设计间隙（精选9篇）
设计间隙 篇1
0引言
在某油泵结构中,组成零件有一个泵座,并在泵座内放置了一个摩擦片、一个泵体、一个密封板和一个盖板。在此结构中,装配关系为轴孔间隙配合,如图1所示。在对样品试装配时,出乎意料地发现泵体在装配过程中容易卡在泵座中,装不进去也退不出来。虽然用手慢慢对准泵座轴心往下放泵体还是能够装配的,但基于批量生产的考虑,必须改善此种装配方式。在设计期间,由于是间隙配合,已经保留了间隙量,因而没有人想象到实物会如此难装配,其主要原因是没有考虑到实际的装配过程,仅仅看到了装配后的情况。
1案例分析
该问题可以简单描述为将一个圆盘放入孔座中,由于圆盘和孔座轴心线偏转以至于相互顶死,如图2所示。当圆盘上的一个点P接触孔座时,圆盘上距离P点最远的点Q最有可能碰到孔座壁,于是导致顶死,无法推动圆盘继续移动。
如果要避免顶死的可能,如图3所示,需分别从(a)和(b)两个方向考虑来改善,其目的都是为了使Q点没有机会碰到孔座壁。图3(a)减小了圆盘有效配合长度,将Q点靠近P点,使得圆盘无论如何倾斜也不会发生P、Q两点同时接触孔座的情况。
除了以上减小圆盘高度的方法外,还有一个有效方法,即加修饰倒角特征,如图4所示,它的好处是不需要改变间隙配合的设计间隙值。
另外一个常用方法是可以在圆盘的外圆周上做切边特征,如图5所示,形成较小插入过程中的最大弦长。
2解决方案
考虑到产品功能需求,泵体整体高度不能减小,故对以下三种方案进行分析。
方案一:放大配合间隙,计算所需要的间隙值,如图6所示。泵座设计变更:由原来的38.005增加到38.268。由于间隙放大得过多,会由于内部泄漏导致泵油功能失效,所以方案不可行。
方案二:计算装配不卡死所需要的最大有效配合高度,如图7所示。可采用添加修饰倒角的方案(图4)。
由于泵体为粉末冶金零件,从工艺上仅能将原来的5 mm高度修饰深度为2 mm的倒角,此时如图8所示,h1=3 mm,仍大于2.22 mm,不能100%解决问题。
方案三:组合添加修饰倒角和切边处理的方式(图4和图5)。增加2 mm的倒角后,有效配合高度3 mm(图4),再做切边特征(图5),最终解决了该问题。
切边特征会增加装配后轴和孔的偏心值。如图9(b)所示,如果假设3点接触模型,十字符号1为包络圆圆心,十字符号2为修改前被包络整圆圆心,十字符号3为被包络圆切边后的圆心,间隙配合的偏心即包络圆圆心和被包络圆圆心距离。切边后,圆心会从2偏移到3处。如图9(b)所示,由于三角形的外接圆已经跑出包络圆(最大圆),所以配合后偏心量增大。但是可以通过设计弦长长度来控制装配后偏心量的偏移。在本案例中,设计弦长75°最大,偏心量增大最恶劣情况下仅仅为0.021 4 mm,满足功能要求,从数值上来看,跟单纯增大间隙量+0.263/2相比要小得多。
3结语
在间隙配合设计中,尤其是在具有较长配合长度的情况下,可能会发生在装配过程中容易卡死的现象,从而不利于装配。通过分析比较可知,减小有效配合长度是最为有效的,而且不改变装配后的径向间隙。其次,切边特征也比增大配合间隙有效。遇到类似的问题,建议不要仅仅从增大配合间隙的方向来解决,在某些过盈设计中,也可通过类似结构改善装配性。
参考文献
[1]文超珍.公差与配合[M].北京:机械工业出版社,2013.
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[5]刘书胤,杨曙东,吴亮,等.大通径滑阀阀体强度与配合间隙的优化设计[J].液压与气动,2012(5).
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[7]杨利,张琦,刘玉卿.薄壁深孔筒形件冲子配合间隙优化设计[J].模具制造,2012(8).
设计间隙 篇2
‘话不要说得太满，饭要吃七分饱’，俗话道出的往往是真谛。退一步海阔天空，你会发现，世界是如此美好。
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我开始静静思考，为什么我没有了世界，如此浩瀚的宇际，装下了无数的生灵，却唯独少了一个我。世界如此不公，是自己做错了吗？我决定卸下包袱，什么也不做，什么也不管，任成绩草长樱飞，任世界发展变迁，于我何干。
在短短的时间内，我从人生遥不可及的云端落至为一个平庸的人：我的成绩排在班级倒数，生活安排也从有条不紊演变为杂乱无章。身边的人对我的变化感到十分惊诧，老师找我谈话，同事们以为我受到了什么刺激，暗自商量办法来帮助我，在之后的日子里，隔三差五便有人来安慰我，鼓励我。他们说话的语气变得柔软，出口的也不在是态度强硬的字句。久违的甜言温柔，于我来说，就像漫漫长夜显现了几只灵动的荧火虫，无尽的沙漠中出现了甘泉，在无际的海洋中航行的帆船找到了理想的彼岸……给予我温暖，希望。
我开始慢慢回应同学们的关心，从开始的生涩，到心安，到最后，我己经能好好的与他们进行交流。我变得开朗，乐观，积极，向上。同学们也会来邀我一同玩耍。我失去了成绩，却收获了朋友，收获了温暖。我仿佛己经拥抱住了世界，世界边接纳了我。
设计间隙 篇3
10 k V油田配电网分布广、设备多,线路结构以T接线路为主,相对于其他配电网,因雷电过电压引起线路跳闸的几率大。对油田配电网防雷保护方法进行研究,提出新的防雷保护方案,设计防雷保护间隙。避免发生雷击断线、绝缘子闪络而造成大面积停电和引起重大人身伤害事故,提高供电可靠性和经济效益。
1 架空绝缘导线断线机理
绝缘导线的雷击断线特性表现为雷电过电压引起绝缘子闪络并击穿导线绝缘层时,被击穿的绝缘层呈一针孔状,持续的工频短路电流电弧受周围绝缘的阻隔,弧根只能在针孔处燃烧,在极短的时间内导线就会被整齐的烧断。通常在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前就会引起断路器动作,切断电弧[1]。因此,及时切断雷电流引起的工频续流,是防止架空绝缘导线线路雷击断线事故的根本方法。传统的防雷措施是直接加装氧化锌避雷器,该方法虽然可以在一定程度上防止雷击断线及绝缘子闪络,但由于避雷器长时间承载电压,大大缩短了使用寿命,另外雷击后避雷器保护残压大,许多时候不能使线路重合闸成功。
本文以氧化锌避雷器为基础设计了其外间隙的形式,当线路出现雷电过电压时,外间隙首先放电,雷电流经氧化锌限流元件释放,而工频续流则被氧化锌限流元件截断,从而防止因雷击引起的工频续流高温熔断绝缘线路(雷击断线及绝缘子闪络),保护绝缘线路。
2 安装氧化锌避雷器时保护间隙的确定
2.1 雷电冲击过电压下的绝缘配合
对空气间隙施加冲击电压,使电压随着时间迅速由零上升到峰值后,又逐渐哀减。研究表明,空气间隙完成击穿过程所需的时间与电压形式和间隙的结构都有关,但在任何情况下,这个时间都反映出有它的偶然性,这一现象决定了空气间隙击穿的统计性。在多次施加电压时,击穿时而发生,存在一个击穿的概率P。随着电压峰值的继续升高,多次施加电压时,间隙的击穿百分比越来越高。最后,当电压峰值超过某一值后,间隙在每次施加电压时都将发生击穿[2]。事实上,这个值在实验中是很难准确求得的,但已有的试验数据表明,在雷电冲击击穿电压下,空气间隙击穿电压或绝缘子串的闪络电压的概率大体上遵从正态分布,可用式(1)来表示[3]
式(1)中u50为击穿概率为50%时的峰值电压,δ是标准偏差。在极不均匀电场中,由于放电时延较长,雷电冲击击穿电压的分散性也大,其标准偏差可取为3%。函数P(u)不存在为0和1的数值,因此相当于P=0的耐受电压u0和p=1的保证击穿电压u100取u0=u50(1-3δ),u100=u50(1+3δ)。查表可知,当u0=0.9u50,u100=1.09u50时,其耐受概率和间隙保证击穿的概率均为99.85%,因此以u0和u100来进行绝缘配合,安全性是足够高的。
设保护间隙在雷电冲击50%放电电压为uh50,在此间隙距离下的雷电冲击波形的保证击穿电压uh100=uh50(1+3δ)。另设绝缘子串的雷电冲击50%放电电压为uj50,则此绝缘子串的雷电冲击耐受电压uj0=uj50(1-3δ)。按照雷电冲击电压下保护间隙和绝缘子串的绝缘配合原则,要使保护间隙在雷电冲击过电压下能够保证先于绝缘子串放电,可靠保护绝缘子,使uh100=uj0,uh50(1+3δ)=uj50(1-3δ),计算知此时uh50=0.835uj50,即只要保护间隙的雷电冲击50%放电电压不大于绝缘子串雷电冲击50%放电电压的0.835倍,保护间隙就可以在雷电过电压时对绝缘子串进行有效的保护[4]。
这种绝缘配合方式下保护间隙对绝缘子串的保护效果分析如下:设uh和uj,分别为保护间隙的雷电冲击击穿电压和绝缘子串的闪络电压uhN(uh50,0.032u2h50),uj-N(uj50,0.032u2j50)。当uh<uj时,可知保护间隙对绝缘子进行了有效保护,反之则绝缘子串先于间隙放电,保护失效。由于保护间隙的引弧端头与绝缘子串之间有相当的距离,因此可以设uh和uj相互独立,uh-uj-N(uh50-uj50,0.032u2h50+0.032u2j50),令t=uh-uj,uh50=kuj50,(0<k<1),则
对式(2)进行标准化,令则z服从标准正态分布,当uk>uj时保护是小概率,为:取k=0.85,查标准正态分布表可得到P(uh>uj)=P(z>3.81)=0.007%,即保护间隙的雷电冲击50%放电电压只要不大于绝缘子串的雷电冲击50%放电电压的0.85倍,则保护间隙对绝缘子串的保护有效性不小于99.993%。因此采用uh50=0.835uj50[5],即保护间隙雷电冲击50%放电电压为绝缘子串放电冲击闪络电压的0.835倍,是可以在雷击闪络时对绝缘子串进行有效保护的[5]。
以龙北油田东一线为例,10 k V输电线路一般采用P—15绝缘子,有关试验数据表明,雷电冲击作用下,查正极性雷电冲击电压下绝缘子串击穿电压与绝缘子串长的关系曲线可知,10 kV输电线路绝缘子串的正极性雷电冲击50%放电电压为118 k V。按上述绝缘配合原则,保护间隙的雷电冲击50%放电电压应该不大于以上绝缘子串雷电冲击50%闪络电压的0.835倍,即不大于90.53 kV时,才能对绝缘子串进行有效的保护。根据日本NGK公司的招弧间隙标准,雷电冲击击穿电压u50%与保护间隙距H(m)的关系公式u50%=550H+80,可算得当u50%=90.53 kV时,间隙距离H=21.06 mm,这就是保护间隙在雷电冲击过电压下与10 k V输电线路绝缘子P—15进行绝缘配合的间隙距离,即保护间隙的距离应该不大于21.06 mm,这时才能保证间隙能够先于绝缘子串放电。
2.2 操作过电压下的绝缘配合
操作过电压产生的原因是电力系统中存在着许多电感和电容元件,如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器、线路电感等,它们均可以作为电感元件,而线路导线对地电容和相间电容,补偿用的并联和串联电容器组,和高压设备的杂散电容均可作为电容元件。当系统进行操作或发生故障使其工作状态发生变化时,将产生过渡过程,在过渡过程中,由于电源继续供给能量,而且储存在电感中的磁能将会在一瞬间转变为以静电场能量形式储存在系统的电容中,由此产生了数倍于电源电压的操作过电压,操作过电压是延续几毫秒至几十毫秒之后才消失的暂态过电压。近年来开展的对操作过电压波形下气体绝缘放电特性的研究表明,操作过电压的波形对放电电压也有很大的影响。试验表明,对于各种形状的空气间隙,操作冲击电压下空气间隙的击穿多发生右波前时间范围内,波尾时间对击穿电压没有影响,并且操作冲击的击穿电压和波前时间之间呈现所谓的“U形曲线”的关系,即空气间隙的50%击穿电压在不同的波前时间下具有极小值,并且对应于极小值的波前时间随着间隙距离的增大而增加。对于7 m以下的间隙,这个波前时间大致在(50—200)μS之间,因此采取规程规定的250/2 500μS标准操作冲击波形下的保护间隙的击穿电压进行绝缘配合。
10 kV输电线路的绝缘配合要考虑以下几种操作过电压:空载线路合闸和重合闸过电压、开断空载线路和并联补偿电容过电压、开断空载变压器过电压、以及单相间歇性电弧接地过电压。对于10 kV系统的绝缘配合,系统的最大操作过电压U可取为4倍的线路最大运行相电压,即40 kV。在操作冲击电压下,空气间隙的击穿电压或绝缘子串的闪络电压的概率分布大体上也遵从正态分布,如同雷电冲击电压一样,也用式(1)表示。但是与雷电冲击电压不同的是,由于空间电荷的形成、扩散和放电时延有很大的统计性,所以操作冲击击穿电压的分散性很大,一般要比雷电冲击击穿电压大得多。对于波前时间在数十到数百微妙的操作冲击电压,极不均匀电场间隙的50%击穿电压的标准偏差σ约为5%,波前时间超过1 000μs后,可达8%左右。因此保护间隙在操作冲击电压下的耐受电压仍可以取为:u0=u50(1-3σ)。根据保护间隙在操作冲击过电压下的绝缘配合原则,即要使保护间隙在系统可能的最大操作过电压下击穿的概率足够小,也不降低整个线路的绝缘水平,应使um=u0=u50(1-3σ)。因为保护间隙的操作冲击击穿电压的波形取为250/2 500μs的标准波形,这里σ取为5%,得(u50-um)/um=0.15/0.85=0.176。即满足在操作冲击击穿电压下绝缘配合的要求,保护间隙的操作冲击50%放电电压应该比系统的最大操作过电压高17.6%。
由此可知,10 k V系统的最大操作过电压为40 kV,因此保护间隙的操作冲击50%放电电压应该大于47.04 kV,可能满足设计要求。因为极不均匀电场中操作冲击击穿电压同样有极性效应,正极性下的操作冲击50%击穿电压要比负极性下小的多,所以进行绝缘配合的保护间隙的操作冲击击穿电压取为正极性下的值。按照u50=47.04 kV,查正极性下标准操作冲击波50%放电电压和间隙距离的关系曲线,可以得到满足绝缘配合要求的保护间隙的绝缘配合距离为18 mm。
2.3 基于ANSYS的防雷保护间隙与绝缘子配合
仿真
根据以上保护间隙和绝缘子串在雷电冲击电压和操作冲击电压下的绝缘配合的结果可知,满足绝缘配合要求的保护间隙最大距离为21.06 mm,最小间隙距离为18 mm,因此满足设计要求的保护间隙两个引弧端头之间的距离要在最大距离和最小距离之间取值,这里取为20 mm,由此设计出来的间隙距离已经可以满足工程上安装的要求。在10 kV输电线路中多采用P-15针式陶瓷绝缘子。其结构以及尺寸如图1所示。现在其两端加装两个球形招弧端子,即保护间隙为20 mm的两个球形放电装置。两个球直径均为20 mm,两球球心距绝缘子边缘10 mm,建模仿真,如图2和图3。
3 结论
以上所设计的防雷保护间隙在10 kV线路遭受雷击时输导雷电流和工频续流,不使放电电弧沿绝缘子串形成,保护了绝缘子不受烧伤和击穿,防止了线路掉线停电事故的发生,保证了线路在雷电过电压下的安全运行。以上的雷电冲击50%闪络电压仿真结果,验证了所设计的防雷保护间隙的有效性和可靠性,因此该防雷保护间隙具有实用价值。
参考文献
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训练间隙（部队群口快板） 篇4
训练间隙（部队群口快板）☆众女兵说笑着上场。甲：训练间隙围一堆，咱们编段快板说连队。（白）大家说，好不好？众：好！乙：通信连，女兵班，动人的故事唱不完。丙：刚当兵，我离开家，心里真想爹和妈。到了部队我吃不了苦，都知道我在家是个小公主。啥事都得我做主，谁敢不听，我就哭！（众笑。）甲：到了部队我不习惯，事事都按条令办。干啥事，我都慢，只能心里有意见。乙：思想认识不到位，工作自然掉了队。丙：只要有点心不遂，我就抱着话筒掉眼泪。乙：难怪用户都犯怵，说你们是一群小公主。丙：连队领导关心战士像爹妈，说中队就是咱的家。乙：又启发，又鼓励，比咱爹妈还仔细。一点一滴来引导，思想工作做得就是好。众：就是好！乙：不是我要批评你，哭哭啼啼没出息。你是抹着眼泪到连队，咱可是既激动来又欢喜。丙：（白）咦，看来你是好样的！乙：（白）那当然了！想当初我参军到二班，当了一名守机员。守着电键和号盘，这一插一拔不挺好玩。甲：这种思想可不对，不出几天就出问题。乙：哎！开始还有点儿新鲜气儿，越往下干越没劲儿。这一插一拔太简单，还不如当个寻呼员。甲：这种思想来干扰，哪一行都干不好。乙：起初想得倒挺美，没过几天就后悔。坐在机前心就烦，戴上耳机头就转。（众人装做用户，不断地向乙要电话：众：总机，我要西安！众：总机，我要太原！众：总机，我要海南！众：总机，我要大连！众：我要幼儿园！众：我要作战室！众：我要后勤办！乙：喊得我，心也慌，意也烦。手也忙，脚也乱。台上的红灯乱眨眼，我却把号码忘了个干。错把西安接太原，又把大连接海南。幼儿园接到了警卫连，作战室要到了后勤办。众：咳！难怪用户有意见，管你们二班叫乱插班。乙：（不服地）你说我们是乱插班，咱也揭揭你们的短。（白）大伙说，她们三班的绰号叫什么？乙众：鸡蛋班！甲：哎！都怪我平时少训练，一人丢了全班的脸。各地方言不一样，听不懂可真够呛。有一次把我急得没法整，他喊了半天也没听懂。“总机，请要计生办”，我越听越像是“鸡生蛋”。众：咳！甲：是先有鸡，还是先有蛋，这个事情我不管。给你接到农场去，要鸡要蛋随你便。众：咳！甲：指导员和队长，做思想工作最擅长。乙：工作不能讲价钱，敬业精神最当先。丙：平时训练多吃苦，关键时刻不犯愁。众：从此后，中队官兵手拉手，万众一心争上游。甲众：公主班，乙众：乱插班，丙众：鸡蛋班，众：全都变成了模范班！乙：人人都是好样的，不信咱们来比一比。甲：比就比！乙：比什么！甲：背号码，把本职工作来结合，又有节奏又合格。众：好！甲：只要功夫到了家，再来十个也不怕。丙：守机工作不平凡，取得成绩不自满。中队官兵决心大，艰苦奋斗干四化。乙众：我们还要再加油，把各项工作更上一层楼。众：对！学习英雄张思德，把青春年华献祖国。学习英雄董存瑞，争做革命新一辈。学习英雄黄继光，献身国防把兵当。学习英雄邱少云，做执行纪律的带头人。时时刻刻学雷锋，当好革命的镙丝钉。学习英雄李向群，把忘我的精神当成中队每个战士心中的一个新里程！（全体列队。唱着雄壮的歌下场。）
设计间隙 篇5
谷物联合收割机的脱粒装置, 是谷物联合收割机的重要工作部件。脱粒装置的重要特点是由高速旋转的滚筒和固定的弧型凹板配合, 使谷物从滚筒与凹板之间通过, 经脱粒元件的打击、揉搓、碾压和梳刷, 通过破坏谷粒与穗轴的连接力而实现脱粒。脱粒装置是联合收割机中最重要的组成部分, 也是收割机能耗最大的部件之一, 在收割机作业过程中, 经常会因为谷物含水量变化, 滚筒转速过低, 凹板间隙过小等原因, 导致谷物在凹板与滚筒之间堆积, 造成堵塞。
在作物条件一定时, 脱粒质量主要取决于滚筒转速和凹板间隙。一般情况下, 滚筒转速越大, 凹板间隙越小, 脱粒越干净, 但破碎率会增加且极容易产生堵塞。凹板间隙增大, 破碎会减少, 堵塞故障率降低, 但易出现脱不净现象。因此, 凹板间隙调整就显得十分重要。排除滚筒堵塞的方法通常是先停机, 用手工加大凹板间隙, 再启动发动机, 加大油门, 等谷物排尽后再手工将凹板间隙调整的合适的大小, 然后才能继续工作。所以一旦发生滚筒堵塞, 收割机必须停止工作, 大大降低了工作效率。
本文提出一种凹板间隙自动调节系统, 能在不停机的情况下检测谷物流量, 进而判定是否发生堵塞, 一旦发生堵塞, 则自动增大凹板间隙, 故障排除后, 再自动恢复凹板间隙, 大大提高了收割机工作效率。
2 系统构成
凹板间隙自动调节系统主要由单片机、谷物流量检测部分、凹板间隙检测部分、调节步进电机及调节机构共五个部分组成。
单片机是整个系统的核心, 用于处理各个部分送来的数据, 并向执行机构发出动作指令, 实现需要的功能。谷物流量检测部分用于检测谷物流量是否停止, 也就是是否发生堵塞。该部分工作原理是在滚筒入口端设置压力传感器, 当发生堵塞时, 滚筒入口端谷物压力增大, 当压力增大到一定值时, 该传感器发出堵塞信号。凹板间隙检测部分主要由位置传感器组成, 用于检测滚筒入口和出口处的凹板间隙, 并向单片机提供间隙大小数值, 供单片机精确控制凹板间隙。
为了精确调节凹板间隙, 单片机通过调节步进电机来实现对间隙的精确调节。步进电机可双向高精度调节, 因此本系统采用步进电机作为凹板间隙动作调控控制部件。调节机构主要作用一方面是将步进电机的转动转化为凹板与滚筒之间间隙的平动, 另一方面实现功率转换, 因为凹板体积及重量较大, 单纯用步进电机很难驱动。
各部件之间的关系如图1所示。
3 工作原理
凹板间隙自动调节系统工作原理如图2所示。
谷物压力检测传感器不断地检测滚筒入口处谷物压力, 并且将压力数值发送给单片机, 单片机则将压力数值与预定数值比较, 当压力数值大于预定数值时, 则判定发生堵塞。
发生堵塞时, 单片机向步进电机发出指令, 经调节机构增大凹板间隙, 同时, 单片机不断检测谷物压力传感器送来的数据, 判断堵塞是否解除, 如堵塞没有解除则继续增大凹板间隙, 直到堵塞解除。当堵塞解除后, 单片机向步进电机发出指令, 减小凹板间隙, 同时读取凹板间隙传感器送来的数据, 判断凹板间隙是否减小到预定值, 达到预定值, 则停止减小凹板间隙。此时, 收割机故障自动排除并继续正常工作。
本系统谷物压力预定值和凹板间隙预定值均可预先通过程序设置。
摘要：脱粒部分是联合收割机中能耗较大且极易出现堵塞的部件之一。当出现堵塞时, 传统方法是停机且用手工增大凹板间隙并取出多余谷物, 才能排除堵塞。本文提出一种通过单片机不断检测谷物流量, 发生堵塞时, 在不停机的情况下由步进电机调节凹板间隙。故障排除后, 自动恢复凹板间隙的凹板间隙自动调节系统。该系统能实现不停机自动排除滚筒堵塞故障, 大大提高了收割机使用效率。
关键词：联合收割机,凹板间隙,调节系统
参考文献
[1]李媛媛, 孙曙光.凹板间隙对谷物联合收割机作业性能影响的试验研究[J].装备制造技术, 2009, (3) :3.
[2]陈琦.联合收割机的主要性能指标及其调整控制[J].农业开发与装备, 2008, (2) :45.
设计间隙 篇6
虚拟设计是近年来兴起的一种新兴设计方案和技术[1]。随着计算机软、硬件技术的快速发展,虚拟现实技术中的虚拟造型装备技术为产品研制提供了一种全新的设计方法和实现途径,在进行产品虚拟设计时,设计人员主要采用三维虚拟设计软件如UG、SolidWorks、ANSYS等为机械产品的创意和设计提供了虚拟的三维环境[2]。设计人员借助虚拟环境对机械产品进行虚拟加工和评价,进而避免设计缺陷,有效地缩短产品的开发周期,同时降低产品的开发成本和制造成本[3]。
随着科学技术的日新月异推动了线香机的快速进步和发展。传统的线香机的成品加工装置,采用人工操作或者半自动方式进行生产,生产效率低,劳动强度高,这样耗费了大量的人力和财力,不能满足市场需求。而新型线香机是一种全自动化的生产装置,具有运动平稳、扭矩大、结构紧凑与生产成本低等优点,具有广泛的应用前景。
随着工业装备技术的迅速发展,对新型线香机设备精度要求不断提高,其中密封结构是一项重要因素,尤其是动密封结构直接影响回转机械的润滑、泄露问题[4]。
间隙密封在间隙中有一层薄的油膜,对运动副起到润滑作用,从而降低摩擦力,提高动态性能。但是,密封结构不能保证泄露,特别是环形间隙,泄露量与间隙量成三次方的关系,因此密封间隙结构必然带来泄露量的增加[5,6,7,8]。若间隙过大,泄露量增大;若间隙过小,缸筒内表面容易磨损,所以控制密封间隙非常重要[9,10,11,12]。
本研究以新型线香机的设计为研究对象,通过仿真软件Fluent对缸筒活塞装置构建缸筒与活塞之间的间隙密封的流场模型,对不同的密封间隙宽度形式的内部流场进行仿真分析研究,为新型线香机的设计工艺优化提供参考。
1 数学模型
1.1 新型线香机三维模型
新型线香机主要有包括减速器、螺杆、光杆、导向轮、螺杆、缸筒、活塞和压香桶盖等组成,结构简图如图1所示。新型线香机主要采用螺旋传动机构和缸筒活塞机构。
在生产过程中,全自动微型线香机装置代替了人工操作,其体积小,重量轻,提高生产效率,降低生产成本,安全环保便于携带和搬运,并且能够做到制香机内零香料残留。其中缸筒活塞装置是新型线香机的重要组成部分,决定制香机械设备的生产质量和制香效率。
本研究以缸筒活塞装置为研究对象,分析缸筒与活塞之间的间隙密封,而在缸筒活塞装置中缸筒与活塞之间是轴向往复运动。为了保证缸筒与活塞之间的密封介质流通通道的宽度相同,笔者忽略重力作用和安装误差,简化为理想的同心结构。在工作过程中,间隙充满的液压油会形成环形流场,将缸筒和活塞隔开,使两接触面在运动过程中不发生碰撞。合理研究密封间隙结构的尺寸、操作工况等参数对密封性能的影响,并验证在制香过程中是否满足设计的基本要求。
1—导向轮;2—螺母;3—支架;4—压板;5—螺杆;6—光杆;7—轴承;8—带内螺纹孔的带轮;9—料筒;10—活塞;11—缸筒;12—模具;13—出香嘴;14—螺栓;15—制香座;16—带轮;17—皮带;18—机架;19—减速器;20—伺服电机
本研究建立缸筒活塞相对静止状态下,缸筒和活塞之间的间隙密封结构的数学模型,利用Fluent仿真软件对缸筒与活塞之间的间隙宽度h为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm,对间隙密封内流体进行模拟仿真和对比分析。
1.2 流动状态
对于特殊形状的流道,其流态判别下的临界雷诺数如表1所示[13]。
缸筒活塞装置在工作中采用L-HM46抗磨液压油,为获得所建立模型的最大雷诺数,取粘度更小的L-HM46抗磨液压油为计算对象,介质密度为860 kg/m3,μ=0.039 56 N·s/m2,D=0.1 m,d=0.098,计算得Re=43.48 v。通常利用环形断面雷诺数公式来判定轴套式间隙密封内流体的流动状态:
式中:ρ—介质的密度,kg/m3;d—介质动力粘度,n·s/m2;D—外圆柱面直径,m;d—内圆柱面直径,m;v—流场中介质的流动的平均速度,m/s。
根据流体力学理论,对于环形缝隙流动,当间隙很小时,流动速度通常较小,远小于临界速度,由表1可知,模型的雷诺数远小于上表中的下限值,因此判断出间隙密封内流体属于层流流动,即模型为流层模型。
1.3 控制方程
本研究在仿真分析过程中认为自然界的一切流体都要遵循质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒,流体的流动是稳态过程,且活塞的运动过程相对比较缓慢,因而忽略温度场和能量方程的影响,这样得到CFD仿真的基本控制方程为:
(1)质量守恒方程:
式中:ρ—密度;t—时间;u,v,w—速度矢量在x、y和z方向的分量。
(2)Navier-Stokes运动方程:
式中:ρ—流体微元体上的压力;t—时间;τxx,τxy,τxz—粘性应力在x,y,z 3个方向的分量;Fx,Fy,Fz—体积力。
1.4 流场模型及边界条件
在分析过程中,本研究首先建立缸筒密封结构中使用间隙密封形式的几何模型,然后通过计算流体动力学Fluent软件来求解,但由于实际模型较复杂,需简化间隙密封的几何模型,忽略缸筒中与间隙密封作用无关的结构,将缸筒和活塞的密封间隙简化为两个薄壁圆环围成的密封间隙,简化后的几何模型如图2所示。
缸筒活塞装置的活塞直径为100 mm,活塞轴向长度为60 mm,缸筒与活塞之间的宽度间隙h分别取0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm。挤压压力由无极电机功率和扭矩决定,分别取0.3 MPa、0.35 MPa、0.4 MPa、0.45 MPa、0.5 MPa。由于简化之后的几何结构比较简单,所以直接在Fluent前处理软件GAMBIT中对缸筒活塞装置进行网格,然后生成三维网格模型,得到简化后的网格。
2 间隙流场的仿真分析
在满足工艺要求、生产安全的前提下,往复密封结构中的密封件应使泄漏量最低。动密封与配合运动表面之间的摩擦受润滑薄膜控制,泄漏量的大小受薄膜的厚度以及压力分布影响。耦合的零件之间的配合间隙对泄漏量的大小起决定作用,然而运动表面之间必须留有一定间隙才能产生相对运动,否则摩擦过大或者过小,将影响密封件的使用寿命和整个设备的使用寿命。根据工作经验,合理的密封间隙才能使缸体内壁和活塞之间有较好的相对运动。
在缸筒活塞装置的活塞和缸筒相对静止时,评价密封性能的好坏主要依靠泄漏量。由于操作密封间隙和挤压压力的不同会引起密封间隙内部流体介质的压力场不同,从而影响缸筒活塞装置运动过程中泄露量的大小。当密封气隙为0.1 mm、0.2 mm时,操作压力从0.3 MPa变化到0.45 MPa时,密封间隙内部的压力场变化规律如图3所示。
由图3可以看出,压力在密封间隙内部随着流动方向呈梯度变化,在间隙入口处压力最大,逐渐到出口处降低为零,且随着操作压力和密封间隙的增大,泄露量也逐步增大,泄漏量随压力变化曲线如图4所示。
根据不同间隙宽度下的泄漏量与入口压力的线性拟合关系式的斜率,可以得到随着间隙宽度的增大,密封间隙泄漏量随间隙宽度的变化规律如图5所示。
从图5可以看出,在相同的间隙宽度条件下,泄漏量随着入口压力的增大而线性增大。当入口压力相等时,泄漏量随间隙宽度的增大,增长的速度越来越快。
根据新型线香机的设计要求,其制香过程应使制香成品的相对密度较大,则缸筒活塞装置在满足材料的安全许用应力的情况下,尽可能使活塞具有较大的压力,并且泄流量应小于0.25 kg·s-1。
密封间隙应用在缸筒活塞装置的活塞与缸筒之间的密封时,间隙宽度应控制在0.3 mm以下。此时泄流量近似于水平直线,而缸筒活塞能获得较大的压力,制造更优质的香料产品,更有利于调节不同种类香料的要求,满足生产的多样化需求。
3 结束语
本研究通过建立缸筒活塞装置的数学模型,利用Fluent软件对缸筒活塞装置进行密封间隙和入口压力对密封间隙内的泄流量仿真研究,得出如下结论:
(1)当间隙宽度小于0.3 mm时,泄漏量随间隙宽度和入口压力的变化几乎没有增长。但泄漏量随着间隙宽度的增大而增大,且增长的速度越来越快。即缸筒活塞装置的活塞与缸套之间的密封间隙宽度应控制在0.3 mm以下,能满足新型线香机的设计要求。
(2)泄漏量是评价间隙密封密封性能最重要的参数,可以适当的减小密封间隙来减小泄露量,从而达到新型线香机的密封性能的要求。
设计间隙 篇7
剪板机是一种常用的钣金机床,用于剪切直线边缘的板料,广泛用于各行各业。评定一台剪板机质量的好坏,最关键的就是该剪板机的刀口间隙是否稳定。在剪板机剪板过程中,刀口间隙过大,剪切厚板料时的板料断面会与板面不垂直,剪切薄板料就会产生毛边或出现剪不下来的折弯现象,同时还有可能影响剪板机的受力和刀片的寿命。
2 三点滚轮剪板机导轨结构和刀口间隙调节原理
三点滚轮剪板机的刀架是在两端都由三个支承滚轮组成的导轨间上下运动,后侧两个支点为固定支点,前侧支点为浮动支点。为了保证刀架在上下运动时刀口间隙稳定不变,采用预压碟簧,使刀架克服重心力矩,保证其后导轨面始终贴在后侧两个支点滚轮上,在三点滚轮导轨间作无间隙往复运动(图1)。
三点滚轮剪板机通常是利用上滚轮的偏心来调节刀口间隙的。驱动后侧上滚轮的偏心轴转动,推动刀架沿后侧下滚轮为支点作转动,前支点的位置就会相应发生变化。由于前支点是碟簧支撑的浮动支点,可以满足前支点位置变化的需要。
3 刀口间隙调节装置设计
通常的剪板机都有刀口间隙调节装置,以适应剪切不同厚度的板料。本公司的液压三点滚轮剪板机上的刀口间隙调节装置结构如图2所示。转动手轮带动调节丝杆转动,丝杆上的螺母带动摆臂和上滚轮摆动,实现刀口间隙的调节。手轮上配有调节表,能够准确的显示刀口间隙值。
(1)确定上滚轮偏心位置
由正切函数的表值可知,角度在±30°内,正切值与角度基本上为线性关系,所以上滚轮的偏心位置只能处于垂直位置,然后向两边转动,以保证刀口间隙值与上滚轮的偏心转动角度θ成线性关系。
上滚轮的偏心向前转动,刀架前倾,刀口间隙增大,需要克服碟簧力,调节时需要用力;滚轮的偏心向后转动,刀架在碟簧力的作用下后仰,刀口间隙减小,调节时较轻松。为了防止细长调节丝杆的受力失稳,必须使上滚轮的偏心与摆臂同侧,这样刀口间隙增大时,调节丝杆所受的力为拉力。
(2)确定上滚轮偏心尺寸
一种规格的剪板机的滚轮位置尺寸确定后,先给定一个上滚轮的偏心距e,然后用图解法[1]在CAD上测量出上滚轮偏心转动角度θ与刀口间隙值δ变化的关系,当刀口间隙值δ的变化为剪板机刀口间隙调节范围一半时,看上滚轮偏心转动的角度是否超出±30°。如果超出,则需要增大偏心距e,如果偏心转动角度太小,刀口间隙调节装置的分辨率太低,不易控制,需要减小偏心距e。表1为用作图法求出的LGS-13×3050剪板机的偏心转动角度与刀口间隙值的关系。
从表1中可以看出,上滚轮偏心转动的角度θ与刀口间隙值δ变化之间的线性关系准确,最大误差为0.01mm。
(3)选择手轮调节表
根据设计与使用经验,刀口间隙值δ通常按被剪板料厚度的10%选取。设计计算一台剪板机刀口间隙调节装置,要先确定剪板机刀口间隙的调节范围,即刀口间隙调节的范围Δ=0.1(hmax-hmin)。考虑到设计系列化的要求,调节表的读数范围必须大于或等于刀口间隙调节范围,再确定调节表的减速比i。例如,本公司LGS-13×3050剪板机选用象山华洋机床附件厂生产的TBL-318×200满幅表盘手轮,配HY-TB100×40的调节表。调节表的读数值为δ表=1.6mm(右旋增大0~1.6 mm),减速比i=40。
(4)确定调节丝杆的行程和摆臂的半径
调节表减速比i,表示手轮转i圈,调节表的指针转1圈。根据调节表的读数值δ表,则手轮转1圈时,对应调节表的指针转过的读数:
一种规格剪板机从最小间隙调节至最大间隙时手轮需要转的圈数:
调节丝杆的行程:
式中:s———调节丝杆的螺距,mm。摆臂的半径:
从式(1)可以看出,摆臂半径R与调节丝杆螺距s和调节表减速比i成正比,与调节表的读数值δ表成反比。设计时要注意调节丝杆螺纹的自锁性,螺距s不应该选择太大;也不可能一种规格剪板机使用一种调节表,尽量做到通用化设计。参数L、R、θ见图3。
(5)手轮转动力的计算(图4)
刀口间隙调节装置结构尺寸确定后,还要计算转动手轮调节刀口间隙需要多大的力。
剪板机通常在刀架静止状态下调节刀口间隙,此时上滚轮所受力P3对转动支点A产生的转矩是由调节丝杆螺母副对摆臂产生的拉力F来支承的,根据力矩平衡原理得:
根据螺纹摩擦力矩公式和螺旋传动轴向支承面摩擦力矩公式[2]:
式中:d2———T型螺纹中径;
λ———螺旋线升角;
ρ′———当量摩擦角。
式中:fs———轴向支承面间摩擦因素;
D0,d0———支承环面的外径和内径。
转动手轮所需的力矩:
转动手轮所需的力:
从式(2)、(3)、(4)、(5)可以看出,要想调节刀口间隙时转动手轮不费力,就需要加大摆臂的半径R。由于结构的原因,不能一味的加大摆臂半径,所以,此种结构的刀口间隙调节装置适用于中小规格的剪板机。只要计算出转动手轮所需的力不大于人体手臂所能承受的250N,就可以使用此种结构。
4 结束语
剪板机调节刀口间隙的方法和结构很多,笔者只是针对本公司使用的一种比较实用的结构设计,进行了一些总结和归纳,以供设计参考。
参考文献
[1]孙恒.机械原理教材(第3版)[M].北京:高等教育出版社,1982.
设计间隙 篇8
柴油机气门间隙作为柴油机设计和制造中一个非常重要的参数, 对柴油机的动力性能、经济性能、排放指标和人机工程学指标 (如噪声) 等有着很大的影响响 [[11]]。其大小都是经过严格的优化计算提出, 高性能的柴油机其制造误差一般都要求控制到微米数量级, 由此可见气门间隙调整在柴油机装配生产中是非常关键且不可或缺的一个工序。但是面对柴油机生产批量化、多样化及高端化之趋势, 常规的依靠人工塞尺、简单工具或专机设备进行气门间隙调整的方法已无法满足实际生产需要。前者不仅效率低下, 而且精度不高, 后者自动化程度虽高却无法适应柔性生产。基于以上状况, 一些柴油机OEM厂商提出要研制一种高度自动化和柔性化的气门间隙调整设备。我们有幸为国内某著名柴油机OEM厂商设计了一套既高度自动又满足生产柔性的气门间隙调整系统。该系统在PLC控制技术基础上, 以工业机器人作为系统各执行部件的运动载体, 以激光位移传感器作为机器人的“眼”自主实现柴油机的精确定位, 以光栅型长度计为工具通过间接测量凸轮相位角实现基圆的定位, 并采用“塞片法”实现柴油机气门间隙的精确调整。
1 系统硬件设计
1.1 总体结构设计
本系统总体结构见图1, 其主要由传送单元、曲轴回转单元、凸轮基圆探测单元、气门间隙调整单元和围栏单元五大部分构成。
其中传送单元主要包含动力滚道和托盘, 见图2。动力辊道负责实现托盘在各工位间的输送, 其承载能力可达10 t/m, 每4~5 m由一台SEW带制动功能的变频一体电机驱动, 运行速度为3~7m/min;同时在辊 道的4个相应位 置分别装 有BALLUFF的接近开关, 用于控制托盘进站减速、停位以及在位检测和离位检测。托盘则由底板和发动机支撑架组成, 通过调整可调支撑架的位置便可满足3种机型的柴油机放置;托盘上安装有可非接触识别的射频标签 (RF Tag) 用来记录发动机的状态和必要的信息。
曲轴回转单元主要用于凸轮基圆探测时以及气门间隙调整过程中凸轮轴的转动, 由一台工业机器人、工装架、激光位移传感器和电动拧紧轴构成, 见图3。其中激光位移传感器作为机器人的“眼”负责指挥机器人将电动拧紧轴端的套筒对准并插入曲轴端部的适配器, 电动拧紧轴随后按设定的扭矩和速度转动曲轴。
凸轮基圆探测单元主要作用是找到柴油机第一缸对应进气或排气凸轮的“桃尖”点 (轮廓最高点) , 并触发输出信号给PLC。PLC此刻根据已知凸轮升程表, 指令曲轴回转单元将曲轴转过一个确定的角度, 便得到期望的凸轮基圆位置, 之后气门间隙调整单元便可进行气门间隙大小调整。该单元主要包括一套海德汉光栅型长度计ST3077和一套弹性测量工装, 整体安装在气门间隙调整单元的工装架上, 见图4。
气门间隙调整单元主要由一台工业机器人、激光位移传感器、两套电动拧紧轴 (双轴) 、塞片推拉机构和工装架等组成, 见图5。工业机器人用来移位整个调整单元, 激光位移传感器作为机器人的“眼”实现单元的准确停位, 电动拧紧轴负责调节螺钉或锁紧螺母的拧松或拧紧, 伺服推拉机构负责将与设计间隙同厚度的塞片插入或抽出调节螺钉与气门桥之间的间隙。
1.2 电控系统架构
系统采用先进的网络化架构, 便于对系统各单元进行数据处理以及监控、诊断和管理。整个系统采用一套Siemens的S7-300系列PLC进行控制, 其通过Profibus网络连接现场的I/O模块、气缸控制阀岛以及机器人控制器等, 并通过工业以太网与HMI (人机界面) 、拧紧轴控制器或区域PLC进行数据交换, 控制链路示意图见图6。
当托盘带着柴油机进入工位后, PLC通过托盘状态传感器信号, 获知托盘的位置和状态, 待柴油机到位后指令滚道驱动电机停止运转, 柴油机停止在正确的位置, 托盘固定单元将托盘固定。然后, 射频识别 (RFID) 系统将自动读取RF Tag中的信息后通过以太网传送到服务器, 服务器通过接收到的信息进行分析, 同时产生相应的指令传送到工位的PLC, 自动完成本气门间隙调整工位的操作。操作完成后, RFID会自动更新RF Tag的信息, 如果下一个工位是空, 辊道开始运行将发动机输送到下一个工位。如果不合格, 发动机将自动运行到返修工位, 等待下线返修。系统配备的HMI用来显示设备状态、装配数据、节拍时间、合格工件统计、系统功能、具体的报警文本和诊断信息等。
2 系统软件开发
2.1 人机交互界面设计
系统选用西门子的MP277触摸屏作为人机交互界面 (HMI) , 其形式见图7。其按位置分为页眉区, 主要显示当前的操作模式、设备状态、设备位置、站名、柴油机类型、当前被选择的子界面、系统时间和报警信息等。这些信息在所有子选项的页面上一直显示, 不因为被选择的子选项不同而改变。导航按钮区主要用来引导操作者通过这些按钮来访问相应的界面和信息, 消息文本区及时显示相应消息等。通过不同的导航按钮, 可进入设备总览界面、客户接口界面、手动运动界面、生产信息界面、报警信息界面和维护界面等进行不同的查看和设置, 从而实现人机交互功能。
2.2 PLC 程序设计
PLC作为下位机在整个气门间隙调整系统中不仅是传送单元和间隙调整单元的控制机构, 同时还是承担设备整体运行和数据处理的核心部件。其选用西门子具有高处理速度的CPU317-2PN/DP芯片, 集成有SM321数字量输入模块、SM322数字量输出模块和PROFIBUS-DP通讯接口 [2]。PLC主要用于系统各传感器信息的采集与保持, 数据处理, 执行元器件及报警装置的控制。程序的编写采用模块化思想, 将各功能独立化并设置应用接口便于统一调用, 有利于日后程序的扩展与维护。
2.3 机器人程序设计
系统采用两台ABB的IRB6640工业机器人, 一台用于曲轴回转机构的夹持和移位, 一台用于间隙调整机构的夹持和移位。系统使用ABB开发的专业软件Robot Studio对机器人单元和工作站进行创、离线编程和仿真。由于Robot Studio以ABBVirtual Controller为基础, 与机器人在实际生产中运行的软件完全一致 [3]。因此, 通过Robot Studio在离线状态下用RAPID语言创建的机器人程序无需任何转换便可直接下载到实际机器人系统运行, 大大缩短在线调试时间, 提高了效率。
3 系统工作原理
系统的工作原理见图8。柴油机进入本气门间隙调整系统工作站并停稳后, 机器人2首先夹持着凸轮基圆测量机构移位到柴油机第一缸进气门摇臂后上端位置, 并保证摇臂后端部摆动到最低位置 (凸轮基圆与挺杆接触状态) 。接着机器人1夹持着曲轴回转机构与曲轴对正接合并转动曲轴, 凸轮测量机构将测量到的凸轮升程反馈给PLC。PLC在监测到凸轮的凸轮“桃尖”也即凸轮最大升程时, 发出指令给凸轮基圆测量机构令其再转动曲轴一定的角度。这样柴油机第一缸进气门凸轮、排气门凸轮同时处于其基圆位置。然后机器人2将气门间隙调整单元的塞片伺服机构移位到柴油机第一缸进、排气门位置, 塞片伺服机构中的进、排气门塞片被驱动元件自动送入调节螺钉与气门桥之间的空隙。之后气门间隙调整机构中的电动拧紧系统便拧紧调节螺钉将塞片紧压在气门桥上。当拧紧系统达到设定的扭矩后, 电动拧紧系统开始缓慢地反向拧松调整螺钉。与此同时塞片伺服机构中的驱动元件抽拉塞片, 一旦塞片从调节螺钉与气门桥之间抽出, 电动拧紧系统便停止反转, 然后锁紧调节螺钉上的螺母, 这样便完成了一个缸的气门间隙调整。根据凸轮轴上各凸轮之间的相位关系, 只需曲轴回转机构将曲轴再转动一定角度, 便可达到其它缸的进、排气门凸轮基圆位置, 然后机器人2将气门间隙调整单元移位到对应缸的进、排气门位置并重复以上调整步骤, 便可完成剩余各缸的气门间隙调整。
4 系统调试
气门间隙调整系统的合格率及生产节拍是衡量气门间隙调整设备的两个重要指标。所谓生产节拍即指从内燃机进入工位到内燃机所有气缸的气门间隙调整完毕后流出工位的时间间隔, 它决定着整条生产线的产能。而此处的调试合格率指100台 (各个厂家要求不同) 内燃机样本中所有气缸的气门间隙都调整合格的台数比。
4.1气门间隙调整合格率测试
在产品大批量生产前, 本系统无法进行大样本试验来测试合格率, 故调试时采用了2台直列六缸样机进行合格率测试, 并通过用单个气门合格率来模拟整机的合格率, 以此定性说明系统的调整质量。为此, 根据12台次的柴油机气门间隙调整测试, 依照测试的先后顺序进行编号, 调整完毕后人工用定制的通止规对内燃机气门间隙进行复检, 见表1。
注:√ 表示合格, × 表示不合格。
据表1所测结果知, 进气门模拟合格率为100%, 排气门模拟合格率为98.6%。这从某种程度上定性反映出该气门间隙调整系统的调整质量是较高的。
4.2 生产节拍测试
在以上测试环节, 气门间隙调整系统对于直列六缸柴油机的生产节拍为550 s, 该生产节拍下气门间隙的调整质量得到了保证。由于满足了柴油机生产厂家的生产节拍要求, 系统测试时对各动作执行机构的动作速度未做进一步的提高验证。
5 结论
a. 我们设计了基于机器人的柴油机气门间隙调整系统, 该系统适用对3种不同机型的柴油机进行气门间隙调整。
b. 该气门间隙调整系统调整质量高, 模拟合格率可达98.6%, 但实际质量稳定性还需进一步地生产检验。
c. 该气门间隙调整系统对于直列六缸内燃机调整节拍为每台550 s, 调整效率高且能满足功能要求。
d. 该系统运行稳定可靠, 操作简单易懂, 人机交互性好, 对提高内燃机制造技术水平、自动化程度以及内燃机质量具有重要意义。
摘要：为在同一工位实现不同型号柴油机气门间隙自动调整, 设计了基于工业机器人、激光位移传感器、长度计及PLC与组态软件的柴油机气门间隙柔性自动调整系统。该系统采用一台工业机器人夹持着电动拧紧系统进行柴油机曲轴旋转, 一台工业机器人夹持着凸轮基圆探测单元和气门间隙调整单元进行凸轮基圆相位探测与气门间隙大小调整。工作时, 固接于机器人手臂末端的单个激光位移传感器实现机器人的精确智能定位, 光栅型长度计实现对凸轮相位角信息的采样, 并采用塞片法实现气门间隙大小控制。整个系统以PLC为控制核心实现信号处理、通讯及控制。该系统通过进行小样本样机试验测试, 结果表明其间隙调整精度可达±0.05 mm, 模拟生产合格率为98.6%, 生产节拍可达550 s, 极大地提高了柴油机气门间隙调整效率和质量。
关键词：气门间隙调整,塞片法,工业机器人,激光位移传感器,长度计,PLC
参考文献
[1]郭彦豆, 杨勇.气门间隙大小对发动机性能的影响[J].装备制造技术, 2010, (9) :137-139.
[2]Siemens.S7-300可编程序控制器, 产品目录, 2011.
设计间隙 篇9
在煤矿生产中,矿井提升机是矿山大型关键设备。提升机的制动系统则是保证提升机能否安全运行、实现提升机正常减速停车以及在各种故障情况下执行紧急制动安全停车的最终手段。盘形闸是绞车提升系统中非常重要的配套设备,是保证安全提升的重要部分。盘形闸工作间隙报警有利于缩短故障排除的时间,故开发闸间隙报警模块具有重要的实际意义。
CAN总线是一种总线型现场设备控制网络,具有突出的实时性、可靠性和灵活性。鉴于CAN总线的优势,本文开发了一种基于AVR的闸间隙报警CAN通讯模块,其成本低廉,安装方便。
1 模块硬件设计
该模块由处理器ATmega128[1]、CAN总线控制器SJA1000以及CAN收发芯片CTM8251组成。其硬件结构如图1所示。
1.1 微处理器
ATmega128是一种高性能、低功耗的AVR 8位微处理器,拥有先进的RISC结构、128 k B的系统内可编程Flash、4 k B的EEPROM、8路10位ADC、2路8位PWM、2个可编程串行USART/独立片内振荡器的可编程看门狗定时器、53个可编程I/O口、2个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器、2个具有预分频器和捕捉功能的16位定时器/计数器;具有独立预分频器的实时时钟计数器、片内/片外中断源、全局上拉禁止功能。微处理器ATmega128[2]在此设计中起到了对CAN控制器控制的作用。微处理器频率是16 MHz,每秒钟的运算能力为16 MIPS,其丰富的片上资源使得ATmega128非常适合于CAN通信的应用。
1.2 CAN总线接口电路
由于处理器ATmega128内部没有集成CAN控制器,因此系统需要通过CAN控制器SJAl000芯片扩展出一个CAN接口[3~4]。实现SJA1000扩展CAN总线接口的设计,就是对SJA1000的转换逻辑结构之间的每个模块进行设计。在设计中,将来自于ATmega128的I/O的数据(CANdata0~CANdata7)写入SJAl000的内部寄存器,并通过ATmega128的I/O实现对SJA1000的控制。CAN总线接口电路[5]如图2所示。
1.3 CAN收发器
在CAN通信模块设计中,为了增加CAN总线的抗干扰能力,可通过将SJA1000控制器TX0、RX0接口连接到CAN隔离收发器来实现。
CAN隔离收发器采用广州致远电子有限公司的通用CAN隔离收发器CTM8251。该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收发器件,其主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC 2 500 V的隔离功能,增加了CAN总线的抗干扰能力。此外,该芯片拥有速率可达1 Mb/s、较高的抗干扰性、至少可连接110个节点等特性。CAN收发器连接图如图3所示。
2 模块软件设计
该模块的功能是将处理器前端采集的闸间隙报警数据处理后,先后通过SJA1000、CTM8251送到上位机实现通信。
CAN总线通信的实现首先要通过ATmega128的RESET使外围电路上电复位,在外部中断的情况下等待SJA1000完全上电,然后通过处理器控制线路配置进而使SJA1000初始化,最后进入CAN的数据发送和接收主程序。因此,该设计的关键是编写CAN驱动程序,主程序通过调用CAN驱动程序实现接口数据的收发。驱动程序主要包括CAN控制器的初始化、接收数据和发送数据。
2.1 CAN控制器SJA1000的初始化
SJA1000的初始化操作包括CAN软件复位、设置中断工作方式、设置CAN验收过滤器工作方式、设置控制器的工作模式和启动CAN等。首先,通过对CAN控制器SJA1000的读、写、片选、地址锁存端口设置来完成初始化。以下是CAN控制器SJA1000的初始化代码:
2.2 数据的接收与发送
ATmega128的每个I/O端口有3个I/O寄存器即可实现对CAN总线的控制。当发送/接收时要根据实际情况,先必须保证CAN锁存、CAN读/写选通、CAN片选开启后读取对应的存储地址,最后对数据进行读取/存储。为了提高效率,接收数据采用中断的方式,当中断标志置位时,将数据存入指定的SJA1000存储地址。以下是数据发送和接收的函数:
(1)接收/发送缓冲区数据设置:该部分主要是通过对RX/TX针信息、RX/TX标识码进行接收/发送缓冲区数据首地址(工作模式)定义。
(2)CAN控制器SJA1000发送数据,实现函数如下:
函数功能实现步骤为:①使能端口写数据,通过设置CAN_ALE、CN_CS、CAN_RD完成对发送数据地址的读取;②使能端口读数据且上拉,通过CN_CS、CAN_RD完成从读取的地址读取一个8位数据;③返回数据地址。
(3)CAN控制器SJA1000接收数据,实现函数如下:
函数功能实现步骤为:①使能端口写数据,通过设置CAN_ALE、CN_CS、CAN_WR完成对接收数据地址的读取;②通过设置CN_CS、CAN_WR完成向读取的地址写一个8位数据。
3 结束语
本文介绍了基于AVR微处理器的闸间隙报警CAN通讯模块的硬、软件设计方法[6],为解决矿井提升机工作间隙报警提供了一种思路。该模块的设计使管理监控层与生产测控层之间能够进行有效的通信,缩短了故障排除的时间,且使用方便、成本低。
参考文献
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[5]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.