基于Pro/E的車用CNG氣瓶裝卸機械設(shè)計

李 力 劉厚滿 鄒 雋 陳向前 杜楊武 徐成堯

(1.三峽大學機械與材料學院,湖北宜昌 443002;2.宜昌市特種設(shè)備檢驗檢測所,湖北 宜昌 443000)

隨著石油資源短缺,油價上漲,以及對汽車環(huán)保要求的提高,越來越多的汽車開始采用壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,簡稱CNG)作動力燃料,這類汽車稱為CNG汽車[1].CNG汽車中用于儲存壓縮天然氣的鋼瓶即CNG氣瓶(以下簡稱氣瓶),是一種壓力容器,屬于特種設(shè)備.根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布的相關(guān)規(guī)定,此類設(shè)備須定期進行檢驗[2-3],檢驗合格后才能繼續(xù)使用.當對這些氣瓶進行檢驗時,需先將氣瓶從汽車后箱中取出,檢驗完成后再將其裝入汽車后箱.目前,在對出租車中的車用CNG氣瓶進行檢驗時,大多采用人工搬運的方式來裝卸氣瓶,費時費力,效率低下.由于氣瓶的重量較大,一般為45～90 kg,且氣瓶表面光滑,不便于人手著力,一旦不慎失手使氣瓶落地,輕則造成氣瓶劃傷報廢,重則出現(xiàn)爆炸的危險事故,因此,人工搬運存在著較大的安全隱患.本文設(shè)計了一種用于CNG氣瓶裝卸搬運的裝卸機械,它具有安全省力、裝卸方便、經(jīng)濟適用的特點,能很好地解決這些問題.

1 運動分析及方案設(shè)計

1.1 氣瓶裝卸過程分析

本文以檢驗東風雪鐵龍富康這款型號出租車中裝載的CNG氣瓶為例來進行分析設(shè)計.出租汽車中的氣瓶普遍采用的是車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶,主要有NGVH325-65-20A、NGVH356-75-20A、NGVH356-80-20A這3種規(guī)格.由于氣瓶越大,那么裝入氣瓶后車箱中剩余的空間就越小,將其取出也就越困難.本文設(shè)計時以對氣瓶裝卸要求最嚴格的NGVH356-80-20A型號的氣瓶為對象,以便所設(shè)計裝置能通用于其它兩種小規(guī)格氣瓶的裝卸.NGVH356-80-20A型號氣瓶的主要尺寸包括外徑為D=370mm,總長(含閥門)約為 L=1100mm,總重(含閥門)約為 M=70 kg,容積 V=80 L,工作壓力P=20 MPa.下文中的氣瓶均指 NGVH356-80-20A型號氣瓶.用三維造型軟件Pro/E建造的CNG氣瓶模型如圖1所示.

圖1 CNG氣瓶模型

東風雪鐵龍富康出租車可分為兩廂車和三廂車.與兩廂出租車相比較,三廂出租車的后車箱開口更小,氣瓶的運動受到后箱尺寸的制約更多,更難取出,因此,本設(shè)計以三廂出租車為考察對象,若設(shè)計的裝卸機械能將氣瓶從三廂車后箱中取出,則也必能輕易從兩廂出租車后箱中取出.下文中提到的出租車均指東風雪鐵龍富康三廂車.

參照實際三廂出租車車型,用Pro/E建造的出租汽車模型如圖2所示.由于考察的對象是車后箱,因此模型中出租車后箱是按測得的實際尺寸建模,而模型其他部位的尺寸則是取近似粗略值得來.

圖2 出租車模型

通過對氣瓶尺寸及出租車后箱開口處尺寸的比較分析可知:在后開口處,氣瓶長度(L=1100mm)大于出租車后箱后開口處的寬度(L3=880 mm),則氣瓶不能直接從出租車后箱后開口處向后水平移出;氣瓶的直徑(D=370 mm)大于車后箱后開口處的高度(L4=350mm),則水平平面內(nèi)的平移加旋轉(zhuǎn)的復合運動也無法使氣瓶進出車后箱.在上開口處,氣瓶的直徑(D=370mm)大于車后箱上開口處的寬度(L2=280mm),則氣瓶不能直接從出租車后箱上開口處向上移出,即使在豎直平面內(nèi)的平移加旋轉(zhuǎn)的復合運動也無法使氣瓶進出車后箱.

因此,氣瓶不能從車后箱上開口或后開口中任意一單個開口方向處進出車后箱,要想將氣瓶從車后箱里面取出或?qū)⑵鋸耐饷娣湃?必須利用車后箱兩個開口相交而增大的空間,使氣瓶在這個空間里運動才能使氣瓶進出車后箱.將氣瓶從車后箱取出的過程中,氣瓶的運動情況可進行如下分解:氣瓶先豎直上升脫離它的固定裝置,再水平后退,然后在水平平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),接著在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的同時向后水平移動,至氣瓶移出車箱后再將其調(diào)至水平平衡狀態(tài).氣瓶在整個過程中作的是空間復合運動,其中包括車后箱深度方向的水平移動(H)及繞水平軸的旋轉(zhuǎn)(H-R)、車后箱高度方向的豎直移動(V)及繞豎直軸的旋轉(zhuǎn)(VR),它的運動軌跡將是空間曲線.

1.2 機構(gòu)運動方案設(shè)計

通過前面的分析可知,要想完成裝卸氣瓶的任務(wù),則所設(shè)計的CNG氣瓶裝卸機械必須能進行 H、H-R、V、V-R這4個自由度內(nèi)的運動.故考慮將CNG氣瓶裝卸機械設(shè)計為,在一個升降小車上安裝一個機械抓手組成的裝卸小車,升降小車可完成水平移動(H)和豎直升降(V),機械抓手含有2個可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié),一個關(guān)節(jié)完成可完成繞水平軸的旋轉(zhuǎn)(H-R),另一個關(guān)節(jié)完成繞豎直軸的旋轉(zhuǎn)(V-R).

圖3 裝卸機械機構(gòu)運動示意圖

裝卸機械的機構(gòu)示意圖如圖3所示,圖中虛線mn左端部分屬于升降小車,也即是氣瓶裝卸機械的車體架,虛線mn右端部分屬于機械抓手.圖3中為一空間機構(gòu),共有10個構(gòu)件,其中構(gòu)件1(地面)為機架,其余活動構(gòu)件2～10組成運動開鏈.該機構(gòu)含有9個活動構(gòu)件,9個低副,2個高副,存在著2個局部自由度,則 pl=9,ph=2,F′=2.由機構(gòu)自由度計算式[4]:F=3n-(2pl+ph)-F′,算得該機構(gòu)的自由度為F=3×9-(2×9+2)-2=5,而該機構(gòu)中有5個原動件(構(gòu)件 4、5、6、7、10),即機構(gòu)的自由度數(shù)與原動件數(shù)相等,故該機構(gòu)滿足機構(gòu)具有確定運動的條件.圖3中,原動件4的水平移動帶動整個裝卸機械實現(xiàn)水平移動(H),原動件5的上下滑動來帶動右端機械抓手的豎直移動(V),原動件6繞軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機械抓手繞豎直軸旋轉(zhuǎn)(V-R),原動件7繞軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機械抓手繞水平軸旋轉(zhuǎn)(H-R),原動件10的上下移動來帶動構(gòu)件8繞I處軸轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)對氣瓶的抓取.這樣該裝卸機械就具備了裝卸氣瓶所需的所有基本動作.

2 CNG氣瓶裝卸機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

用Pro/E建造的CNG氣瓶模型和出租車模型已在前面給出,分別如圖1、圖 2所示.根據(jù)圖 3所示的機構(gòu)原理,利用Pro/E的三維造型功能可將升降小車模型設(shè)計成如圖4所示形狀,將機械抓手模型設(shè)計成如圖5所示形狀.

圖4 升降小車結(jié)構(gòu)示意圖

在圖4中,推動車把手,車輪的前后滾動帶動整個車體架實現(xiàn)水平進退(H);用腳踩動操作踏板,液壓油進入缸筒中可將液壓升降桿頂起,旋動泄油閥將缸筒中的液壓油泄掉,可使液壓升降桿降下,因此升降桿在缸筒中油壓的作用下可實現(xiàn)上下移動(V);滑動連板通過鏈條連接到車體架上,因此液壓升降桿的上下移動通過鏈條的傳遞可以帶動滑動連板在車體架上實現(xiàn)豎直升降運動(V).

圖5 機械抓手結(jié)構(gòu)示意圖

機械抓手是本設(shè)計中最關(guān)鍵的部分,它直接與氣瓶接觸,除抓取氣瓶外,還要載著氣瓶完成所需的全部動作.在圖5中,機械抓手(也簡稱抓手)抓取氣瓶時,先使壓臂向下壓緊氣瓶,這時由限位組件自動實現(xiàn)鎖緊;從抓手中取出氣瓶時,拉動限位銷使其脫離限位組件中的限制,這時在復位彈簧的拉力作用下,壓臂被拉起放開氣瓶.人工輔助下在水平面內(nèi)撥動抓手座,可使抓手座繞主梁上的豎直軸套轉(zhuǎn)動(V-R),在豎直平面內(nèi)撥動抓手座,可使抓手座繞接頭上的水平軸套轉(zhuǎn)動(H-R).

將設(shè)計的機械抓手通過螺栓螺母連接到升降小車的滑動連板上,這就形成整個氣瓶裝卸機械,它能實現(xiàn)對氣瓶進行抓取和裝卸任務(wù).裝卸機械整體組裝后抓取氣瓶的效果示意圖如圖6所示.利用Pro/E直觀的三維視圖及運動分析功能對裝卸機械在車后箱中裝卸氣瓶的過程進行模擬,其裝卸效果示意圖如圖7所示.通過模擬裝卸來分析結(jié)構(gòu)的干涉情況,找出干涉位置,然后通過調(diào)整裝卸機械的相關(guān)尺寸來消除結(jié)構(gòu)上的干涉.

圖6 裝卸機械抓取氣瓶示意圖

圖7 裝卸機械在車后箱中的裝卸示意圖

另外,考慮到壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶的外圍環(huán)繞的是環(huán)氧樹脂,在實際制作車用CNG氣瓶裝卸機械時,為了防止機械抓手抓取氣瓶時對氣瓶產(chǎn)生摩擦損傷,在整體組裝后,還應(yīng)在抓手座、壓臂等與氣瓶接觸的地方加貼一層天然橡膠片.

3 CNG氣瓶裝卸機械裝卸過程

車用CNG氣瓶裝卸機械(簡稱裝卸車)的裝卸作業(yè)分為兩個過程[5]:1)卸下出租車后車箱中待檢的CNG氣瓶;2)放入檢驗合格的CNG氣瓶.它們基本上是兩個互逆的過程,這里就只介紹卸下CNG氣瓶的過程.

卸下待檢的CNG氣瓶的作業(yè)過程如下:操作工人推著裝卸車靠近汽車后箱,使機械抓手的抓手座部分處于汽車后箱的正上方,旋動車體架上的泄油閥,降下機械抓手使抓手座落在汽車后箱中,然后推動裝卸車向前使氣瓶進入機械抓手的抓手座中,向下壓動壓臂將氣瓶壓緊,由限位組件實現(xiàn)自動鎖緊,從而完成機械抓手抓取氣瓶動作;踩動車體架上的操作踏板,將機械抓手升起一段距離而使氣瓶離開氣瓶固定裝置,慢慢向后拉動裝卸車一段距離,然后由工人輔助下在水平平面內(nèi)扳動抓手座或氣瓶,使其先繞主梁處關(guān)節(jié)水平旋轉(zhuǎn)一定角度,再繞接頭處關(guān)節(jié)豎直旋轉(zhuǎn)一定角度,然后向后拉動車體的同時緩慢將機械抓手升高,直至氣瓶完全離開汽車后箱,再在人工輔助下回旋使氣瓶恢復水平平衡狀態(tài),從而最終完成卸下CNG氣瓶作業(yè).

4 結(jié) 論

本文介紹的車用CNG氣瓶裝卸機械能完成抓取氣瓶,且能帶著氣瓶進行水平進退、豎直升降、水平旋轉(zhuǎn)、豎直翻轉(zhuǎn)這四個自由度內(nèi)的運動,實現(xiàn)從出租車后箱中裝卸和搬運CNG氣瓶.從理論上看,該機械能解決人力裝卸搬運氣瓶費力的問題,避免人力操作不慎致使氣瓶落地引起的危險事故,而且它的結(jié)構(gòu)簡單,制作較容易,體現(xiàn)了經(jīng)濟適用的設(shè)計理念,因此,它具有較好的推廣使用前景.

[1］周怡沛,周志斌.中國CNG汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢與策略[J].國際石油經(jīng)濟,2009(10):44-48.

[1］TSG R0004-2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[3］GB 19533-2004.汽車用壓縮天然氣鋼瓶定期檢驗與評定[S].

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

[5］譚春祿,仲元昌,李 飛,等.CNG汽車氣瓶自動裝卸系統(tǒng)設(shè)計[J].重慶大學學報,2008,31(12):1405-1409.