工程液壓油缸的拆解能量分析

2016-09-07 00:47:09王伏林

工程設計學報 2016年3期

王伏林, 閆　順, 張　帥

(湖南大學機械與運載工程學院, 湖南長沙 410082)

工程液壓油缸的拆解能量分析

王伏林, 閆順, 張帥

(湖南大學機械與運載工程學院, 湖南長沙 410082)

拆解能量是產品可拆卸性評價的關鍵指標,對產品的可拆卸性設計和再制造回收決策具有重要意義.基于圖論思想,構建油缸的拆解約束圖并生成油缸的拆卸序列;定義零部件拆解能量的組成模型和傳送帶移出零部件的能量消耗模型;討論油缸零部件間典型連接方式與約束解除所消耗能量的數學關系.以某型號工程液壓油缸為例,對其零部件的不同拆卸序列進行總的拆解能量分析計算與評估,為油缸的拆卸序列規劃、專用拆卸設備設計和液壓油缸的可拆卸性設計提供參考.

液壓油缸; 拆解能量; 拆解約束模型; 傳送帶模型

拆解是廢舊產品再制造的前提[1].可拆卸性評估和拆卸序列規劃是當前再制造工程的研究熱點.產品拆解時間和拆解能量分析是開展上述研究的2個重要方面.研究者從拆解時間方面對產品可拆卸性和拆卸序列規劃進行了大量研究,如：于隨然等提出了產品的可拆卸性評價指標和基于拆解時間的評價方法[2];孫有朝等考慮拆卸效率問題,提出基于零件故障率和拆解時間的產品拆卸性定量評估方法[3];Kroll等對以拆解時間為參數的拆解評估問題進行了研究[4];Go等提出基于遺傳算法的拆卸序列優化方法,并得到拆卸時間最短的拆卸序列[5];Beatriz等以最小拆解時間為優化目標,建立了復雜產品的拆卸優化模型[6];郭希旺等以最小拆解時間和最大拆解收益為優化目標，建立了多目標優化數學模型[7];張雷等為了提高復雜產品拆解效率、縮短拆解時間,提出了針對復雜產品的并行拆解建模及規劃方法[8].上述研究均沒有考慮產品的拆解能量消耗.而在實際生產中,產品拆解能量的分析往往更能直接評估產品的可拆卸性能,優化產品的拆卸序列.此外,產品拆解能量分析,可為對應拆解設備的設計(如力、力矩、運動距離等方面)提供參考;反過來,也可對已有產品進行結構優化,使其具有更好的拆卸性能.目前對產品拆解能量分析評估方面研究較少,盡管田廣東等基于拆解過程存在的不確定特性,提出了產品拆解能量分析方法[9],但沒有考慮到產品拆解能量與零部件間連接方式、物理化學變化以及拆卸序列等之間的關系.事實上,一個相同的功能實現,零部件間可有不同的連接方式,對應不同的拆解方法和裝置,對拆解能量影響較大.而且同一種產品,產品的拆卸序列往往不唯一,產品的拆解能量值也不盡相同.

綜合考慮零部件間連接方式、物理化學變化以及拆卸序列等因素對拆解能量的影響,本文提出了一種拆解能量分析方法.以工程液壓油缸為研究對象來分析評估其拆解能量,以拆解約束圖模型構建液壓油缸的拆解信息模型并生成相應的拆卸序列;通過定義零部件拆解能量的組成并討論液壓油缸中零部件間連接方式和拆解能量間的數學關系,分析規劃以拆解所需最小能量為目標的液壓油缸拆卸優化序列.

為使研究問題簡單化,在對液壓油缸拆解能量評估之前做出假設:①液壓油缸的拆解為無損拆解;②液壓油缸拆解中不考慮零部件的磨損、腐蝕、斷裂和變形等,為理想拆卸.實際拆解時,根據產品的實際損耗程度評估,將理論值賦予一個大于1的修正系數,可大體反映產品的實際拆解能量值.

1　液壓油缸拆解約束模型

圖1所示為某工程液壓油缸結構簡圖.本文基于拆解混合圖理論來構建液壓油缸拆解約束矩陣和拆解約束圖[10].為避免產生沒有價值的液壓油缸拆卸序列,將典型聯結元拆卸優先級規則[11]引入拆解混合圖中,構建液壓油缸的拆解約束圖,在圖中這類零件之間用虛有向邊表示.

1—油缸缸體；2—鎖緊螺母；3—活塞組；4—緩沖套；5—缸蓋件；6—缸蓋螺釘；7—活塞桿；8—緊定螺釘；9—耳軸.圖1　某工程液壓油缸結構簡圖Fig.1　Structure diagram of engineering hydraulic cylinder

構建的約束圖矩陣為

(1)

式中：元素0表示零件i和j無約束;元素1表示零件i和j構成鄰接約束,在圖中用無向邊表示;元素2表示零件i對j構成虛約束,在圖中用有向邊表示;元素3表示零件i對j構成實約束,在圖中用無向邊和有向邊表示;元素4表示零件i和j構成鄰接約束,但零件i優先拆卸于零件j,在圖中用虛有向邊表示.

根據拆解約束矩陣(1),構建拆解約束圖,如圖2所示.

圖2　液壓油缸拆解約束圖Fig.2　Constraint graph of hydraulic cylinder

由圖2得到2條完整的油缸可行拆卸序列:

Ⅰ:6-1-2-3-4-5-8-9-7;

Ⅱ:8-9-6-1-2-3-4-5-7.

2　液壓油缸拆解能量分析

2.1拆解能量與拆卸能量

拆解能量指組成拆卸序列的多個拆卸過程所消耗的功，拆卸能量是指定零件在某次拆卸過程中所消耗的功，故有

(2)

式中：Ez為拆解總能量,Ei表示拆卸第i個零件所消耗能量,n為零件拆卸個數.

零件拆卸過程大體可分為定位、夾緊、解除約束和零件移出等.理論上零件拆卸能量是上述幾個動作消耗能量之和.目前由于零件的拆卸大部分是手動或半自動，零件定位與夾緊消耗能量的多少與零件的拆卸熟練程度和零件拆解工具等相關.當拆卸很熟練時,零件定位夾緊能量幾乎不變;不同的拆解工具,在定位和夾緊過程中消耗能量會有些差異.因此,本文在計算零件拆卸能量時,只計算零件約束解除和零件移出所消耗的能量.零件拆卸消耗能量可表示為

Ei=Eci+Eyi，

(3)

式中,Ei為拆卸能量,Eci表示零件解除約束消耗能量,Eyi表示零件移出消耗能量.

拆卸能量的構成與拆卸路徑相關,計算零件拆卸能量時必須考慮這點.圖3所示拆卸零件路徑圖中,拆卸零件1時,拆卸路徑A-B僅為零件1拆卸路徑中的一條,在零件1拆卸過程中,其他零部件對其約束作用并沒有做功,Eci為零,故在計算拆卸能量時只需計算移出消耗能量,這類零件的特點是可拆卸方向不唯一;在拆卸零件2時,拆卸路徑為C-D-F,路徑C-D段的拆卸方向唯一,需克服其他零部件對其約束作用,應計算解除約束消耗能量Eci;路徑D-F段拆卸路徑不唯一,無需克服其他零部件對其約束作用,只計算移出消耗能量Eyi;該零件拆卸能量是解除約束消耗能量和移出消耗能量之和.判定零件可拆卸方向的具體方法可參考文獻[12]和文獻[13].

圖3　零件拆卸路徑圖Fig.3　Parts disassembly path diagram

2.2零件移出能量

零件移出能量是指零件解除約束后,移到零件放置區域需消耗的能量.移出方式可以是專用車(如行車和叉車等)搬運、傳送帶運輸以及人力搬運,采用不同的零件移出方式,零件移出能量計算方法不盡相同.為了更有效、簡單地評估零件移出消耗能量,本文提出傳送帶模型.假設解除約束后的零件全部采用傳送帶運輸到零件放置區域;傳送帶在運輸過程中速度平穩,零件在傳送帶上從無初速釋放,至到達零件放置區域前與傳遞帶速度同步,之后零件和傳送帶保持相對靜止到達零件放置區域.在零件運輸過程中,零件與傳送帶從相對運動到相對靜止,依據能量守恒定律,傳送帶額外多輸出的能量等同于移出零件消耗的能量,近似等于零件獲得的動能和零件與傳送帶間摩擦力做功產生的熱能.零件移出能量為

(4)

式中：m為移出零件的質量；v為傳送帶速度；Qre為克服傳送帶與零件間摩擦力做功產生的熱量,其在數值上等于零件獲得的動能.一般企業在使用傳送帶運輸產品或零部件時,傳送帶速度為1～3m/s,本文取v=2m/s.將液壓油缸拆卸的零部件移到零件放置區域所消耗的最小能量為

(5)

式中：n為液壓油缸拆卸的零部件個數,myi為油缸可行拆卸序列中第i個零件的質量.

2.3液壓缸典型零部件間配合約束解除能量消耗分析

2.3.1螺紋約束解除

在液壓油缸中,螺紋連接是最典型的連接之一,而螺釘連接是最常見的螺紋連接.以螺釘拆卸為例分析螺紋約束解除消耗的能量.目前,螺釘拆卸大部分通過扳手拆卸.螺釘拆卸過程分為螺釘約束解除和螺釘移出兩部分.螺釘約束解除過程按照螺釘受力情況可分為松動過程和空轉過程,松動過程中始終有預緊力存在,空轉過程是無預緊力下螺釘自螺紋孔中旋出過程.理論上,螺釘解除約束消耗的能量為松動過程和空轉過程所消耗能量之和.但空轉過程消耗能量相比于松動過程消耗能量較小[14],因此,這部分能量可忽略不計.在螺釘松動過程中,松動力矩是擰緊力矩的0.8倍[15],表示為

Ts=0.8T，

(6)

式中：Ts為松動力矩,T為擰緊力矩.

則松動過程中消耗能量為

Ecs=Tsθ=0.8Tθ，

(7)

式中θ為松動中螺釘旋轉角度.

圖1液壓油缸中缸體與缸蓋連接、活塞桿與活塞連接、活塞桿與鎖緊螺母連接、耳軸和活塞桿的連接、緊定螺釘與活塞桿的連接都是螺紋連接，其約束的解除能量計算均可參考上述分析.

2.3.2非剛性過盈配合約束解除

非剛性過盈配合是指過盈連接的零件能相對平動或轉動的配合,常見于高分子材料零件與金屬零件之間,如活塞上密封圈與缸筒間、缸蓋上密封圈與活塞桿間的非剛性過盈配合.目前拆卸非剛性配合約束一般是手動拆卸或者用專用拉鋸拆卸.以活塞上密封圈和缸筒間非剛性過盈配合約束解除為例來分析此類約束.

圖4所示為液壓油缸局部結構圖,箭頭表示拆卸方向.該非剛性過盈配合約束解除過程分為活塞一直在缸筒內移動和活塞脫離缸筒兩部分,采用專用拆卸工具將活塞移出缸筒外.

圖4　液壓油缸局部結構圖Fig.4　Local structure diagram of hydraulic cylinder

解除約束力為缸筒對密封圈的作用力F:

F=lμπD?，

(8)

式中：l表示活塞上密封圈個數,π指圓周率，μ表示密封圈與缸筒的動摩擦系數,D為缸筒內徑,?密封圈對缸筒壁單位圓周長度上的正壓力.

活塞整體在缸筒內移動過程消耗的能量為

Ecm=Fx=lμπD?x，

(9)

式中x為活塞在缸筒內移動的距離,可用液壓缸的最大工作行程S和最小導向長度H之和來表示.

活塞逐漸脫離缸筒過程消耗的能量為

(10)

式中xi表示與缸筒接觸密封圈個數為i時,活塞移動的距離.

xh=x1+x2+x3+…+xl，

(11)

式中xh為活塞的長度.

活塞上密封圈和缸筒間非剛性過盈配合約束解除消耗的能量為

Ech=Ecm+Ect.

(12)

圖1中液壓油缸缸蓋上密封圈與活塞桿間的連接也是非剛性過盈配合,其約束的解除能量計算可參考上述分析.

2.4液壓油缸拆解能量

綜合分析,液壓油缸理論拆解能量Ez為

(13)

其中,

(14)

實際的液壓油缸拆解能量值E′z估計為

E′z=K·Ez，

(15)

式中K為修正系數,其值根據產品的實際損耗程度評估,一般K>1,可大體反映實際的拆解能量值.

3　實例分析

以圖1某工程液壓油缸為例,表1為液壓油缸零件結構參數及數值,表2為油缸中非剛性過盈配合約束解除參數及數值.按圖2的可行拆卸序列來計算該油缸拆解能量.

表1　某工程液壓油缸零件結構參數

表2某工程液壓油缸中非剛性過盈配合解除的相關參數及數值

Table 2Related parameters and figures of releasing none grid interference fit in engineering hydraulic cylinder

參數非剛性過盈配合名稱活塞密封圈與缸筒缸蓋密封圈與活塞桿密封圈數目/個32摩擦系數0.30.3配合直徑/mm360255配合長度/mm210360單元圓周正壓力/Pa12001200移動距離/mm1400800

由表1和表2中液壓油缸相關參數及數值，計算可行拆卸序列Ⅰ中零件約束解除和移出消耗能量,見表3.由于緩沖套與活塞桿為間隙配合,且緩沖套質量很小,解除緩沖套所消耗的能量很小,忽略不計.

表3某工程液壓油缸零件拆卸相關能量

Table 3Related energy and figures of disassembly of engineering hydraulic cylinder parts

油缸零件及拆卸順序i解除約束消耗能量Eci/J零件移出消耗能量Eyi/J缸蓋螺釘:1176質量太小,忽略不計缸筒:21838600鎖緊螺母:322010活塞組件:410080缸蓋組件:656580緊定螺釘:719質量太小,忽略不計耳軸:8188100活塞桿:90400消耗能量和∑Eci=3106J∑Eyi=1270J

由表3可得，以該液壓油缸的可行拆卸序列I來計算其拆解能量E1-z為

(16)

以可行拆卸序列Ⅱ來計算該油缸的拆解能量,參考拆卸序列Ⅰ中各參數值,其中缸蓋組件在活塞桿上移動方向與序列I中缸蓋組件移動方向相反,在活塞桿上一直移動的距離由800 mm變為210 mm,其他參數值幾乎沒有變化,則缸蓋組件解除約束消耗能量由565 J變為151 J,其他零部件解除約束消耗能量幾乎不變,則以該液壓油缸可拆卸序列Ⅱ計算其拆解能量E2-z為

(17)

由E2-z

4　結　論

本文基于拆解混合圖構建了工程液壓油缸拆解約束模型,得到了相應的拆卸序列;定義了拆解能量的組成,分析歸納了工程液壓油缸的各種典型約束解除消耗能量計算公式,提出了用傳送帶模型來計算零部件移出消耗能量.以某工程液壓油缸拆解為例,計算得出該液壓油缸拆卸序列Ⅰ和Ⅱ的拆解能量值,通過比較分析可得到該液壓油缸拆卸序列Ⅱ的拆解能量較小.通過對液壓油缸拆解能量的分析評估,可為油缸的拆卸序列規劃、專用拆卸設備設計和液壓油缸的可拆卸性設計提供參考.

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Disassembly energy analysis of the engineering hydraulic cylinder

WANG Fu-lin, YAN Shun, ZHANG Shuai

(College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Disassembly energy is the key criteria of product disassembly evaluation,which is of great significance to the product design for disassembly,as well as the recycling decision for remanufacturing.Based on graph theory,the disassembly constraint graph of the hydraulic cylinder was constructed,and the disassembly sequence was generated.The disassembly energy models of the component and parts were developed,as well as the energy consumption models that the parts removed by conveyor belt were defined.The mathematical relationships of the energy consumption to remove the typical connection of the cylinder parts were proposed.An actually existing engineering hydraulic cylinder served as an example for the disassembly energy analysis.This researches are contributed to the disassembly sequence planning and the design of special disassembly equipment for the hydraulic cylinder,and also to its design for disassembly．

hydraulic cylinder; disassembly energy; disassembly constraint model; conveyor belt model