一種氣動雙向敲擊機構的設計與AMESim仿真試驗

2020-05-21 03:14:44王家興高海濤

機械研究與應用 2020年2期

王家興，李娟，高海濤，楊漫

(南京工程學院機械工程學院，江蘇南京 211167)

0 引言

鋼絲繩、鋼絞線等鋼線應用非常廣泛，常作為架空輸電地線，阻攔索，結構索等用于橋梁、建筑、水利、能源及巖土工程等場合[1]。鋼絞線一般是繞制成盤卷狀進行運輸和存儲的，因而在生產時需要利用繞線機進行盤繞成卷打包，然而由于繞線機在繞卷時相鄰鋼絞線纏繞方向相反，鋼絞線力學性能動態變化，再加上繞線機構控制精度等原因，鋼絞線繞卷時會出現繞線排列不緊密進而鼓包等現象，從而造成鋼絞線線卷質量問題。目前在生產中改善鋼絞線質量問題的主要方式為人工方式，通過人觀察缺陷出現，再用工具敲擊修正繞線的不平整現象，該方式效率較低、且勞動強度大，因此，有必要設計一種能夠模擬人工敲擊方式的雙向敲擊機構，通過敲擊將鋼絞線復位到密排位置，提高鋼絞線質量。

1 敲擊機構機械方案設計

1.1 敲擊機構方案對比與選擇

鋼絞線盤卷時，是通過工字輪旋轉，排線機構帶動鋼絞線左右移動，一層層纏繞在工字輪上，最后打包成卷。鋼絞線纏繞過程中，排列不緊密的現象主要發生在工字輪背面，因此，所設計的鋼絞線敲擊裝置應該位于繞線工字輪背面，并隨著鋼絞線的移動而不斷地敲擊鋼絞線進行復位。[2]

根據這一需求，需要設計一個二維滑臺，在二維滑臺上布置一個敲擊機構，敲擊機構在二維滑臺的帶動下跟隨鋼絞線移動并進行敲擊。經過思考，初步設計兩種雙向敲擊機構方案。

圖1 方案1機構圖圖2 方案2機構圖

方案1：曲柄搖桿機構+柔性擺桿

機構原理如圖1所示由服電機帶動偏心曲柄滑塊機構，滑塊帶動擺桿左右擺動，由擺桿產生雙向敲擊運動，實現對鋼絞線的敲擊。[3]由于電機帶動的偏心曲柄滑塊機構是一個剛性機構，其左右敲擊行程固定，當擺桿敲擊到鋼絞線時，機構運動被阻礙，無法繼續，會引起電機堵轉，因此需將擺桿設計為柔性，以便越過敲擊堵點，完成敲擊動作。

方案2：雙作用氣缸+剛性擺桿

如圖2所示，采用一個雙作用往復氣缸驅動一剛性擺桿左右擺動，由于氣體具有沖擊力和可壓縮的特點，因此驅動的擺桿具有一定的沖擊力，能夠產生敲擊作用[4]。為了實現雙向敲擊，氣缸應該選用雙作用氣缸。

對比上述兩種方案，方案1采用電機驅動，偏心曲柄滑塊帶動擺桿產生敲擊動作，機構略復雜，但采用電機作為驅動，伺服系統簡單，方案1另外一個缺點是需要采用柔性桿，這對后面的敲擊控制，如確定敲擊時刻和檢測敲擊力帶來了難度。方案2結構簡單，易于制造，但由于采用氣缸驅動，需配置氣動回路和氣源，伺服系統復雜，且雙作用氣缸伸縮作用力不同，使得擺桿左右敲擊力不同，需要改進控制回路。

綜合比較兩種方案，盡管方案2驅動系統復雜，但考慮到工廠現場布置有氣源，不需要另外布置氣源，且結構簡單，易于控制實現，故選用方案2作為最終方案。

1.2 氣缸驅動敲擊機構主要部件設計

根據設計初始參數：擺桿的擺動幅度為左右15 mm，敲擊力為500 N，考慮到結構緊湊及與二維滑臺尺寸的配合，初步確定擺桿長度700 mm，氣缸距擺桿中心距離300 mm，氣缸采用前端耳軸方式安裝。

1.3 雙作用氣缸的選型

按敲擊力F0=500 N，選型氣缸，初步選用亞德客公司的氣缸，氣缸布置在擺桿的中間(如圖2)，估算氣缸輸出桿負載F=2F0=1 000 N,氣缸工作壓力按P=0.6 MPa，工作效率η=0.5。氣缸行程由擺桿擺動幅度15 mm可得l=30 mm。

根據以上參數，計算氣缸缸徑：

按標準型號，初選氣缸型號為：SE80X50S，氣缸內徑為80 mm，活塞桿外徑為25 mm，行程為50 mm，壓側理論輸出力為3 015.6 N，拉側理論輸出力為2 721.6 N。

1.4 敲擊機構三維建模

在確定主要部件后，采用SolidWorks建模，建立的雙向敲擊機構三維模型如圖3所示。

套筒結構固定在墊板之上，套筒外壁固定有一剛性桿，剛性桿中部通過魚眼鉤與固定在墊板上的氣缸連接，氣缸伸縮，推動剛性桿以套筒軸心為軸左右擺動，同時帶動固定在剛性桿前端的錘體錘套結構敲擊鋼絞線。

圖3 敲擊機構虛擬樣機

2 氣動控制回路設計

為了實現雙作用氣缸的驅動控制，設計了如圖4所示的雙作用氣缸氣動回路[5]。氣動回路主要由三聯件，直通減壓閥，換向閥，快排閥，氣缸等元件組成。由于雙作用氣缸活塞的作用面積不同，拉力和壓力不等，從而使得擺桿左右方向的敲擊力不同，為了保證氣缸壓力和拉力相等，設計了雙氣壓驅動回路，通過減壓閥引出兩路不同氣壓的氣動回路驅動雙作用氣缸的兩個腔體，保證輸出力相等，以二位三通換向閥實現不同氣壓氣路的切換。氣路通過快排閥實現氣缸高速運動。