平面渦卷彈簧助力器設計及應用

蔡 寶,朱文華

(上海第二工業(yè)大學工程訓練中心,上海201209)

平面渦卷彈簧助力器設計及應用

蔡 寶,朱文華

(上海第二工業(yè)大學工程訓練中心,上海201209)

提出了一種彈簧助力器的改進裝置,可用于金屬容器等法蘭蓋上,便于輕松地打開容器的法蘭蓋。闡述了該種裝置的設計原理,計算了渦卷彈簧的受力和強度;提出了能夠調(diào)節(jié)角度的鋸齒結(jié)構(gòu),繪制了裝置的三維模型和設計簡圖,提供了實際工程使用案例;開發(fā)了基于Unity3D軟件的虛擬彈簧助力器裝置學習系統(tǒng),增加了該種結(jié)構(gòu)助力器應用和推廣的可能性。

平面渦卷彈簧;彈簧助力器;法蘭蓋;強度計算;Unity3D

0 引言

平面渦卷彈簧在機械工業(yè)設備中的應用十分廣泛,尤其在中壓開關、微電機和汽車領域應用較為突出,目前許多工程技術人員已應用平面渦卷彈簧解決了大量實際工程問題,如基于渦卷彈簧的機械儲能式發(fā)電設備[1],采用了外接鉸鏈的平面渦卷彈簧結(jié)構(gòu)作為阻尼的劃船運動建設器[2],將平面渦卷彈簧勢能作為動力的自行小車[3]。

本文針對化工行業(yè)使用的鋼制容器,利用平面渦卷彈簧設計出一種新型的助力器裝置?；と萜髦谐３ＴO計有法蘭蓋用于打開和關閉容器,以達到保壓功能,一般較大型的容器法蘭蓋多在50 kg以上,若法蘭蓋要求經(jīng)常打開,則必須兩個操作人員共同完成,基于以上問題本文設計的彈簧助力器能有效減輕操作人員的工作強度并將打開和關閉法蘭蓋的危險降到最低。

1 實際問題

1.1 實際問題描述

彈簧助力器要求安裝在容器連接法蘭和法蘭蓋之間,要求開啟的法蘭蓋質(zhì)量為56 kg,彈簧助力器中心到法蘭蓋中心的距離約為490 mm,彈簧助力器打開角度約為100°,渦卷彈簧的使用壽命要求在1 000次以上,根據(jù)以上基本條件設計彈簧助力器的結(jié)構(gòu)并進行相關的強度校核。

1.2 關鍵部件描述

本文使用的彈簧是非接觸式平面渦卷彈簧,如圖1所示,該種彈簧材料為二級強度熱處理鋼帶(60Si2MnA),其許用抗拉強度σb為1 568 MPa[4],彈簧助力器的核心部件便是該平面渦卷彈簧,這種彈簧屬于非接觸式,使用時必須根據(jù)連接部件的結(jié)構(gòu)自行設計彈簧支撐或者連接件。

圖1平面渦卷彈簧Fig.1 Planespiral spring

圖2 所示為彈簧基本參數(shù),其寬度b為80 mm,厚度h為6 mm,彈簧自由狀態(tài)下纏繞圈數(shù)為3.5圈,工作圈數(shù)為0.25圈,彈簧的展開長度為1 462 mm。

圖2 彈簧基本參數(shù)(mm)Fig.2 Basic parametersof spring(mm)

2 彈簧受力理論計算

2.1 提出假設

對彈簧助力器進行理論計算前首先對助力器的使用情況做出3點合理的假設,該步驟是正確設計和使用彈簧助力器的前提:

(1)假設單人打開法蘭蓋時只能提供20 kg的力(200 N),其他部分都需靠助力器開啟。

(2)助力器工作時通過旋轉(zhuǎn)齒盤調(diào)節(jié)彈簧,使得法蘭蓋在只受重力情況下自然下落到與水平面的夾角成30°(即圖3所示的壓緊與平衡狀態(tài)夾角)。

圖3 4種工作狀態(tài)Fig.3 Four kindsof working conditions

為了方便研究,規(guī)定法蘭蓋以下4個狀態(tài)(見圖3):

(1)壓緊狀態(tài)。人孔蓋完全閉合,蓋面呈水平狀態(tài)。

(2)平衡狀態(tài)。人孔蓋自然垂落,法蘭蓋重力與彈簧力平衡的狀態(tài)。

(3)豎直狀態(tài)。人孔蓋達到最大高度,法蘭蓋面與水平面垂直的狀態(tài)。

(4)自然狀態(tài)。渦卷彈簧不儲存能量,處于不工作的自然狀態(tài),法蘭蓋靠固定架結(jié)構(gòu)支撐的狀態(tài)。

2.2 彈簧最大變形角計算

如前所述,彈簧助力器打開角度約為100°,而基于2.1節(jié)中提出的假設,要關閉法蘭蓋,單人提供的作用力為200 N,則該作用力產(chǎn)生的扭矩為:

在機械工業(yè)部關于平面渦卷彈簧的校核公式[5],查得彈簧變形角度與所受轉(zhuǎn)矩滿足下列關系:

式中:系數(shù)K取1.25,T為扭矩(此處可取為轉(zhuǎn)矩T人);E為材料彈性模量;I為材料截面慣性矩,查機械設計手冊得到該種彈簧材料的彈性模量E=206 GPa,彈簧截面慣性矩可由下式得到(b為彈簧寬度,h為彈簧高度):

假設彈簧從自由狀態(tài)到平衡狀態(tài)過程的變形角為θ,則在人孔蓋打開角為30°時,人孔蓋重力提供的轉(zhuǎn)矩等于彈簧承受的轉(zhuǎn)矩,即:

渦卷彈簧從自由狀態(tài)達到平衡狀態(tài)需要轉(zhuǎn)動154°,如果初始打開角為30°,彈簧的打開角度最少為124°(不考慮助力器結(jié)構(gòu)時),滿足使用要求。在實際結(jié)構(gòu)中,法蘭蓋打開角在尚未達到自然狀態(tài)時即與助力器固定架接觸而處于靜止。

2.3 法蘭蓋閉合角度計算

根據(jù)式(1),法蘭蓋從平衡狀態(tài)到壓緊狀態(tài),單人產(chǎn)生施加扭矩可將渦卷彈簧變形角增大,公式如下:

單人提供200 N的力將渦卷彈簧變形角增大34.5°,大于裝配初始的角度(30°),即單人施加200 N的力可將助力器法蘭蓋閉合(從平衡狀態(tài)到壓緊狀態(tài)),閉合后擰緊法蘭蓋所有活接螺栓(見圖3)可將法蘭蓋完全關閉。

2.4 法蘭蓋打開角度計算

法蘭蓋從平衡位置轉(zhuǎn)到豎直位置后,重力由阻力變成推力,所以只需校核人孔蓋在30°到90°過程中單人提供的200 N力能否將人孔蓋打開,分別校驗打開角為45°、60°和75°的3種情況下渦卷彈簧產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和單人產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩能否平衡法蘭蓋重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

(1)打開角為45°。此時彈簧轉(zhuǎn)矩為:

假設單人提供200 N的力,則可產(chǎn)生T人=98 kN·mm的力矩。法蘭蓋重力力矩TG=194 kN·mm,所以T1+T人＞TG。

(2)打開角為60°。此時彈簧轉(zhuǎn)矩為:

同樣T人為98 kN·mm,法蘭蓋重力力矩TG為137.200 kN·mm,所以 T2+T人＞ TG。(3)打開角為75°。此時彈簧轉(zhuǎn)矩為:

同樣T人為98 kN·mm,法蘭蓋重力力矩TG為137.200 kN·mm,所以 T3+T人＞ TG。

以上計算結(jié)果表明,在法蘭蓋打開角由30°到90°的過程,助力器均可將其打開。

2.5 強度計算

查閱機械設計手冊,非接觸式渦卷彈簧的靜強度校核公式如下:

式中:n為工作轉(zhuǎn)數(shù),根據(jù)助力器固定架位置,打開角度最大為107°,即工作轉(zhuǎn)數(shù)約為0.3;對于外端回轉(zhuǎn)的渦卷彈簧K1取1.25,K2取2。根據(jù)式(3)計算彈簧工作應力為1 274 MPa。

彈簧壽命與其轉(zhuǎn)矩作用次數(shù)有關系,[σ]=Kσb,使用次數(shù)小于1 000次時,K 取0.8;大于1 000次時,K 取0.6～0.8倍;大于10萬次時,K取 0.5～0.6(0.6σb=940.8 MPa,0.7σb=1 097 MPa,0.8σb=1 254 MPa)。根據(jù)強度計算結(jié)果,彈簧工作次數(shù)在1 000次以上時才有可能發(fā)生塑性變形而導致失效,符合設計要求。

3 彈簧助力器結(jié)構(gòu)設計

3.1 彈簧助力器基本原理

彈簧屬于典型的儲能元件,該彈簧助力器的基本工作原理是在關閉法蘭蓋時彈簧進行儲能,而在打開法蘭蓋時釋放能量,則操作容器工人能借助彈簧實現(xiàn)輕松打開法蘭蓋和緩沖關閉法蘭蓋,彈簧助力器與法蘭蓋位置如圖4所示。

圖4 位置示意Fig.4 Position indication

3.2 彈簧助力器角度調(diào)節(jié)設計

如圖5所示,固定架一端加工成齒盤結(jié)構(gòu),并與1個對應的齒盤螺母相配合,便可調(diào)節(jié)齒盤螺母與固定架的嚙合角度從而間接改變彈簧的儲能情況。

圖5 角度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.5 Angle adjusting structure

3.3 彈簧助力器基本結(jié)構(gòu)

圖6為該裝置的三維模型,圖7為其總裝圖,渦卷彈簧通過定位鍵安裝在彈簧軸上,彈簧軸通過定位鍵與固定架相連,彈簧助力器裝配完成后可整體焊接在容器上,彈簧助力器的活動架與法蘭蓋焊接,彈簧助力器的固定架與容器的機體法蘭焊接,焊接時首先將助力器與容器點焊,測試助力器打開和關閉的效果,如果打開或者關閉方便則再進行整體焊接。

圖6 彈簧助力器模型Fig.6 Model of spring booster

4 彈簧助力器現(xiàn)場測試

圖8為車間加工、裝配后彈簧助力器的使用情況,經(jīng)過安裝調(diào)試后焊接于容器法蘭上,通過調(diào)整齒盤的嚙合角度使得操作人員能夠輕松打開和關閉法蘭蓋(由于涉及結(jié)構(gòu)保密問題,現(xiàn)場測試是用保護罩罩住彈簧助力器)。

圖7 彈簧助力器工程圖紙Fig.7 Engineering drawing of spring booster

圖8 實際彈簧助力器調(diào)試現(xiàn)場Fig.8 Practical scene of spring booster debugging

5 虛擬彈簧助力器應用

該種助力器裝置結(jié)構(gòu)創(chuàng)新后適用性更強,現(xiàn)場測試效果良好,故在此基礎上制作了虛擬彈簧助力器的學習和推廣軟件,保證了產(chǎn)品后續(xù)的連續(xù)開發(fā)性。本文擬用Unity3D游戲引擎開發(fā)軟件開發(fā)出虛擬彈簧助力器結(jié)構(gòu)認識和虛擬裝配系統(tǒng)[6]。

Unity3D是一個可以輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺開發(fā)工具[7-9],本文借助Unity3D開發(fā)軟件將前述的彈簧助力器三維模型資源導入,結(jié)合Unity3D交互性強的特點開發(fā)出彈簧助力器相關學習和推廣場景[10]。

5.1 虛擬彈簧助力器系統(tǒng)的實現(xiàn)

通過調(diào)用Unity3D內(nèi)部的相關函數(shù),可實現(xiàn)對應的開發(fā)功能,以下是系統(tǒng)調(diào)用的典型函數(shù)舉例:

(1)場景間切換調(diào)用Application函數(shù),實現(xiàn)語句Application.LoadLevel(“Scene”)。

(2)Unity3D開發(fā)的系統(tǒng)中的可交互性是一個重要特點,界面中的按鈕標簽等交互控件均可通過調(diào)用OnGUI()函數(shù)實現(xiàn),該函數(shù)中均可調(diào)用相應的方法涉及例如按鈕的位置、字體的大小顏色等;另外課程測試中客觀題的設計也調(diào)用了toggle等交互控件函數(shù)。

(3)場景的旋轉(zhuǎn)縮放則通過調(diào)用射線函數(shù)和Lerp函數(shù)等進行實現(xiàn),函數(shù)調(diào)用語句如下:

ray=Camera.main.ScreenPointToRay

(Input.mousePosition);

圖9 虛擬彈簧助力器場景Fig.9 Virtual scene of spring booster

transform.rotation = Quaternion.Lerp (transform.rotation,mRotation,Time.deltaTime*Damping)。

(4)模型的移動和旋轉(zhuǎn)則通過Unity3D的免費插件iTween動畫庫來實現(xiàn),它能夠?qū)崿F(xiàn)子模型的復雜運動,典型程序如:

iTween.MoveBy(gameObject,iTween.Hash(“y”,5,“easeType”,“easeInOutExpo”,“l(fā)oopType”,“none”,“delay”,.5))。

5.2 虛擬彈簧助力器場景

圖9為虛擬彈簧助力器場景,虛擬彈簧助力器的應用分為2個模塊:外部結(jié)構(gòu)觀察和內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆卸。圖10為虛擬彈簧助力器拆卸場景,在該場景中能將助力器核心的6個零部件進行拆解演示,推廣該種結(jié)構(gòu)助力器的應用范圍。

圖10 虛擬拆卸場景Fig.10 Virtual disassembly scene

6 結(jié)語

本文對傳統(tǒng)的彈簧助力器裝置進行了創(chuàng)新,提出了能夠調(diào)節(jié)法蘭蓋打開角度的鋸齒結(jié)構(gòu),通過理論計算、三維建模、實際案例等過程,驗證了該種改進結(jié)構(gòu)的彈簧助力器裝置工程運用的可能性,同時開發(fā)了虛擬彈簧助力器學習系統(tǒng),增加了該種結(jié)構(gòu)彈簧助力器的推廣應用,同時也為同類型產(chǎn)品的設計和研發(fā)提供指導。

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Abstract:An improved device for a spring booster was proposed,which could be used for metal containers and other fl ange cover,so that the fl ange cap for the container could be easily opened.The design principle of the device was expounded,and the force and strength of the plane spiral spring were calculated.A sawtooth structure which could adjust the angle is proposed,and the 3D model and design sketch of the device were plotted,and the practical engineering cases were provided.Finally,the learning system of virtual spring booster device based on Unity3D software was developed,which could increase the possibility of the application and extension of thiskind of structure booster.

Keywords:plane spiral spring;spring booster;fl ange cap;strength calculation;Unity3D

簡 訊

上海第二工業(yè)大學獲2017年度“聯(lián)盟計劃”立項資助

2017年度“聯(lián)盟計劃”資助項目名單公布,上海第二工業(yè)大學4個項目經(jīng)過與招標企業(yè)對接、專家評審等環(huán)節(jié),最終獲得資助,資助金額共計40萬元。項目分別為張利的“塊體光催化材料及污水處理的塔式光催化反應技術”,張承龍的“廢棄電路板中貴金屬的高效綠色資源化技術”,周平的“焊接機器人焊縫精確定位工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)”,楊敬輝的“草原農(nóng)機設備預防性維護云平臺系統(tǒng)”。

“聯(lián)盟計劃”項目是由上海市教育發(fā)展基金會和上海科技成果轉(zhuǎn)化促進會為貫徹落實科學發(fā)展觀,促進產(chǎn)學研結(jié)合,幫助科技型中小企業(yè)解決技術難題而聯(lián)合推出的。2017年度“聯(lián)盟計劃”全市共有74個項目入選,共資助總金額684.4萬元。

Design and Application of Plane Spiral Spring Booster

CAIBao,ZHU Wenhua
(Engineering Training Center,Shanghai Polytechnic University,Shanghai201209,China)

TH 122

A

1001-4543(2017)03-0203-06

10.19570/j.cnki.jsspu.2017.03.008

2017-04-10

蔡 寶 (1989–),男,江蘇南通人,助理工程師,碩士,主要研究方向為虛擬制造與增材制造技術。E-mail:caibao@sspu.edu.cn。

上海第二工業(yè)大學校基金項目(A01GY17EX50),上海第二工業(yè)大學校重點學科建設項目(A20NH1609B20-13)資助