高效貼膜機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)

張 鎬， 李明輝， 李 艷

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著環(huán)保意識(shí)的提高和加強(qiáng)，社會(huì)生產(chǎn)及生活對(duì)環(huán)保的要求也越來越高，與此相關(guān)的環(huán)保產(chǎn)品和產(chǎn)業(yè)也得到了較快發(fā)展[1,2].目前市場上一種較為高端的超濾膜水過濾系統(tǒng)，其主要工藝流程為：注水、過濾.先把水以一定壓力注入一定厚度、中間有流道且兩側(cè)粘貼有超濾膜的水過濾工件，連續(xù)注入所產(chǎn)生的水壓壓迫待過慮的水透過工件兩側(cè)的超濾膜流出，慮掉水中雜質(zhì)，得到高純度的水[3,4].由于工件內(nèi)部壓力，超濾膜粘貼必須牢固可靠且周邊不得有縫隙，否則被注入的水從縫隙流出，從而無法完成水的凈化處理.因用于過濾水的工件具有形狀復(fù)雜、尺寸精巧的特點(diǎn)，工件兩側(cè)超濾膜的粘貼多是人工粘貼.工件厚度較薄(僅有6.35 mm)，在其表面上貼有專用雙面膠時(shí)，工件本身發(fā)生了翹曲，已經(jīng)不是一個(gè)平面，往工件上粘貼超濾膜時(shí)，工人需要將工件平鋪在工作臺(tái)上，在工件一端用卡箍夾緊，再把工件壓平，然后將濕潤的超濾膜(略大于待粘貼區(qū)域的面積)展開在工件上，先用橡膠壓輥碾壓工件一端，使超濾膜一端粘貼在工件上，再用手在未粘貼的一端拉扯超濾膜，使之具有一定的張力，另外一只手則用橡膠壓輥碾壓，使之與工件緊密粘接.然后再用同樣的方法粘貼另一個(gè)方向和另一側(cè)面.兩側(cè)完全貼好之后，再用刀片切去多余的超濾膜.至此，超濾膜粘貼工作完成.這種人工粘貼方法效率低下，貼膜質(zhì)量取決于工人的熟練程度和技術(shù)，難以保證，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大[5,6].

1 機(jī)構(gòu)組成及工作原理

針對(duì)人工貼膜的各種缺點(diǎn)，綜合貼膜過程中各項(xiàng)工藝要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種集合壓膜、貼膜和切膜于一體的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以在一個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下一次完成壓緊、粘貼、切除邊角的動(dòng)作，且待貼膜工件被裝夾在底座中，很難發(fā)生翹曲變形，克服了人工貼膜時(shí)的各種缺點(diǎn)，大大提高了貼膜的效率和質(zhì)量.該機(jī)構(gòu)是一個(gè)矩形機(jī)構(gòu)(如圖1)，壓膜銷釘和彈簧分布于四周，保證在壓膜時(shí)超濾膜在四個(gè)方向有相同的張力，這是保證貼膜后工件正常工作的必要條件.該機(jī)構(gòu)還可保證壓膜、貼膜、切膜在一個(gè)動(dòng)作中連貫實(shí)現(xiàn)，否則會(huì)出現(xiàn)局部粘貼不可靠或者是粘貼失敗的情況.該機(jī)構(gòu)通過其中幾個(gè)零件的相互聯(lián)動(dòng)關(guān)系組成固定的動(dòng)作，可以一次性的完成壓膜、貼膜和切除多余超濾膜的作用，并通過外力作用復(fù)位，以繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)[7].這種工作模式將工人手工操作集中在一個(gè)動(dòng)作上，精簡了機(jī)構(gòu)，提高了效率，并具有可行性和高的可靠性，且控制要求簡單.

圖1 機(jī)構(gòu)截面圖

1.1 機(jī)構(gòu)組成

該機(jī)構(gòu)主要由底座(件1)、定位銷(件2)、橡膠壓板(件4)、上壓板(件5)、壓膜銷釘(件7)、彈簧(件8)和圈模(件9)構(gòu)成，此外還有相應(yīng)的定位及限位零件(如圖二).定位銷(件2)起到固定過濾工件和定位工件的作用；橡膠壓板(件4)和上壓板(件5)連為一體，在一個(gè)動(dòng)作過程中實(shí)現(xiàn)壓膜、貼膜和切除多余超濾膜的作用；壓膜銷釘(件7)通過彈簧(件8)彈力，起到壓緊超濾膜的作用[8].

1.2 工作原理

橡膠壓板、上壓板、壓膜銷釘、彈簧保持相對(duì)位置不變，位于圈模上方；圈模位于底座上方；底座、定位銷保持相對(duì)位置關(guān)系.所有工件在水平方向上不能自由移動(dòng).在底座上裝入待貼膜的過濾工件，該工件已經(jīng)貼有雙面粘膠；過濾工件由定位銷定位，保證過濾工件的橫向位置及與圈模的相對(duì)位置不變.在圈模上水平放置高分子過濾膜.

先給上壓板以垂直向下的壓力F(如圖1所示)，驅(qū)使橡膠壓板、上壓板、壓膜銷釘、彈簧共同向下運(yùn)動(dòng)，在橡膠壓板接觸到超濾膜之前，壓膜銷釘由于彈簧彈力已經(jīng)壓緊超濾膜；繼續(xù)向下壓緊上壓板，上壓板帶動(dòng)橡膠壓板將接觸超濾膜，在其整個(gè)平面上向下壓迫超濾膜，此時(shí)超濾膜將由于形變而受到四個(gè)方向的拉力作用，這個(gè)拉力是保證粘貼平整可靠的關(guān)鍵因素.繼續(xù)壓下上壓板，直至橡膠壓板將超濾膜壓緊到過濾工件上，保持一定時(shí)間后，超濾膜將粘貼在過濾工件上.保持垂直方向壓力不變，由于橡膠壓板的變形，上壓板將繼續(xù)向下做微小的移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到相應(yīng)位置后，上壓板在圈模的配合下將超濾膜多余部分沿周向切除(如圖2所示)，完成一次工作過程.

完成一個(gè)工作過程后，再給上壓板以向上的拉力，帶動(dòng)橡膠壓板、壓膜銷釘、彈簧一起向上運(yùn)動(dòng)，恢復(fù)到工作準(zhǔn)備狀態(tài)，為下一次工作過程作準(zhǔn)備.圈模也將恢復(fù)到工作準(zhǔn)備狀態(tài)的位置.

2 機(jī)構(gòu)受力分析及設(shè)計(jì)計(jì)算

圖2 切膜局部放大示意圖

2.1 貼膜正壓力分析計(jì)算

不考慮超濾膜本身的張力和變形，在超濾膜兩側(cè)壓力差Δp=100 kPa下才能有效工作，測(cè)量工件承受該壓力的面積為A1=77 423 mm2，故工作時(shí)超濾膜所受壓力：

F1=ΔP×A1=0.1 MPa×77 423 mm2

=7 742.3 N

(1)

F1靠超濾膜和雙面膠(已粘貼在過濾工件兩側(cè))之間的粘接力F2平衡，F(xiàn)2依賴于雙面膠的粘接能力，本文中所指雙面膠是企業(yè)專用的，其粘接能力經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證是可以達(dá)到要求的.超濾膜與工件粘接面積為A2=18 227 mm2，粘接時(shí)所需壓力F3=200 N，粘接持續(xù)時(shí)間為2 s.

2.2 超濾膜力學(xué)分析

如圖1所示超濾膜，以視圖截?cái)嗝鏋閤y面，在超濾膜截面上任選一點(diǎn)作為原點(diǎn)(O點(diǎn))，水平方向?yàn)閤方向，豎直方向?yàn)閥方向.其在垂直于紙面方向(z向)長度較長，則所有一切應(yīng)力分量、形變分量和位移分量都不沿z方向變化，而只是x和y的函數(shù)，在這種情況下，由于對(duì)稱，所有各點(diǎn)都只會(huì)沿x和y方向移動(dòng)，即只有位移u和v，z方向位移為零.所有點(diǎn)的位移矢量都平行于xy面，該問題可簡化為平面問題[9].

圖3 截面分析圖

(2)

所以

Δl≈a-0.429r(0

(3)

r大小取決于超濾膜的材料和力學(xué)性能，此處綜合考慮機(jī)構(gòu)和材料性能，取r=0.618a，則取：

Δl=0.735a

(4)

在這里需要確定的是圈模的高度，即a的值.a的值決定了Δl的大小，而Δl取決于超濾膜本身的性能.

圖4 變形分析圖

在圖3所示的截面上任取一微元P作分析，建立如圖4所示的坐標(biāo)系，x軸和y軸正方向取兩個(gè)微小長度的線段PA=dx和PB=dy.假定彈性體受力以后，P、A、B三點(diǎn)分別移動(dòng)到P′、A′、B′.首先求出線段PA和PB的線應(yīng)變?chǔ)舩和εy：

(5)

(6)

εx和εy是基于平面問題的幾何學(xué)方程得出結(jié)論，由于在y軸方向上超濾膜受到相鄰工件的限制，只有微小的應(yīng)變，且遠(yuǎn)小于x軸上的應(yīng)變，所以εy可以暫不考慮，只考慮εx.

(7)

又因?yàn)棣=0.735a，所以

(8)

其中，E為超濾膜拉壓彈性模量， GPa；[σx]為超濾膜許用應(yīng)力, MPa.

則a的值可求出.

2.3 彈簧設(shè)計(jì)

(9)

其中，u為超濾膜微元在x軸方向上的位移

(10)

單個(gè)彈簧需要產(chǎn)生的正壓力為N.根據(jù)彈簧的最大載荷、最大變形及結(jié)構(gòu)要求等設(shè)計(jì)彈簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、彈簧的螺旋升角和長度等.

選用65 Mn為彈簧材料，[τ]=0.4σB；

根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D；

根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)n′，

其中，G為彈簧材料切變模量， GPa;λmax為彈簧最大變形量,mm.

求出彈簧的尺寸D2、D1、H0，檢查其是否符合安裝要求，若不符合，則需要改選有關(guān)參數(shù)，重新設(shè)計(jì)，直至求出符合要求的彈簧尺寸[10].

3 結(jié)束語

該機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)，是以材料力學(xué)、彈性力學(xué)理論為基礎(chǔ)，分析了超濾膜在工作時(shí)的工作過程、受力情況和變形情況，設(shè)定了機(jī)構(gòu)工作的最佳狀態(tài)，并由此得出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，為機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造提供了理論基礎(chǔ)和模型范例，有利于該貼膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造.

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