微阻尼齒輪自動化裝配機的自動注油機設計與研究

劉飛飛，漆　磊，古帥奇

(江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州　341000)

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微阻尼齒輪自動化裝配機的自動注油機設計與研究

劉飛飛，漆磊，古帥奇

(江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州341000)

為實現微定量高粘度阻尼油注射，基于SolidWorks建立了微定量高粘度阻尼油自動注射裝配的三維模型，基于數值計算的方法，設計了一種螺旋輸送機構實現了微定量高粘度阻尼油的輸送?；谕牧鱇-ε模型，采用CFX軟件，對泵送機構進行了仿真，驗證了注油開口時，油液無泄漏?；谧⒂驮O備的機械模型，設計了其液壓回路和自動控制系統，實現了微定量高粘度的阻尼油注射。

自動注油機設計；微定量高粘度注油；CFX仿真；螺旋輸送機構

0　引言

阻尼器應用廣泛，已經用于各行各業需要緩沖減震的場合，阻尼器主要通過緩沖減震裝置來實現緩沖的功能，大部分的緩沖減震裝置都是依靠彈簧橡膠類的減震產品實現減震，而這類產品主要應用于大型減震設備，并且精度要求不高的場合。而在大部分的精密緩沖減震系統，主要依靠阻尼油來實現緩沖減震的需求。微阻尼齒輪目前廣泛用于汽車零部件的各個需要減震的場合，然后目前微阻尼的裝配還是采用純手工方式，這種生產方式需要大量的人力進行裝配，人工裝配成本高，并且裝配起來極易疲勞，裝配過程單一、枯燥，極易影響裝配情緒，這種存在的巨大的不穩定性生產的產品合格率大大降低。目前，國內外研究這種對于特定的微阻尼齒輪裝配的注油機很少，企業采用的注油設備，多依賴于人工的操作感覺進行定量注射。因此，設計了一套自動化阻尼齒輪裝配系統，實現了阻尼齒輪的自動化裝配。本文所述的自動注油機就是其中的一種自動化設備。

1　微阻尼齒輪結構及注油工藝的要求

微阻尼器阻尼齒輪的組成包括5部分，如圖1所示：齒輪、上蓋、膠圈、軸、下蓋。按裝配工藝要求，先裝配下蓋，裝配完下蓋后，對其進行定量注油，其次再下蓋以上的裝配單元與注好阻尼油的下蓋進行組合裝配。

注油工藝要求：本產品采用的是日本廠家生產的特殊硅油，產品接觸阻尼油旋轉，產生扭矩，即產品阻值的大小由阻尼油的粘度，接觸面積決定。粘度高，接觸面積大，產品阻值變大；反之，粘度小，接觸面積小，阻值就變小，扭矩可以根據產品的需要在80～1500(gf·cm)之間任意調節。由于產品的扭矩需求不一樣，對不同產品注油量要求可以變化調節，為保證產品的扭矩合格和產品的一致性，對單一產品要求注油要定量，注油過程中要保證注油的精確，均勻。

圖1　微阻尼齒輪結構尺寸圖

2　注油機機構設計

2.1總體方案設計

從注油工件可以看出，注油工件較小，在保證大扭矩的產品時，為了保證能達到較大的扭矩采用的是高粘度的阻尼油，粘度超高100cs，由于高粘度的阻尼油在輸送過程中阻力較大，而所需油量又較少。同時，為了保證扭矩的精確性，必須保證油量的精確性。這給設備的注射帶來了極大的困難?；谶@些問題，本系統采用了螺旋輸送機構，來保證高粘度阻尼油的精確輸送。如圖2所示，該系統采用的是多工位轉盤的裝配方式，注油設備處于轉盤邊緣，工件隨轉盤旋轉。由機架、手動調節大行程、微工作行程、螺旋輸送機構、泵送機構構成。初始調試階段可以根據工作臺或者零件的高度采用手動調節到一定的高度，然后手動鎖死。在自動工作時，采用微行程滑臺來保證工作行程。注油過程主要通過螺旋輸送機構，進行微定量高粘度阻尼油輸送，采用泵送機構進行注油。下面主要對螺旋機構采用數值計算的方法進行計算，對泵送機構采用流體仿真的方法，對其進行設計計算。

圖2　注油機三維模型

2.2螺旋機構設計

如圖3所示是以產品KF96H-50萬CS為例,采用SolidWorks對螺旋輸送結構進行設計。高粘度阻尼油從進油口輸入，經過螺旋輸送機構進行微定量輸送，從出油口輸出。

圖3　螺旋機構模型

螺旋輸送機構送油量計算如下：

(1)以矩形截面對軸進行切除

圖4　螺旋機構矩形截面

圖4為高為T,寬為e的矩形截面。

(2)將軸展開后，螺旋展開為如下：

圖5　螺旋展開圖

如圖5所示：螺旋展開圖，其中：α為螺旋升角，α取15～20°，D取φ10～φ16mm，現取直徑D=15mm，α=15°適合密封，螺距：

d=πD·tanα=12.63

(1)

則螺旋軸單圈螺紋長度：

(2)

單圈內體積：

v=L·S=L·T·e

(3)

單圈內油質量：

(4)

其中：p=0.978(g/cm3)。

當單圈螺旋內油質量為0.1g時。

(5)

T·e=2.0958=1.5×1.4(mm2)

(6)

尺寸太小，不利于油液傳輸。

現取單圈質量為0.4g，

(7)

T·e=8.38394mm2

(8)

取：T=3mm，e=2.8mm。

推油腔內油量計算：

體積：

(9)

每0.1g油所對應的：

(10)

由氣缸精度要求，現對h進行控制：①h=2mm，D1=8.1mm；②h=2.5mm，D1=7.2mm；③h=3mm時D1=6.6mm。考慮到推油氣缸行程的大小要適應，取h=2mm，D1=8.1mm，氣缸行程在0～125mm范圍內可調，保證注油量可在0～5g范圍內進行精確控制。

2.3泵送機構設計

如圖6所示，為設計的泵送機構。阻尼油經過螺旋輸送機構進到進油口，此時，軸閥進行順時針旋轉90°，擋住出油口，此時阻尼油進入閥體。當工件需要進行注油時，軸閥則進行逆時針旋轉，擋住進油口。此時活塞桿在氣缸的驅動下將阻尼油壓入工件。整個泵送機構簡單可靠，可實現阻尼油注射。

(1)泵送機構計算

圖6　泵送機構圖

由圖6可看出，整個注油腔形狀不規則，流體流動其質點不只是沿管軸方向做平滑運動，也存在徑向脈動，由此可以把注油在管道內的流動看做紊流，其流動仍然滿足伯努利方程，但是，由于高粘度阻尼油存在粘性，實際液體要克服粘性力做功。其方程[1]：

(11)

取活塞桿端面和出油口端面進行分析，但是由于是高粘度阻尼油，hw是不能忽略的，采用數值分析的方法顯然很難得出流體的流動情形，為了進一步分析流體的流動，在設計過程中采用了模擬的方法對泵送機構進行了分析。

ANSYS CFX是一款功能強大的流體分析軟件[2]，可以與CAD軟件進行無縫連接[3]，因此，在SolidWorks建立好注油機三維模型后，可以直接導入CFX進行流體分析，大大減少了建模時間。

(2)控制方程和湍流模型

CFX軟件擁有多個湍流計算模型[4]，包括：K-ε模型，SST模型，SSG模型和BSL模型。其中K-Epsilon(k-ε)模型是最簡單完整的湍流模型，該模型計算速度快，計算正確，并且符合注油特征。因此在計算時采用該模型。該模型是兩個方程的模型，要解兩個變量，即速度和長度尺度[5-6]。

①三維不可壓縮的平均連續方程：

(12)

(13)

②湍流方程：

(14)

(15)

③計算模型：采用SolidWorks建立注油機整機模型，取其中的泵送子裝配體進行分析，建立好三維模型后，可以直接無縫導入CFX進行分析。由于CFX軟件自帶的材料有限，采用CFX自定義材料功能，新建了阻尼油材料，其屬性如表1所示。

表1　阻尼油屬性表

④計算區域與網格劃分：將模型導入CFX后，首先建立好模型的計算域，由于閥腔形狀不規則，而且填充的好壞將直接影響仿真的結果，采用了多種方法進行填充和修復，得出如圖7所示的填充體，填充體與外壁結合良好適合分析。

圖7　阻尼油填充效果圖

填充完液體部分，將整體模型進行網格劃分。在劃分過程中，可以對液體部分進行細化。得出如圖8所示的網格模型[7-8]，總共生成節點43071個，劃分219359個網格單元，網格劃分良好。

圖8　網格劃分圖

設置邊界條件和初始條件，本仿真是模擬閥腔充滿液體時，閥桿沒有施加壓力，只有部分預壓的情況下，當開啟出油口時，液體是否泄漏，此時是否存在平衡。

f1+mg=f2+F

(16)

式中：f1-充滿液體時，閥桿的壓力；

m—液體質量；

f2—大氣壓力；

F—液體表面張力。

由于液體表面張力難于計算，因此采用模擬進行計算。設定條件后進行仿真，如圖9所示。

可以看出液體流動緩慢，最大處為2.995e-008(m/s)可以忽略，由此得出結論出油口設計合理，在開口后，不會發生泄漏。

圖9　泵送機構仿真效果圖

3　注油系統油路設計

由于本系統存在注油工位，要對工件注油，為了滿足注油工位的需求，設計了如圖10所示的液壓回路，根據工件所用油的粘度不一致，本系統采用了兩種供油方式：①如虛線所示由液壓泵供油，此時旋轉塞由步進電機驅動處于工件上方的位置，液壓油進入液壓缸，進入之后，旋轉塞在返回，液壓缸由電缸驅動將油壓入工件。②當油的粘度高時，由螺旋機構輸送。液壓油經過泵送機構經過調速閥，再進入其他后續螺旋機構。后續動作①一樣。

圖10　注油機液壓回路圖

4　控制系統設計

4.1注油機控制流程

(1)注油機設備

如圖2，注油機三維結構圖所示，注油機結構主要由液壓泵、注油管、輸油管、步進電機、伺服電機等組成。

設備信息要求如下：

濃稠度較高注油機：1#升降電機；2#定量注射電機；3#閥控電機；螺旋擠出電機(定量作用)；1#輸油口；油管；2#輸油口；出油口和注油口。

(2)控制流程

濃稠度較高注油機控制流程圖，如圖11所示。

圖11　注油機控制流程圖

(3)工作流程

① 阻尼齒輪到達模具內，手動啟動按鈕(點動按鈕)/或觸摸屏啟動，油泵或供油設備供電(第一次啟動后一直保持供油狀態，按動停止按鈕后停止)，此時向2#輸油口輸油，4#螺旋擠出電機螺旋定量輸油，通過油管輸入到1#輸油口，通過設定旋轉圈數，到達即停。1#升降伺服電機工作，下降定位(40mm)行程；

② 4#電機旋轉到位后，1#升降伺服電機工作，下降定位(40mm)行程，1#電機下降到位，3#閥控電機逆時旋轉90°，打開“閥門”，使阻尼油進入腔內；3#電機旋轉到位，啟動2#定量注射電機，定位(行程20mm)下降控制，推動推桿把腔內的油注入到齒輪內；

③ 2#電機注油完成，同時啟動1#升降伺服電機上升回原點和3#閥控電機順時旋轉90°關閉“閥門”，其中1#電機上升到位后等待2#電機上升到位，3#閥控電機復位，2#電機上升回原點，注油結束齒輪移走，進行以下循環注油。

4.2人機界面設計

如圖12所示，本套系統的觸摸屏同樣采用三菱的GOT1000系列的，機種為GT15.S(800×600)顏色為256色觸摸屏，采用的三菱觸摸屏軟件GT WORKS3軟件進行觸摸屏程序編寫。本系統總共編寫了2個畫面，手動操作畫面(圖12b)用于調試安裝，自動操作面板(圖12a)畫面用于自動運行時的監測，在該畫面上同樣設計了返回手動操作畫面的跳轉按鈕。時間顯示，各工位動作運行指示燈，可監測運行狀態。

(a)注油機自動操作界面

(b)注油機手動操作界面圖12　注油機人機界面

5　結論

通過solidworks軟件進行了注油設備的建模，采用數值計算的方法，設計了高粘度螺旋輸送機構，實現了高粘度微定量阻尼油的輸送。同時，通過流體分析軟

件CFX，采用湍流K-ε湍流模型，進行了仿真分析，驗證了在注油機開口時，油液的無泄漏。同時，采用液壓回路理論，設計了注油機液壓回路，實現了高低粘度的液壓回路設計。同時基于注油設備，設計了一套合理的控制系統，完成了注油設備的設計，實現了微定量高粘度阻尼油的自動化注油。

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(編輯李秀敏)

Design and Studies of Automatic Oil Ejector in Micro Damped Gear Automatic Assembly Machine

LIU Fei-fei, QI Lei, GU Shuai-qi

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou Jiangxi 341000, China)

In order to realize tiny-quantitative, high-viscosity damping oil injection, a spiral transportation mechanism was designed, it 3D model was created based on SolidWorks and numerical calculation method. Simulation of pump transport mechanism was performed. It was verified that there was no leak of oil while pouring orifice was open based on turbulence K-ε-model by using CFX software. Its hydraulic circuit and automatic control system were designed, tiny-quantitative, high-viscosity damping oil injection was realized based on mechanical model of oil filling equipment.

oil ejector；tiny-quantitative；high-viscosity；CFX simulation；spiral transportation mechanism

1001-2265(2016)08-0025-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.008

2015-08-16；

2015-09-15

劉飛飛(1962—)，男，江西贛州人，江西理工大學教授，博士，研究方向為高效節能型礦冶機電裝備及其智能化、特種機器人與智能機械技術、礦冶生產過程模擬與控制、機器視覺與圖像測控系統、工藝參數檢測與網絡測控技術，(E-mail)gzlff@126.com。

TH162;TG506

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