第46卷 第2期
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作者简介：吕炜帅（1985-），男，硕士，工程师，主要从事数控加工机械相关教学以及高分子材料加工机械、3D 打印技术方向研究。
收稿日期：2018-12-17
0 前言
[1]
。为响应“中国制造2025”
战略，践行传统制造业转型升级，国内轮胎行业正在通过生产装备的高端化来提升产品质量，通过轮胎
生产智能化和信息化提高生产效率，最终实现智能制造
[2]
。于是融合创新理念、协同发展、智能生产、绿
环保要素的轮胎行业智能制造与绿制造工厂开始脱颖而出，当前轮胎行业的发展已进入全新发展的新阶段
[3~5]
。在轮胎智能工厂中，“轮胎物流自动化系统”
实现了设备的串联、系统的集成，并通过数据采集与处理实现了智能管理，实现了设备的协同与高效运转。然而要实现轮胎工业高端装备技术与连续可靠的自动化生产，轮胎制品运输工装的合理化设计在其中发挥着重要作用。
在轮胎生产过程中，虽然大多数生产设备都是标准产品，所配置的工装结构也基本相似，但是由于不同轮胎企业的产品结构不同，操作习惯不一样，导致其工装的配置与应用不同
[6~7]
。
1 轮胎半部件生产与运输中的工装应用
1.1 工字轮
目前，在现有的子午线轮胎制造过程中，对于全钢丝载重子午线轮胎，为提高其承载能力，在轮胎结
构设计过程中，通常增加带束与补强层半部件，成型所需的带束层与补强层半制品通常在半制品生产工序生产后卷取在导开小车的工字轮上，然后被运输到成型工序。对于半钢子午线轮胎企业挤出联动生产线中，胎侧、垫胶等也通常采用工字轮收取工艺生产半制品。而对于一些全钢轮胎企业在传统生产工艺中胎面、胎侧、子口包布、内衬层以及胎体帘布都在采用工字轮作为半部件生产工装。
但对于工字轮的结构设计，当前不同轮胎企业采用工装结构形式不同。但在实际生产使用过程中，当工字轮导开或卷取时，一方面工字轮内侧的表面处理污染制品，另一方面由于工字轮频繁运行，工字轮侧板及其与中间支撑圆柱轴的连接易损坏，此外，工字轮通常需要通过方杠固定在导开小车上，故方杠穿越工字轮位置易损坏，从而导致工字轮运行时产生较大波动，故而在一定程度上影响此生产环节的工艺生产要求。
此外，对于工字轮收取制品工艺方式，工字轮由于需要在厂房中滚动至指定区域存放，因此，工字轮
高强度的使用寿命，合理结构的转向成为工字轮设计的关键。表1为当前轮胎行业不同企业采用的工字轮结构形式。
轮胎智能生产中工装的设计应用
吕炜帅
(天津机电职业技术学院机械学院，天津 300350)
摘要：以轮胎半部件生产工装为研究对象，结合轮胎智能制造物流自动化应用背景，对不同企业生产工艺与工装结构进行性能比较，并对工装设计中脚轮的选型应用进行试验研究。结果表明：合理工装工艺有助于推进轮胎生产的模块化与标准化，合理的工装结构设计可有效降低工人劳动强度，提高产品的生产效率，是实现轮胎企业高质量与绿发展，以及轮胎智慧工厂构建的重要基础。
关键词：轮胎；工装；智能制造
中图分类号：TQ330.493
文章编号：1009-797X(2020)02-0052-06
文献标识码：B DOI:10.13520/jki.rpte.2020.02.010
经表1分析，工字轮合理的结构设计，既要满足工艺尺寸生产要求，又要保证自身结构轻量化设计，并实现高强度运输，对于表中工字轮结构4，外圆通过翻边+圆钢的结构形式，既增强了整体结构的稳定与寿命，又便于工作过程中工人运输制品中转向的灵活性；通过对侧板采用冲孔工艺，可保证在减重的同时实现强度的进一步增大，同时也便于工人操作过程中多视角了解料卷容量大小，而且，冲孔工艺进一步增强了工字轮侧板的机械强度。由于工字轮作为工装在轮胎生产工艺半部件生产中应用频繁，因此，对于其两侧板内表面建议不进行表面处理，这有助于防止胶料制品在收取或导开过程中对料卷的污染。
1.2 百叶车与格栅车
百叶车通常用于胎面、垫胶以及胎侧挤出联动生产线中用于制品的收取与存储，主要有拉簧和扭簧两种结构类型实现页面的自动翻转和复位（见表2）。随着橡胶挤出联动生产线自动化不断升级，对于收取装置的自动化水平有了极大提升。当前主要形式表现为：
（1）通过气缸及皮带传动装置组合，同时增加百
叶车开合机械手一同使用，部分工艺与前序生产过程中的自动翻面装置融合其内，如图1所示。此自动拾取装置结构复杂，另需要配置具备百叶车开合功能的机械手，成本较高，效率受百叶自身结构制约，而对于轮胎成型工艺需要另配百叶车开合装置及机械手满足上料工艺，方可实现全过程自动化。
因此，此结构形式较适宜旧车间工艺改进应用，且在胎面挤出联动生产线中较易实现。
表2 胎面制品收取及存储工装
传统百叶车结构
自动化物流格栅车
（2）当前对于胎面自动拾取与上料自动化程度高且应用广泛形式为图2所示。此结构形式中，胎面的收取、存储以及轮胎成型阶段的上料工装都是通过格栅车实现，而且可以通过AGV 可实现胎面挤出与胎面供料的串联对接，与自动物流控制系统实现对接，
表1 工字轮结构比较分析
项目
结构类型
优点
缺点
1结构简单，操作灵活强度较低，无侧板，制品卷取或导开过程易跑偏。
2质量较轻，操作灵活
强度较低，侧板内侧喷漆易污染制品，地面移动时
转向效果差。
3
结构牢固，强度高，应用广泛，便于
工装起吊。
重量较大，不易观察制品卷取或导开量，内侧的表
子午线轮胎面处理易影响制品。
4
结构牢固，强度高，特别是外圆翻边工艺
易于操作与运输转向，冲孔工艺，可增强工字轮强度，且易实现减重效果，应用范
围广泛。
侧板冲孔结构，加工时需要开模具，成本较高。内侧无表面处理需高频使用或保养。
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实现智能化生产。为保障胶片存储质量效果，通常对格栅车内部支撑隔板进行喷砂或镀特氟龙处理以防止胶片与工装设备内部隔板的粘连。而对于压出环节的胎面自动拾取与成型环节的胎面自动供料系统结构相近，自动化程度高，而格栅车存储量大，有效的促进了此工艺环节的生产效率。表3为胎面制品生产过程
的不同工装结构性能比较。
图1
传统胎面自动拾取装置
图2 适应自动化胎面自动拾取装置
1.3 一体化小车
在现有的半钢子午线轮胎制造过程中，成型所需的半制品在半制品生产工序生产后卷取在导开小车的工字轮上，然后被运输到成型工序
[8]
。当前轮胎行业
已形成共识，智能制造是轮胎行业转型升级的方向
[9]
,
由于传统工艺生产中胎面、胎侧、垫胶、内衬层胶料
表3 胎面制品生产过程的不同工装结构性能比较
项目
结构类型
优点
缺点
1采用拉簧连接，结构简单，操作方便。
拉簧易损，工作效率低，与轮胎物流自动化对接
难度较大。
2
采用扭簧设计，结构美观，机械能大，安全可靠。
扭簧调试过程需要一定经验，工作效率低，与轮
胎物流自动化对接难度较大。
3
制品存储量大，工作效率高，易与AGV 与
自动化物流对接，实现智能制造。
成本较高，必须通过AGV 或叉车转运。
用量较大，为更好的通过AGV 实现压出工艺环节与成形工艺环节无缝对接，实现物流自动化智能制造，因此一体化小车结构形式在轮胎企业特别是自动化升级改造与新建智能化轮胎企业应用广泛。如图3所示。表4
为不同结构形式的一体化小车工装性能比较。
图3 半部件生产应用的一体化工装小车
1.4 钢丝大卷帘布
钢丝大卷帘布是由钢丝压延生产线生产获得的制品送达零度裁断生产线或大角度裁断生产线，为轮胎成型而生产的半部件。由于其重量较大，传统生产工艺通常采用卷轴形式收取并通过专用吊装工具实现运输与存储，如图4所示。而当前随着轮胎企业的自动化升级，为便于运输，也可采用运输小车形式对钢丝大卷胶料进行运输，如图5所示，但由于钢丝大卷载
荷较大，对于小车的脚轮选型必须进行详细计算。
图4 卷轴形式下钢丝大卷料卷运输
表4 不同结构形式的一体化小车工装性能比较
项目
结构类型
优点
缺点
1
结构简单，质量轻便，适宜双条制品收取与导开。
通过卷轴实现胶料的收取或导开，容易出
现卷取过程中制品偏移，故对压出工艺制品收取过程中卷取纠偏装置精度要求较高。
2
结构简单，质量轻便，适宜双条制品收取与导开。
工字轮内侧表面喷漆，易因生产使用而脱
落并污染制品，工字轮外圆结构不利于操
作。
3采用立柱式结构，轻便牢固，强度高，适用制品广泛。
不易观察制品卷取或导开量，内侧的表面
处理易影响制品。
4
采用墙板式结构，美观牢固，强度高，特别是工字
轮的外圆翻边工艺与冲孔工艺，进一步增强工字轮
强度，且实现减重效果，适用制品广泛。此外，吊装结构设计合理。
侧板冲孔结构，加工时需要开模具，成本
较高。内侧无表面处理需高频使用或保养。
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图5 小车结构形式的钢丝大卷料卷运输
1.5 胎圈芯小车
胎圈芯主要由钢丝圈与三角胶组成，传统的存储形式主要通过托架与隔板实现，如图6所示。当前，随着设备智能化升级需求，胎圈芯百叶车开始在轮胎企业得到广泛应用，此百叶车与胎面百叶车结构相近，但页板通常需要做一些造型处理。如图7所示两种胎圈芯百叶车。橡胶工业是典型的劳动密集型传统工业，随着产品智能化转型升级，机器人技术在实现橡胶产品生产自动化方面，起到了非常重要的作用[10]
。比如
通过机械手与三角胶贴合机生产线并与胎圈芯百叶车
结合可实现多工序集成的智能化生产。
图6
胎圈芯生产存储与转运隔板
图7 两种结构形式胎圈芯百叶车
2 轮胎生产工装设计关键部件分析
随着轮胎智能制造的发展，一体化小车工装得到
轮胎企业的青睐，但工装的合理化设计成为影响操作人员的重要因素。通常对于轮胎半部件的生产与转运工装小车操作一般要求不超过2人，这对于一体化小车的轻量化设计提出了严峻的考验，而其中更为关键的在于脚轮的合理化选择。为更好的实现脚轮的合理化选项，以全钢子午线轮胎生产工艺中轮胎工装使用情况为例进行分析，对两类工装小车加载相应的工况负载，并选取3种相同型号不同品牌脚轮，通过推拉力计进行数据测试比较。具体结果如表5所示。
表5 一体化工装小车配置不同脚轮使用性能比较（一）
项目
脚轮品牌
拉力值/kg 均值/kg 工装小车
（一）
品牌1
28.129.826.427.228.127.92品牌2
17.214.417.716.911.915.62品牌318.714.618.119.113.716.84工装小车
（二）
品牌1
28.528.530.727.328.128.62品牌2
19.317.819.218.72019品牌316.8
16.818.718.8
18.6
17.94
通过表5与表6一体化工装小车配置不同脚轮使用性能比较的测试结果可见，其拉力值与推力值不同，这直接影响轮胎企业车间操作人员对工装器具操作与转运过程中的劳动强度，而经过实际应用与测试发现，在一体化小车的结构设计中，脚轮的正确选型对于工装小车的轻量化应用占据着重要因素。
表6 一体化工装小车配置不同脚轮使用性能比较（二）
项目脚轮品牌
推力值/kg 均值/kg 工装小车（一）品牌122.323.624.627.122.323.98品牌213.912.714.716.915.414.72品牌315.716.913.916.414.115.4工装小车（二）
品牌122.220.922.324.818.821.8品牌220.817.115.216.519.217.76品牌3
15.4
17.617.518.2
15.6
16.86
3 结语
为保证轮胎生产半部件制品的性能，适应轮胎装
备智能化升级与物流自动化发展需求，应选取符合现代生产工艺需求的工装并进行合理化设计，此外，工装的设计在满足工艺需求的同时尽量通过轻量化进行优化，而长期易被忽视的脚轮选型问题，经研究发现它的精准选型对工装的轻量化应用占据着重要角。合理的工装设计是以满足工艺需求和改善劳动环境基础，是轮胎企业实现智能化升级，是产品走向高质量与绿发展的关键，也是构建轮胎智慧工厂的重要基础。
参考文献:
[1]
闫伯伦. 精益生产在轮胎制造企业的应用研究[D].天津大学，2008:14.
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