基于Pro/E的车用CNG气瓶装卸机械设计

李 力 刘厚满 邹 隽 陈向前 杜杨武 徐成尧

(1.三峡大学机械与材料学院,湖北宜昌 443002;2.宜昌市特种设备检验检测所,湖北 宜昌 443000)

随着石油资源短缺,油价上涨,以及对汽车环保要求的提高,越来越多的汽车开始采用压缩天然气(Compressed Natural Gas,简称CNG)作动力燃料,这类汽车称为CNG汽车[1].CNG汽车中用于储存压缩天然气的钢瓶即CNG气瓶(以下简称气瓶),是一种压力容器,属于特种设备.根据国家质量监督检验检疫总局颁布的相关规定,此类设备须定期进行检验[2-3],检验合格后才能继续使用.当对这些气瓶进行检验时,需先将气瓶从汽车后箱中取出,检验完成后再将其装入汽车后箱.目前,在对出租车中的车用CNG气瓶进行检验时,大多采用人工搬运的方式来装卸气瓶,费时费力,效率低下.由于气瓶的重量较大,一般为45～90 kg,且气瓶表面光滑,不便于人手着力,一旦不慎失手使气瓶落地,轻则造成气瓶划伤报废,重则出现爆炸的危险事故,因此,人工搬运存在着较大的安全隐患.本文设计了一种用于CNG气瓶装卸搬运的装卸机械,它具有安全省力、装卸方便、经济适用的特点,能很好地解决这些问题.

1 运动分析及方案设计

1.1 气瓶装卸过程分析

本文以检验东风雪铁龙富康这款型号出租车中装载的CNG气瓶为例来进行分析设计.出租汽车中的气瓶普遍采用的是车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶,主要有NGVH325-65-20A、NGVH356-75-20A、NGVH356-80-20A这3种规格.由于气瓶越大,那么装入气瓶后车箱中剩余的空间就越小,将其取出也就越困难.本文设计时以对气瓶装卸要求最严格的NGVH356-80-20A型号的气瓶为对象,以便所设计装置能通用于其它两种小规格气瓶的装卸.NGVH356-80-20A型号气瓶的主要尺寸包括外径为D=370mm,总长(含阀门)约为 L=1100mm,总重(含阀门)约为 M=70 kg,容积 V=80 L,工作压力P=20 MPa.下文中的气瓶均指 NGVH356-80-20A型号气瓶.用三维造型软件Pro/E建造的CNG气瓶模型如图1所示.

图1 CNG气瓶模型

东风雪铁龙富康出租车可分为两厢车和三厢车.与两厢出租车相比较,三厢出租车的后车箱开口更小,气瓶的运动受到后箱尺寸的制约更多,更难取出,因此,本设计以三厢出租车为考察对象,若设计的装卸机械能将气瓶从三厢车后箱中取出,则也必能轻易从两厢出租车后箱中取出.下文中提到的出租车均指东风雪铁龙富康三厢车.

参照实际三厢出租车车型,用Pro/E建造的出租汽车模型如图2所示.由于考察的对象是车后箱,因此模型中出租车后箱是按测得的实际尺寸建模,而模型其他部位的尺寸则是取近似粗略值得来.

图2 出租车模型

通过对气瓶尺寸及出租车后箱开口处尺寸的比较分析可知:在后开口处,气瓶长度(L=1100mm)大于出租车后箱后开口处的宽度(L3=880 mm),则气瓶不能直接从出租车后箱后开口处向后水平移出;气瓶的直径(D=370 mm)大于车后箱后开口处的高度(L4=350mm),则水平平面内的平移加旋转的复合运动也无法使气瓶进出车后箱.在上开口处,气瓶的直径(D=370mm)大于车后箱上开口处的宽度(L2=280mm),则气瓶不能直接从出租车后箱上开口处向上移出,即使在竖直平面内的平移加旋转的复合运动也无法使气瓶进出车后箱.

因此,气瓶不能从车后箱上开口或后开口中任意一单个开口方向处进出车后箱,要想将气瓶从车后箱里面取出或将其从外面放入,必须利用车后箱两个开口相交而增大的空间,使气瓶在这个空间里运动才能使气瓶进出车后箱.将气瓶从车后箱取出的过程中,气瓶的运动情况可进行如下分解:气瓶先竖直上升脱离它的固定装置,再水平后退,然后在水平平面内旋转,接着在竖直平面内旋转的同时向后水平移动,至气瓶移出车箱后再将其调至水平平衡状态.气瓶在整个过程中作的是空间复合运动,其中包括车后箱深度方向的水平移动(H)及绕水平轴的旋转(H-R)、车后箱高度方向的竖直移动(V)及绕竖直轴的旋转(VR),它的运动轨迹将是空间曲线.

1.2 机构运动方案设计

通过前面的分析可知,要想完成装卸气瓶的任务,则所设计的CNG气瓶装卸机械必须能进行 H、H-R、V、V-R这4个自由度内的运动.故考虑将CNG气瓶装卸机械设计为,在一个升降小车上安装一个机械抓手组成的装卸小车,升降小车可完成水平移动(H)和竖直升降(V),机械抓手含有2个可旋转的关节,一个关节完成可完成绕水平轴的旋转(H-R),另一个关节完成绕竖直轴的旋转(V-R).

图3 装卸机械机构运动示意图

装卸机械的机构示意图如图3所示,图中虚线mn左端部分属于升降小车,也即是气瓶装卸机械的车体架,虚线mn右端部分属于机械抓手.图3中为一空间机构,共有10个构件,其中构件1(地面)为机架,其余活动构件2～10组成运动开链.该机构含有9个活动构件,9个低副,2个高副,存在着2个局部自由度,则 pl=9,ph=2,F′=2.由机构自由度计算式[4]:F=3n-(2pl+ph)-F′,算得该机构的自由度为F=3×9-(2×9+2)-2=5,而该机构中有5个原动件(构件 4、5、6、7、10),即机构的自由度数与原动件数相等,故该机构满足机构具有确定运动的条件.图3中,原动件4的水平移动带动整个装卸机械实现水平移动(H),原动件5的上下滑动来带动右端机械抓手的竖直移动(V),原动件6绕轴转动来实现机械抓手绕竖直轴旋转(V-R),原动件7绕轴转动来实现机械抓手绕水平轴旋转(H-R),原动件10的上下移动来带动构件8绕I处轴转动从而实现对气瓶的抓取.这样该装卸机械就具备了装卸气瓶所需的所有基本动作.

2 CNG气瓶装卸机械结构设计

用Pro/E建造的CNG气瓶模型和出租车模型已在前面给出,分别如图1、图 2所示.根据图 3所示的机构原理,利用Pro/E的三维造型功能可将升降小车模型设计成如图4所示形状,将机械抓手模型设计成如图5所示形状.

图4 升降小车结构示意图

在图4中,推动车把手,车轮的前后滚动带动整个车体架实现水平进退(H);用脚踩动操作踏板,液压油进入缸筒中可将液压升降杆顶起,旋动泄油阀将缸筒中的液压油泄掉,可使液压升降杆降下,因此升降杆在缸筒中油压的作用下可实现上下移动(V);滑动连板通过链条连接到车体架上,因此液压升降杆的上下移动通过链条的传递可以带动滑动连板在车体架上实现竖直升降运动(V).

图5 机械抓手结构示意图

机械抓手是本设计中最关键的部分,它直接与气瓶接触,除抓取气瓶外,还要载着气瓶完成所需的全部动作.在图5中,机械抓手(也简称抓手)抓取气瓶时,先使压臂向下压紧气瓶,这时由限位组件自动实现锁紧;从抓手中取出气瓶时,拉动限位销使其脱离限位组件中的限制,这时在复位弹簧的拉力作用下,压臂被拉起放开气瓶.人工辅助下在水平面内拨动抓手座,可使抓手座绕主梁上的竖直轴套转动(V-R),在竖直平面内拨动抓手座,可使抓手座绕接头上的水平轴套转动(H-R).

将设计的机械抓手通过螺栓螺母连接到升降小车的滑动连板上,这就形成整个气瓶装卸机械,它能实现对气瓶进行抓取和装卸任务.装卸机械整体组装后抓取气瓶的效果示意图如图6所示.利用Pro/E直观的三维视图及运动分析功能对装卸机械在车后箱中装卸气瓶的过程进行模拟,其装卸效果示意图如图7所示.通过模拟装卸来分析结构的干涉情况,找出干涉位置,然后通过调整装卸机械的相关尺寸来消除结构上的干涉.

图6 装卸机械抓取气瓶示意图

图7 装卸机械在车后箱中的装卸示意图

另外,考虑到压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的外围环绕的是环氧树脂,在实际制作车用CNG气瓶装卸机械时,为了防止机械抓手抓取气瓶时对气瓶产生摩擦损伤,在整体组装后,还应在抓手座、压臂等与气瓶接触的地方加贴一层天然橡胶片.

3 CNG气瓶装卸机械装卸过程

车用CNG气瓶装卸机械(简称装卸车)的装卸作业分为两个过程[5]:1)卸下出租车后车箱中待检的CNG气瓶;2)放入检验合格的CNG气瓶.它们基本上是两个互逆的过程,这里就只介绍卸下CNG气瓶的过程.

卸下待检的CNG气瓶的作业过程如下:操作工人推着装卸车靠近汽车后箱,使机械抓手的抓手座部分处于汽车后箱的正上方,旋动车体架上的泄油阀,降下机械抓手使抓手座落在汽车后箱中,然后推动装卸车向前使气瓶进入机械抓手的抓手座中,向下压动压臂将气瓶压紧,由限位组件实现自动锁紧,从而完成机械抓手抓取气瓶动作;踩动车体架上的操作踏板,将机械抓手升起一段距离而使气瓶离开气瓶固定装置,慢慢向后拉动装卸车一段距离,然后由工人辅助下在水平平面内扳动抓手座或气瓶,使其先绕主梁处关节水平旋转一定角度,再绕接头处关节竖直旋转一定角度,然后向后拉动车体的同时缓慢将机械抓手升高,直至气瓶完全离开汽车后箱,再在人工辅助下回旋使气瓶恢复水平平衡状态,从而最终完成卸下CNG气瓶作业.

4 结 论

本文介绍的车用CNG气瓶装卸机械能完成抓取气瓶,且能带着气瓶进行水平进退、竖直升降、水平旋转、竖直翻转这四个自由度内的运动,实现从出租车后箱中装卸和搬运CNG气瓶.从理论上看,该机械能解决人力装卸搬运气瓶费力的问题,避免人力操作不慎致使气瓶落地引起的危险事故,而且它的结构简单,制作较容易,体现了经济适用的设计理念,因此,它具有较好的推广使用前景.

[1］周怡沛,周志斌.中国CNG汽车市场发展现状、趋势与策略[J].国际石油经济,2009(10):44-48.

[1］TSG R0004-2009.固定式压力容器安全技术监察规程[S].

[3］GB 19533-2004.汽车用压缩天然气钢瓶定期检验与评定[S].

[4］孙 桓,陈作模.机械原理[M].第 6版.北京:高等教育出版社,2001:19-28.

[5］谭春禄,仲元昌,李 飞,等.CNG汽车气瓶自动装卸系统设计[J].重庆大学学报,2008,31(12):1405-1409.