氣壓常閉型鉗制器關(guān)鍵部件的仿真計(jì)算分析

曹鵬杰，關(guān)景開(kāi)

（廣東高新凱特精密機(jī)械股份有限公司，廣東江門(mén) 529100）

滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副用鉗制器是精密機(jī)床升級(jí)的革命性產(chǎn)品，它是由主體、動(dòng)力部件、鉗制部件和接觸部件等組成，與滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副配套使用的高性能功能部件[1]。該系列產(chǎn)品具有如下總體特點(diǎn)：一是安全可靠、強(qiáng)大的鉗制力；二是安裝方便，無(wú)需更改工作臺(tái)尺寸；三是快速反應(yīng)，起到保護(hù)機(jī)床的作用[2]；四是持久耐用，表面特殊處理，防銹性能好；五是設(shè)計(jì)新穎，避免鉗緊時(shí)產(chǎn)生剛性沖擊。

氣壓常閉帶剎車型是通過(guò)彈簧儲(chǔ)能作用于楔形塊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鉗制和快速剎車，適合于長(zhǎng)時(shí)間鉗制固定工作臺(tái)的設(shè)備，也可在垂直軸或直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置斷電時(shí)剎車保護(hù)。

圖1 氣壓常閉鉗制器

氣壓常閉型鉗制器（如圖1）的關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)就是指產(chǎn)生鉗制力的彈簧的選擇和計(jì)算以及氣缸活塞的受力變形仿真模擬，下面以空壓常開(kāi)帶剎車鉗制器一種規(guī)格為例，設(shè)計(jì)計(jì)算彈簧的選型和活塞受力分析[3]。

1 彈簧力的計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的空壓鉗制器的最小鉗制力為：N＝3 000 N；取鉗制器與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為：μ＝0.15；則鉗制器的夾緊力為2F＝N/μ，F(xiàn)≈11 480 N；根據(jù)鉗制器楔形塊的斜邊放大效果計(jì)算公式：F＝P/tanθ，θ＝3h（楔形塊的角度設(shè)計(jì)為3度）[4]，則可以推算出彈簧的總推力需要達(dá)到：P＝524 N，考慮到此力為最低臨界推力，而實(shí)際上由于活塞在主體內(nèi)位移的不確定性，所以初始設(shè)計(jì)推力取P＝600 N。

2 彈簧的數(shù)量確定

當(dāng)彈簧數(shù)量為1根時(shí)，則這根彈簧在受壓后要達(dá)到的推力為600 N，據(jù)此對(duì)加載活塞進(jìn)行受力分析，如圖2（活塞材料為黃銅）。

圖2 活塞受力變形圖

由圖2可以看出當(dāng)活塞只受1根彈簧的推力600 N時(shí)，活塞的最大變形量為3.37 μm。當(dāng)彈簧數(shù)量為兩根時(shí)，則兩根彈簧在受壓后要達(dá)到的總推力為600 N，據(jù)此對(duì)加載活塞進(jìn)行受力分析，由圖2可以看出當(dāng)活塞只受2根彈簧的推力600 N時(shí)，活塞的最大變形量為2.602 μm。通過(guò)以上對(duì)比得知，活塞在相同的推力下，受兩根彈簧比受一根彈簧的推力情況下變形位移更小，考慮活塞及彈簧的壽命，因此設(shè)計(jì)采用兩根彈簧，根據(jù)鉗制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，彈簧采用一大一小結(jié)構(gòu)，內(nèi)外套合，兩彈簧合力為600 N。

3 彈簧設(shè)計(jì)選型

根據(jù)已設(shè)計(jì)好的鉗制器尺寸結(jié)構(gòu)，可知兩根彈簧的最大壓緊長(zhǎng)度：大彈簧為28.3 mm，小彈簧為27.8 mm。大彈簧的外徑為21 mm，選取簧絲直徑為3 mm，圈數(shù)n＝8，材料為彈簧剛彈性模量為8 104，旋繞比C＝6.67＞4，則根據(jù)彈簧剛度計(jì)算公式：

可得大彈簧的剛度為17 N/mm；設(shè)大彈簧的推力為350 N，則其壓縮位移為20.5 mm，則彈簧的總長(zhǎng)度為20.5+28.3＝48.8（mm），取H＝50 mm。則大彈簧的規(guī)格為3 18 50（mm×mm×mm）；小彈簧的外徑為14 mm，線徑為2 mm，圈數(shù)為10.5，則剛度為8.5 N/mm，小彈簧的推力為250 N，則其壓縮位移為29 mm，則彈簧的總長(zhǎng)度為29+27.2＝59.05（mm），取H＝60 mm。則小彈簧的規(guī)格為2 12 60（mm×mm×mm）（根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)彈簧標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)GBT 2089-2009相關(guān)計(jì)算所得）[5]。此標(biāo)準(zhǔn)適用于彈簧負(fù)荷及循環(huán)次數(shù)≤105次的情況下，若要達(dá)到鉗制器設(shè)計(jì)的一百萬(wàn)次使用要求，則需特殊定制。

圖3 彈簧選型零件

4 復(fù)位活塞的變形模擬驗(yàn)證

此鉗制器設(shè)計(jì)的反推力需要復(fù)位活塞為兩個(gè)和加載活塞一個(gè)來(lái)提供動(dòng)力，需要總推力應(yīng)大于600 N。才可以將加載彈簧壓縮，使鉗制器張開(kāi)復(fù)位。因此需要設(shè)計(jì)計(jì)算活塞尺寸以及打開(kāi)鉗制器所需的最小氣壓。

復(fù)位活塞只承受單面氣壓力，復(fù)位活塞1（設(shè)計(jì)直徑為 24 mm） 受力計(jì)算如下：S1＝485.7 mm2，P1＝pS1，當(dāng)p＝0.45 MPa，則P1＝218.5 N。受力分析如圖4。

由圖4可知，復(fù)位活塞1在受到0.45 MPa的壓力下其最大變形量為3.4 μm。

活塞受到的應(yīng)變較少，滿足使用要求。復(fù)位活塞2（設(shè)計(jì)直徑25 mm）受力計(jì)算如：S2＝502.4 mm2，P2＝pS2，當(dāng)p＝0.45 MPa，則P1＝226 N。由圖4可知，復(fù)位活塞2在受到0.45 MPa的壓力下其最大變形量為3.2 μm。活塞受到的應(yīng)變較少，滿足使用要求。

圖4 復(fù)位活塞變形分析圖

5 加載活塞設(shè)計(jì)尺寸模擬計(jì)算驗(yàn)證

加載活塞，既要承受彈簧施加的加載推力又要承受復(fù)位時(shí)的氣壓反推力。加載活塞（設(shè)計(jì)直徑28 mm）受空 氣 壓 力 計(jì) 算 S3＝587 mm2， P3＝pS3， p＝0.45， 則 P3＝264.2 N。受力分析如圖5。

圖5 加載活塞變形分析圖

由圖5可知，加載活塞在受到0.45 MPa的壓力下其最大變形量為2.6 μm。

P＝0.8，則P3＝462.8 N，活塞受到的應(yīng)變較少，滿足使用要求。

圖6 加載活塞零件

6 鉗制器允許的最大氣壓設(shè)定

為了保證活塞上的密封件的密封性及是有壽命，要求活塞的整體變形量要小于10 μm。利用仿真模擬受力變形分析，可以看到，當(dāng)鉗制器打開(kāi)氣壓達(dá)到0.8 MPa的壓力下，復(fù)位活塞1的最大變形量為6.12 μm。復(fù)位活塞2的最大變形量為5.7 μm。加載活塞的最大變形量為4.7 μm。滿足設(shè)計(jì)變形控制要求。

7 結(jié)論

從以上計(jì)算可得，當(dāng)輸入空氣壓力為鉗制器設(shè)計(jì)的最低開(kāi)放壓力0.45 MPa時(shí)，三個(gè)活塞產(chǎn)生的總反推力為P1+P2+P3＝708 N，大于彈簧的總推力600 N，可以保證鉗制器正常復(fù)位。通過(guò)以上設(shè)計(jì)計(jì)算及仿真分析，證明加載彈簧的設(shè)計(jì)選型，復(fù)位活塞及加載活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。滿足此規(guī)格鉗制器的設(shè)計(jì)要求。

［1］楊家軍，劉偉方，孫健利，等.滾柱直線副導(dǎo)軌箝制器的研究及仿真［J］.金屬加工（冷加工），2011（01）：45-47.

［2］丁秋萍，楊家軍，趙美玲，等.氣壓常閉型鉗制器制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的研究［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（08）：54-57.

［3］劉文威，楊家軍，郤能，等.新型氣動(dòng)式滾柱直線導(dǎo)軌副鉗制器的運(yùn)動(dòng)特性分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2016（05）：14-19.

［4］劉文威，楊家軍，郤能，等.氣動(dòng)式鉗制器楔形塊曲線設(shè)計(jì)［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（02）：43-46.

［5］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：常用設(shè)計(jì)資料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.