微阻尼齿轮自动化装配机的自动注油机设计与研究

刘飞飞，漆　磊，古帅奇

(江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州　341000)



微阻尼齿轮自动化装配机的自动注油机设计与研究

刘飞飞，漆磊，古帅奇

(江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州341000)

为实现微定量高粘度阻尼油注射，基于SolidWorks建立了微定量高粘度阻尼油自动注射装配的三维模型，基于数值计算的方法，设计了一种螺旋输送机构实现了微定量高粘度阻尼油的输送。基于湍流K-ε模型，采用CFX软件，对泵送机构进行了仿真，验证了注油开口时，油液无泄漏。基于注油设备的机械模型，设计了其液压回路和自动控制系统，实现了微定量高粘度的阻尼油注射。

自动注油机设计；微定量高粘度注油；CFX仿真；螺旋输送机构

0　引言

阻尼器应用广泛，已经用于各行各业需要缓冲减震的场合，阻尼器主要通过缓冲减震装置来实现缓冲的功能，大部分的缓冲减震装置都是依靠弹簧橡胶类的减震产品实现减震，而这类产品主要应用于大型减震设备，并且精度要求不高的场合。而在大部分的精密缓冲减震系统，主要依靠阻尼油来实现缓冲减震的需求。微阻尼齿轮目前广泛用于汽车零部件的各个需要减震的场合，然后目前微阻尼的装配还是采用纯手工方式，这种生产方式需要大量的人力进行装配，人工装配成本高，并且装配起来极易疲劳，装配过程单一、枯燥，极易影响装配情绪，这种存在的巨大的不稳定性生产的产品合格率大大降低。目前，国内外研究这种对于特定的微阻尼齿轮装配的注油机很少，企业采用的注油设备，多依赖于人工的操作感觉进行定量注射。因此，设计了一套自动化阻尼齿轮装配系统，实现了阻尼齿轮的自动化装配。本文所述的自动注油机就是其中的一种自动化设备。

1　微阻尼齿轮结构及注油工艺的要求

微阻尼器阻尼齿轮的组成包括5部分，如图1所示：齿轮、上盖、胶圈、轴、下盖。按装配工艺要求，先装配下盖，装配完下盖后，对其进行定量注油，其次再下盖以上的装配单元与注好阻尼油的下盖进行组合装配。

注油工艺要求：本产品采用的是日本厂家生产的特殊硅油，产品接触阻尼油旋转，产生扭矩，即产品阻值的大小由阻尼油的粘度，接触面积决定。粘度高，接触面积大，产品阻值变大；反之，粘度小，接触面积小，阻值就变小，扭矩可以根据产品的需要在80～1500(gf·cm)之间任意调节。由于产品的扭矩需求不一样，对不同产品注油量要求可以变化调节，为保证产品的扭矩合格和产品的一致性，对单一产品要求注油要定量，注油过程中要保证注油的精确，均匀。

图1　微阻尼齿轮结构尺寸图

2　注油机机构设计

2.1总体方案设计

从注油工件可以看出，注油工件较小，在保证大扭矩的产品时，为了保证能达到较大的扭矩采用的是高粘度的阻尼油，粘度超高100cs，由于高粘度的阻尼油在输送过程中阻力较大，而所需油量又较少。同时，为了保证扭矩的精确性，必须保证油量的精确性。这给设备的注射带来了极大的困难。基于这些问题，本系统采用了螺旋输送机构，来保证高粘度阻尼油的精确输送。如图2所示，该系统采用的是多工位转盘的装配方式，注油设备处于转盘边缘，工件随转盘旋转。由机架、手动调节大行程、微工作行程、螺旋输送机构、泵送机构构成。初始调试阶段可以根据工作台或者零件的高度采用手动调节到一定的高度，然后手动锁死。在自动工作时，采用微行程滑台来保证工作行程。注油过程主要通过螺旋输送机构，进行微定量高粘度阻尼油输送，采用泵送机构进行注油。下面主要对螺旋机构采用数值计算的方法进行计算，对泵送机构采用流体仿真的方法，对其进行设计计算。

图2　注油机三维模型

2.2螺旋机构设计

如图3所示是以产品KF96H-50万CS为例,采用SolidWorks对螺旋输送结构进行设计。高粘度阻尼油从进油口输入，经过螺旋输送机构进行微定量输送，从出油口输出。

图3　螺旋机构模型

螺旋输送机构送油量计算如下：

(1)以矩形截面对轴进行切除

图4　螺旋机构矩形截面

图4为高为T,宽为e的矩形截面。

(2)将轴展开后，螺旋展开为如下：

图5　螺旋展开图

如图5所示：螺旋展开图，其中：α为螺旋升角，α取15～20°，D取φ10～φ16mm，现取直径D=15mm，α=15°适合密封，螺距：

d=πD·tanα=12.63

(1)

则螺旋轴单圈螺纹长度：

(2)

单圈内体积：

v=L·S=L·T·e

(3)

单圈内油质量：

(4)

其中：p=0.978(g/cm3)。

当单圈螺旋内油质量为0.1g时。

(5)

T·e=2.0958=1.5×1.4(mm2)

(6)

尺寸太小，不利于油液传输。

现取单圈质量为0.4g，

(7)

T·e=8.38394mm2

(8)

取：T=3mm，e=2.8mm。

推油腔内油量计算：

体积：

(9)

每0.1g油所对应的：

(10)

由气缸精度要求，现对h进行控制：①h=2mm，D1=8.1mm；②h=2.5mm，D1=7.2mm；③h=3mm时D1=6.6mm。考虑到推油气缸行程的大小要适应，取h=2mm，D1=8.1mm，气缸行程在0～125mm范围内可调，保证注油量可在0～5g范围内进行精确控制。

2.3泵送机构设计

如图6所示，为设计的泵送机构。阻尼油经过螺旋输送机构进到进油口，此时，轴阀进行顺时针旋转90°，挡住出油口，此时阻尼油进入阀体。当工件需要进行注油时，轴阀则进行逆时针旋转，挡住进油口。此时活塞杆在气缸的驱动下将阻尼油压入工件。整个泵送机构简单可靠，可实现阻尼油注射。

(1)泵送机构计算

图6　泵送机构图

由图6可看出，整个注油腔形状不规则，流体流动其质点不只是沿管轴方向做平滑运动，也存在径向脉动，由此可以把注油在管道内的流动看做紊流，其流动仍然满足伯努利方程，但是，由于高粘度阻尼油存在粘性，实际液体要克服粘性力做功。其方程[1]：

(11)

取活塞杆端面和出油口端面进行分析，但是由于是高粘度阻尼油，hw是不能忽略的，采用数值分析的方法显然很难得出流体的流动情形，为了进一步分析流体的流动，在设计过程中采用了模拟的方法对泵送机构进行了分析。

ANSYS CFX是一款功能强大的流体分析软件[2]，可以与CAD软件进行无缝连接[3]，因此，在SolidWorks建立好注油机三维模型后，可以直接导入CFX进行流体分析，大大减少了建模时间。

(2)控制方程和湍流模型

CFX软件拥有多个湍流计算模型[4]，包括：K-ε模型，SST模型，SSG模型和BSL模型。其中K-Epsilon(k-ε)模型是最简单完整的湍流模型，该模型计算速度快，计算正确，并且符合注油特征。因此在计算时采用该模型。该模型是两个方程的模型，要解两个变量，即速度和长度尺度[5-6]。

①三维不可压缩的平均连续方程：

(12)

(13)

②湍流方程：

(14)

(15)

③计算模型：采用SolidWorks建立注油机整机模型，取其中的泵送子装配体进行分析，建立好三维模型后，可以直接无缝导入CFX进行分析。由于CFX软件自带的材料有限，采用CFX自定义材料功能，新建了阻尼油材料，其属性如表1所示。

表1　阻尼油属性表

④计算区域与网格划分：将模型导入CFX后，首先建立好模型的计算域，由于阀腔形状不规则，而且填充的好坏将直接影响仿真的结果，采用了多种方法进行填充和修复，得出如图7所示的填充体，填充体与外壁结合良好适合分析。

图7　阻尼油填充效果图

填充完液体部分，将整体模型进行网格划分。在划分过程中，可以对液体部分进行细化。得出如图8所示的网格模型[7-8]，总共生成节点43071个，划分219359个网格单元，网格划分良好。

图8　网格划分图

设置边界条件和初始条件，本仿真是模拟阀腔充满液体时，阀杆没有施加压力，只有部分预压的情况下，当开启出油口时，液体是否泄漏，此时是否存在平衡。

f1+mg=f2+F

(16)

式中：f1-充满液体时，阀杆的压力；

m—液体质量；

f2—大气压力；

F—液体表面张力。

由于液体表面张力难于计算，因此采用模拟进行计算。设定条件后进行仿真，如图9所示。

可以看出液体流动缓慢，最大处为2.995e-008(m/s)可以忽略，由此得出结论出油口设计合理，在开口后，不会发生泄漏。

图9　泵送机构仿真效果图

3　注油系统油路设计

由于本系统存在注油工位，要对工件注油，为了满足注油工位的需求，设计了如图10所示的液压回路，根据工件所用油的粘度不一致，本系统采用了两种供油方式：①如虚线所示由液压泵供油，此时旋转塞由步进电机驱动处于工件上方的位置，液压油进入液压缸，进入之后，旋转塞在返回，液压缸由电缸驱动将油压入工件。②当油的粘度高时，由螺旋机构输送。液压油经过泵送机构经过调速阀，再进入其他后续螺旋机构。后续动作①一样。

图10　注油机液压回路图

4　控制系统设计

4.1注油机控制流程

(1)注油机设备

如图2，注油机三维结构图所示，注油机结构主要由液压泵、注油管、输油管、步进电机、伺服电机等组成。

设备信息要求如下：

浓稠度较高注油机：1#升降电机；2#定量注射电机；3#阀控电机；螺旋挤出电机(定量作用)；1#输油口；油管；2#输油口；出油口和注油口。

(2)控制流程

浓稠度较高注油机控制流程图，如图11所示。

图11　注油机控制流程图

(3)工作流程

① 阻尼齿轮到达模具内，手动启动按钮(点动按钮)/或触摸屏启动，油泵或供油设备供电(第一次启动后一直保持供油状态，按动停止按钮后停止)，此时向2#输油口输油，4#螺旋挤出电机螺旋定量输油，通过油管输入到1#输油口，通过设定旋转圈数，到达即停。1#升降伺服电机工作，下降定位(40mm)行程；

② 4#电机旋转到位后，1#升降伺服电机工作，下降定位(40mm)行程，1#电机下降到位，3#阀控电机逆时旋转90°，打开“阀门”，使阻尼油进入腔内；3#电机旋转到位，启动2#定量注射电机，定位(行程20mm)下降控制，推动推杆把腔内的油注入到齿轮内；

③ 2#电机注油完成，同时启动1#升降伺服电机上升回原点和3#阀控电机顺时旋转90°关闭“阀门”，其中1#电机上升到位后等待2#电机上升到位，3#阀控电机复位，2#电机上升回原点，注油结束齿轮移走，进行以下循环注油。

4.2人机界面设计

如图12所示，本套系统的触摸屏同样采用三菱的GOT1000系列的，机种为GT15.S(800×600)颜色为256色触摸屏，采用的三菱触摸屏软件GT WORKS3软件进行触摸屏程序编写。本系统总共编写了2个画面，手动操作画面(图12b)用于调试安装，自动操作面板(图12a)画面用于自动运行时的监测，在该画面上同样设计了返回手动操作画面的跳转按钮。时间显示，各工位动作运行指示灯，可监测运行状态。

(a)注油机自动操作界面

(b)注油机手动操作界面图12　注油机人机界面

5　结论

通过solidworks软件进行了注油设备的建模，采用数值计算的方法，设计了高粘度螺旋输送机构，实现了高粘度微定量阻尼油的输送。同时，通过流体分析软

件CFX，采用湍流K-ε湍流模型，进行了仿真分析，验证了在注油机开口时，油液的无泄漏。同时，采用液压回路理论，设计了注油机液压回路，实现了高低粘度的液压回路设计。同时基于注油设备，设计了一套合理的控制系统，完成了注油设备的设计，实现了微定量高粘度阻尼油的自动化注油。

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(编辑李秀敏)

Design and Studies of Automatic Oil Ejector in Micro Damped Gear Automatic Assembly Machine

LIU Fei-fei, QI Lei, GU Shuai-qi

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou Jiangxi 341000, China)

In order to realize tiny-quantitative, high-viscosity damping oil injection, a spiral transportation mechanism was designed, it 3D model was created based on SolidWorks and numerical calculation method. Simulation of pump transport mechanism was performed. It was verified that there was no leak of oil while pouring orifice was open based on turbulence K-ε-model by using CFX software. Its hydraulic circuit and automatic control system were designed, tiny-quantitative, high-viscosity damping oil injection was realized based on mechanical model of oil filling equipment.

oil ejector；tiny-quantitative；high-viscosity；CFX simulation；spiral transportation mechanism

1001-2265(2016)08-0025-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.008

2015-08-16；

2015-09-15

刘飞飞(1962—)，男，江西赣州人，江西理工大学教授，博士，研究方向为高效节能型矿冶机电装备及其智能化、特种机器人与智能机械技术、矿冶生产过程模拟与控制、机器视觉与图像测控系统、工艺参数检测与网络测控技术，(E-mail)gzlff@126.com。

TH162;TG506

A