（机械设计及理论专业论文）侧开口胶管扣压机大立板力学建模和有限元分析.pdf

摘要 侧开口胶管扣压机足适用于多弯折汽车空调管扣压的圭要设备， 目前国内还没有厂家生产侧开口胶管扣压机，而国外进口的侧开口胶 管扣压机的价格 常昂贵，正足在这种背景f ，本文展开了对铡开口 胶管扣压机的研究。 本文在分析了侧开口胶管扣压机工作原理的基础上，提出了侧开 口胶管扣压机的丈立板采用“c ”形结构；并用量纲分析方法建立了 大立扳的力学模型，应用m a t l a b 软件，绘制了开口度和大立板各个 尺寸的关系曲线图，初步选取了一组大立板的尺寸；用a n s y s 软件对 大立板进行了强度和刚度的分析，并得到了数学模犁的系数由值，将 此值代入大立板的函数关系式，求解出的开口度值和a n s y s 分析得出 的开口度值基本保持一致；并根据研究结论设计制造了我国第一代侧 开口胶管扣压机；对设计出的大立板进行了应力应变实验研究，实验 结果表明，在a n s y s 中所建立的模型是正确的，其仿真结果符合实际 情况。 本文的工作研究，对侧开口胶管扣乐机大立板的结构设计提供了 理论依据，文章具有一定的理论意义和工程实用价值。 关键词扣压机，量纲分析，数学模型，有限元方法，仿真 a b s t r a c t c r i m p e rw h i c ho p e i ! o nt h es i d e i ss u i t a b l ef o rb e n dc a ra i r c o n d i t i o n e r , p r o d u c e rd on o tp r o d u c et h ec r i m p e ra th o m ea tp r e s e n t , a n d t h a ta b r o a dc r i m p e r sp r i c ev e r ye x p e n s i v e ，j u s tu n d e rt h e s ek i n do f b a c k g r o u n d , t h er e s e a r c ho f t h ec r i m p e rt h a tt h i st e x th a sl a u n c h e d i n 锄a i y 西n gf o u n d a t i o no fo p e r a t i o np r i n c i p l eo fc r i m p e r , t h i st e x t p r o p o s et h eb i gb o a r do f c r i m p e rs i d ea d o p t ”c 。s h a p es t r u c t u r e ；s e tu p t h em e c h a n i c sm o d e lo ft h eb o a r dw i t hd i m e n s i o n a la n a l y t i c a lm e t b o d , a n de m p l o ym a t l a bs o f t w a r e ，h a sd r a w nd e g r e ea n dg r e a tr e l a t i o n c l l r v eg r a p hw h i c hs e tu pe a c hs i z eo f t h eb o a r do f e r i m p e r , h a v ec h o s e na g r o u po fg r e a ts i z ew h i c hs e t su pt h eb o a r dt e n t a t i v e l y ；t h e n , c a r r yo n i n t e n s i t ya n da n a l y s i so fr i g i d i t ya n dg e tt h ec o e f f i c i e n tqv a l u eo ft h e m a t h e m a t i c a lm o d e lw i t ha n s y ss o f t w a r e ，t a k et h ep l a c eo f ，e n t e r v a l u et ot h e 鼬c t i o nr e l a t i o n a le x p r e s s i o no fb 删s o l v ea p p e a ro p e n o n e sm o u t hd e g r e e so fv a l u ea n da n s y sa n a l y z e ，o b t a i no p e no n e s m o u t ho n ed e g r e eo fv a l u eb a s i c a l l yk e e pu n a n i m i t y ；a c c o r d i n gt os t u d y c o n c l u s i o n , m a k eo fo u rc o u n t r yt h e1 s tg e n e r a t i o no fs i d eo p e no n e s m o u t hc r i m p e r , f i n a l b g oo i le x p e r i m e n to f t h es t r e s ss t u d yo nt h eb o a r d d e s i g n e d , i n d i c a t et h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h em o d e lw h i c hw a ss e tl 币 i na n s y si sc o 眦t i t sr e s u l t sa c c o r d sw i t ht h ea c t i l a jc o n d i t i o r k q t h ea b o v e - m e n t i o n e dc o m p r e h e n s i v er e s e a r c h , o f f e rt h eb o a r do f t h ec r i m p e rt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n ，a c c u m t eg u i d a n c ei sp r a c t i c e d ，s ot h e a r t i c l eh a sc e r t a i nt h e o r ym e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u eo f p r o j e c t k e yw o r d sc r i m p e r ，d i m e n s i o n a la n a l y s i s ，m a t h e m a t i cm o d e l ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s i m u l a t i o n 中甫大学硕十学何论文第一章绪论 1 1 胶管扣压机的概述 第一章绪论 1 1 1 胶管扣压机的产生背景 高压胶管组合件( 俗称胶管总成) 的应用范围 分广泛，是煤炭，冶金，矿 山，工程机械及其他液压机械上液压传动和完成输送各种介质任务的秀要橡胶 配件l l l l 其应用之广泛、品种之繁多，使得胶管组合件既有普遍性又具特殊性， 各种连接形式的胶管组合件都是由芯子，外套及胶管组成。根据与机体( 泵，阀， 油缸等) 连接形式和规格的不同，构成具有不同形式和规格的胶管组合件；在据 使用条件和系统工作压力来确定胶管强度钢丝编织或钢丝缠绕f 2 l 。高压胶管 由内胶层、增强层和外胶层三个主要部分组成，这三部分对胶管的使用性能和寿 命都有重要影响，它们保证了高压胶管的强度、密封性和稳定性。内胶层处于胶 管最基层，保证了高压驳管的密封性，并保护承载增强层( 钢缝) 免受工作液体的 侵蚀。增强层由数层钢丝编织( 或缠绕) 构成，位于内、外胶层之间，保证高压胶 管的强度稳定性和良好的抗拉性能；外胶层保护高压胶管不受外部因 素影响，高压胶管总成由胶管及与胶管相联接的胶管接头组合件组成h 3 i 。胶管 总成主要分扣压式和装配式。 圉t - i 装配式胶管接头 装配式高压胶管总成在装配时首先将 外套旋拧在胶管上，然后将带有螺纹和锥 度的芯打在有轴向推力的条件下旋入胶 管内，并使芯杆和外套靠相瓦配合的螺纹 连接在一起1 9 1 。这种形式的高压胶管总成 便于在使用现场随时用简单盼手动工具 进行拆卸和更换，胶管接头可重复使用，但胶管和接头之间的密封性和口了靠程 度较差，工艺稳定性差，接头装配的劳动强度大，生产效率低，并且不易控制 对胶管的压缩率由于这种连接方式对胶管接头的加工精度要求较高，胶管接 头的结构也较为复杂，所以难以保证其使用的可靠性【嘲。 扣压j 胶管接头结构简单、使用可靠、外形尺寸小、加工方便，采用扣压 机进行扣压扣压式胶管接头压缩量大小，直接影响着接头连接性能。这种扣压 式胶管组合件是不可拆卸的固定管接头结构，这种结构能在橡胶层和接头间形 中南大学硕+ 学伊论文 第一章绪论 图i - 2 扣压式胶管接头 成很大的夹紧力，接头的密封是由胶管的 内胶层借助于外套和芯子使内胶层变形来 完成的。连接强度是利用直接加压外套使 胶管得到一定的压缩量，从而紧固编织层 ( 或缠绕层) 的钢丝来保证的。扣压式胶管 主要由接头芯子、外套、胶管、密封件等 组成1 4 1 。胶管总成类型的选择足根据压力、温度、介质、振动大小、有无压力冲 击等使用条件决定的，用户应清楚地介绍使用条件和要求，才能使胶管总成在指 定条件下更好地密封及联接1 6 1 。 随着机械工业实用液压技术向高压、超高压方向发展，液压设备的附件的 耐压性能也随之提高，其中高压软管总成防泄漏问题尤其突出i l 们。其扣压式胶 管才能满足液压机术的发展，因此，目前大量使用商压胶管总成，其接头连接 方式为扣压式，即将胶管接头组合件和胶管装配以后，在专用的胶管接头扣压 机上对外套进行扣压，是接头组合件和胶管成为一个牢同的整体，满足胶管和 胶管接头之间的密封性能要求和抗拔脱能力。 1 2 胶管扣压机的分类 液压胶管扣压机足扣压式胶管总成的主要设备，它通过扣压接头外套，使 接头外套、胶管和接头内芯成为一体，组成液压胶管接头总成闭。目前胶管扣压 机主要有以下几种： ( 1 ) 圆柱头型胶管扣压机其特点是：圆柱头缸筒内壁( 或活塞) 为圃锥 面，通过此圆锥面，使缸体活塞在液压油作用下的轴向运动转化为分体式扣压 模座的径向运动，实现模具径向尺寸的同心收缩，达到将胶管和接头连接的目 的此种类璎的胶管扣压机容易实现一般接头的扣压但由于其圆柱头缸筒的 轴向尺寸较大，且开口度小，不利于弯管接头的扣压。 圆柱头型胶管扣压机分缸筒内壁为圆锥面，缸筒内壁和活塞内肇均为圆锥 面，如图卜3 和卜4 所示，以模座为研究对象，它受到活塞对它的推力和模具 对模座的作用力，同时，模具受到接头对它的作用力和模座对它的反作用力，根 据平衡定理，两力相等，其扣压力大小为n 。 2 中南大学硕十学伶论文第一章绪论 图1 - 3 缸筒内壁为圆锥面的圆柱央型扣压机 p _ 活塞对模座推力 n 模具对模座的反作用力 f 缸体对模具的支撑力 模 p = f s i n 口1 n = f c 。s 8 j 图1 - 4 缸筒内壁和活塞为圈锥面的圈柱头型扣压机 ( 卜2 ) 、ilr， n = 8 d n s 墨印 ， i i + 8 p n s 1 o s c i 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 月活塞对模座的推力 只端盖对模座的反作用力 忙模具对模座的挤压力 ( 2 ) 立式胶管扣压机扣压机其特点是：分体式八瓣扣压模具，外四瓣模座 的外形组成正方形，内四瓣模具的外形组成正八边形，外四瓣模座组成的正方 形收缩的同时，带动正八边形同心收缩，可实现模具径向尺寸的收缩，达到将 胶管和接头连接的目的。其机架结构成封闭理架构，因此，胶管只能从径向放 入扣压部位，其工作原理受理图如下： 图1 - 5 立式扣压机 _ 卸。 0 - 3 ) f = p s j f 滑动块对模座的推力 模座对滑动块的反作用力 p 油泵压力 s 活塞面积 ( 3 ) 侧开口胶管扣压机扣压机其特点与纤薄型的运动原理相同，模座成j e 方形，模具成l e 八边形，当正方形的四边靠拢成封闭的正方形时，通过压缩弹 簧带动模具运动，实现模具径向尺寸的的收缩，达到将胶管和接头连接的目的。 与纤薄型扣压机不同的是，侧开口扣压机的侧匾足开口的，此种类型的胶管扣 压机，由于胶管呵从侧面伸进扣压部位，所以其开口度较大，容易实现弯管接 中南大学硕十学付论文 第一章绪论 头的扣压。各个公司漫计的侧开口胶管扣压机是通过不同的方式实现侧开口， 本文仅就中南大学机电院设计的侧开口胶管扣压机进行了解，详见第二章。 1 2 胶管扣压机的发展简介 1 2 胶营扣压机的发展现状 胶管扣压机最扔是由压力机发展来的，早期的胶管扣压机技术落后，设备 庞大，扣压质量差，当时的胶管扣压机占地面积很大，大概有3 0 - 4 0 平米，其工 作效率 # 常低胶管扣压机的核心为胶管扣压机的模座和模具，最初的胶管扣 压机的模座和模具是分两瓣式的，扣压出来的管接头变形很厉害，管接头已经 被压扁了，不是圆周形的，导致密封性能差，管道流通不畅通，美观也很差， 继丽由两瓣式的发展成四瓣式的，相对而占，网瓣式的比两瓣式的更为有效， 扣j k 出来的管接头相对来说没有那么扁，但是密封性能也还是不好，然后又由 四瓣式发展成六瓣式、八瓣式、十瓣式，瓣分的越多，扣压出来的管接头的压 出的印痕就越细， 图1 - 6 压力机 5 中南大学硕+ 学位论文第一章绪论 其中八瓣式的模座和模具已经能满足管接头的密封性铯，十瓣式扣压出来 的管接头就没有八瓣式的好看，而且从扣压外观，和经济成本角度考虑，选择 八瓣式的是最佳选择【1 5 1 现在市面上惯用的胶管扣压机已经都是八瓣式的。 早期的胶管扣压机最初是由几家主要的胶管厂家推出l 钔，如美国的n r p 公司， 英国的g a t e s 公司，随着液压技术超着高压，超高压方向发展，扣压机的需求 量越来越大，对胶管扣压机的要求越来越高扣压精度，扣压质量，扣压速 度和扣压范围等等，这时，出现了专门从事生产胶管扣压机及其胶管配套设备 的工厂。在国外大量的胶管扣压机兴起f 六，七十年代，例如，1 9 6 9 年，芬兰 的f i n n p o w e r 公司开始设计、生产扣压机；1 9 7 2 年，德国的u n i f l e x 建立胶管 扣压机生产线；1 9 7 9 年，美国的c m s 成立并成为美国国内在胶管扣压行业的领 头军，耳前，这韭塑公司拥有的扣压机技术处于世界领先水平，尤以芬兰的 f i n n p o w e r 公司和德国的u n i f l e x 较为突出睁i 。扣压桃已经形成了可以满足用 户在不同环境f 工作的系列化产品，还可以适用于不同尺寸的胶管和不同样式 的胶管接头。 图卜7 国外的扣压机 我国8 0 年代仞开始引进国外产品，但由于国外产品很贵，例如芬兰产的胶 管扣压机j b 3 2 每台价格商达1 2 万元i l l l ，中南大学机电院于1 9 9 4 年开发该项技 术及设备，其主要技术性能达到国外同类产品先进水平，现已批量生产1 5 l 。随后 6 中南大学硕十宁何论文第一牵绪论 一些国内的厂商相应的推出胶管扣压机产品，如长沙金帆机电设备有限公司， 邯郸市复兴液压机械有限公司，上海义通液压机械有限公司等。 图1 - g 国内的扣压机 胶管扣压机技术在国外应用已有5 0 多年的历史，而且也有许多的制造厂商 设计和生产丈量的扣压帆；国内近2 0 年也出现了很多厂家自行设计和生产扣压 机，而且有文献洲对扣压机进行过报道，但尚没有文章e c f 对胶管扣压机进行 过研究。 1 z2 胶管扣压机的发展趋势 伴随着国内外液压技术的发展，胶管扣乐机的需求越来越多，越来越高， 目前胶管扣压机的发展呈现以下趋势，如图1 9 所示： ( 1 ) 胶管扣压帆向轻，室! 方向发展，主要表现在设备萤璧，体积等方匠日趋减 小，以适应社会需求。 ( 2 ) 胶管扣压枫向机电液气一体化方向发展，以液站或气站为动力传播媒 介，载荷传感系统为依托，借助微机和屏幕显示，使操作，监测实现入 机对话，减轻人力，提离效率。例如德国的l r n t f l e x 的手动胶管扣压机 使用的就是气泵作动力源。 ( 3 ) 八瓣式模具已 # 常普遍，这可以有效的保证扣压出来的胶管接头的圆整 ? 7 中南大学硕+ 学位论史第一章绪论 性，又可保证其密封性，美观性。 ( 4 ) 胶管扣压机的品种成多样性趋势发展，现在市面七已出现了传统的圆柱 头型，还有纤簿哩，侧开口型，有手动胶管扣压机，电动胶管扣压机和 智能型胶管扣压机等。 图1 - 9 备式各样的新型扣压机 ( 5 ) 胶管扣压机的外形朝多样化发展，如法国的t e c h f l e x 的 动胶管扣压 机将扣压头和油箱结为一体，脱离了传统的胶管扣压机外形；美国的 k u l t e r 公司生产的推车式胶管扣压机完全不同于传统的胶管扣压机 ( 6 ) 胶管扣压机的材料朝多元化发展，法国的手动胶管扣压机的机型外壳材 料不再使用传统的钢，而是铝合金。 1 3 机械结构静力学模型的研究 在工程中经常可以看到“c ”形结构，此类。c ”形结构应用广泛，从一 般的机械工业到建筑业到我国国民经济的支柱产业，无不涉及此类结构。如冲 压机，侧开口扣压机等。首先，此类。c ”形结构一般既是受力主体，又是承载 机架，此类结构应用广泛，但是却没有一个统一的力学模型，缺少理论上的支 持，但是该种结构的力学模型建立起来存在一定的困难。 s 中南大学硕十学位论文第一章绪论 f 3 1 般研究方法的局限性 材科力学是把实际材料看作是均匀、连续、各向i 珂性的变形固体，且主要 局限于在弹性范围内的小变形情况1 2 ”材料力学的研究对象摹本上是各种扦件， 一般部用f 解决梁、规则简单形状的构件，对于求解形状不规范，形状各异的 。c ”形结构存在困难f 2 j j 。困此，用材料力学建立该种结构的统一数学模型不疗 便。 塑性力学通过对有给定材料构成的简单物体的受控实验，预测由同一材料 构成的任意给定物体在以特定方式支撑并受特定钱荷时的力学行为。其行为常 常限制在一定限制范围内，材科表现出某种决定性的特征，并把其特征分为若 干类材料行为通过建立本构关系应力和应变的关系了解其材料特征 2 2 1 。 。c ”形结构数学模型的建芏，应力应变是不便f 求解的，因此，用此类方法建 模也是不可行的。 弹性力学就足通过静力、几何、物理三方面的研究来建立描述弹性体在外 力作用下运动规律的数学模型的，最后得到一组高阶偏微分方程及相应的边界 条件此类。c 。形结构物体几何形状，结构构造及外部载荷的复杂性，不能用 解析法求得所期望的完备级数形式或闭合形式的解析解l z s h 2 6 l ，在其存在这样的 问题下，不利于得出该种结构的统一数学模型。但是，由于存在强大的有限元 软件，可以直观准确的了解到构件的应力应变分布情况，及其应力集中，危险 点所处位置的问题。 1 3 2 量纲建模方法的优点 量纲分析是一种为了在定肇分析前或实验研究前将复杂物理问题简化为最 简单( 最经济) 的形式1 2 9 i 量纲分析将问题的自由度减少到了最小，因此所建 议的是最经济的相似。在初步研究新颖参敷与方程边界条件还不能全部表达清 楚时，量纲分析特别有用，因此，在解决“c 形结构的各个因素不确定的情况下， 用最纲分析法建茳去数学模型是可行的。 综上所述，用材料力学、塑性力学和弹性力学不好建立。c ”形结构的统一 数学模型，鉴于传统力学解决此类问题有困难，量纲分析可以忽略中间的物理 过程，找出影响有关问题的变量，便可得出输出和输入的相关关系，因此，本 文采用量纲分析建芷“c ”形结构的统一力学模型o o h 3 4 l 。 1 4 课题的来源、任务和意义 9 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 4 1 课题的研究意义和来源 。自从中国加入w t o 以来，中国的汽车产业就迅猛发展，与其相关的汽车空调 管接头产业也得到了飞速发展，对汽车宅调管接头的扣压质量和扣压效率的要 求也日益增高，然而，汽车窀调管大部分都是多弯折的管子，因此，传统的圆 柱式胶管扣压机已不再满足需求，而侧开口胶管扣压机正是适应这时代的需求 应运而生。同时，面对国外进 1 的侧开口胶管扣压机价格i 亩i 昂的情况，国内急 需自己设计生产侧开口胶管扣压机，而侧开口胶管扣压机的机架设计的好坏直 接影响到胶管扣压机的工作质量，因此，本文就侧开口胶管扣压机的机架的设 计进行研究。 本瀑题直接来源于中南大学机电院的研究项目：研制侧开口胶管扣压机。 4 2 课题的任务 本文重点是对侧开口胶管扣压机帆架的设计进行研究，因此，要完成以下 的主要研究任务： 1 侧开口胶管扣压机结构及其工作原理 ( 1 ) 侧开口胶管扣压机外形及其上要技术参数 ( 2 ) 侧开口胶管扣压机的结构分析 ( 3 ) 侧开口胶管扣压机的工作原理 2 大立板的无量纲建模 ( 1 ) 大立板结构的确定 ( 2 ) 大立扳力学模型的研究 3 侧开口胶管扣压机的有限元分析 ( 1 ) 大立板强度和刚度的分析 ( 2 ) 数学模型中系数由的确定 ( 3 ) 有限元分析与量纲方法分析的比较研究 4 实验研究 i o 中南大宁硕十学伊论文第+ 二章侧开口胶管扣球机结构及其r 作原理 第二章侧开口胶管扣压机结构及其工作原理 中南大学机电院设计的国内首台侧开仁j 胶管扣压机，不属了二传统的通用机 械，因此，有必要对侧开口胶管扣压机的结构和工作原理进行研究，明确整机 的重要部件及其受力情况，找到侧开口胶管扣压机的设计的蘑要工作。 2 1侧开口胶管扣压机外形及其主要技术参数 侧开口胶管扣压机是胶管扣压机的一种，它是一种从机架侧面开口的特殊 扣压设备，能扣压双弯头或异型管类，特别是用于汽车空调管道接头的扣压。 管道接头可以从侧面开口处进出，不受模具口径大小的限制。长沙金帆机电设 备制造有限公司设计生产的侧开口胶管扣压机如图2 一l 所示： 图2 - 1 翎开口胶管扣压机井观图 侧开口胶管扣压机的主要技术参数见下表： 中南大学硕十学伊论文第二章侧开口胶管扣难机结构及其t 作原理 袁2 - 1 侧开口扣压机的主要参数 扣压力 胶管通径 ( 千牛) ( 毫米) 开口直径 合模行程额定油压 ( 毫米) ( 毫米)( 兆帕) h o s e f o r c e ( 1 ( n ) o p e n i n g ( 哪) r a n g e ( 哪)p r e s s u r e ( e a a ) s i z e ( 咖) 6 0 0 6 - 2 8 + 4 06 01 0 电机功率随机模具外形尺寸整机藿量 ( 千瓦 ( 副)( 毫米) ( 千克) p o w e r ( k w )d i e s ( s e t ) l 一胃h ( 姗) w e i g h t ( k g ) 379 5 0 8 5 0 1 5 6 07 8 5 2 2 侧开口胶管扣压机的机械结构 侧开口胶管扣压机结构图如图2 - 2 所示： 4567 图2 2 侧开口胶管扣压机结构图 1 机座2 机荫3 电气系统4 机罩5 液压系统 6 扣压机构7 导向机构8 微调系统9 油缸 侧开口胶管扣压机大体上由机座，机箱、机罩、电气系统、液压系统、扣 中南大学硕十宁臂论史第：章倒开口股管扣开：机结构及其r 作原理 压机构、导向机构、油缸和微调系统等9 部分组成。 侧开口胶管接头扣压机的机械结构部分是由活塞9 、大立板l 、挡块2 、挚 块3 、模座4 、6 和7 、模具5 和滑动块8 组成。 图2 - 3 侧开口胶管接头扣压机的机械结构 其中大立板是整个机械结构中的机架，起到支撑，容纳零、部件。机架的鼋 量要尽可能的轻，要选择合适的材料，使其既能满足性能，工艺要求，又尽量 的使成本降低，其结构合理，便于加1 1 2 1 。大立扳是简单而又规则的板型结构， 采用的材料是4 0 c t ，采用的是工程中常用的。c ”型结构，它是受力的主要载体， 它一块整板，不同于联合冲剪机是由静焊接板，后焊接板通过夹在前后焊接板 中间的隔扳周边焊接而成。侧牙口胶管扣压机大立扳如图2 3 所示，双向斜面 成9 0 。，考虑到避免尖角，减少应力集中，在双斜面的相交处采用了一个到了 网角的平面挡块和肇块用销固定在大立板的双向受力斜面上，模座3 被同时 固定在两块肇块上，在挚块上凿出了一个沟槽，用来固定模座5 的运动方向， 模座6 也是同理固定在滑动块豁分。模具通过弹簧同定在两模瘴之间，弹簧既 可以起到连接作用，又可以保留模座的一个自由度。和模座5 相对称的方向也 有一同样的模座。滑动板上模座与模座的连接方式也是同理。滑动块和活塞连 在一起的，随活塞运动。模具用销子固定在模座上，可以方便换装不同的模具。 中南丈学硕+ 擘侍论文箜，侧墨订股管塑厍帆结构及其一f 作瓯理 2 3 侧开口胶管扣压机的工作原理 2 3 1伪开口胶管扣压机的工作特点 侧开口胶管扣压机的模座足剖分式扣压模座，对于多弯折空调管的扣压， 町以将其从胶管扣压机牙口处放入扣压区，扣压后，胶管接头町从开口处取出， 不再受开口度的限制。这不仅操作方便，提高生产效率，减轻劳动强度，f i 且 可以提高扣压精度。 其特点是：分体式八瓣扣压模座，外四瓣模座的外形组成正方形，内四瓣 模座的外形组成正八边形，外四瓣模座组成的正方形收缩的同时，带动正八边 形同心收缩，可实现模具径向尺寸的收缩，达到将胶管和接头连接的目的。且 其中的两个模座是被剖分成四块的，这样就可以达到开口的目的。此种类型的 胶管扣压机，容易实现弯管和异形管接头的扣压 图2 - 4 模座张开图 图2 - 5 模座闭合图 2 3 2 俩开口胶管扣压机的工作过程 侧开f 1 胶管扣压机主要由扣压部分，液压系统和电气系统组成，其中扣压 部分如图2 - 6 所示，主要由大立板l 、挚块2 、模座3 、模座4 、芈模座5 ，半模 座6 、挡块7 、扣压模8 、弹簧9 ，滑动座1 0 、油缸l l 等组成。 其特点是：一块模座3 安装在大立板i 上，另一块模座3 安装在滑动座1 0 上，两块半模座5 和两块半模座6 分别可在挚块2 的t 型槽内滑动，四块模座4 在弹簧的张力作用下分别搭连在模座3 和半模座5 与模庵3 和半模座6 上，滑 动座连在油缸1 l 的活塞上当油缸l l 的活塞向上运动时，顶起滑动座l o ，至 半模座5 和半模座6 重合为一块完整的模座，如图2 7 所示。油缸l l 的活塞继 1 4 中南大学硕+ 学侍论文第二章侧开口胶管扣际机结构及其r 作原理 续向上运动，在大立板l 与滑动座1 0 的y 型斜面作用f ，推动模摩3 与半模座 5 和半模座6 沿径向收缩，再带动模瘫4 嗣心收缩，模座再带动其上= 的扣压模8 径向收缩，由此实现胶管接头的扣压，如图2 - 8 所示 5 图2 - 6 准备扣压状态图2 - 7 即将扣压状态图2 - 8 扣压结束状态 开口式扣压机的【作过程如下：图2 _ 6 为扣压机准备工作状态，此时町将 胶管和接头从扣压机的开口处放入扣压区在液压油的压力作用下，油缸l l 的 活塞向上运动，顶起滑动座l o ，当滑动座l o 到达半模座5 ，继续向上运动，继 而推动半模座5 沿与斜面平行的方向运动，压缩弹簧，这时弹簧就会给模座5 一个阻力，直到与模座6 萤合，如图2 - 7 所示，此时，扣压机进入即将扣压状 态。油缸1 l 的活塞继续向上运动，在大立板l 与滑动座l o 的v 型斜面作用下， 推动模座3 与辛模座5 和半模座6 沿径向收缩，再带动模座4 同心收缩，模座3 、 模座4 和半模座6 带动连在其上的扣压模8 径向收缩，由此实现胶管的扣噩， 如图2 - 8 所示，至此扣压过程结束。 此时，油缸l l 的活塞换向，活塞快速向下运动，模座3 、模座4 和半模座 5 半模座6 在压缩弹簧的张力作用下张开，如图2 8 所示。油缸l l 的活塞继续 快速向下运动，由于拌块7 的阻挡作用，模座3 、模座4 和半模座5 、半模座6 不再张开。半模座5 和半模座6 从剖分处分离，形成开口，如图2 - 6 所示。此 时，将扣压好的胶管接头从开口处取出，又可开始下一个扣压过程。 扣压机配有不同规格的扣压模，可实现不同管径胶管和接头的扣压。 中南大学硕十学付论文第二章侧开订胶管扣脎帆结构及其t 作原理 2 4 本章小节 本章对侧开口胶管扣压机的工作原理和结构进行研究，确定了大立板在侧 开口胶管扣压帆的机械结构中起到支撑藿要部件的作用，大立板在工作过程中 受到模座和模具的挤压，产生变形，以致影响扣压质最。因此，大立板是侧开 口胶管扣压机非常重要的部件，它设计的好坏直接影响到扣压机的工作性能， 为下一章的设计研究工作奠定基础。 1 6 中南丈学硕十学付论文 第1 三章丈立扳的无量纲建模型 第三章大立板的无量纲建模 在上一章哩，我们对侧开口胶管扣压机的工作原理和结构进行研究后，了 解到大立板的设计将影响到整机的性能，因此，本章将进行对大立板的设计进 行研究。 3 1 大立板的设计研究 3 1 1 大立板结构的确定 针对当前多弯折空调管不易实现扣压的现状，需要发明侧开口式胶管扣压 机。一般机架外形分网架式，框架式，粱柱式，板块式，箱壳式五种，如图3 - 1 所示： 扇岛蝗 网架式 框架式粱柱式 板块式箱壳式 图3 - 1 机架外形分类 其中网架式的机架宅问很窄，多弯折的空调管伸不进去，框架式和粱柱式机 架的两侧是封闭式的，中间的空间是有限的，容纳不f 多弯折空调管，箱壳式机 架是全封闭式的，其开口度和箱壳里的窄间都是受箱体限制的，实现不了多弯折 的扣压。而扳架式机架是开放式的，其侧面有无限的空问和支撑式的主于拉长上 部和底座的空间，提供了活塞的运动空间。常见的板架式。c ”形结构为非 封闭式的，如图3 2 所示，给多弯折空调管提供了较大的开口度，其上部和下 部又可以起到支撑油缸和模座的作用，因此，作者设计的侧开口胶管扣压机选 用“c ”形结构为其主要机架 1 7 中南大学硕+ 学位论文第= 章大立扳的无量纲建模型 图3 - 2 “c ”形结构 为减少在经验设计中不必要的浪费，根据量纲分析法的特点，建立。c ”形 结构的力学模型，从而给出该。c ”形结构的最佳尺寸。 3 1 2 量纲分析方法简介 对f 任何变量如果采用的测量系统仍然足有效的，只要始终如一地用同样 的系统来贯穿方程，那么该方程被认为在量纲上是齐性的，即壁纲一致性 ( d i m e n s i o n a lh o m o g e n c d t y ) 由于物理和力学上比较的参数具有相同的物理性质， 因此物理和力学上的所有通用的定律均可用这样的齐次方程表示，例如，用能 量比较能量，用力比较力等等。早在1 8 2 2 年，f o u r i e r 就已经认识到了这点， 并证明了这个特性，即齐性( h o m o g e n e i t y ) 。由于齐性条件从开始就提供了有关 物理参数之h j 的确定关系，因此它能够非常有效地应用在物理和工程方面来帮 组求解这些学科垦的难题。现假定用一个典型的，且具有明显量纲形式的单值 连续函数的齐性方程来表示研究过程中的捧列p q 即： 毛= f ( x 2 ，和厶。) 。 ( 3 一1 ) 该方程表示，在一个具体问题哩面，所给定的变量瓴，而，。而) 之间是相互作 用的，未知函数( 3 - i ) 可通过变量求出。 现进一步假设某力学系统具有变量x , o = l 2 。j ，) ，并且测试系统是确定的， 那么它们的量纲只能够表示兰个原始分量 m ， l 】和i t 同时假定对于要求 大于三个原始分量的领域，不捧除对于三个原始 分量的开拓，为了使讨论的具育有效性，令典型变量的量纲为： “j = 【 ，4x x z 畸jo = i ，2 ，j 1 ) ( 3 2 ) 该式可用一个矩阵阵列形式来表示： 中甫大学硕+ 学傍论文第= 章大立板的无阜纲建模犁 袁卜l 矩阵意疋表 x x 2x tk ma l8 2a 。a i lb 。b ?b jb l tc 1 c 2 c 1 c n 式( 3 - 1 ) 的量纲表示为如下式： 【m 1 p t o 】- f ( t m l 庐x t 。l ，【m x 庐x t 1 ) ( 3 - 3 ) b u c k i n g h a m 提出了一种与量纲分析法完全不同的方法。仔细分析一下量纲 的齐性，亨程( 3 “它表明了在一个特殊问题中n 个变量之间的相互作用。 f ( x l ，x 2 ，l ，矗) = 0 ( 3 - 4 ) 其中，f 0 为一个未知的丽又必须建立的函数关系式可以认为方程( 3 - 4 ) 与方程( 3 - 1 ) 是等价的。 设有n 个相关初始最，p 和r 为两个正整数，其中p 为新的独立变黄的个 数，r 表示n 个相关初始最中的有r 个相互独立的基本变量，且p n ，r n ， 则这些新的量纲组可表示如f ： 石。舡= l ，2 ，l ，p ) ( 3 - 5 ) 将其代入( 3 - 4 ) 式，则( 3 4 ) 式将变为下式 2 s l ： 似毛，乃，厶和) ( 3 6 ) 3 2 大立板的静力学模型 当任意。c ”形结构受力，产生变形，使得。c ”形结构的开口增大，其开 口增大的多少，称为开口度，表示为卫在很多工程问题中，开口度的大小直 接影响到机器的工作性能，因此，本章根据前面的分析，将采用量纲分析的方 法建立有关开 1 度的数学模型。 3 2 1 变量的选择原则 在这个问题中，最困难的或许是选择与之相宜的变量，之所以困难是因 为一个变景的适宜性只能根据对相关物理过程相瓦作用的认识来判断，认识越 深刻，能够加以考虑的相关变量数就越多应该说明的是，量纲分析本身并不 揭示物理过程的规律。它也不揭示任何一组选定变量的完整程度；然而，只有 1 9 中甫大学硕十学位论文第二章丈立扳的无晕纲建模氆 全部的相关变量被采用，物理方程的星纲一致性就对营锕分析变得托常青意义 了遗漏了一个或更多的变量，会导致分析结果偏离正确解；同样，如果实验 未考虑相关变量的影响，描述该问题的物理过程的实验结果也不能达到理想的 正确程度1 2 8 1 如果所选变量中包括了相关性很小或无关的变量，它们不会影响 分析结果的有效性，但叮能混淆答案的意思；同样会导致模型的设计和实验工 作变得复杂基于此，我们应该避免选择不相关的变量，应该避免选用两个或 更多的物理意义相似的变量，如不同的长度( 大小) 或不同的加速度等，否则会 导致石系数数目的增加，成为这些变量的比值；但在一定条件下，这个法则可适 当放宽，可以含有几个这样的变量，具体如何选择这些变量，必须以实验研究 的f 】题为基础，采取町测量的变量。 3 2 2“c ”形结构数学模型的变量研究 1 合力f 。c ”形结构町能受到各个方向的力，即可是面力，也可是集中力，根据力 系等效原理，作用在同一质系上的两个力系可以相互替代丽不改变质系的运动 状态，那么这两个力系有相同的作用效果，力系等效于一个力，则这力称为合 力圆讲l 。因此，在建立数学模型时，我们统一用f 表示“c ”形结构受到所有 力的合力。 2 力臂s 任意“c ”形结构的边界曲线形状，尺寸都是不定的，可将其视为由无数纵 向纤维组成，发生变形后，如图3 3 所示，在凹边一侧的纤维缩短，凸边一侧 的纤维伸长。由于变形的连续性，中间必然有一层纤维的长度不变，这一层纤 图3 - 3 中性轴几何图 自对称轴 维成为中性层，中性层和横截面的交线，成为该截面的中性轴1 1 7 1 。因此，在建 中南大学硕+ 学伊论文第= 章大立扳的无草纲建模帮 立数学模型对，s 为力臂，即是合力作用点与中性轴之间的长度。 3 抗弯刚度日 。c ”形结构变形后，茛轴线在此种相对称平面内变成一条平面曲线，属于 平面弯曲。根据力系合成条件，在横截面七法向内力元素仃幽如图3 4 b 所示， 构成空问平行力系，因此，只町能合成三个内力分量，即 日= j o 幽m y = j z 础4 也= o d a ( 3 7 ) 甜 图3 - 4 弯曲变形静力学图 然而，通过截面法可知在纯弯曲的情况下，横截面上只有一个内力偶m ， 也就是横截面上的弯矩醵。因此，从静力学的分析又可提供以下三个条件，即 日= 陋= o ( 3 - 8 ) j m ，= f z o d a = 0 ( 3 - 9 ) m z = f y o 出= m ( 3 1 0 ) 将l f 应力在横截面上的分布规律袁达式仃：e 兰代入以上三个条件，并根据 p 有关截面积和性质的定义，而得 日：墨咖；o ( 3 一1 1 ) p j m y 吾p = 等= 。 伊蚴 2 l 中南大学硕十学位论文第= 章丈立扳的无晕纲建模型 m ：鱼f y ：锄：堕：m ( 3 一1 3 ) 。p j p 要满足式( 3 - 1 1 ) ，由fe p 不可能等f 零，故必须有横截面对z 轴的静矩 s ，= 0 。显然，只有当z 轴通过截面形心时才有s z = 0 ，z 轴为中性轴，即中性 轴必须通过横截面的形心，这就完全确定了中性轴的位置。因为所有截面中的 中性轴都包含在中性层之内，所以其结构轴线也在中性层内，其长度不变 式( 3 - 1 2 ) 是自然满足的，因为y 轴式横截面的对称轴，所以截面对y ，z 轴 的惯性积，。必等于零。这说明该坐杯轴必须是横截面的主观性轴。最后，由式 ( 3 - 1 3 ) 这一条件即可得到中性层曲率l p 的表达式 三：生 ( 3 一1 4 ) p e l z 这是研究弯曲r j 题的基本关系j 。由此可见，在相同弯矩下毋值越丈则弯 曲程度就越小，因此，田称为抗弯刚度唧 3 2 3 变量的量纲分析 根据牛顿提出以力学的基础为一种基本理论的时候，遍及物理和工程的这 些定律和定义，有一个公共的特性，即它们都表示某一个物理分量的量纲，作 为基本分最幂的乘积。物理分嚣“速度”、“加速度”和“力”的性质定义如下旧1 蚓： 速度y = 位移x 时间4 加速度a = 速度时间= 位移时间。2 及牛顿第二定律给出了力的最纲： 力f _ 质量x 加速度= 质肇位移x 时问以 这些表达式没有给出各自的物理分量的数值的大小，但单独给出了他们基 础分量的关系式，后者也被称为基本分璧。为此，将使用符号m ( 质量) 、l ( 位移) 和t ( 时问) ，重新写出上述表示，令他们 速度的性质= l x t 。 加速度的性质= l x t 。2 力的性质= m x l r 一2 为了表示同上述一样的关系，只表示物理分量的性质或量纲，而不考虑它 的数值，使用矩形括号符号上述关系可以表示如下： 【v 】= 【l x t 。】 中南大学硕十学傍论文 第三牵丈立板的无量纲建模犁 a l = 瞄x ，j e l = 【m x l x t 4 j 。c ”形结构有关歼口度的数学模型中，其中卫属于长度量纲，s 也是属于 长度量纲，其量纲表示为： 饥j = 弘i 眵】【q 【用= 【肼x l x t 。2 】 抗弯刚度e i ，由基本量纲雎、l 和t 推导如下：弹性模量e 是应力与应变的 比值，其力学单位是n m 2 ，则 e = m x l x t 。2 ，r 惯性积i ，以图3 - 5 所示乎面图形表示面积为a 的任意截面图形，在图形中 坐标( y z ) 表示微面积d a 。 图3 - 5 惯性矩的几何意叉 乘积y 2 d d 和z 2 d d 分别定义为微面积d a 对z 轴和y 轴的惯性矩。平面图形 中每一微面积与其到z 轴( 或y 轴) 距离乎方乘积的总和，定义为整个图形对z 轴( 或y 轴) 的惯性矩图形的惯性矩表示为 l z = p 2 d aj ，= l z 2 d a ( 3 一1 5 ) aa 式中积分在整个图形面积上进行。 由式( 3 一1 5 ) 可以看出，惯性矩，z ，l y 也是对一定坐标轴而占，同一图形对 不同的坐标轴的惯性矩不同由于，、z 2 值为正，所以f z ，f 的值恒为正综 上可知，惯性矩的量纲是长度的四次方。其力学单位足肼4 ，则： 中南大学硕士学伊论文第二章大立扳的无量纲建模犁 田= 弘4 j 由此： 【彤】= t m l x t _ 2 x r ，工2 1 = 【m px t 2 】 3 2 4。c 形结构数学模型的建立 根据b u c k i n g h a m 定理，可得函数关系式为： e o , o ，只e l , s ) = 0 各变量的量纲如下： f r o 】- 【q 【f 】= x l x t 2 l 【e ，】= 【m x rx t 4j 【嗣= 【q 则其矩阵为 表3 - 2 芟量量纲表 k ik 2k 3 k 4 y o fe is moll0 lll3l to- 2- 2o 矩阵的秩r = 2 ，n = 4 ，故p = n - r = 2 对f 肼 k 2 + k 3 = 0 对丁： k t + k 2 + 3 k ，+ k = 田 对于r 一2 k 2 2 k ，= o 设k 。和k 2 为独立变量，对上式化简，有k 3 = - k 2 和k = 2 k 2 - k i ，则有 ( 3 1 6 ) 中南大学硕十学静论文 由此得出石系数 由方程( 3 2 0 ) ，有 也可写成： 表卜3 变量独立表 第二章大立扳的无量纲建模型 k lk 2bk y o fe ls 巧 o- 1ld 一l- 2ol 矿y o x = 詈确= f s 2 e p = 鲁( ：h 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 一1 9 ) 3 2 5 大立板数学模型的研究 设计盼大立扳在胶管扣压机工作的时候，该板缺口的上半部受到向上的力， 下半部受到向下的力，大立板受到弯矩，产生变形。 3 2 5 1 抗弯刚度的求解 图 6 矩形的