工程液壓油缸的拆解能量分析

王伏林, 閆　順, 張　帥

(湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

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工程液壓油缸的拆解能量分析

王伏林, 閆順, 張帥

(湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

拆解能量是產(chǎn)品可拆卸性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo),對(duì)產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計(jì)和再制造回收決策具有重要意義.基于圖論思想,構(gòu)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(shù)學(xué)關(guān)系.以某型號(hào)工程液壓油缸為例,對(duì)其零部件的不同拆卸序列進(jìn)行總的拆解能量分析計(jì)算與評(píng)估,為油缸的拆卸序列規(guī)劃、專(zhuān)用拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)和液壓油缸的可拆卸性設(shè)計(jì)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(chǎn)品再制造的前提[1].可拆卸性評(píng)估和拆卸序列規(guī)劃是當(dāng)前再制造工程的研究熱點(diǎn).產(chǎn)品拆解時(shí)間和拆解能量分析是開(kāi)展上述研究的2個(gè)重要方面.研究者從拆解時(shí)間方面對(duì)產(chǎn)品可拆卸性和拆卸序列規(guī)劃進(jìn)行了大量研究,如：于隨然等提出了產(chǎn)品的可拆卸性評(píng)價(jià)指標(biāo)和基于拆解時(shí)間的評(píng)價(jià)方法[2];孫有朝等考慮拆卸效率問(wèn)題,提出基于零件故障率和拆解時(shí)間的產(chǎn)品拆卸性定量評(píng)估方法[3];Kroll等對(duì)以拆解時(shí)間為參數(shù)的拆解評(píng)估問(wèn)題進(jìn)行了研究[4];Go等提出基于遺傳算法的拆卸序列優(yōu)化方法,并得到拆卸時(shí)間最短的拆卸序列[5];Beatriz等以最小拆解時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo),建立了復(fù)雜產(chǎn)品的拆卸優(yōu)化模型[6];郭希旺等以最小拆解時(shí)間和最大拆解收益為優(yōu)化目標(biāo)，建立了多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[7];張雷等為了提高復(fù)雜產(chǎn)品拆解效率、縮短拆解時(shí)間,提出了針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的并行拆解建模及規(guī)劃方法[8].上述研究均沒(méi)有考慮產(chǎn)品的拆解能量消耗.而在實(shí)際生產(chǎn)中,產(chǎn)品拆解能量的分析往往更能直接評(píng)估產(chǎn)品的可拆卸性能,優(yōu)化產(chǎn)品的拆卸序列.此外,產(chǎn)品拆解能量分析,可為對(duì)應(yīng)拆解設(shè)備的設(shè)計(jì)(如力、力矩、運(yùn)動(dòng)距離等方面)提供參考;反過(guò)來(lái),也可對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使其具有更好的拆卸性能.目前對(duì)產(chǎn)品拆解能量分析評(píng)估方面研究較少,盡管田廣東等基于拆解過(guò)程存在的不確定特性,提出了產(chǎn)品拆解能量分析方法[9],但沒(méi)有考慮到產(chǎn)品拆解能量與零部件間連接方式、物理化學(xué)變化以及拆卸序列等之間的關(guān)系.事實(shí)上,一個(gè)相同的功能實(shí)現(xiàn),零部件間可有不同的連接方式,對(duì)應(yīng)不同的拆解方法和裝置,對(duì)拆解能量影響較大.而且同一種產(chǎn)品,產(chǎn)品的拆卸序列往往不唯一,產(chǎn)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(xué)變化以及拆卸序列等因素對(duì)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(duì)象來(lái)分析評(píng)估其拆解能量,以拆解約束圖模型構(gòu)建液壓油缸的拆解信息模型并生成相應(yīng)的拆卸序列;通過(guò)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(shù)學(xué)關(guān)系,分析規(guī)劃以拆解所需最小能量為目標(biāo)的液壓油缸拆卸優(yōu)化序列.

為使研究問(wèn)題簡(jiǎn)單化,在對(duì)液壓油缸拆解能量評(píng)估之前做出假設(shè):①液壓油缸的拆解為無(wú)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(shí)際拆解時(shí),根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際損耗程度評(píng)估,將理論值賦予一個(gè)大于1的修正系數(shù),可大體反映產(chǎn)品的實(shí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖.本文基于拆解混合圖理論來(lái)構(gòu)建液壓油缸拆解約束矩陣和拆解約束圖[10].為避免產(chǎn)生沒(méi)有價(jià)值的液壓油缸拆卸序列,將典型聯(lián)結(jié)元拆卸優(yōu)先級(jí)規(guī)則[11]引入拆解混合圖中,構(gòu)建液壓油缸的拆解約束圖,在圖中這類(lèi)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1　Structure diagram of engineering hydraulic cylinder

構(gòu)建的約束圖矩陣為

(1)

式中：元素0表示零件i和j無(wú)約束;元素1表示零件i和j構(gòu)成鄰接約束,在圖中用無(wú)向邊表示;元素2表示零件i對(duì)j構(gòu)成虛約束,在圖中用有向邊表示;元素3表示零件i對(duì)j構(gòu)成實(shí)約束,在圖中用無(wú)向邊和有向邊表示;元素4表示零件i和j構(gòu)成鄰接約束,但零件i優(yōu)先拆卸于零件j,在圖中用虛有向邊表示.

根據(jù)拆解約束矩陣(1),構(gòu)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(gè)拆卸過(guò)程所消耗的功，拆卸能量是指定零件在某次拆卸過(guò)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(gè)零件所消耗能量,n為零件拆卸個(gè)數(shù).

零件拆卸過(guò)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(gè)動(dòng)作消耗能量之和.目前由于零件的拆卸大部分是手動(dòng)或半自動(dòng)，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(guān).當(dāng)拆卸很熟練時(shí),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(guò)程中消耗能量會(huì)有些差異.因此,本文在計(jì)算零件拆卸能量時(shí),只計(jì)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(gòu)成與拆卸路徑相關(guān),計(jì)算零件拆卸能量時(shí)必須考慮這點(diǎn).圖3所示拆卸零件路徑圖中,拆卸零件1時(shí),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(guò)程中,其他零部件對(duì)其約束作用并沒(méi)有做功,Eci為零,故在計(jì)算拆卸能量時(shí)只需計(jì)算移出消耗能量,這類(lèi)零件的特點(diǎn)是可拆卸方向不唯一;在拆卸零件2時(shí),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(duì)其約束作用,應(yīng)計(jì)算解除約束消耗能量Eci;路徑D-F段拆卸路徑不唯一,無(wú)需克服其他零部件對(duì)其約束作用,只計(jì)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(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[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(qū)域需消耗的能量.移出方式可以是專(zhuān)用車(chē)(如行車(chē)和叉車(chē)等)搬運(yùn)、傳送帶運(yùn)輸以及人力搬運(yùn),采用不同的零件移出方式,零件移出能量計(jì)算方法不盡相同.為了更有效、簡(jiǎn)單地評(píng)估零件移出消耗能量,本文提出傳送帶模型.假設(shè)解除約束后的零件全部采用傳送帶運(yùn)輸?shù)搅慵胖脜^(qū)域;傳送帶在運(yùn)輸過(guò)程中速度平穩(wěn),零件在傳送帶上從無(wú)初速釋放,至到達(dá)零件放置區(qū)域前與傳遞帶速度同步,之后零件和傳送帶保持相對(duì)靜止到達(dá)零件放置區(qū)域.在零件運(yùn)輸過(guò)程中,零件與傳送帶從相對(duì)運(yùn)動(dòng)到相對(duì)靜止,依據(jù)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(dòng)能和零件與傳送帶間摩擦力做功產(chǎn)生的熱能.零件移出能量為

(4)

式中：m為移出零件的質(zhì)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(chǎn)生的熱量,其在數(shù)值上等于零件獲得的動(dòng)能.一般企業(yè)在使用傳送帶運(yùn)輸產(chǎn)品或零部件時(shí),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(qū)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(gè)數(shù),myi為油缸可行拆卸序列中第i個(gè)零件的質(zhì)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(jiàn)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(guò)扳手拆卸.螺釘拆卸過(guò)程分為螺釘約束解除和螺釘移出兩部分.螺釘約束解除過(guò)程按照螺釘受力情況可分為松動(dòng)過(guò)程和空轉(zhuǎn)過(guò)程,松動(dòng)過(guò)程中始終有預(yù)緊力存在,空轉(zhuǎn)過(guò)程是無(wú)預(yù)緊力下螺釘自螺紋孔中旋出過(guò)程.理論上,螺釘解除約束消耗的能量為松動(dòng)過(guò)程和空轉(zhuǎn)過(guò)程所消耗能量之和.但空轉(zhuǎn)過(guò)程消耗能量相比于松動(dòng)過(guò)程消耗能量較小[14],因此,這部分能量可忽略不計(jì).在螺釘松動(dòng)過(guò)程中,松動(dòng)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(dòng)力矩,T為擰緊力矩.

則松動(dòng)過(guò)程中消耗能量為

Ecs=Tsθ=0.8Tθ，

(7)

式中θ為松動(dòng)中螺釘旋轉(zhuǎn)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(jì)算均可參考上述分析.

2.3.2非剛性過(guò)盈配合約束解除

非剛性過(guò)盈配合是指過(guò)盈連接的零件能相對(duì)平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的配合,常見(jiàn)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(guò)盈配合.目前拆卸非剛性配合約束一般是手動(dòng)拆卸或者用專(zhuān)用拉鋸拆卸.以活塞上密封圈和缸筒間非剛性過(guò)盈配合約束解除為例來(lái)分析此類(lèi)約束.

圖4所示為液壓油缸局部結(jié)構(gòu)圖,箭頭表示拆卸方向.該非剛性過(guò)盈配合約束解除過(guò)程分為活塞一直在缸筒內(nèi)移動(dòng)和活塞脫離缸筒兩部分,采用專(zhuān)用拆卸工具將活塞移出缸筒外.

圖4　液壓油缸局部結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Local structure diagram of hydraulic cylinder

解除約束力為缸筒對(duì)密封圈的作用力F:

F=lμπD?，

(8)

式中：l表示活塞上密封圈個(gè)數(shù),π指圓周率，μ表示密封圈與缸筒的動(dòng)摩擦系數(shù),D為缸筒內(nèi)徑,?密封圈對(duì)缸筒壁單位圓周長(zhǎng)度上的正壓力.

活塞整體在缸筒內(nèi)移動(dòng)過(guò)程消耗的能量為

Ecm=Fx=lμπD?x，

(9)

式中x為活塞在缸筒內(nèi)移動(dòng)的距離,可用液壓缸的最大工作行程S和最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H之和來(lái)表示.

活塞逐漸脫離缸筒過(guò)程消耗的能量為

(10)

式中xi表示與缸筒接觸密封圈個(gè)數(shù)為i時(shí),活塞移動(dòng)的距離.

xh=x1+x2+x3+…+xl，

(11)

式中xh為活塞的長(zhǎng)度.

活塞上密封圈和缸筒間非剛性過(guò)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(guò)盈配合,其約束的解除能量計(jì)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(shí)際的液壓油缸拆解能量值E′z估計(jì)為

E′z=K·Ez，

(15)

式中K為修正系數(shù),其值根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際損耗程度評(píng)估,一般K>1,可大體反映實(shí)際的拆解能量值.

3　實(shí)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(jié)構(gòu)參數(shù)及數(shù)值,表2為油缸中非剛性過(guò)盈配合約束解除參數(shù)及數(shù)值.按圖2的可行拆卸序列來(lái)計(jì)算該油缸拆解能量.

表1　某工程液壓油缸零件結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2某工程液壓油缸中非剛性過(guò)盈配合解除的相關(guān)參數(shù)及數(shù)值

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

參數(shù)非剛性過(guò)盈配合名稱(chēng)活塞密封圈與缸筒缸蓋密封圈與活塞桿密封圈數(shù)目/個(gè)32摩擦系數(shù)0.30.3配合直徑/mm360255配合長(zhǎng)度/mm210360單元圓周正壓力/Pa12001200移動(dòng)距離/mm1400800

由表1和表2中液壓油缸相關(guān)參數(shù)及數(shù)值，計(jì)算可行拆卸序列Ⅰ中零件約束解除和移出消耗能量,見(jiàn)表3.由于緩沖套與活塞桿為間隙配合,且緩沖套質(zhì)量很小,解除緩沖套所消耗的能量很小,忽略不計(jì).

表3某工程液壓油缸零件拆卸相關(guān)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(zhì)量太小,忽略不計(jì)缸筒:21838600鎖緊螺母:322010活塞組件:410080缸蓋組件:656580緊定螺釘:719質(zhì)量太小,忽略不計(jì)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(lái)計(jì)算其拆解能量E1-z為

(16)

以可行拆卸序列Ⅱ來(lái)計(jì)算該油缸的拆解能量,參考拆卸序列Ⅰ中各參數(shù)值,其中缸蓋組件在活塞桿上移動(dòng)方向與序列I中缸蓋組件移動(dòng)方向相反,在活塞桿上一直移動(dòng)的距離由800 mm變?yōu)?10 mm,其他參數(shù)值幾乎沒(méi)有變化,則缸蓋組件解除約束消耗能量由565 J變?yōu)?51 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(jì)算其拆解能量E2-z為

(17)

由E2-z

4　結(jié)　論

本文基于拆解混合圖構(gòu)建了工程液壓油缸拆解約束模型,得到了相應(yīng)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(jì)算公式,提出了用傳送帶模型來(lái)計(jì)算零部件移出消耗能量.以某工程液壓油缸拆解為例,計(jì)算得出該液壓油缸拆卸序列Ⅰ和Ⅱ的拆解能量值,通過(guò)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(guò)對(duì)液壓油缸拆解能量的分析評(píng)估,可為油缸的拆卸序列規(guī)劃、專(zhuān)用拆卸設(shè)備設(shè)計(jì)和液壓油缸的可拆卸性設(shè)計(jì)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

2015-10-13.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA040206).

王伏林(1970—)，男，湖南益陽(yáng)人，副教授，博士,從事數(shù)字化制造、工程機(jī)械再制造等研究，E-mail:wangfulin_01@163.com.http://orcid.org//0000-0002-4552-4049

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.03.001

TH 122

A

1006-754X(2016)03-0201-05

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