基于液压控制的连续开盖装置设计

基于液压控制的连续开盖装置设计

0罐盖闭合装置固液体设备是一种特殊的压力容器，广泛用于航空和太空船行业的复合材料制备。其罐盖开合装置主要用来实现向罐体内装卸料。因为固化罐设备一般都要求在高温、高压条件下成型复合材料,所以固化设备的开盖装置设计要求开合精度高、保证罐体气密性、可加工工艺性好、制造成本低。根据用户的使用要求,可以将目前研制生产的复合材料成型设备分为三大类:立式上开盖设备、立式下开盖设备和卧式侧开盖设备(大型设备多呈卧式摆放)。对于立式上开盖固化设备,除极少数压力容器的罐盖与产品是用天车起吊来实现装卸料外,多数设备均采用自动控制的罐盖快开合机构来实现装卸料。目前,罐盖开合装置尚存在着自动化程度不高、开启复位精度难保证、制造成本高等缺点。针对这些不足,笔者在本文所示固化罐设备的开盖装置设计中做了一系列设计优化和改进,达到了良好的使用要求又带来了众多经济效益。1卡再压缩罐如图2上开盖固化设备的罐盖开合装置的结构如图1所示,由旋盖装置和罐盖升降装置组成。旋盖装置采用液压驱动的卡箍、法兰分体齿错式啮合结构(如图2所示),由两个180°圆周方向对称分布的液压缸来控制卡箍与法兰的旋合。卡箍、法兰结构已是固化罐类压力容器成熟的罐门密封形式。卡箍在液压缸的驱动下可以和法兰错开一齿将罐盖旋开,再由罐盖升降装置将罐盖低速提升一定高度后在水平空间内逆时针旋转过90°让开一定的空间以实现装填料。因为要准确开启和复位,罐盖的运动规律要求严格控制,所以在其升降装置的设计中采用了凸轮机构。2螺旋廓线的规划实例中罐盖升降装置的设计中采用了圆柱凸轮机构。由液压缸推动主轴、主轴上装推杆、推杆沿凸轮槽轮廓运动,从而使主轴上端吊臂带动起罐盖实现相应动作(结构如图6所示)。先使罐盖升起200mm至卡箍齿与法兰齿完全离开,再使罐盖逆时针转过90°以实现填料,逆行程为合盖过程。凸轮设计的一般布骤为:确定从动件的一般规律,确定凸轮机构的类型,设计凸轮轮廓,以及其它的刚度、强度分析计算。根据需要实现的罐盖动作,我们采用了直线廓线过渡到螺旋廓线的圆柱凸轮机构,亦可看做是螺旋廓线升角变化的复杂螺旋轮廓圆柱凸轮机构。螺旋廓线的圆柱凸轮机构可定义为由轮廓曲线为螺旋线的圆柱凸轮及移动方向平行于凸轮回转轴线的从动件组成,能够实现往复运动的要求。该装置是典型的机构倒置,凸轮圆筒绝对静止,从动件推杆带动滚子在主轴的作用下沿凸轮轮廓运动。从相对运动的角度考虑,可认为是凸轮绕其自身轴线的回转,通过螺旋轮廓驱动与其相接触的从动件滚子滑块使从动件沿其移动副导路移动。通过改变凸轮螺旋廓线的参数,特别是合理设计过渡曲线,能够有效地改变从动件加速度变化规律,减小从动件的振动、冲击,从而改善从动件系统的动力学性能。2.1单向匀速运动螺旋廓线品牌形貌圆柱凸轮的直径主要根据强度条件和刚度条件来确定,其设计方法可参照轴的设计方法进行。螺旋槽宽度、深度按照接触疲劳条件设计。螺旋廓线圆柱凸轮的螺旋廓线设计主要考虑从动件移动速度以及是否有双向往复运动的要求进行。在罐盖升降装置的设计中,其圆柱凸轮机构的直线廓线部分以及螺旋廓线部分都是单向可逆的。所以这里仅介绍做单向匀速运动的螺旋廓线圆柱凸轮机构,单向匀速运动螺旋廓线圆柱凸轮机构是螺旋廓线圆柱凸轮机构的基本形式,其从动件运动规律如图3所示,图中n为螺旋廓线沿圆柱轴线方向环绕圈数。实例中取n=1,螺旋廓线升角:γ=arctan2hδ1d2γ=arctan2hδ1d2(1)式中:h——凸轮螺旋廓线段推程行程;δ1——凸轮螺旋廓线段推程运动角;d2——凸轮螺旋槽中心直径。从动件的相对移动速度:(2)式中:ω——凸轮转动角速度。2.2轮廓形状设计按照凸轮设计的一般步骤结合实际情况分析如下:(1)首先根据工作情况为低速重载且对罐盖上升的速度没有专门要求,所以可采用等速运动规律(实例中罐盖重约一吨)。但在曲线行程始末位置特别是在直线行程与螺旋线行程过渡处有速度突变会产生刚性冲击,所以采用改进等速运动规律最为合理(图4)。该装置在实际制造中由于速度很低为方便加工仍采用了等速运动曲线。(2)依据从动件移动行程较大且罐盖较重的特点选用直动滚子从动件圆柱凸轮结构,滚子耐磨损、可传递较大的动力。根据运动规律采用形封闭型式,槽宽与滚子间留有一定间隙,这就要提高对凸轮机构的定位要求。(3)凸轮廓线详细设计:首先是确定压力角,凸轮机构的压力角为从动件的受力方向与运动方向之间所夹的锐角,压力角的大小直接影响到凸轮机构的受力情况和传动效率。根据运动要求凸轮轮廓应为一段直线和一段螺旋线组成,所以最大压力角的位置在直线行程向曲线行程过渡处,因为压力角的大小直接影响整个装置的高度尺寸及刚度与受力状况,以不超过许用值为界选取,初定为45°,螺旋升角也为γ=45°,若给出主轴的角速度ω根据(2)式即可求出从动件即罐盖的上升速度υ。其次是确定圆柱凸轮最小直径和滚子外径:凸轮直径的取值要同时满足结构要求与装置强度刚度要求;滚子直径的取值要保证滚子结构合理及滚子轴强度。该例中滚子轴直径dr=M18×1.5、滚子直径Dr=40mm、滚子宽b=20mm、主轴直径为100mm即圆柱凸轮内径Dmin=100mm、凸轮外径D=100+2b=140mm,作出圆柱凸轮轮廓如图5所示;对上述参数下结构都做过相应的刚度、强度、稳定性校核,均满足设计使用要求。因为要保证罐盖准确开启和复位,需对凸轮轮廓直线段高频淬火HRC46-52,且保证表面粗糙度为Ra0.8-1.6,而圆筒较长精加工和热处理均较困难。所以另一个重大改进是在凸轮槽轮廓直线段上安装了附加定位条,在滚子轴头部安装了附加定位块(如图6所示),这样降低了对凸轮轮廓精加工和热处理方面的要求,通过只对定位条和定位块精磨和热处理,即可保证定位精度又实现了良好的工艺性。最后在吊梁的设计中采用了三点定位的定位方式加入了一个调平螺杆,避免了将罐盖与吊梁焊死带来的应力与不灵活性。并在设计时考虑各种力的作用,采用了近似等强度梁的设计理念,使得臂架在各控制截面内应力相差最小、结构最轻且刚度最好,节约了材料。另外大多数起吊装置多直接固定在地面上,而该装置则采用两个支座固定于罐体上的方式使整个装置重量最轻且用料最省。(整体方案如图1)3罐顶设计技术在固化罐设备的罐盖升降装置设计中,采用了圆柱凸轮倒置机构并对凸轮廓线进行了优化设计,同时采用了附加定位措施,使得整个升降装置具有良好的可调性,罐盖回复位精度更易于保证;在凸轮机构的实际制造中只精加工其附加定位块和定位条的方法,降低了凸轮机构的加工难度和制造成本且方便了热处理、带来了良好的加工工艺性;而将整个罐盖升降装置联接于罐体之上的总体方案又节省了