高效贴膜机构的分析与设计

张 镐， 李明辉， 李 艳

(陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

随着环保意识的提高和加强，社会生产及生活对环保的要求也越来越高，与此相关的环保产品和产业也得到了较快发展[1,2].目前市场上一种较为高端的超滤膜水过滤系统，其主要工艺流程为：注水、过滤.先把水以一定压力注入一定厚度、中间有流道且两侧粘贴有超滤膜的水过滤工件，连续注入所产生的水压压迫待过虑的水透过工件两侧的超滤膜流出，虑掉水中杂质，得到高纯度的水[3,4].由于工件内部压力，超滤膜粘贴必须牢固可靠且周边不得有缝隙，否则被注入的水从缝隙流出，从而无法完成水的净化处理.因用于过滤水的工件具有形状复杂、尺寸精巧的特点，工件两侧超滤膜的粘贴多是人工粘贴.工件厚度较薄(仅有6.35 mm)，在其表面上贴有专用双面胶时，工件本身发生了翘曲，已经不是一个平面，往工件上粘贴超滤膜时，工人需要将工件平铺在工作台上，在工件一端用卡箍夹紧，再把工件压平，然后将湿润的超滤膜(略大于待粘贴区域的面积)展开在工件上，先用橡胶压辊碾压工件一端，使超滤膜一端粘贴在工件上，再用手在未粘贴的一端拉扯超滤膜，使之具有一定的张力，另外一只手则用橡胶压辊碾压，使之与工件紧密粘接.然后再用同样的方法粘贴另一个方向和另一侧面.两侧完全贴好之后，再用刀片切去多余的超滤膜.至此，超滤膜粘贴工作完成.这种人工粘贴方法效率低下，贴膜质量取决于工人的熟练程度和技术，难以保证，且工人劳动强度较大[5,6].

1 机构组成及工作原理

针对人工贴膜的各种缺点，综合贴膜过程中各项工艺要求，我们设计了一种集合压膜、贴膜和切膜于一体的机构，该机构可以在一个动力驱动下一次完成压紧、粘贴、切除边角的动作，且待贴膜工件被装夹在底座中，很难发生翘曲变形，克服了人工贴膜时的各种缺点，大大提高了贴膜的效率和质量.该机构是一个矩形机构(如图1)，压膜销钉和弹簧分布于四周，保证在压膜时超滤膜在四个方向有相同的张力，这是保证贴膜后工件正常工作的必要条件.该机构还可保证压膜、贴膜、切膜在一个动作中连贯实现，否则会出现局部粘贴不可靠或者是粘贴失败的情况.该机构通过其中几个零件的相互联动关系组成固定的动作，可以一次性的完成压膜、贴膜和切除多余超滤膜的作用，并通过外力作用复位，以继续进行下一个工作循环[7].这种工作模式将工人手工操作集中在一个动作上，精简了机构，提高了效率，并具有可行性和高的可靠性，且控制要求简单.

图1 机构截面图

1.1 机构组成

该机构主要由底座(件1)、定位销(件2)、橡胶压板(件4)、上压板(件5)、压膜销钉(件7)、弹簧(件8)和圈模(件9)构成，此外还有相应的定位及限位零件(如图二).定位销(件2)起到固定过滤工件和定位工件的作用；橡胶压板(件4)和上压板(件5)连为一体，在一个动作过程中实现压膜、贴膜和切除多余超滤膜的作用；压膜销钉(件7)通过弹簧(件8)弹力，起到压紧超滤膜的作用[8].

1.2 工作原理

橡胶压板、上压板、压膜销钉、弹簧保持相对位置不变，位于圈模上方；圈模位于底座上方；底座、定位销保持相对位置关系.所有工件在水平方向上不能自由移动.在底座上装入待贴膜的过滤工件，该工件已经贴有双面粘胶；过滤工件由定位销定位，保证过滤工件的横向位置及与圈模的相对位置不变.在圈模上水平放置高分子过滤膜.

先给上压板以垂直向下的压力F(如图1所示)，驱使橡胶压板、上压板、压膜销钉、弹簧共同向下运动，在橡胶压板接触到超滤膜之前，压膜销钉由于弹簧弹力已经压紧超滤膜；继续向下压紧上压板，上压板带动橡胶压板将接触超滤膜，在其整个平面上向下压迫超滤膜，此时超滤膜将由于形变而受到四个方向的拉力作用，这个拉力是保证粘贴平整可靠的关键因素.继续压下上压板，直至橡胶压板将超滤膜压紧到过滤工件上，保持一定时间后，超滤膜将粘贴在过滤工件上.保持垂直方向压力不变，由于橡胶压板的变形，上压板将继续向下做微小的移动，当移动到相应位置后，上压板在圈模的配合下将超滤膜多余部分沿周向切除(如图2所示)，完成一次工作过程.

完成一个工作过程后，再给上压板以向上的拉力，带动橡胶压板、压膜销钉、弹簧一起向上运动，恢复到工作准备状态，为下一次工作过程作准备.圈模也将恢复到工作准备状态的位置.

2 机构受力分析及设计计算

图2 切膜局部放大示意图

2.1 贴膜正压力分析计算

不考虑超滤膜本身的张力和变形，在超滤膜两侧压力差Δp=100 kPa下才能有效工作，测量工件承受该压力的面积为A1=77 423 mm2，故工作时超滤膜所受压力：

F1=ΔP×A1=0.1 MPa×77 423 mm2

=7 742.3 N

(1)

F1靠超滤膜和双面胶(已粘贴在过滤工件两侧)之间的粘接力F2平衡，F2依赖于双面胶的粘接能力，本文中所指双面胶是企业专用的，其粘接能力经实践验证是可以达到要求的.超滤膜与工件粘接面积为A2=18 227 mm2，粘接时所需压力F3=200 N，粘接持续时间为2 s.

2.2 超滤膜力学分析

如图1所示超滤膜，以视图截断面为xy面，在超滤膜截面上任选一点作为原点(O点)，水平方向为x方向，竖直方向为y方向.其在垂直于纸面方向(z向)长度较长，则所有一切应力分量、形变分量和位移分量都不沿z方向变化，而只是x和y的函数，在这种情况下，由于对称，所有各点都只会沿x和y方向移动，即只有位移u和v，z方向位移为零.所有点的位移矢量都平行于xy面，该问题可简化为平面问题[9].

图3 截面分析图

(2)

所以

Δl≈a-0.429r(0

(3)

r大小取决于超滤膜的材料和力学性能，此处综合考虑机构和材料性能，取r=0.618a，则取：

Δl=0.735a

(4)

在这里需要确定的是圈模的高度，即a的值.a的值决定了Δl的大小，而Δl取决于超滤膜本身的性能.

图4 变形分析图

在图3所示的截面上任取一微元P作分析，建立如图4所示的坐标系，x轴和y轴正方向取两个微小长度的线段PA=dx和PB=dy.假定弹性体受力以后，P、A、B三点分别移动到P′、A′、B′.首先求出线段PA和PB的线应变εx和εy：

(5)

(6)

εx和εy是基于平面问题的几何学方程得出结论，由于在y轴方向上超滤膜受到相邻工件的限制，只有微小的应变，且远小于x轴上的应变，所以εy可以暂不考虑，只考虑εx.

(7)

又因为Δl=0.735a，所以

(8)

其中，E为超滤膜拉压弹性模量， GPa；[σx]为超滤膜许用应力, MPa.

则a的值可求出.

2.3 弹簧设计

(9)

其中，u为超滤膜微元在x轴方向上的位移

(10)

单个弹簧需要产生的正压力为N.根据弹簧的最大载荷、最大变形及结构要求等设计弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等.

选用65 Mn为弹簧材料，[τ]=0.4σB；

根据安装空间初设弹簧中径D；

根据变形条件求出弹簧工作圈数n′，

其中，G为弹簧材料切变模量， GPa;λmax为弹簧最大变形量,mm.

求出弹簧的尺寸D2、D1、H0，检查其是否符合安装要求，若不符合，则需要改选有关参数，重新设计，直至求出符合要求的弹簧尺寸[10].

3 结束语

该机构的分析与设计，是以材料力学、弹性力学理论为基础，分析了超滤膜在工作时的工作过程、受力情况和变形情况，设定了机构工作的最佳状态，并由此得出机构设计的关键参数，为机构的设计与制造提供了理论基础和模型范例，有利于该贴膜机构的设计制造.

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