽，刘玉龙，丁振堂，刘云成

(软控股份有限公司，山东 青岛 266045)

0 引言

近几年，中国轮胎企业发展迅速，众多企业在国内外持续扩张提升产能，抢占市场。与之相对应的，对于轮胎生产制造设备的需求也逐年攀升。轮胎硫化是轮胎生产制造的关键环节，完成该工序的核心设备为硫化机，其稳定及可靠程度影响整个轮胎生产的效率及最终产品的质量。

计算机辅助工程技术（CAE）作为现代机械产品设计的有效手段，在硫化机关键部套的强度疲劳分析及温度场仿真方面也得到广泛应用。冯水安[1]利用ANSYS建模对液压双层力车胎硫化机的主体框架进行了应力分析，有效地提升结构强度，减少部套材料使用；刘才生[2]则利用Ⅰ-DEAS对巨型胎硫化机底座进行仿真校核，并实现结构的优化设计。李军亮等[3]研究了硫化机螺旋锁模系统升降螺母螺纹受力情况，对指导硫化机锁模系统的设计和疲劳寿命评估有重要意义。杨传远、管业峰[4]和徐京豫、孙宝寿等[5]学者分别利用传热仿真技术对硫化机热板温度场及均匀性进行了创新性研究，对改善热板温度均匀性提供有力指导。而赵永瑞等[6]人则采用ANSYS实现对硫化机活络模模具的结构优化设计，有效地提升了模具温模效率，同时模具的温度均匀性和对称性也得到了良好的改善。

此外，有山东大学的邢晓静[7]对硫化机整机主承力部套的强度及有关受热部件的热应力进行了仿真计算，从而指导现有结构的优化改进；广东工业大学的朱胜娟[8]则建立了硫化机架体的参数化模型，并开展了强度及热-力耦合计算。

可见，在硫化机产品的结构设计方面，CAE仿真技术获得众多学者的认可，也产生非常多成熟的研究成果。本文以某硫化机关键件——锁模套为研究对象，从产品现场紧固螺栓的失效为研究切入点，通过结构强度及疲劳仿真技术分析螺栓失效原因，并对锁模套组件结构及螺栓布置形式进行优化改进，有效地提升锁模装置的强度及疲劳寿命，实现硫化机产品可靠性和稳定性的改善。

1 螺栓失效问题描述

轮胎在硫化过程中存在开、合模及保压等主要工况，各工况的切换通常基于锁杆和锁模套的不同连接状态实现。图1给出了双瓣锁模套的三维结构模型，通过紧固螺栓连接上、下面与锁模套盖板使其成为一个整体。图1所示为锁模组件之间的装配关系，当锁模套与锁模杆贴合之后油缸进行合模加载，实现硫化和保压工况；当锁杆旋转一定角度之后，各锁齿之间错位分离进而实现开模。

整个轮胎硫化过程中，硫化机不断的重复“开模-合模-保压”循环工况，其中在合模及保压工况下，单组锁模组件将承受近几十吨的等效负载。基于实际现场反馈，在硫化机循环到一定次数之后出现紧固螺栓的断裂故障，断裂情况如图2所示，从断口可以明显看出存在疲劳源及瞬间断裂区，初步判定螺栓存在疲劳失效。

针对上述紧固螺栓的断裂故障，建立CAE仿真模型分析断裂原因，考察各关键部件在合模工况下的应力及变形状态，并完成故障问题的结果复现。

2 仿真计算与结果分析

2.1 静力学计算

针对断裂故障建立仿真分析模型，建模过程主要包括几何简化、材料及网格选择、接触及约束设置。

（1）几何简化

硫化机整机模型较为复杂，模型包含众多工艺、装配附件以及微小几何特征，考虑计算目的及计算精度对模型进行简化处理，删除不必要的小孔及圆、倒角，同时由于整机的对称性，选择1/4模型进行计算，提高计算效率。

（2）材料及网格选择

计算中主要材料涉及Q235及42CrMo，其材料属性参数如表1所示。

表1 材料属性参数表

各部件计算采用实体单元，其中螺栓、锁模套及锁模套盖板采用二次四面体单元，其他部件采用六面体单元，最终分析模型包含节点数567 054个，实体单元397 704个。

（3）接触及约束设置

模型之间建立接触关系实现载荷的传递。在锁模套及锁模杆之间设置可滑动的面-面接触，考虑锁模套盖板与锁模套的平均设计间隙。此外，油缸杆与锁模套径向平均间隙在计算中也予以考虑，其他连接区域则视为无相互滑动的绑定关系。

本计算中包含两组工况：

（1）Step1—完全泄压工况，受重力和紧固螺栓预紧力作用；

（2）Step2—保压工况，受合模力、重力和紧固螺栓预紧力作用。

由于计算模型为对称模型，因此需要设置对称边界条件，同时将与机座连接的螺栓孔进行固定，边界条件施加结果如图3所示。

2.2 结果分析

通过仿真计算获得结构变形及应力结果，下面分别针对结构变形及应力进行分析。

（1）变形结果分析

图4（a）所示为结构变形全局放大示意图，黑色虚线表示未变形前，在合模力作用下，上主板向下弯曲，下主板向上弯曲，锁模杆、锁模套以及油缸杆向中心倾斜。

图4（b）为锁模套和锁模套盖板紧固螺栓局部变形放大图，通过图4（b）可以看出锁模套上部在合模力作用下发生外翻变形，锁模套紧固螺栓发生弯曲变形，由此产生的弯曲应力应该是导致螺栓失效的一个原因。

（2）应力结果分析

由于应力幅对结构疲劳寿命的影响最为关键，所以主要考察合模力对螺栓载荷的影响，即Step2的应力减去Step1的应力，如公式(1)所示。应力云图如图5所示，以Δσ作为后续改进措施效果的评价。

结合变形和应力分析，可以大致得出螺栓失效的原因为合模力作用下，锁模套上部区域外翻变形，导致锁模套紧固螺栓发生弯曲变形，在螺纹旋合初始位置产生弯曲应力。整个硫化过程中，螺栓在弯曲应力的反复作用下导致疲劳断裂失效。

图6云图为螺栓危险区域相对位置，大致处于螺栓与锁模套旋合起始位置，与实际故障现象基本吻合。

3 锁模套结构优化改进

3.1 改进方案说明

经过对初始结构紧固螺栓失效的分析，采取相应的措施对结构进行优化改进，提出以下4种改进方案（如图7所示）：

（1）增加四颗Φ10圆柱销，圆柱销与销孔配合为Φ10H7/m6，销钉长度30 mm。

（2）锁模套与锁模套盖板圆柱接触面由间隙配合改为过渡配合。

（3）锁模套壁厚增加10 mm，过渡圆角增大3 mm，此时螺栓由M8改为M12，螺栓等级为8.8级。

（4）综合考虑B与C方案，B+C组合。

3.2 改进方案强度分析

以作为评价改进效果的指标，分别对各个改进方案进行评估分析，螺栓应力值改进效果如图8所示。对比各个方案与初始故障问题方案对比，其对比结果如图9所示。

结合图8和图9可以看出，方案A改进效果不明显，方案B和方案C有良好的改进效果。考虑实际情况，方案B改动小，周期短，方案C改动大，周期长。以方案B和方案B+C作为暂定后续改进方案，并进行其余风险点的探测分析。

图10为各个方案锁模套盖应力云图，改进措施B，在锁模套盖板与锁模套之间配合改为过渡配合之后，锁模套盖板承受的力增加，在螺栓台阶孔侧壁区域应力达到334 MPa，超出材料屈服强度235 MPa，存在极大的断裂破坏失效风险，建议不采用方案B。改进措施B+C，锁模套盖板台阶孔侧壁的应力水平在限值以内，满足要求。

3.3 改进方案疲劳分析

通过5节分析对比，我们选用方案D（组合B+C）作为最终优化方案，考虑到结构的疲劳寿命要求（无限疲劳寿命设计），我们基于德国FKM标准对组合部套进行疲劳寿命计算。

疲劳计算应力输入来源于泄压和保压工况（Step1和Step2）。锁模杆和锁模套均采用材料42CrMo，参照国家标准，材料最小抗拉强度为800 MPa，材料最小屈服强度为550 MPa。螺栓等级为ⅠSO 8.8级，材料最小抗拉强度为800 MPa，材料最小屈服强度为640 MPa。其余材料疲劳性能参数根据FKM标准生成。

图11为方案D（组合B+C）螺栓和锁模套高周疲劳安全系数计算结果云图，最小安全系数分别为1.3和1.4，满足设计要求。结合实际反馈，采用该方案现场实施效果良好，未出现同类故障问题。

4 结论

针对硫化机关键部套的紧固螺栓断裂问题进行CAE仿真故障复现和详细分析，总结出以下结论：

（1）锁模套紧固螺栓失效的原因为硫化机在循环开合模工况作用下，锁模套紧固螺栓发生弯曲变形，在螺纹旋合初始位置产生反复的弯曲应力，从而导致螺栓发生疲劳失效。

（2）采用将锁模套与锁模套盖板圆柱接触面由间隙配合改为过渡配合，同时增大锁模套壁厚及圆角的设计方案，能够使螺栓应力大小减小近66%。

（3）该优化方案中各关键部件设计达到无限寿命设计要求，现场效果运行良好，未再发现同类故障问题，有效地提升硫化机产品的稳定性。