推進(jìn)劑自動(dòng)裝卸模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

區(qū)漢東 謝曙釗 王 寧 白旭晶 胡志新

推進(jìn)劑自動(dòng)裝卸模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

區(qū)漢東1謝曙釗1王 寧1白旭晶2胡志新1

（1.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710000；2.輕工業(yè)西安機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710086）

為了解決目前推進(jìn)劑制備過程中的裝卸模過程存在的安全性差、現(xiàn)場操作人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，文章研制了一套自動(dòng)裝卸模系統(tǒng)。該系統(tǒng)在不改變當(dāng)前推進(jìn)劑制備方法的前提下，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑裝卸模全過程的自動(dòng)操作，減少了人工的參與，提高了生產(chǎn)過程的安全性與效率。

推進(jìn)劑；裝卸；模具；有限元分析

引言

目前某推進(jìn)劑的生產(chǎn)主要采用螺旋擠壓成型工藝，生產(chǎn)過程主要包括裝模、擠藥及卸模三個(gè)過程。傳統(tǒng)裝模過程由操作人員在卸模間完成模具各個(gè)部分的組裝，隨后人工輔助吊具將模具轉(zhuǎn)運(yùn)到壓伸間并人工關(guān)閉開夾器與插入保溫水管。在卸模過程中，仍然由人工輔助吊具進(jìn)行拔保溫水管、切除前端藥、松開開夾器、頂出模具、轉(zhuǎn)運(yùn)模與最后卸模取藥等拆卸步驟。模具組件采用螺紋、螺栓連接，操作繁瑣，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且卸模過程帶藥操作危險(xiǎn)性高。可見傳統(tǒng)方法已不滿足日益增長的國防建設(shè)需求，亟需一個(gè)具有效率、快速、安全、可模塊化建設(shè)的生產(chǎn)方式。本文基于國內(nèi)某推進(jìn)劑裝模、擠藥、卸模全過程生產(chǎn)的技術(shù)需求，針對(duì)人工裝卸模工序存在安全性差、現(xiàn)場操作人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，采用Q235材料研制自動(dòng)裝卸模裝備，實(shí)現(xiàn)模具與壓伸機(jī)座自動(dòng)安裝，全過程自動(dòng)卸模，全部動(dòng)作在30分鐘內(nèi)完成。從而取代現(xiàn)有人工操作，提高生產(chǎn)過程安全性及效率，達(dá)到人機(jī)隔離的目的，實(shí)現(xiàn)高效及安全可靠的生產(chǎn)過程。

本文對(duì)系統(tǒng)組成與工作原理進(jìn)行詳細(xì)描述；詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)的裝模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證；卸模系統(tǒng)主要裝置的結(jié)構(gòu)并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

針對(duì)無人化及快速化的生產(chǎn)需求，本文提出的自動(dòng)裝卸模系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)包括裝模工裝、自動(dòng)開夾器、前后端切刀裝置、自動(dòng)卸水管裝置、卸模取藥裝置等[1]，如圖1所示。本文通過對(duì)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的人機(jī)隔離，保證了操作員的安全。

圖1 系統(tǒng)總體組成

1.1 系統(tǒng)組成

1.1.1 裝模工裝

本文提出的裝模工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠適用于斜8°及水平模具，主要保障模具各組件之間的相對(duì)位置并通過夾持器將組件夾持，以防止模具在輸送、擠藥過程中發(fā)生移位，影響正常生產(chǎn)。

1.1.2 自動(dòng)開夾器

自動(dòng)開夾器由電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)卡箍的自動(dòng)夾緊與松弛。主要功能是將模具進(jìn)藥嘴與圧伸機(jī)出藥口連接，防止擠藥過程中壓力大使得裝模工裝發(fā)生移位，提高生產(chǎn)過程安全性。

1.1.3 前后端切刀裝置

前端切刀裝置置于模具末端，通過氣缸帶動(dòng)刀片移動(dòng)將多余藥切斷。后端切刀裝置置于圧伸機(jī)出藥口與模具進(jìn)藥嘴連接處，主要用于當(dāng)圧伸機(jī)在擠藥過程中出現(xiàn)故障時(shí)，后端切刀將藥切斷。

1.1.4 自動(dòng)卸水管裝置

安裝在模具上方，該裝置對(duì)模具上保溫水管的4個(gè)進(jìn)水口及4個(gè)出水口快速接頭進(jìn)行拆卸。

1.1.5 軌道式輸送系統(tǒng)

將工房當(dāng)前采用的人工輔助吊具改為地面軌道式輸送系統(tǒng)，由于模具較重，采用吊具存在模具從高空跌落的風(fēng)險(xiǎn)。軌道式輸送系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，安全性高，且定位較準(zhǔn)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無人化。

1.1.6 卸模取藥裝置

該裝置主要包括機(jī)架、滑軌及水平輸送機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、夾持機(jī)構(gòu)、頂藥機(jī)構(gòu)等。由機(jī)械手將模具夾持器打開并推送至滑軌上，再由夾持、輸送、頂藥等機(jī)構(gòu)配合工作，將模具各部件分離后并移動(dòng)至指定位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸模取藥。

1.2 工作原理

為了實(shí)現(xiàn)裝卸模全過程的自動(dòng)化，對(duì)目前傳統(tǒng)工藝流程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，具體工作原理（圖2）如以下三個(gè)步驟。

（1）裝模：模具各部件組裝完成后由軌道式輸送系統(tǒng)送至圧伸間指定位置，進(jìn)藥嘴與圧伸機(jī)出藥口通過開夾器連接，再將保溫水管連接到模具上并打開閥門；

（2）擠藥：圧伸機(jī)啟動(dòng)開始擠藥，同時(shí)傳感器進(jìn)行壓力測定，并對(duì)表盤指針數(shù)值進(jìn)行圖像采集，輸送至控制室顯示并記錄；

（3）卸模：擠藥完成后關(guān)閉閥門并卸掉保溫水管，前端切刀裝置切斷藥，成品藥柱通過溜藥槽達(dá)到工房外，然后打開自動(dòng)開夾器，圧伸機(jī)擠出剩余藥并頂出模具，最后將模具送至卸模間指定位置，完成卸模取藥。

圖2 工作原理

本文提出的工藝流程只需操作員在第一步將模具各部件進(jìn)行組裝并啟動(dòng)自動(dòng)開夾器的電機(jī)，其余流程均實(shí)現(xiàn)無人化操作，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)隔離，大大縮減了生產(chǎn)時(shí)間，提高了生產(chǎn)的安全性。

2 裝模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝模系統(tǒng)作用是將模具固定并將模具進(jìn)藥嘴和出藥口連接。目前傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)存在以下兩個(gè)弊端：一是模具重量達(dá)450 kg，因?yàn)楫?dāng)前模具結(jié)構(gòu)無便于轉(zhuǎn)運(yùn)的連接結(jié)構(gòu)，吊裝方式以人工綁帶為主，在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中存在掉落風(fēng)險(xiǎn)；二是在裝藥過程模具會(huì)發(fā)生振動(dòng)，模具進(jìn)藥口與壓縮機(jī)出藥口之間會(huì)發(fā)生偏移，導(dǎo)致推進(jìn)劑會(huì)掉落在操作間內(nèi)，存在嚴(yán)重的安全隱患。故針對(duì)當(dāng)前裝模系統(tǒng)的缺陷，本文在不改變模具內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的前提下，提出一種全新的模具結(jié)構(gòu)與裝模工裝結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝模的過程。

2.1 模具結(jié)構(gòu)

如圖3所示，當(dāng)前的裝藥模具結(jié)構(gòu)上無合適的吊裝結(jié)構(gòu)，不便于吊裝時(shí)吊具的安裝。

圖3 傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)

針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)未變，內(nèi)表面加工為鏡面。外部兩側(cè)結(jié)構(gòu)下端V型槽便于模具在滑軌上移動(dòng)[2]，孔1用于卸模時(shí)水平橫移，孔2用于卸模過程中夾持。并且本文對(duì)進(jìn)水口與出水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，以便于后續(xù)自動(dòng)卸水管裝置對(duì)其連接以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拆裝。

圖4 改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)

圖5 改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)剖視圖

2.2 裝模工裝設(shè)計(jì)

圖6 裝模工裝結(jié)構(gòu)

如圖6所示，本文提出的裝模工裝的結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、轉(zhuǎn)軸、夾持器、滑軌等輔助件[3]。各部件的作用分別如下。

（1）機(jī)架用于支撐整個(gè)模具；

（2）轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)主要使得工裝均適用于進(jìn)藥嘴傾斜、水平的模具；

（3）夾持器主要是將模具各部件連接以保障在擠藥、輸送過程中不發(fā)生移位，提高自動(dòng)化生產(chǎn)安全性；

（4）滑軌便于工裝與其它裝置對(duì)接后模具進(jìn)行移動(dòng)。

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，將工裝結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入仿真軟件中，通過定義材料參數(shù)、網(wǎng)格系統(tǒng)的構(gòu)建、求解器的設(shè)定、載荷及邊界條件的設(shè)置與求解，以進(jìn)行強(qiáng)度校核[4]。工裝材質(zhì)為Q235鋼材，通過有限元分析，裝模工裝受夾持表面的擠壓力為35 MPa時(shí)，工裝夾持器最大應(yīng)力為201 MPa小于材料的許用應(yīng)力（235 MPa），最大變形量分別為0.341 mm，不會(huì)影響正常生產(chǎn)。工裝夾持表面受力-應(yīng)力分布、表面受力-變形量分布如圖7所示。

圖7-a 工裝夾持表面受力-應(yīng)力分布圖

圖7-b 工裝夾持表面受力-變形量分布圖

3 卸模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在目前傳統(tǒng)的卸模流程中，存在以下3個(gè)弊端：（1）需要人工打開開夾器，將模具和圧伸機(jī)分離的過程，可能出現(xiàn)摩擦、碰撞等誤操作，易造成模具型腔內(nèi)的余藥爆燃；（2）為快速清理模具型腔內(nèi)部的余藥，操作人員利用其它輔助工具進(jìn)行切、扳、撬等操作，存在安全隱患；（3）擠藥完成后，模具表面的溫度較高，操作人員易燙傷。故針對(duì)以上問題，本文對(duì)卸模過程的主要裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，無需操作員進(jìn)行操作，每個(gè)裝置結(jié)構(gòu)及功能如下所示。

3.1 自動(dòng)開夾器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)自動(dòng)開夾器結(jié)構(gòu)如圖8所示。其工作原理為：模具進(jìn)藥嘴和圧伸機(jī)的出藥口對(duì)接完成后，電機(jī)啟動(dòng)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，鎖緊螺母帶動(dòng)卡箍將模具與圧伸機(jī)鎖緊。當(dāng)擠藥完成后，電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)卡箍松弛[5]。

本文提出的設(shè)計(jì)很好地解決了裝卸模系統(tǒng)中人工使用開夾器的問題，提高了工作效率。另外，其整體機(jī)構(gòu)簡單，制造方便成本低。

圖8 自動(dòng)開夾器結(jié)構(gòu)圖

圖9-a 開夾器夾持表面受力-應(yīng)力分布圖

圖9-b 開夾器夾持表面受力-變形量分布圖

自動(dòng)開夾器材質(zhì)為Q235鋼材，通過有限元分析，開夾器受夾持平面擠壓力為35 MPa時(shí)，開夾器最大應(yīng)力為174 MPa小于材料許用應(yīng)力（235 MPa），且最大變形量為0.1385 mm，不會(huì)影響正常生產(chǎn)。開夾器夾持表面受力-應(yīng)力分布、受力-變形量分布如圖9所示。

3.2 前后端切刀裝置設(shè)計(jì)

在目前的生產(chǎn)過程中，當(dāng)擠藥完成后，需要人工用切刀切斷模具前端藥，容易造成模具型腔內(nèi)的余藥爆燃，且當(dāng)壓伸機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)無法將藥切斷以分離壓伸機(jī)與模具。本文設(shè)計(jì)了一種切刀裝置，由機(jī)架、氣缸、切刀、直線軸承、導(dǎo)向桿等組成，如圖10所示。

圖10 切刀裝置結(jié)構(gòu)

前端切刀裝置置于模具末端，通過氣缸帶動(dòng)刀片移動(dòng)將藥切斷，無需操作員在壓伸間內(nèi)進(jìn)行操作，降低了發(fā)生事故的可能。后端切刀裝置置于圧伸機(jī)出藥口與模具進(jìn)藥嘴連接處，主要用于當(dāng)圧伸機(jī)在擠藥過程中出現(xiàn)故障時(shí)，后端切刀將藥切斷。

3.3 自動(dòng)卸水管裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)擠藥完成后，模具表面的溫度較高，操作人員易燙傷問題，本文設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)卸水管裝置，由機(jī)架、氣缸、快速接頭、導(dǎo)軌等組成，該裝置能實(shí)現(xiàn)拆卸水管過程的自動(dòng)化，如圖11所示。其中氣缸-1用于驅(qū)動(dòng)快速接頭垂直移動(dòng)，而氣缸-2驅(qū)動(dòng)快速接頭水平移動(dòng)。當(dāng)擠藥完成后需要拆卸保溫水管時(shí)，氣缸-2先啟動(dòng)，帶動(dòng)快速接頭水平移動(dòng)，拔出水管并到指定位置。再將氣缸-2啟動(dòng)，整個(gè)平臺(tái)垂直向上移動(dòng)到指定位置。

圖11 自動(dòng)卸水管裝置結(jié)構(gòu)

3.4 卸模取藥裝置

卸模取藥裝置（圖12）為該系統(tǒng)核心，主要由機(jī)架、自動(dòng)卸工裝夾持器機(jī)構(gòu)、推桿、滑軌、夾持機(jī)構(gòu)、水平橫移機(jī)構(gòu)、頂藥機(jī)構(gòu)及其它等組成[6]。

圖12 卸模取藥裝置結(jié)構(gòu)

（1）機(jī)架：整個(gè)裝置的支撐架，使得其它部件能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）自動(dòng)卸工裝夾持器機(jī)構(gòu)：承載電機(jī)的平臺(tái)在兩個(gè)氣缸作用下可實(shí)現(xiàn)水平面X、Y方向的移動(dòng)，達(dá)到指定位置后，電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)模具與裝模工裝分離。

（3）推桿：將模具推送至卸模取藥裝置的滑軌上。

（4）滑軌：便于模具拆卸過程中部件移動(dòng)。

（5）夾持機(jī)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)模具被卸部件的橫移，而其余部件需要夾持防止移動(dòng)。

（6）水平橫移機(jī)構(gòu)：主要實(shí)現(xiàn)模具各部件在滑軌上移動(dòng)，從而取出內(nèi)部藥。

（7）頂藥機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)伸出到指定位置后，頂藥桿與模具部件同心，水平橫移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)模具部件移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取藥。

當(dāng)裝模工裝在軌道車的拖拽下到達(dá)指定位置后，首先自動(dòng)卸工裝夾持器機(jī)構(gòu)將工裝上的夾持器打開，同時(shí)推桿將模具推至卸模取藥裝置的滑軌上。然后，夾持機(jī)構(gòu)啟動(dòng)將前錐體，針架座、后錐體夾持固定，水平橫移機(jī)構(gòu)將進(jìn)藥嘴移出約5 mm，切刀啟動(dòng)將藥切斷后，再移動(dòng)至指定位置。此時(shí)，頂藥機(jī)構(gòu)伸出，橫移機(jī)構(gòu)再反方向移動(dòng)將腔內(nèi)余藥頂出落入下部收集器中。后續(xù)依次將前錐體、針架座、后錐體中的余藥頂出，實(shí)現(xiàn)卸模。其中頂藥機(jī)構(gòu)-2用于頂出針架座中的藥，而其余部件中的藥均由頂藥機(jī)構(gòu)-1頂出。

4 結(jié)束語

本文以某推進(jìn)劑藥型的裝卸模系統(tǒng)為主要設(shè)計(jì)對(duì)象，在分析了目前傳統(tǒng)人工裝卸模的工作流程以及綜合了軍工行業(yè)發(fā)展需求后，對(duì)現(xiàn)有裝卸模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并且做出改進(jìn)，完成了自動(dòng)裝卸模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，針對(duì)裝模過程中需要對(duì)重量達(dá)到450公斤的模具進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，容易引發(fā)掉落事故的問題，對(duì)裝藥模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在不改變模具內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的前提下，改進(jìn)其外部結(jié)構(gòu)使其便于轉(zhuǎn)運(yùn)。針對(duì)傳統(tǒng)卸模過程中，需要人工帶藥操作容易引發(fā)爆炸事故的問題，設(shè)計(jì)了自動(dòng)開夾器結(jié)構(gòu)、前后端切藥結(jié)構(gòu)、自動(dòng)卸水管結(jié)構(gòu)及卸模取藥裝置，實(shí)現(xiàn)了卸模全流程的無人化操作。該自動(dòng)裝卸模系統(tǒng)在不改變藥型裝填方式及裝填質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化生產(chǎn)的需求，提高了產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率，有效改進(jìn)了該推進(jìn)劑藥型及同類產(chǎn)品的生產(chǎn)。

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Design of Automatic Propellant Assembling and Disassembling Mould System

In order to solve the problems of poor safety, many field operators and high labor intensity in the loading and unloading process of propellant preparation, an automatic loading and unloading system is developed. Without changing the current propellant preparation method, the system realizes the automatic operation of the whole process of propellant loading and unloading mould, reduces the participation of manual work, and improves the safety and efficiency of the production process.

propellant; assembling and disassembling; mould; finite element analysis

TP27

A

1008-1151(2022)09-0074-05

2022-06-11

區(qū)漢東（1997－），男，廣東肇慶人，長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。