李 力 劉厚滿 鄒 雋 陳向前 杜楊武 徐成堯

(1.三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院,湖北宜昌 443002;2.宜昌市特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)所,湖北 宜昌 443000)

隨著石油資源短缺,油價(jià)上漲,以及對(duì)汽車環(huán)保要求的提高,越來(lái)越多的汽車開(kāi)始采用壓縮天然氣(Compressed Natural Gas,簡(jiǎn)稱CNG)作動(dòng)力燃料,這類汽車稱為CNG汽車[1].CNG汽車中用于儲(chǔ)存壓縮天然氣的鋼瓶即CNG氣瓶(以下簡(jiǎn)稱氣瓶),是一種壓力容器,屬于特種設(shè)備.根據(jù)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布的相關(guān)規(guī)定,此類設(shè)備須定期進(jìn)行檢驗(yàn)[2-3],檢驗(yàn)合格后才能繼續(xù)使用.當(dāng)對(duì)這些氣瓶進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),需先將氣瓶從汽車后箱中取出,檢驗(yàn)完成后再將其裝入汽車后箱.目前,在對(duì)出租車中的車用CNG氣瓶進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),大多采用人工搬運(yùn)的方式來(lái)裝卸氣瓶,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,效率低下.由于氣瓶的重量較大,一般為45～90 kg,且氣瓶表面光滑,不便于人手著力,一旦不慎失手使氣瓶落地,輕則造成氣瓶劃傷報(bào)廢,重則出現(xiàn)爆炸的危險(xiǎn)事故,因此,人工搬運(yùn)存在著較大的安全隱患.本文設(shè)計(jì)了一種用于CNG氣瓶裝卸搬運(yùn)的裝卸機(jī)械,它具有安全省力、裝卸方便、經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn),能很好地解決這些問(wèn)題.

1 運(yùn)動(dòng)分析及方案設(shè)計(jì)

1.1 氣瓶裝卸過(guò)程分析

本文以檢驗(yàn)東風(fēng)雪鐵龍富康這款型號(hào)出租車中裝載的CNG氣瓶為例來(lái)進(jìn)行分析設(shè)計(jì).出租汽車中的氣瓶普遍采用的是車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶,主要有NGVH325-65-20A、NGVH356-75-20A、NGVH356-80-20A這3種規(guī)格.由于氣瓶越大,那么裝入氣瓶后車箱中剩余的空間就越小,將其取出也就越困難.本文設(shè)計(jì)時(shí)以對(duì)氣瓶裝卸要求最嚴(yán)格的NGVH356-80-20A型號(hào)的氣瓶為對(duì)象,以便所設(shè)計(jì)裝置能通用于其它兩種小規(guī)格氣瓶的裝卸.NGVH356-80-20A型號(hào)氣瓶的主要尺寸包括外徑為D=370mm,總長(zhǎng)(含閥門(mén))約為 L=1100mm,總重(含閥門(mén))約為 M=70 kg,容積 V=80 L,工作壓力P=20 MPa.下文中的氣瓶均指 NGVH356-80-20A型號(hào)氣瓶.用三維造型軟件Pro/E建造的CNG氣瓶模型如圖1所示.

圖1 CNG氣瓶模型

東風(fēng)雪鐵龍富康出租車可分為兩廂車和三廂車.與兩廂出租車相比較,三廂出租車的后車箱開(kāi)口更小,氣瓶的運(yùn)動(dòng)受到后箱尺寸的制約更多,更難取出,因此,本設(shè)計(jì)以三廂出租車為考察對(duì)象,若設(shè)計(jì)的裝卸機(jī)械能將氣瓶從三廂車后箱中取出,則也必能輕易從兩廂出租車后箱中取出.下文中提到的出租車均指東風(fēng)雪鐵龍富康三廂車.

參照實(shí)際三廂出租車車型,用Pro/E建造的出租汽車模型如圖2所示.由于考察的對(duì)象是車后箱,因此模型中出租車后箱是按測(cè)得的實(shí)際尺寸建模,而模型其他部位的尺寸則是取近似粗略值得來(lái).

圖2 出租車模型

通過(guò)對(duì)氣瓶尺寸及出租車后箱開(kāi)口處尺寸的比較分析可知:在后開(kāi)口處,氣瓶長(zhǎng)度(L=1100mm)大于出租車后箱后開(kāi)口處的寬度(L3=880 mm),則氣瓶不能直接從出租車后箱后開(kāi)口處向后水平移出;氣瓶的直徑(D=370 mm)大于車后箱后開(kāi)口處的高度(L4=350mm),則水平平面內(nèi)的平移加旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)也無(wú)法使氣瓶進(jìn)出車后箱.在上開(kāi)口處,氣瓶的直徑(D=370mm)大于車后箱上開(kāi)口處的寬度(L2=280mm),則氣瓶不能直接從出租車后箱上開(kāi)口處向上移出,即使在豎直平面內(nèi)的平移加旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)也無(wú)法使氣瓶進(jìn)出車后箱.

因此,氣瓶不能從車后箱上開(kāi)口或后開(kāi)口中任意一單個(gè)開(kāi)口方向處進(jìn)出車后箱,要想將氣瓶從車后箱里面取出或?qū)⑵鋸耐饷娣湃?必須利用車后箱兩個(gè)開(kāi)口相交而增大的空間,使氣瓶在這個(gè)空間里運(yùn)動(dòng)才能使氣瓶進(jìn)出車后箱.將氣瓶從車后箱取出的過(guò)程中,氣瓶的運(yùn)動(dòng)情況可進(jìn)行如下分解:氣瓶先豎直上升脫離它的固定裝置,再水平后退,然后在水平平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),接著在豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)向后水平移動(dòng),至氣瓶移出車箱后再將其調(diào)至水平平衡狀態(tài).氣瓶在整個(gè)過(guò)程中作的是空間復(fù)合運(yùn)動(dòng),其中包括車后箱深度方向的水平移動(dòng)(H)及繞水平軸的旋轉(zhuǎn)(H-R)、車后箱高度方向的豎直移動(dòng)(V)及繞豎直軸的旋轉(zhuǎn)(VR),它的運(yùn)動(dòng)軌跡將是空間曲線.

1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)前面的分析可知,要想完成裝卸氣瓶的任務(wù),則所設(shè)計(jì)的CNG氣瓶裝卸機(jī)械必須能進(jìn)行 H、H-R、V、V-R這4個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動(dòng).故考慮將CNG氣瓶裝卸機(jī)械設(shè)計(jì)為,在一個(gè)升降小車上安裝一個(gè)機(jī)械抓手組成的裝卸小車,升降小車可完成水平移動(dòng)(H)和豎直升降(V),機(jī)械抓手含有2個(gè)可旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié),一個(gè)關(guān)節(jié)完成可完成繞水平軸的旋轉(zhuǎn)(H-R),另一個(gè)關(guān)節(jié)完成繞豎直軸的旋轉(zhuǎn)(V-R).

圖3 裝卸機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖

裝卸機(jī)械的機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示,圖中虛線mn左端部分屬于升降小車,也即是氣瓶裝卸機(jī)械的車體架,虛線mn右端部分屬于機(jī)械抓手.圖3中為一空間機(jī)構(gòu),共有10個(gè)構(gòu)件,其中構(gòu)件1(地面)為機(jī)架,其余活動(dòng)構(gòu)件2～10組成運(yùn)動(dòng)開(kāi)鏈.該機(jī)構(gòu)含有9個(gè)活動(dòng)構(gòu)件,9個(gè)低副,2個(gè)高副,存在著2個(gè)局部自由度,則 pl=9,ph=2,F′=2.由機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算式[4]:F=3n-(2pl+ph)-F′,算得該機(jī)構(gòu)的自由度為F=3×9-(2×9+2)-2=5,而該機(jī)構(gòu)中有5個(gè)原動(dòng)件(構(gòu)件 4、5、6、7、10),即機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)與原動(dòng)件數(shù)相等,故該機(jī)構(gòu)滿足機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件.圖3中,原動(dòng)件4的水平移動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)裝卸機(jī)械實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)(H),原動(dòng)件5的上下滑動(dòng)來(lái)帶動(dòng)右端機(jī)械抓手的豎直移動(dòng)(V),原動(dòng)件6繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械抓手繞豎直軸旋轉(zhuǎn)(V-R),原動(dòng)件7繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械抓手繞水平軸旋轉(zhuǎn)(H-R),原動(dòng)件10的上下移動(dòng)來(lái)帶動(dòng)構(gòu)件8繞I處軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣瓶的抓取.這樣該裝卸機(jī)械就具備了裝卸氣瓶所需的所有基本動(dòng)作.

2 CNG氣瓶裝卸機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用Pro/E建造的CNG氣瓶模型和出租車模型已在前面給出,分別如圖1、圖 2所示.根據(jù)圖 3所示的機(jī)構(gòu)原理,利用Pro/E的三維造型功能可將升降小車模型設(shè)計(jì)成如圖4所示形狀,將機(jī)械抓手模型設(shè)計(jì)成如圖5所示形狀.

圖4 升降小車結(jié)構(gòu)示意圖

在圖4中,推動(dòng)車把手,車輪的前后滾動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)車體架實(shí)現(xiàn)水平進(jìn)退(H);用腳踩動(dòng)操作踏板,液壓油進(jìn)入缸筒中可將液壓升降桿頂起,旋動(dòng)泄油閥將缸筒中的液壓油泄掉,可使液壓升降桿降下,因此升降桿在缸筒中油壓的作用下可實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)(V);滑動(dòng)連板通過(guò)鏈條連接到車體架上,因此液壓升降桿的上下移動(dòng)通過(guò)鏈條的傳遞可以帶動(dòng)滑動(dòng)連板在車體架上實(shí)現(xiàn)豎直升降運(yùn)動(dòng)(V).

圖5 機(jī)械抓手結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械抓手是本設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分,它直接與氣瓶接觸,除抓取氣瓶外,還要載著氣瓶完成所需的全部動(dòng)作.在圖5中,機(jī)械抓手(也簡(jiǎn)稱抓手)抓取氣瓶時(shí),先使壓臂向下壓緊氣瓶,這時(shí)由限位組件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖緊;從抓手中取出氣瓶時(shí),拉動(dòng)限位銷使其脫離限位組件中的限制,這時(shí)在復(fù)位彈簧的拉力作用下,壓臂被拉起放開(kāi)氣瓶.人工輔助下在水平面內(nèi)撥動(dòng)抓手座,可使抓手座繞主梁上的豎直軸套轉(zhuǎn)動(dòng)(V-R),在豎直平面內(nèi)撥動(dòng)抓手座,可使抓手座繞接頭上的水平軸套轉(zhuǎn)動(dòng)(H-R).

將設(shè)計(jì)的機(jī)械抓手通過(guò)螺栓螺母連接到升降小車的滑動(dòng)連板上,這就形成整個(gè)氣瓶裝卸機(jī)械,它能實(shí)現(xiàn)對(duì)氣瓶進(jìn)行抓取和裝卸任務(wù).裝卸機(jī)械整體組裝后抓取氣瓶的效果示意圖如圖6所示.利用Pro/E直觀的三維視圖及運(yùn)動(dòng)分析功能對(duì)裝卸機(jī)械在車后箱中裝卸氣瓶的過(guò)程進(jìn)行模擬,其裝卸效果示意圖如圖7所示.通過(guò)模擬裝卸來(lái)分析結(jié)構(gòu)的干涉情況,找出干涉位置,然后通過(guò)調(diào)整裝卸機(jī)械的相關(guān)尺寸來(lái)消除結(jié)構(gòu)上的干涉.

圖6 裝卸機(jī)械抓取氣瓶示意圖

圖7 裝卸機(jī)械在車后箱中的裝卸示意圖

另外,考慮到壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶的外圍環(huán)繞的是環(huán)氧樹(shù)脂,在實(shí)際制作車用CNG氣瓶裝卸機(jī)械時(shí),為了防止機(jī)械抓手抓取氣瓶時(shí)對(duì)氣瓶產(chǎn)生摩擦損傷,在整體組裝后,還應(yīng)在抓手座、壓臂等與氣瓶接觸的地方加貼一層天然橡膠片.

3 CNG氣瓶裝卸機(jī)械裝卸過(guò)程

車用CNG氣瓶裝卸機(jī)械(簡(jiǎn)稱裝卸車)的裝卸作業(yè)分為兩個(gè)過(guò)程[5]:1)卸下出租車后車箱中待檢的CNG氣瓶;2)放入檢驗(yàn)合格的CNG氣瓶.它們基本上是兩個(gè)互逆的過(guò)程,這里就只介紹卸下CNG氣瓶的過(guò)程.

卸下待檢的CNG氣瓶的作業(yè)過(guò)程如下:操作工人推著裝卸車靠近汽車后箱,使機(jī)械抓手的抓手座部分處于汽車后箱的正上方,旋動(dòng)車體架上的泄油閥,降下機(jī)械抓手使抓手座落在汽車后箱中,然后推動(dòng)裝卸車向前使氣瓶進(jìn)入機(jī)械抓手的抓手座中,向下壓動(dòng)壓臂將氣瓶壓緊,由限位組件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖緊,從而完成機(jī)械抓手抓取氣瓶動(dòng)作;踩動(dòng)車體架上的操作踏板,將機(jī)械抓手升起一段距離而使氣瓶離開(kāi)氣瓶固定裝置,慢慢向后拉動(dòng)裝卸車一段距離,然后由工人輔助下在水平平面內(nèi)扳動(dòng)抓手座或氣瓶,使其先繞主梁處關(guān)節(jié)水平旋轉(zhuǎn)一定角度,再繞接頭處關(guān)節(jié)豎直旋轉(zhuǎn)一定角度,然后向后拉動(dòng)車體的同時(shí)緩慢將機(jī)械抓手升高,直至氣瓶完全離開(kāi)汽車后箱,再在人工輔助下回旋使氣瓶恢復(fù)水平平衡狀態(tài),從而最終完成卸下CNG氣瓶作業(yè).

4 結(jié) 論

本文介紹的車用CNG氣瓶裝卸機(jī)械能完成抓取氣瓶,且能帶著氣瓶進(jìn)行水平進(jìn)退、豎直升降、水平旋轉(zhuǎn)、豎直翻轉(zhuǎn)這四個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)從出租車后箱中裝卸和搬運(yùn)CNG氣瓶.從理論上看,該機(jī)械能解決人力裝卸搬運(yùn)氣瓶費(fèi)力的問(wèn)題,避免人力操作不慎致使氣瓶落地引起的危險(xiǎn)事故,而且它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作較容易,體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)適用的設(shè)計(jì)理念,因此,它具有較好的推廣使用前景.

[1］周怡沛,周志斌.中國(guó)CNG汽車市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)與策略[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì),2009(10):44-48.

[1］TSG R0004-2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[3］GB 19533-2004.汽車用壓縮天然氣鋼瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定[S].

[4］孫 桓,陳作模.機(jī)械原理[M].第 6版.北京:高等教育出版社,2001:19-28.

[5］譚春祿,仲元昌,李 飛,等.CNG汽車氣瓶自動(dòng)裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2008,31(12):1405-1409.