新型螺旋換熱器柱板自動焊接機的研究

龐海文,曲興田

(1.長春大學(xué) 機械與車輛工程學(xué)院，長春 130022；2.吉林大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130000)

近幾年，我國對國外的換熱器市場進行了一定的實地考察，發(fā)現(xiàn)板式換熱器的競爭力呈不斷上升趨勢，但是管殼式換熱器在各個國家中仍然占有較大的比重，約為總量的3/5[3]。螺旋換熱器的開發(fā)設(shè)計正在飛速地發(fā)展，但是對其生產(chǎn)工藝進行研究后發(fā)現(xiàn)，定距柱的焊接大都采用人工焊接，生產(chǎn)效率低，且容易發(fā)生虛焊和焊穿。該新型自動焊接機是實現(xiàn)定距柱從篩選、運送到焊接的一整套自動化設(shè)備，不僅使螺旋換熱器的生產(chǎn)效率大大提高，同時解決了虛焊和焊穿的問題，使其質(zhì)量得到保證。

1 電阻焊的理論分析

1.1 電阻焊的基本原理

電阻焊接通過從電極流向焊接母材的電流使連接部位本身產(chǎn)生焦耳熱量，從而使結(jié)合部位溫度上升，多數(shù)情況下溫度會上升到融化狀態(tài)。此時，基本不適用熔接輔助材料。在這期間，通常兩電極會持續(xù)對木材加壓，從而使木材產(chǎn)生塑性變形，使得表面緊密連接，生成牢固的接合部。在對接焊中，在焊接的最后會產(chǎn)生一個被叫做頂鍛壓力的突然增大的壓力。由于母材到電極間熱傳導(dǎo)而使產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)移，所以，接合部位的溫度會上升。如圖1所示，在接合部位出現(xiàn)的溫度分布可以產(chǎn)生最高的溫度(進行薄板點焊時，在焊接結(jié)束之前，90%以上的熱量都已經(jīng)轉(zhuǎn)移)。焊接電流、通電時間以及電極加壓力被稱為電阻焊接的三大條件。在電阻焊中，這些條件互相作用，具有非常緊密的聯(lián)系。

圖1 接合部的溫度分布

1.2 焊接電流的峰值和實效值

按照焦耳定律對電阻焊接所產(chǎn)生的熱量進行計算：

Q=I2Rt，

式中：Q為產(chǎn)生的熱量(J)，I為焊接電流(A)，R為電極間電阻(Ω)，t為焊接時間(s)。

其中，電極間電阻包括工件本身電阻Rw，兩工件間接觸電阻Rc，電極與工件間接觸電阻Rew。

R=2Rw+Rc+2Rew

直流電源中，t秒鐘內(nèi)在電阻R上導(dǎo)通的直流電流I的發(fā)熱量為Q=I2Rt，發(fā)熱量與電流的2次方有關(guān)。

圖2 實效值的計算方法示意圖

1.振動篩選機構(gòu) 2.龍門架 3.焊接機構(gòu) 4.床身 5.焊槍橫向移動機構(gòu) 6.定距柱推送機構(gòu) 7.定距柱輸送機構(gòu)圖3 螺旋換熱器柱板自動焊接機樣圖

因此，實際對發(fā)熱量產(chǎn)生作用的電流值，是通過焊接電流值測量得到的實效值。

2 螺旋換熱器柱板自動焊接機的研究

2.1 螺旋換熱器柱板自動焊接機工作目的

螺旋換熱器中螺旋板的厚度為4mm，寬度為1000mm，長度無固定要求，暫取2000mm，材料為Q235。定距柱為高度20mm，直徑10mm的圓柱銷，材料為45鋼。

本機需要將定距柱篩選出來，并通過輸送機構(gòu)以及推送機構(gòu)精確地送到焊槍正下方，然后控制焊槍通過電阻焊的方式將定距柱焊接到螺旋板上。

2.2 螺旋換熱器柱板自動焊接機工作機構(gòu)

圖3為螺旋換熱器柱板自動焊接機的機構(gòu)圖。本機床身高度875mm，橫向?qū)挾葹?280mm，長度方向無固定要求，暫取2000mm。龍門架高度1490mm，橫向?qū)挾?880mm。

2.3 螺旋換熱器自動柱板焊接機工作原理

圖4 螺旋換熱器柱板自動焊接機工作框圖

圖4為螺旋換熱器柱板自動焊接機的工作框圖。振動盤1將定距柱篩選、運送到定距柱輸送機構(gòu)7的齒形帶的U型槽內(nèi)，定距柱輸送機構(gòu)7將定距柱運送到指定位置之后停止傳送，定距柱推送機構(gòu)6的縱向氣缸開始推動后板，后板推動夾持器的后臂，該后臂推動兩個前臂，兩個前臂的前行使L型夾持臂夾緊定距柱，之后，在縱向氣缸的推動下繼續(xù)前行，直至焊槍的正下方，并通過定距柱擋塊限位，電阻焊槍工作，把定距柱焊接在螺旋板上，橫向氣缸可以用來調(diào)節(jié)電阻焊槍的位置。

圖5為振動篩選機構(gòu)樣圖。振動盤通過電磁振動器，使定距柱在螺旋軌道中由低到高運動，到達頂端的出料軌道，爾后掉到出料內(nèi)管中。振動盤出料軌道末端裝有對射型傳感器，用以控制掉落定距柱的個數(shù)。出料口前端由于在工作中與推送機構(gòu)中的前板發(fā)生干涉，所以出料口外套筒內(nèi)裝有彈簧，使得前端可以上下運動。

101.振動盤 102.振動盤出料軌道 103.對射型光電傳感器 104.出料口支撐座 105.出料內(nèi)管 106.出料口外套筒 107.出料口前端圖5 振動篩選機構(gòu)樣圖

圖6為定距柱輸送機構(gòu)樣圖。齒形帶由交流伺服電機帶動，上面貼有帶U型槽的膠塊，只有當出料口處的定距柱掉入U型槽內(nèi)，才可被運動的齒形帶帶出，并運送到指定位置。

701.交流伺服電機 702.彈性柱銷聯(lián)軸器 703.齒輪軸 704.大齒輪 705.小帶輪 706.齒形帶 707.U型槽 708.大帶輪 709.軸承座 710.張緊輪圖6 定距柱輸送機構(gòu)樣圖

圖7為定距柱推送機構(gòu)樣圖。夾持器夾持定距柱的階段后板被縱向氣缸推送向前，前板在彈簧鎖的作用下靜止不動，夾緊后氣缸繼續(xù)施加推力，前板才和后板、夾持器一起向前運動。夾持器撤回時，前板在彈簧鎖控制下先靜止，當完全松開后，氣缸繼續(xù)施加拉力，將其拽回。

601.縱向推送氣缸 602.前板 603.后板 604.彈簧鎖 605.定距柱夾持器圖7 定距柱推送機構(gòu)樣圖

301.焊槍上氣缸 302.電阻焊槍 303.定距柱擋塊外套筒 304.定距柱擋塊圖8 焊接機構(gòu)樣圖

圖8為焊接機構(gòu)樣圖。在定距柱推送機構(gòu)推送之前，定距柱擋塊先下降與螺旋板接觸。推送機構(gòu)將定距柱送至電阻焊槍正下方后，電阻焊槍下降壓緊定距柱，壓力值由上氣缸的調(diào)壓閥控制，使所有電阻焊槍的壓緊力相同。9個電阻焊槍由兩組焊接電源驅(qū)動，通電時間均相同。

圖9為焊槍橫向移動機構(gòu)樣圖。為了達到相鄰兩排定距柱位置錯開的要求，氣缸推動焊槍的支撐板，使焊槍順著滾動導(dǎo)軌移動60mm。配重板放置焊槍和支撐板傾倒，減小滑塊的載荷。

501.龍門架橫梁 502.滾動導(dǎo)軌 503.配重板 504.焊槍支撐板 505.橫向氣缸前端 506.橫向推送氣缸圖9 焊槍橫向移動機構(gòu)樣圖

圖10為焊接完成的效果圖。相鄰兩排定距柱之間存在錯位關(guān)系。

圖10 焊接完成效果圖

2.4 定距柱夾持器的L型夾持臂的有限元分析

圖11為定距柱夾持器樣圖。我們對L型夾持臂在工作中受到的最大夾緊力進行計算，并利用Solid Works分析了在這一力作用下它的應(yīng)力分布以及微小形變。

60501.L型夾持臂 60502.夾持器前臂 60503.夾持器后臂 60504.六角螺栓 60505.銷釘圖11 定距柱輸送機構(gòu)樣圖

由于出料口中彈簧最大形變所形成的彈力的分力，使得兩個縱向進給氣缸的推力約為62N。一次至少8個夾持器工作，所以每個夾持器受到的最大推力F0=7.75N。畫出受力分析如圖12所示。

(a)

(b)

(c)

如圖(a)所示得：

2F1cos35°=F0，

在圖(b)中，以A點為基點，力矩為0，可得：

F1×7.6=F2×13.5，

再由圖(c)中所示，可得：

2Fcos70.5°=F2，

綜上可得：F=4N。

求得上述力以后，建立了L型夾持臂的模型，并對其進行了網(wǎng)格的劃分、邊界類型的設(shè)定。設(shè)置其材料為45鋼，兩個面施加的法向力為4N，動畫仿真后得出如圖13所示的靜應(yīng)力和靜態(tài)位移的分析圖。

(a)

(b)

從圖(a)中可以看出其最大應(yīng)力為2.527MPa，向下逐漸減小。從圖(b)中可以看出其最大形變?yōu)?.398×10-4mm。二者均在安全范圍以內(nèi)。

3 結(jié)語

螺旋換熱器柱板自動焊接機通過振動篩選機構(gòu)、定距柱輸送機構(gòu)、推送機構(gòu)、焊接機構(gòu)及焊槍橫向移動機構(gòu)的配合工作，實現(xiàn)定距柱的篩選和準確定位，使得螺旋換熱器的生產(chǎn)效率及質(zhì)量顯著提高，并向自動化生產(chǎn)邁進。

參考文獻：

[1] Muley A ,ManglikR M. Experimental Study of Turbulent Flow Heat and Pressure Drop in a Plate Heat Exchanger with Chevron Plates [J].Journal of Heat Transfer,1999(121):110-114.

[2] Kumar H .Condensation duties in Plate heat exchangers[R].Symposium on condenser：theory and Practice，1983.

[3] 黃慶軍，任俊超,蘇是，等.中國換熱器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].石油和化工設(shè)備，2010，13(1)：5-8.

[4] Cho J G,Rim G H,Lee F C.Zero-Voltage and Zero-Current-Switching Full Bridge Pwm Converter with Secondary Active Clamp[J].IEEE PESC,1998，13(7)：601-603.

[5] Watson R,Lee F C.Analysis,design,and experimental results of a 1-KWFB-ZVS-PWM converter employing magamp secondary side control[J].IEEE Applied Power Electronics Conference Proceedings,1998，45(5)：806-814.