面向工程機(jī)械液壓泵再制造的拆解序列規(guī)劃研究*

□ 顏克倫 □ 王伏林 □ 韓慧仙 □ 劉 彤

1.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 長沙 410151 2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運載工程學(xué)院 長沙 410082

1 研究背景

工程機(jī)械是用于工程建設(shè)的各類施工機(jī)械的總稱,量大面廣[1]。隨著我國工程機(jī)械保有量的持續(xù)攀升,市場對技術(shù)服務(wù)的需求急劇增大。液壓泵是工程機(jī)械中液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件,種類型號多,結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜,生產(chǎn)制造工藝嚴(yán)謹(jǐn),價值較高。對工程機(jī)械液壓泵進(jìn)行再制造,實現(xiàn)循環(huán)再利用,能充分發(fā)揮其潛在價值,提高資源利用率。從生產(chǎn)制造成本、能耗、環(huán)境等角度來考量,液壓泵再制造遠(yuǎn)優(yōu)于重新制造新品。

土方機(jī)械零部件再制造工藝流程圖如圖1所示。由圖1可知,再制造拆解是再制造工藝流程中的首個重要工序,柔性、高效、無損的拆解工藝,能夠保障再制造毛坯的質(zhì)量和性能,防止關(guān)鍵零部件遭受二次損壞,提高再制造效率,降低再制造的難度和成本,在GB/T 32806—2016《土方機(jī)械 零部件再制造 通用技術(shù)規(guī)范》中,明確要求最大限度地做到無損拆解[2]。根據(jù)GB/T 28619—2012《再制造 術(shù)語》,拆解指對再制造毛坯進(jìn)行拆卸、解體的活動[3]。根據(jù)GB/T 32804—2016《土方機(jī)械 零部件再制造 拆解技術(shù)規(guī)范》,再制造拆解指將舊產(chǎn)品及其零部件按順序依次拆卸、解體,直至最小不可拆解單元,同時需要保證在拆解過程中防止零部件的性能受到進(jìn)一步損壞[4]。在GB/T 32804—2016和GB/T 32810—2016《再制造 機(jī)械產(chǎn)品拆解技術(shù)規(guī)范》中,詳細(xì)規(guī)定了再制造拆解的技術(shù)規(guī)范,包含拆解要求、拆解方法、安全與環(huán)保要求等內(nèi)容[4-5]。在JB/T 13788—2020《土方機(jī)械 液壓泵再制造 技術(shù)規(guī)范》中,專門針對土方機(jī)械液壓柱塞泵再制造規(guī)定了拆解、檢測、修復(fù)等內(nèi)容[6]。

各類工程機(jī)械的工況各不相同,一般在戶外環(huán)境較為惡劣且在服役一定年限后,工程機(jī)械液壓泵逐漸出現(xiàn)故障、失效、零件腐蝕、磨損、破碎等現(xiàn)象。目前,針對工程機(jī)械液壓泵,國內(nèi)主要由技術(shù)人員憑借經(jīng)驗進(jìn)行手工維修,拆解主要依靠人力,效率低,安全隱患多,零件容易遭受二次損壞。當(dāng)工程機(jī)械液壓泵服役條件、服役時間不同時,即使同類型同型號工程機(jī)械液壓泵,各零部件狀況也有較大的不確定性,加之拆解并不是簡單的裝配逆過程,導(dǎo)致拆解過程費時費力。由此可見,研究工程機(jī)械液壓泵柔性、高效、無損拆解,特別是拆解序列規(guī)劃問題,非常有必要。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外針對拆解序列的研究,主要集中在可拆解性、拆解模型、拆解序列規(guī)劃及自動生成、拆解時間計算等方面。

▲圖1 土方機(jī)械零部件再制造工藝流程

Jin等[7]基于產(chǎn)品模型,構(gòu)建了產(chǎn)品空間干涉矩陣,以表達(dá)零部件之間的空間約束關(guān)系。Li Jingrong等[8-9]基于拆解約束圖,提出了一種面向?qū)ο蟮闹悄懿鸾庑蛄幸?guī)劃方法。Xirouchakis等[10]考慮零部件的拆解優(yōu)先關(guān)系,利用佩特里網(wǎng)生成拆解序列。Navin-Chandra[11]開發(fā)了一種分析工具ReStar,通過這種工具可以得到拆解計劃,并且可以判斷拆解計劃在經(jīng)濟(jì)性方面和環(huán)境性方面是否有益。Arai等[12]利用計算機(jī)輔助設(shè)計仿真產(chǎn)品的裝配和拆解過程,分析產(chǎn)品實體模型,從所有拆解序列中得到最佳的拆解序列。Dini等[13]最早提出干涉矩陣的概念,即產(chǎn)品任意一個零件在笛卡爾坐標(biāo)下,沿著X軸、Y軸、Z軸運動時與其它零件會發(fā)生干涉情況。干涉矩陣能較好地反映產(chǎn)品零部件間的拆卸優(yōu)先關(guān)系和約束關(guān)系,保證產(chǎn)品拆解序列在幾何上的可行性。

李方義等[14-15]對綠色設(shè)計的理論和方法進(jìn)行了研究。朱國才等[16]和向東等[17]對拆解梯次、拆解模型等進(jìn)行了分析。裴恕等[18]對車輛拆解和回收技術(shù)進(jìn)行了研究。王伏林、吳博等[19]對再制造拆解技術(shù)進(jìn)行了大量研究,提出一種面向拆卸穩(wěn)定性的產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃方法。吳博[20]對工程機(jī)械液壓缸再制造拆解進(jìn)行了研究與應(yīng)用。劉志峰等[21]對家電產(chǎn)品拆解進(jìn)行了研究,提出利用遺傳算法、粒子群算法等方法優(yōu)化拆解序列。劉佳等[22]構(gòu)建了飛機(jī)機(jī)載設(shè)備維修拆卸有色佩特里網(wǎng)模型,研究零部件間的優(yōu)先關(guān)系。

上述研究基本解決了拆解序列生成問題,為拆解過程追求柔性、高效、無損提供了良好的基礎(chǔ)。筆者選擇工程機(jī)械配置率最高的日本川崎精機(jī)生產(chǎn)的具有雙泵結(jié)構(gòu)的K3V系列斜盤式軸向柱塞泵作為研究對象,構(gòu)建二維和三維拆解模型,利用空間約束矩陣、接觸矩陣、自由度約束矩陣分析拆解模型,研究拆解序列規(guī)劃算法。該系列液壓泵的額定壓力為34.3 MPa,壓力峰值為39.2 MPa,常用型號排量為112 cm3、140 cm3、180 cm3,對應(yīng)質(zhì)量依次為125 kg、160 kg、160 kg。

3 液壓泵結(jié)構(gòu)

K3V系列斜盤式軸向柱塞泵實物如圖2所示,局部剖開圖如圖3所示,理想二維拆解模型如圖4所示。此類液壓泵為雙泵式布置,即左右各有一臺液壓泵,對稱布置,中間用傳動軸以花鍵套連接。一臺完整K3V系列斜盤式軸向柱塞泵由調(diào)節(jié)器、傳動軸、螺釘、前泵蓋、前泵體、后泵蓋、后泵體、中間泵體、密封圈、軸承、斜盤、配油盤、缸體、柱塞、滑靴、中心回程盤、中心套筒、彈簧、鋼珠等零件組成。

▲圖2 液壓泵實物

▲圖3 液壓泵局部剖開圖

▲圖4 液壓泵理想二維拆解模型

4 液壓泵工作原理

當(dāng)外力驅(qū)動傳動軸旋轉(zhuǎn)時,同時帶動內(nèi)部前、后兩個缸體旋轉(zhuǎn)。柱塞隨缸體旋轉(zhuǎn),并且在柱塞孔內(nèi)做往復(fù)軸向運動,形成容積變化。這樣,前、后泵體同時完成吸壓油,前后泵的吸油孔和排油孔都在中間泵體上。改變斜盤傾角時,可以改變柱塞行程,從而改變泵的排量。傾角增大,排量增大,最大傾角為15°～20°。當(dāng)傾角為零時,柱塞不產(chǎn)生往復(fù)軸向運動,不吸壓油,排量為零。

液壓泵屬于液壓系統(tǒng)動力元件,K3V系列斜盤式軸向柱塞泵屬于高壓、大流量液壓泵。根據(jù)實際經(jīng)驗,由于工程機(jī)械的工況較為惡劣,在服役過程中,液壓泵常見的失效形式主要包括:① 缸體端面與配油盤磨損后產(chǎn)生間隙超差或配油盤破損;② 滑靴與斜盤長期摩擦導(dǎo)致磨損,使平面間隙超差,進(jìn)而導(dǎo)致效率降低;③ 滑靴燒蝕脫落;④ 斜盤劃傷;⑤ 中心回程盤磨損或崩裂;⑥ 液壓油中混入雜質(zhì),導(dǎo)致柱塞外表面與柱塞孔內(nèi)壁磨損嚴(yán)重,形成圓環(huán)形間隙,進(jìn)而使吸壓油失效;⑦ 柱塞拉傷、燒灼、卡死、斷裂,或與缸體咬合[23]。

5 拆解序列規(guī)劃

結(jié)合圖4,21個零部件的可行拆解方向見表1,√表示在對應(yīng)方向上可以拆解。

表1 壓液泵零部件可行拆解方向

21個零部件的拆解空間約束矩陣為P,P中元素Pij表示零部件i與j的約束關(guān)系。當(dāng)Pij為1時,表示j約束i。當(dāng)Pij為0時,表示j不約束i。當(dāng)i行的向量元素之和為0時,表示零部件i可拆解。j列的向量元素之和越大,表示被j約束的零部件數(shù)量越多,應(yīng)優(yōu)先拆解j。P為:

21個零部件的拆解空間接觸矩陣C為:

C中元素Cij表示零部件i與j的接觸情況。當(dāng)Cij為1時,表示i與j有接觸。當(dāng)Cij為0時,表示i與j無接觸。

21個零部件的拆解空間自由度約束矩陣F為:

(1)

由P可分析得到,當(dāng)前可拆解零件為調(diào)節(jié)器、螺釘、長六角螺栓。前、后泵調(diào)節(jié)器非液壓泵本體部分,優(yōu)先拆解,如圖5所示。P中6列和16列的向量和等于7,高于其它列對應(yīng)的零件,可拆解,如圖6所示。

▲圖5 拆解調(diào)節(jié)器

由此,拆解序列為調(diào)節(jié)器、長六角螺栓、螺釘。拆解螺釘如圖7所示。

▲圖6 拆解長六角螺栓

更新拆解模型矩陣P、C、F,將確定已拆解的零部件對應(yīng)編號從矩陣的行、列中刪除,矩陣變化,得到可拆解前密封蓋和后密封蓋,如圖8所示。

繼續(xù)更新拆解模型矩陣P、C、F,中間泵體對應(yīng)列的向量和等于10,高于其它零件,本應(yīng)優(yōu)先拆解中間泵體,但由于中間泵體所處位置不能直接拆解,只能分別將前泵體、后泵體從兩邊拆解,使中間泵體處于可拆解狀態(tài),如圖9所示。

拆解前、后配油盤對其它零件不產(chǎn)生影響,剩下獨立零件中間泵體,如圖10所示。再拆解前、后缸體與柱塞組件,對其它零件不產(chǎn)生影響,如圖11所示。

▲圖7 拆解螺釘

▲圖9 拆解前泵體、后泵體

▲圖10 拆解前配油盤

此后,強(qiáng)行拆解前泵體或后泵體時,會強(qiáng)行帶動前斜盤或后斜盤運動、振動,因此先拆解前、后泵蓋,如圖12所示。

前、后傳動軸與軸承組件,以及前、后斜盤優(yōu)先級別相同,前、后斜盤不受限制,立即拆解,如圖13所示。最后拆解前、后傳動軸與軸承組件,如圖14所示。

▲圖11 拆解前缸體與柱塞組件

▲圖13 拆解斜盤

▲圖14 拆解傳動軸與軸承組件

最終得到可行拆解序列為前調(diào)節(jié)器、后調(diào)節(jié)器、長六角螺栓、螺釘、前密封蓋、后密封蓋、前泵體、后泵體、前配油盤、后配油盤、中間泵體、前缸體與柱塞組件、后缸體與柱塞組件、前泵蓋、后泵蓋、前斜盤、后斜盤、前傳動軸與軸承組件、后傳動軸與軸承組件。

6 結(jié)束語

筆者充分考慮了工程機(jī)械液壓泵再制造的拆解序列要求,通過構(gòu)建工程機(jī)械液壓泵二維與三維拆解模型,利用空間約束矩陣、接觸矩陣、自由度約束矩陣,研究零部件之間的關(guān)系和拆解過程,生成切實可行的拆解序列,旨在提高拆解效率,節(jié)約拆解時間,防止零部件在拆解中遭受二次損壞,追求泵類零件的柔性、高效、無損拆解。