饲料调质器检修门气弹簧选型设计_叶伟伟.pdf

针对饲料调质器检修门挺举式气弹簧布置形式进行了详细分析,通过设计计算、强度校核等理论分析,实现只需确定关键设计参数便可通过E x c e l表格自动计算、输出气弹簧关键技术参数,完成气弹簧的选型,大大提高了气弹簧选型设计工作效率。关键词:饲料调质器;气弹簧;检修门;E x c e l运算中图分类号:S 8 1 7.1 2 文献标志码:A 文章编号1 0 0 3-6 2 0 2(2 0 2 3)0 2-0 0 3 4-0 4T y p e s e l e c t i o nd e s i g no fa i r s p r i n gf o ra c c e s sd o o ro f f e e dc o n d i t i o n e rY E W e i-w e i,Y I N GY u n-l i a n g(F a m s u nG r o u pC o.,L t d.,Y a n g z h o u2 2 5 1 2 7,C h i n a/N a t i o n a lR e s e a r c hC e n t e r o fF e e dP r o c e s s i n gE q u i p m e n t a n dE n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y,Y a n g z h o u2 2 5 1 2 7,C h i n a)A B S T R A C T:T h e l a y o u t f o r mo f t h ec l e a n j e r kt y p ea i r s p r i n gf o ra c c e s sd o o ro f f e e dc o n d i t i o n e r i sa n a l y z e di nd e t a i l.T h r o u g ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i so f d e s i g nc a l c u l a t i o na n ds t r e n g t hc h e c k i n g,i t i s r e a l i z e d t h a t t h ek e yd e s i g np a r a m e t e r s c a nb e a u t o m a t i-c a l l yc a l c u l a t e da n dt h ek e yt e c h n i c a l p a r a m e t e r so f a i r s p r i n gc a nb eo u t p u t t h r o u g he x c e l f o r mt oc o m p l e t e t h es e l e c t i o no f a i rs p r i n g,w h i c hg r e a t l y i m p r o v e s t h ee f f i c i e n c yo f t h es e l e c t i o na n dd e s i g no f a i r s p r i n g.K E YWO R D S:f e e dc o n d i t i o n e r;a i r s p r i n g;a c c e s sd o o r;e x c e l c a l c u l a t i o n 随着饲料机械的不断发展进步,饲料领域调质器的种类也得到了丰富壮大。调质器检修门的开启和支撑方式对检修效率起着决定性作用,现阶段国内外各厂家的饲料调质器检修门大多采用气弹簧支撑方式,气弹簧支撑相对于传统的挂钩支撑具有工作稳定、轻便、设计简单等优势,使得气弹簧在饲料调质器检修门上得到了广泛的应用。本文将介绍气弹簧在调质器检修门上的相关布置、选型、强度校核,为饲料调质器气弹簧的设计选型提供参考。1 气弹簧介绍气弹簧是指由一个密闭缸筒和可以在缸筒内滑动的活塞组件及活塞杆组成的以压缩气体为贮能介质的机构1。工作原理是,在密闭的活塞缸筒内充入高压气体(一般为氮气),两边气体压强作用在活塞面,由于两边压强的不同以及有杆腔和无杆腔的截面积差,形成活塞杆输出推力(即气弹簧的支撑力)。如图1,气弹簧技术参数主要有总长度L,行程S,活塞杆直径d,气弹簧的支撑力F等。在设计和使用气弹簧时要注意保证气弹簧行程在合理区间内,使得气弹簧总 长度=行 程2+1 0 0 mm左右2,选型气弹簧的支撑力F要大于实际工况下的支撑重力,一般取安全系数为1。图1 气弹簧结构及技术参数示意图气弹簧的布置形式一般有挺举式和翻转式两种。如图2所示,挺举式是指气弹簧的上安装点在调质器检修门上,为移动点,下安装点在调质器筒体上,为固定点,检修门在开闭过程中活塞杆始终在活塞筒的下方。此种布置形式地优点是在气弹簧运行过程中其旋转角度较小,能够较好的起到阻尼作用,且门闭合时对铰链的冲击力较小。叶伟伟等:饲料调质器检修门气弹簧选型设计/2 0 2 3年第2期 3 5 如图3所示,翻转式布置是指气弹簧的上安装点在调质器筒体上,下安装点在调质器检修门上,检修门在开启过程中,活塞杆由活塞筒的下方翻至活塞筒的上方。采用此种布置形式,在检修门幵启过程中气弹簧位置会上下翻转,油液流至活塞筒中间部位,导致运行速度减慢。在行程末端,油液从有杆腔流至无杆腔,气弹簧运行速度会瞬间上升,导致门完全开启时有较大的抖动,且影响铰链安装处的钣金强度。图2 调质器挺举式气弹簧布置图图3 调质器翻转式气弹簧布置图目前国内外饲料机械厂家的调质器检修门气弹簧布置大多采用挺举式布置,因此一般情况下气弹簧的布置形式没有特殊的要求,建议优先选用挺举式布置方案。本文也主要针对挺举式布置形式进行具体设计分析。2 气弹簧安装位置设计分析本饲料调质器检修门气弹簧设计采用挺举式布置方式,如图4所示。已知设计饲料调质器检修门开度为1 2 0,即检修门绕铰链A点向上旋转1 2 0,即角F A E、D A B为1 2 0。O为调质器筒体中心;A点为检修门铰链中心;B、C点为气弹簧支撑点,其中B点为气弹簧与检修门连接点,为移动点,C点为气弹簧与调质器筒体连接点,为固定点;1为检修门铰链中心点A与垂直方向的夹角;2为气弹簧支撑点B与垂直方向的夹角;3为气弹簧支撑点C与垂直方向的夹角;B C为气弹簧初始状态的长度;C D为气弹簧门开启1 2 0时的最终长度,同时也是气弹簧总长度L。图4 挺举式布置分析在设计过程中,设计思路是通过确定O A、O B、O C及A、B、C三点位置与垂直方向的夹角1、2、3,通过相关计算得出气弹簧在初始状态及最终状态时的长度B C、C D。设计目标是通过寻找关键设计变量之间的关系,使得在设计过程中只需调整对应变量的值便可得到合适的气弹簧参数,实现最终的气弹簧选型。O B C中,B C2=O B2+O C2-2O BO Cc o s(3-2)(1)根据公式(1)可以求出B C的值。O A B中,A B2=O A2+O B2-2O AO Bc o s(2-1)(2)O A C中,A C2=O A2+O C2-2O AO Cc o s(3-1)(3)c o s B A C=A B2+A C2-B C22A BA C(4)根据公式(1)公式(3)求出A B、A C、B C的值,带入公式(4)可求出B A C。因为C AD=1 2 0+B A C,且已知A D=A B。在C AD中,C D2=A C2+A D2-2A CA Dc o s C AD(5)根据公式5可求出C D的值。3 6 叶伟伟等:饲料调质器检修门气弹簧选型设计/2 0 2 3年第2期注意此处计算时采用E X C L E表格进行对应数据处理,具体见文章第4部分。设计时需要特别注意气弹簧支撑点B、C的位置,已知当铰链中心、气弹簧上安装点B和下安装点C位于一条直线上时,气弹簧的力臂为零,对检修门的闭合不做贡献,此位置称作气弹簧工作死点。但是在实际操作时,考虑到有加工和操作误差,设计时B点位置应该修正到A、C连线偏左12mm的位置,以防B点在检修门完全闭合之前成为气弹簧工作死点的位置,防止检修门在关闭之后重新弹开,提高检修门闭合的安全性。设计时,h为O到A C的距离,即当O Bh时满足设计要求。SO A C=12A Ch=12O AO Cs i n(3-1)(6)由上可知O A、O C、A C的值,所以h可求。3 气弹簧支撑强度校核气弹簧设计选型时对支撑强度进行校核是至关重要的,因为气弹簧的支撑力是其关键技术参数,如果实际支撑力远大于气弹簧固有支撑力,则会导致气弹簧损坏,容易出现安全隐患,如果实际支撑力远小于气弹簧固有支撑力,则会导致关闭检修门时费力,操作不便。因此在实际设计时既要保证实际支撑力小于气弹簧的固有支撑力又要保证两者数值相差不大3。调质器检修门气弹簧支撑模型如图5所示,根据力学平衡,可得:F1=G L KH n(7)式中F1为气弹簧所需最小支撑力;G为调质器检修门重力;L为调质器检修门重心到铰链中心距离;H为气弹簧伸展时的有效力臂;n为气弹簧数量,一般取2;K为安全系数,一般取1.14。根据调 质 器 设 计 可 知 调 质 器 检 修 门 质 量 为1 4k g,垂直长度A E为3 6 5mm。由调质器检修门开度为1 2 0 可确定调质器检修门重心到铰链中心A的距离L。L=12A Fc o s 3 0(8)已知A E=A F,带入公式8可以求得L=1 5 8mm。在C AD中,SC AD=12A DA Cs i n C AD=12C DH(9)图5 调质器检修门气弹簧支撑模型H=A DA Cs i n C ADC D(1 0)由第2部分已知A D、A C、C D、C AD的值,所以H可求。将已知数据带入公式(7)得,F1=1 1.9 2H(1 1)所以F1可求。4 E x c e l运算及选型结果本设计采用E x c e l表格进行计算分析,由表可知只需调整检修门铰链设计参数O A、1及气弹簧上下支撑点设计参数O B、2、O C、3;6个关键设计参数确定之后就可以通过表格自动计算出气弹簧主要技术参数,包括气弹簧初始长度、气弹簧总长度L、气弹簧行程S、气弹簧所需最小支撑力F1。从而可以对照气弹簧选型表进行选型。具体计算参数见表1。根据设计计算,确定气弹簧布置形式采用挺举式,关键设计参数O A=3 1 0mm,1=4 0,O B=2 6 0mm,2=5 5,O C=3 0 0mm,3=1 0 0。通过E x c e l表格计算输出气弹簧技术参数:气弹簧初始长度2 1 7mm,气弹簧总长度L=3 4 7mm,气弹簧行程S=1 2 9mm,气弹簧所需最小支撑力F1=1 6 1N,O B2,否则会导致计算结果出错。气弹簧选型完成后,注意安装位置不能与设备其他部件发生干涉。表1 计算参数表序号名称符号单位数值备注1铰链中心到调质器筒体中心距离O Am0.3 1 0设计值2铰链 中 心 与 垂 直 方 向 的角度14 0.0 0 0设计值3气弹簧上支撑点到调质器筒体中心距离O Bm0.2 6 0设计值4气弹簧上支撑点与垂直方向的角度25 5.0 0 0设计值5气弹簧下支撑点到调质器筒体中心距离O Cm0.3 0 0设计值6气弹簧下支撑点与垂直方向的角度31 0 0.0 0 0设计值7气弹簧初始长度B Cm0.2 1 7输出值8铰链中心到气弹簧上支撑点距离A Bm0.0 8 9过程值9铰链中心到气弹簧下支撑点距离A Cm0.3 0 5过程值1 0-B A C9.5 4 9过程值1 1-C AD1 1 0.4 5 1过程值1 2铰链中心到旋转后气弹簧上支撑点距离A Dm0.0 8 9过程值1 3气弹簧总长度LC Dm0.3 4 7输出值1 4气弹簧行程Sm0.1 2 9输出值1 5气弹簧伸展时的有效力臂Hm0.0 7 4过程值1 6气弹簧所需最小支撑力F1N 1 6 1.6 5 9输出值1 7调质器筒体中心到A C的距离hm0.2 6 4输出值1 8O B与h的差值dm-0.0 0 4输出值表2 伟达公司气弹簧选型表技术参数型号L/mmS/mmD/mmd/mmF/NQ D 1 3-11 6 04 2Q D 1 3-21 9 56 5Q D 1 3-31 9 05 7 5 04 0 0Q D 1 3-42 5 01 2 5Q D 1 3-52 6 01 0 0Q D 1 6-12 9 07 0Q D 1 6-23 1 01 0 5Q D 1 6-33 2 01 0 0Q D 1 6-43 6 01 2 0Q D 1 6-54 0 51 5 5Q D 1 6-64 8 01 8 01 881 5 04 5 0Q D 1 6-75 0 02 0 0Q D 1 6-85 8 02 2 5Q D 1 6-95 0 01 8 0Q D 1 6-1 03 0 51 1 8Q D 1 6-1 14 1 21 6 1续表2型号L/mmS/mmD/mmd/mmF/NQ D 1 9-12 8 08 5Q D 1 9-24 4 01 2 5Q D 1 9-34 9 02 1 0Q D 1 9-45 0 01 8 0Q D 1 9-55 4 01 8 52 11 01 0 08 0 0Q D 1 9-65 6 02 1 0Q D 1 9-75 8 52 2 0Q D 1 9-86 1 02 3 0Q D 1 9-96 2 02 5 0Q D 1 9-1 06 4 02 6 0Q D 1 9-1 16 7 52 2 5Q D 1 9-1 26 8 02 7 0Q D 1 9-1 37 0 02 0 02 11 0Q D 1 9-1 47 2 52 4 0Q D 1 9-1 57 2 52 5 5Q D 1 9-1 65 4 01 8 5Q D 1 9-1 74 6 01 3 0Q D 2 5-15 0 02 0 0Q D 2 5-26 6 02 2 0Q D 2 5-37 0 52 2 0Q D 2 5-47 1 52 2 0Q D 2 5-57 3 52 2 0Q D 2 5-67 4 02 2 02 81 43 0 030 0 0Q D 2 5-77 6 02 5 0Q D 2 5-87 8 02 4 0Q D 2 5-98 4 53 0 0Q D 2 5-1 08 0 02 6 0Q D 2 5-1 19 0 03 0 05 总结在进行饲料调质器检修门气弹簧选型设计中,通过分析两种气弹簧布置形式,最终选择挺举式布置形式。对挺举式布置形式进行详细设计计算,通过确定关键设计参数,寻找设计参数与气弹簧技术参数之间的数量关系。确定数量关系之后用E x c e l表格进行自动设计计算,通过输入调整关键设计参数数值便可输出合理的气弹簧技术参数,通过选型表选择合适气弹簧型号。在设计阶段保证了产品的可行性,提高了产品的设计质量,为饲料领域调质器检修门气弹簧选型设计提供参考。参考文献1 刘国梁.尾门气弹簧设计与力值计算的深入研究J.汽车实用技术设计研究,2 0 1 8(4):1 5 6-1 6 1.2 方益奇,孙玲玲.气弹簧的刚度计算与安装位置研究J.机床与液压,2 0 1 0,3 8(8):7 0-7 1.3 王正全,尹天辉.气弹簧在拖拉机前机罩上的应用分析J.南方农机,2 0 1 8,4 9(9):7 1-7 2.4 丁 盛,史富强,俞 燕.卡车面罩气弹簧布置计算J.汽车实用技术,2 0 1 7(2 2):8 4-8 7.(责任编辑:刘斌嘉)