面向某工程機械液壓缸的拆卸設計*

任豐蘭，姚 星

（1.常德職業技術學院，湖南 常德 415000；2.中南大學，長沙 410003）

0 引言

制造業是國民經濟最重要的支柱產業，工程機械又是制造業的一個非常重要的領域。工程機械產品的制造消耗了較多的資源和能源[1]，對很多已經超過使用年限或型號老齡化的設備，如果繼續使用，將會造成環境的污染，隨著人類對生態環境保護越來越重視，大量的工程機械將面臨報廢的危險。由于自然資源的過度開發與消耗，導致全球性的資源短缺，為此，人們提出對報廢產品進行回收的理念[2]，希望從源頭上遏制環境污染，節約資源與能源。如何將淘汰或廢棄的工程機械進行回收利用，已成為工程機械設計者們所關心的問題。而傳統的工業模式采用的是資源-產品-廢物模式[3]，缺乏回收利用的理念，導致資源的浪費；以往的產品設計，也缺乏考慮產品的回收利用，導致設計出來的產品在報廢后拆卸較困難，又缺乏相應的拆卸思維、拆卸工具和拆卸方法，增加了產品回收的成本，影響了報廢后產品的利用[4]。基于此，提出了面向某工程機械液壓缸的拆卸設計，它以某工程機械的液壓缸為例，遵循易于拆卸、簡化產品功能等準則，從零件拆卸的自由度和可行性分析出發，對液壓缸拆卸路徑、拆卸工具和拆卸方法進行了設計、分析，并從拆卸的角度給設計者提供一些設計理念，使產品在滿足性能與功能的前提下改進產品的裝配結構，使其易于拆卸與回收，讓拆卸分離操作變得簡單、快捷，讓拆下的零部件易于手工自動處理，實現產品的回收利用，實現生態工業和可持續發展[5]。

1 拆卸設計準則

1.1 采用易于拆卸準則

產品的裝配是靠各零件之間進行連接而成，而產品拆卸的快慢很大程度上與連接方法（緊固方法）有關，不同的連接方法對拆卸的影響也大不相同。例如，拆卸鍵連接通常比拆卸普通的螺紋連接花費3～10倍的時間。因此，在選擇連接方式時，保證其功能和強度等前提下，盡可能采用易拆卸的連接方式，盡可能減少緊固件的數量并統一緊固件的類型。

1.2 簡化產品功能準則

在市場經濟的今天，企業為了滿足購物者的需要，產品能力愈來愈強大。然而，產品功能的綜合也導致了產品組成的復雜性，使得產品在設計上只注重了功能的多樣化，而在最開始的結構設計上忽略了未來產品報廢之后的回收利用。因此，在產品結構設計中，只要能滿足產品的基本要求，就應該盡可能的簡化一些不必要的功能。這不僅可以提升功能的平穩性，而且可以有效地減少零件的數量，這對以后產品的裝配、維修、拆卸以及報廢后的回收都非常有利。

1.3 材料類型相關準則

盡可能采用相關的材料類型，產品的回收是按材料類型進行回收的，如果設備采用的材料種類越少，拆卸和分類就越簡單。按材料拆卸和回收時，如果構件的材料相同，則構件可以不拆卸回收。

2 零件拆卸的自由度和可行性分析

2.1 鄰接約束矩陣

通常采用鄰接約束矩陣表達子裝配體里面零件之間的連接關系[6]，如鄰接約束矩陣M，假設裝配體第k（k=l，2，3，…，n）層有n（n=1，2，3，…）Mkij=[mij]個零件，則表示為：

其中Mij的值定義如下：

由定義可知，鄰接約束矩陣有如下特點：

（1）Mij為對稱矩陣。

（2）Mkij第i行向量的模表示示第k層所受其他零件約束的和，同時也表示有多個零件與第i個零件存在約束關系。

（3）第k層第j個零件對其他零件的限制情況用鄰接約束矩陣Mkij第j列向量的模表示。

2.2 零件拆卸的自由度和可行性分析

在空間中零件都有沿X、Y和Z方向的運動和繞X、Y和Z方向的旋轉的6個自由度。因此，零件的約束也可以從這6個方向進行，零件拆卸的可能幾何方向和可行性也可以從6個約束間接地得出，而采用約束度和約束矩陣更準確地得到拆卸的可行性。約束度與自由度概念相反，它表示的是拆卸過程中其他零件對目標零件沿某一方向的拆卸運動的約束，常用0和1表示，0表示有其他零件在某一方向約束目標拆卸零件。當其值為1時，表示沒有零件約束它，因此零件在空間中約束度，表示為：（TX，TY，TZ，RX，RY，RZ）

其中T、R各自是代表移動和轉動，X、Y、Z各自代表3個坐標軸方位。為了更準確地表示零件的約束度，將Tx分為沿x軸正向的T+x和沿x軸負向的T-x，類似這樣可以得到12個半約束度，（TX，TY，TZ，RX，RY，RZ）則變為：

為了方便起見，12個數據可以用3×4的矩陣來描述，稱之為兩個部分之間的約束關系矩陣。例如，零件i相對于零件j的約束關系矩陣RMi-j表示為：

根據約束關系矩陣的性質可得，零件j相對于零件i的約束關系矩陣RMj-i，即為RMi-j的對稱矩陣。

對于以上制約矩陣RMi-j，僅當6個移動半約束元素中至少有一個為1時，零件才被視為可拆卸的。

以簡單裝配體（兩個零件組成）為例，如圖1所示，它由兩個零件X1、X2組成，則X2的制約矩陣矩陣RM2-1為：

圖1 簡單的裝配體

從式（2）可以判斷的出來X2是可以拆卸的。

3 拆卸思維及其步驟

產品拆卸流程的含義就相當于是一層層減少產品中的約束數量，去除零件在產品間約束聯系的流程，所以只要拆掉了一個零件，整個拆卸的過程中都應該使產品的約束項目降低，通過了解鄰接矩陣Mk的物理意義，當拆除零件i后應該要讓零件i所對應的行和列變為零[7]。

3.1 拆卸思維

（1）由鄰接約束矩陣的含義知，|Ri|的值代表了另外的零件對第i個零件的約束狀況，零件i的限制度最小，自由度最大時，|Ri|表明了零件i在這個構件里面只收到了來自一個方向或一個零件的約束，通過上面的的分析可以得到此條拆卸原則：當在計算鄰接矩陣Mk個行的模時，算法得知該要最先拆卸|Ri|的值最小的那一行所相應的零件，即|Ri|=1的行，要是沒有，那么就拆卸|Ri|=2的行所對應零件[8]。

（2）通常狀況下要求只需要拆卸掉|Ri|≤2所相應的零件，根據多年的實際經驗可以得到，如果實際中出現了|Ri|＞2情況時，把他拆卸掉的話，最后的到矛盾的解的結果會大大增加。

（3）指定拆卸基礎件。

（4）如有必要，可手動指定某些零件的拆卸順序。

（5）同一類型或對稱排列的零件可視為一個零件，可同時拆下（部分需人工指定）

3.2 拆卸序列生成步驟

拆卸序列生成步驟，如圖2所示。

圖2 拆卸序列生成步驟

4 某工程機械液壓缸的拆卸設計

4.1 拆卸模型建立

建立某工程機械液壓缸總體裝配如圖3所示。

圖3 液壓油缸總裝圖

4.2 拆卸自由度分析

在知道總體零件之后，要對零件進行分層分類進行拆解，依次對零件進行自由度分析，歸類零件。

由自由度原理分析可知零件1不可拆卸。

由自由度原理分析可知零件2可拆卸。

由自由度原理分析可知零件3可拆卸，類似，把零件4～16都進行分析。

4.3 拆卸模型的分層

由上自由度分析可得總裝配體可以分為以下幾個部分：S1缸體、S2缸蓋總成、S3固定軸套和S4壓注油，總分層如圖4所示。

圖4 總分層圖

根據S1缸體、S2缸杠總成、S3固定軸套、S4壓注油桿之間的連接關系，指定S2缸杠總成為基礎件，建立第一層網絡連接，如圖5所示。

圖5 液壓油缸第一層網絡連接

由圖6可知各個產品的連接關系，簡化網絡連接圖形成網絡圖的第一層如圖6所示。

圖6 簡化后的液壓油缸第一層網絡連接

根據K1活塞桿總成、K2六角螺母、K3活塞1總成、K4活塞二總成、K5缸蓋總成之間的連接關系，指定K5缸蓋總成為基礎件，建立第二層網絡連接，如圖7所示。

圖7 缸桿總成網絡連接

由圖7可知各個產品的連接關系，K2六角螺母為連接件，根據網絡連接圖原理，簡化網絡連接圖去掉連接件，簡化網絡連接圖形成網絡圖的第二層如圖8所示。

圖8 簡化后的缸桿總成網絡連接

4.4 生成拆卸序列

根據第一層裝配體S1缸體，S2缸杠總成，S3固定軸套，S4壓注油桿之間的約束關系可得其對應鄰接約束矩陣M1：

由M1可知[R1]=1，[R3]=1，[R4]=1，根據拆卸原則，先拆掉零件S1、S3、S4，由于零件2為基礎件，根據拆卸原則基礎件最后拆卸，最后可得M1=0。所以產品第一層的拆卸序列為S1/S3/S4＞S2（''/''表示或的關系，意思是先拆誰都可以，''＞''表示符號左邊要比符號右邊先行拆掉）。

同理第二層最終的拆卸序列為：K2＞K3/K4＞K1＞K5，K1活塞桿總成由活塞桿1，O型密封圈15，因為活塞桿總成只有兩個零件組成，根據拆卸原則可得拆卸序列為1/15，K3活塞桿1總成由10活塞1，密封圈9，O型密封圈8，非金屬導向環7，YX型密封圈6組成，鄰接約束矩陣為：

根據拆卸的原理，先行拆掉YX型密封圈6，非金屬導向環7，O型密封圈8，密封圈9，能得到：M=0，所以拆卸序列為：6/7/8/9＞10。K4活塞2總成由13YX型孔用密封圈1，14YX型孔用密封圈2；12活塞2組成，其拆卸序列為：13/14＞12，K5的拆卸序列為4/5，最后得到液壓油缸的拆卸序列為：

11/23＞[16＞（6/7/8/9＞10）/（13/14＞12）＞（1/15）＞（4/5）]

5 結束語

工程機械產品是制造業的重要組成部分，文章以拆卸的設計準則、零件拆卸的自由度和可行性以及拆卸的思維和步驟等理論為基礎，以某工程機械的液壓缸的拆卸為例，建立了拆卸模型，采用了約束度和約束矩陣的方法對液壓缸拆卸的自由度進行了分析與計算，進行了拆卸設計。

本文設計為某工程機械的液壓缸的拆卸提供拆卸路徑、拆卸工具和拆卸方法；并從拆卸的角度給液壓缸的設計者提供設計理念，使產品在滿足性能與功能的前提下改進產品的裝配結構，并盡可能降低產品的拆卸成本和總成本，減少對廢棄產品進行回收處理時零部件的重用和材料回收的工作量；讓某工程機械的液壓缸的拆卸有跡可循，提高了拆卸效率，降低了回收費用，提高了資源的再生和利用率。