大跨度脈沖式熱封機壓頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

陳 誠，曹 恒，曾繁俊，王 龍

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237)

0 引言

隔音棉脈沖熱封是利用直流電源，通過瞬時大電流使得熱封壓頭產(chǎn)生大量熱，從而令上下兩層塑料薄膜在壓頭熱封部位變成黏流狀態(tài)，加熱一段時間后停止加熱，但仍對熱封部位進行保壓，使得兩層塑料薄膜冷卻后形成一體，并保證其壓合面的整齊，滿足航空器使用要求強度。

在熱封薄膜生產(chǎn)過程中，壓頭部分對熱封質(zhì)量、設(shè)備使用壽命以及維修頻率有著決定性的作用。整個壓頭結(jié)構(gòu)由三大部分組成，加熱組件、機械組件、輔助組件；加熱組件主要是鎳鉻合金，以及上面覆蓋的絕緣防粘層等用來防止待熱封薄膜黏合在壓頭上；機械部分組件主要是連接熱封組件與機架，以及安裝各種輔助組件，由于本文研究的壓頭跨度大，機械部分的剛性對整個壓頭結(jié)構(gòu)起著重要作用；輔助組件則雖然不直接參與熱封過程，但通過實現(xiàn)各自功能，保證大跨度情況下熱封質(zhì)量以及設(shè)備的使用壽命[1,2]。

1 現(xiàn)階段存在的問題

由于國外技術(shù)壟斷，而國內(nèi)在單次熱封長度4000mm高精度脈沖式熱封機方面暫時沒有成熟產(chǎn)品，因此某公司委托華東理工大學進行設(shè)備研制。本次研制設(shè)備有效熱封長度達4000mm，且薄膜熱封后需要保證每英寸的剝離強度都滿足要求強度，因此整個研制過程中存在多個技術(shù)難點需要攻堅。本文則主要針對熱封執(zhí)行部件壓頭結(jié)構(gòu)進行研究，在現(xiàn)有的可參考的國內(nèi)外設(shè)計上加以優(yōu)化，使其能滿足生產(chǎn)所需要的精度，并提高設(shè)備使用壽命，減少故障率和損耗品的更換率，提高經(jīng)濟效益。

原有類似設(shè)備或前期試驗中主要存在的問題有；

1）原壓頭結(jié)構(gòu)中加熱部件為鎳鉻合金，采用大功率直流脈沖電源瞬間加熱鎳鉻合金至120oC～220oC之間，其受溫度影響較大易損壞，平均每使用2～3個月，就要進行停工更換，造成較為嚴重的經(jīng)濟損失。

2）原壓頭結(jié)構(gòu)中壓頭及其組件設(shè)計簡單，缺少完整的輔助組件，并且加熱時壓頭結(jié)構(gòu)除加熱部位，其他部分溫度也會升高，這樣即容易造成操作者燙傷，也會由于溫度產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致壓頭結(jié)構(gòu)變形，從而導(dǎo)致壓頭兩端熱封效果不佳。

3）原壓頭結(jié)構(gòu)未考慮非加載狀態(tài)，運動狀態(tài)等情況下壓頭受力情況，本文研究的大跨度脈沖式熱封機，由五個氣缸控制運動，因此需要優(yōu)化壓頭結(jié)構(gòu)，減少因壓頭結(jié)構(gòu)形變給執(zhí)行氣缸帶來的不良影響，造成氣缸阻塞、壽面減短。

2 針對熱封過程優(yōu)化壓頭結(jié)構(gòu)

2.1 鎳鉻合金張緊裝置

脈沖熱封中采用的加熱材料為鎳鉻合金，其有效熱封長度為4000mm，再加上兩邊預(yù)留連接電源部分，整個鎳鉻合金薄片的長度約為4500mm，厚度0.25mm。經(jīng)多次試驗，發(fā)現(xiàn)鎳鉻合金故障率居高不下且使用一段時間后熱封質(zhì)量不佳的原因是，在其受熱加載時通入瞬態(tài)大電流，并短時產(chǎn)生大量的熱，本身發(fā)生膨脹變得不平整，或被壓頭壓壞、或因為電阻值變化溫度過高被燒壞。因此需要有效的張緊機構(gòu)，能使鎳鉻合金始終保持拉緊狀態(tài)，降低其損壞率，并且提高熱封質(zhì)量。

首先根據(jù)現(xiàn)有參數(shù)計算鎳鉻合金受熱可能發(fā)生膨脹的最大尺寸，從而設(shè)計滿足條件的張緊機構(gòu)熱膨脹系數(shù)：

式中，ΔV為所給溫度變化ΔT下物體體積的改變，V為物體體積。

由于鎳鉻合金的厚度為0.25mm，寬度為40mm，相對于長度4500mm均非常的小，因此可以將近似的看為一個線形物體，不考慮其寬度方向或者厚度方向上的熱膨脹，主要研究其長度上受熱膨脹的變化。

因此將式（1）變形：

其中：L=4500mm；α=15E-6；T室溫=20℃。

當在最大工作溫度300℃時；ΔT=280℃；

ΔL最大=18.9mm。

當在正常工作溫度120℃時；ΔT=100℃；

ΔL正常=6.75mm。

因此，在針對現(xiàn)有材料，正常工作的情況下，4500mm長的鎳鉻合金會產(chǎn)生6.75mm左右的橫向膨脹量，如果是在最大工作載荷下，鎳鉻合金則更是會產(chǎn)生高達將近18.9cm的熱膨脹量，即使兩邊均勻伸長，也將近1cm，因此要求張緊裝置確保在最大工作載荷情況下，鎳鉻合金仍處于拉伸繃緊狀態(tài)。

張緊機構(gòu)工作原理如下：左側(cè)兩個孔通過固定板與壓頭結(jié)構(gòu)主體固定，右邊孔與銅塊固定，確保其存在一個旋轉(zhuǎn)的自由度，然后裝入彈簧，在給熱封壓頭裝鎳鉻合金時，左右兩邊分別將0.25厚的鎳鉻合金卷入張緊裝置中的張緊螺栓上，然后旋轉(zhuǎn)張緊螺栓幾圈，接下來擰緊左右兩邊固定螺母，頂住鎳鉻合金，確保螺栓以及纏繞在上面的鎳鉻合金穩(wěn)定，接著檸上接線端子安裝導(dǎo)電線。

圖1 鎳鉻合金張緊機構(gòu)三維簡圖

圖2 鎳鉻合金張緊機構(gòu)工作示意圖

在未加熱時，彈簧初始狀態(tài)是處于被壓縮狀態(tài)，鎳鉻合金處于繃緊狀態(tài)。一旦壓頭下壓開始工作，鎳鉻合金受熱迅速膨脹伸長，由于彈簧處于壓縮狀態(tài)，銅塊會向外轉(zhuǎn)動，抵消鎳鉻合金的伸長量，因此即使在最大工作載荷情況下，如圖所示彈簧長度變?yōu)長+ΔL，仍要處于壓縮狀態(tài)，從而整個過程均達到對鎳鉻合金張緊的效果。

2.2 壓頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)有的熱封機尤其是在一些跨度較長的脈沖式熱封機上，因為加熱功率大，多采用單邊加熱，壓墊處設(shè)計較為簡單，容易引起能量損耗，并且由于能量發(fā)生了耗散使得部分能量傳遞到不銹鋼底座上，長時間工作后，可能會產(chǎn)生底座溫度升高的情況，這樣極容易使底座受熱應(yīng)力變形，因此在實際使用過程中，兩端熱封質(zhì)量一直不佳，同時溫度過高也易引起操作工的燙傷。

因此對壓頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思路，就是將加熱的能量盡可能集中在熱封部位，降低不銹鋼底座溫度，減少兩端形變。主要優(yōu)化措施，上下壓頭采用相同機構(gòu)，如圖3所示，并且預(yù)留了傳感器位置用于實時測量壓頭結(jié)構(gòu)溫度；并且將原有的空心結(jié)構(gòu)，改為實心結(jié)構(gòu)，減少薄壁結(jié)構(gòu)，使得壓頭所受熱應(yīng)力更小，降低兩端發(fā)生最大形變值。

圖3 優(yōu)化后壓頭結(jié)構(gòu)橫截面示意圖

在樣機研制的過程中，對Q235、鋁合金、不銹鋼等材料進行多次試驗，既考慮需要有強度剛度等機械性能要求，又具備很強的加工性能，還要考慮本身化學性質(zhì)必須穩(wěn)定，避免長期使用后對薄膜熱封材料有不良影響，因此我們選取了不銹鋼作為壓頭底座的主材。

表1 壓頭主要材料屬性表

通過SolidWorks對原有結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行建模，并利用有限元軟件ANSYS，分別對其進行熱力耦合分析仿真模擬[3～5]。

圖4 原上壓條結(jié)構(gòu)溫度場分析（溫度分布）

圖5 原下墊塊結(jié)構(gòu)溫度場分析

圖6 原上壓條不銹鋼底座熱力耦合分析（變形）

圖7 原不銹鋼底座熱力耦合分析（應(yīng)變分析）

圖8 優(yōu)化后上下壓條結(jié)構(gòu)溫度場分析（溫度分布）

圖9 優(yōu)化后不銹鋼底座熱力耦合分析（變形）

圖10 優(yōu)化后不銹鋼底座熱力耦合分析（應(yīng)變分析）

表2 優(yōu)化前后熱力耦合分析結(jié)果對比

通過ANSYS軟件分析結(jié)果可知，將原有結(jié)構(gòu)改為上下雙邊加熱的壓頭，就其溫度場仿真結(jié)果而言，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在熱封薄膜處有著均勻的溫度分布；由熱力耦合仿真結(jié)果可知，其整體變形主要集中在受熱膨脹的兩段，尤其硅膠在兩端既受到受熱膨脹導(dǎo)致的熱應(yīng)力，也受到壓力的擠壓，變形量較大，而實際情況也是在單次熱封4000mm薄膜時，靠近兩端熱封質(zhì)量偏差，因此將原有空心結(jié)構(gòu)優(yōu)化為實心結(jié)構(gòu)，不僅使得整個不銹鋼底座溫度下降，由原來的59℃降至49℃，還減少了薄壁結(jié)構(gòu)，避免了不銹鋼底座的因溫度升高造成的形變（兩端最大變形由1.43mm降至1.08mm），提高兩端熱封質(zhì)量。此外由于不銹鋼底座的兩邊凸臺距離鎳鉻合金較近，所受溫度較高，并且受到硅膠條的擠壓，氣缸的作用等，最大應(yīng)力多集中在該區(qū)域，但除極個別位置發(fā)生最大壓力，其他部分均在30MPa以下，完全能滿足設(shè)計要求。

3 針對非加載狀態(tài)優(yōu)化壓頭結(jié)構(gòu)

大部分研究者主要針對熱封加載過程進行詳細研究，但是由于本次研制設(shè)備長跨度的特點，以及有五個氣缸同步提供輸出，因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段避免因為設(shè)計不合理造成氣缸阻塞，受力不均等現(xiàn)象。

3.1 針對待機狀態(tài)優(yōu)化壓頭結(jié)構(gòu)

因為本方案中運用到五個氣缸，氣缸同步是技術(shù)難點，而在待機狀態(tài)，整個上壓條約有100公斤重則由這五個氣缸拉住的，因此氣缸位置的選擇是否合理，對待機過程以及勻速運動過程中的壓頭結(jié)構(gòu)有影響，而壓頭結(jié)構(gòu)發(fā)生變化則又會反作用與氣缸，易造成氣缸阻塞。

接下來首先通過理論計算，設(shè)計氣缸分布位置，然后運用有限元軟件ANSYS進行仿真分析，驗證計算結(jié)果。

圖11 待機狀態(tài)下壓頭結(jié)構(gòu)受力分析圖

圖12 待機狀態(tài)下壓頭結(jié)構(gòu)剪力圖

計算出各個節(jié)點的F值：

FA= F張緊裝置

FB= F張緊裝置+aq

FC= F氣缸拉力-[F張緊裝置+aq]

FD= F張緊裝置+(a+L)q-F氣缸拉力

FE= 2F氣缸拉力-[F張緊裝置+(a+L)q]

FF= [F張緊裝置+(a+2L)q]-2F氣缸拉力

FG=3F氣缸拉力-[F張緊裝置+(a+2L)q]

FH=2F氣缸拉力-[F張緊裝置+(a+2L)q]

FI= F張緊裝置+(a+L)q-F氣缸拉力

FG= F氣缸拉力-[F張緊裝置+aq]

FK= F張緊裝置+aq

FM= F張緊裝置

根據(jù)壓頭結(jié)構(gòu)受力平衡可得：

由此可得：

要使整個壓條受力均勻，最好使整個壓頭剪力圖波動成鋸齒狀對稱，避免某個節(jié)點剪力過大。

即FE= FD、FC= FB。

2F氣缸拉力-[F張緊裝置+(a+L)q]=F張緊裝置+(a+L)q-F氣缸拉力

F氣缸拉力-[F張緊裝置+aq]= F張緊裝置+aq

化簡得：

F氣缸拉力= Lq

F張緊裝置= (L-2a) q/2

且L總長=2a+4L。

代入數(shù)據(jù)，q=0.2N/mm；L總長=4000mm；F張緊裝置=40N；

可得a=240mm。

實際使用過程中，由于受到系統(tǒng)走線問題，加載氣缸和定位氣缸以及下文提到的導(dǎo)向機構(gòu)安裝干涉的問題，樣機選取a=230mm進行布置，亦能達到很好的效果。

通過ANSYS Workbench對其進行仿真分析，驗證設(shè)計的可行性。結(jié)果在10000倍情況下查看[6,7]。

圖13 原壓頭結(jié)構(gòu)待機狀態(tài)靜力學分析（a=30）

圖14 均勻間距下壓頭結(jié)構(gòu)待機狀態(tài)靜力學分析（a=400）

圖15 優(yōu)化后壓頭結(jié)構(gòu)待機狀態(tài)靜力學分析（a=230）

表3 不同位置下壓頭結(jié)構(gòu)靜力學分析結(jié)果

當a=30mm時，即兩邊氣缸位置靠近壓頭兩段，中間氣缸間隔距離過長形變較大。

當a=400mm時，使得氣缸位置對壓頭形成等間距分割，但因兩段有上文中設(shè)計的張緊裝置，所以容易引起兩段受力不均。而且兩端熱封質(zhì)量差，要盡量避免變形往兩端集中。

當a=230mm時，整個靜力學分析結(jié)果表示最大形變明顯小于其他情況，且變形均勻?qū)ΨQ，從而避免因壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致氣缸阻塞，且減少了壓頭兩端形變。

3.2 針對運動過程優(yōu)化壓頭結(jié)構(gòu)

原有類似設(shè)計均無導(dǎo)向機構(gòu)，或?qū)驒C構(gòu)設(shè)計不合理。氣缸即起著執(zhí)行器的作用，又要負責導(dǎo)向，容易發(fā)生損壞。而經(jīng)試生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)兩端熱封質(zhì)量不佳，因此在壓頭兩端加裝導(dǎo)向機構(gòu)（如圖16所示，在氣缸外側(cè)，壓頭兩端），改善運動過程中氣缸同步性，增長其使用壽命。

圖16 導(dǎo)向機構(gòu)實物圖

圖17 壓頭結(jié)構(gòu)待機狀態(tài)靜力學分析（加導(dǎo)向機構(gòu)）

通過ANSYS分析驗證得，通過兩段的導(dǎo)向機構(gòu)，進一步將形變控制在氣缸與氣缸之間，減少兩端形變，其最大形變由6.0903×10-6m降至5.4491×10-6m，保證了兩端薄膜熱封質(zhì)量。

4 結(jié)論

針對對前期生產(chǎn)研制過程中存在的問題，根據(jù)研究對象大跨度高精度的特點，設(shè)計研制了鎳鉻合金張緊機構(gòu)，確保鎳鉻合金整個過程中時刻保持張緊狀態(tài)；為使得熱封區(qū)域能量更為集中均勻，降低非加熱區(qū)域受溫度影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受的熱變形量，優(yōu)化壓頭結(jié)構(gòu)，并通過ANSYS模擬實際加載過程，進行熱力耦合分析驗證可行性；另外還對非加載過程進行研究，通過理論計算以及仿真分析驗證，合理布置氣缸位置，降低因壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理給氣缸阻塞帶來的影響；并在壓頭結(jié)構(gòu)兩端加裝了導(dǎo)向機構(gòu)，將執(zhí)行與導(dǎo)向分開，增加氣缸的使用壽命。

優(yōu)化后，單次熱封4000mm薄膜材料兩端熱封質(zhì)量明顯上升，可以滿足航空器隔音棉熱封材料剝離強度要求，并且能量更為集中，升溫更快，同時加熱過程中底座部分不會引起燙傷。運動過程中平穩(wěn)性明顯改善，樣機試生產(chǎn)以來暫未發(fā)生因壓頭結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的氣缸阻塞現(xiàn)象。

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