任豐蘭，姚 星

（1.常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000；2.中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410003）

0 引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)，工程機(jī)械又是制造業(yè)的一個(gè)非常重要的領(lǐng)域。工程機(jī)械產(chǎn)品的制造消耗了較多的資源和能源[1]，對(duì)很多已經(jīng)超過(guò)使用年限或型號(hào)老齡化的設(shè)備，如果繼續(xù)使用，將會(huì)造成環(huán)境的污染，隨著人類對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，大量的工程機(jī)械將面臨報(bào)廢的危險(xiǎn)。由于自然資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)與消耗，導(dǎo)致全球性的資源短缺，為此，人們提出對(duì)報(bào)廢產(chǎn)品進(jìn)行回收的理念[2]，希望從源頭上遏制環(huán)境污染，節(jié)約資源與能源。如何將淘汰或廢棄的工程機(jī)械進(jìn)行回收利用，已成為工程機(jī)械設(shè)計(jì)者們所關(guān)心的問(wèn)題。而傳統(tǒng)的工業(yè)模式采用的是資源-產(chǎn)品-廢物模式[3]，缺乏回收利用的理念，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)；以往的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也缺乏考慮產(chǎn)品的回收利用，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品在報(bào)廢后拆卸較困難，又缺乏相應(yīng)的拆卸思維、拆卸工具和拆卸方法，增加了產(chǎn)品回收的成本，影響了報(bào)廢后產(chǎn)品的利用[4]?；诖?，提出了面向某工程機(jī)械液壓缸的拆卸設(shè)計(jì)，它以某工程機(jī)械的液壓缸為例，遵循易于拆卸、簡(jiǎn)化產(chǎn)品功能等準(zhǔn)則，從零件拆卸的自由度和可行性分析出發(fā)，對(duì)液壓缸拆卸路徑、拆卸工具和拆卸方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)、分析，并從拆卸的角度給設(shè)計(jì)者提供一些設(shè)計(jì)理念，使產(chǎn)品在滿足性能與功能的前提下改進(jìn)產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，使其易于拆卸與回收，讓拆卸分離操作變得簡(jiǎn)單、快捷，讓拆下的零部件易于手工自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的回收利用，實(shí)現(xiàn)生態(tài)工業(yè)和可持續(xù)發(fā)展[5]。

1 拆卸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 采用易于拆卸準(zhǔn)則

產(chǎn)品的裝配是靠各零件之間進(jìn)行連接而成，而產(chǎn)品拆卸的快慢很大程度上與連接方法（緊固方法）有關(guān)，不同的連接方法對(duì)拆卸的影響也大不相同。例如，拆卸鍵連接通常比拆卸普通的螺紋連接花費(fèi)3～10倍的時(shí)間。因此，在選擇連接方式時(shí)，保證其功能和強(qiáng)度等前提下，盡可能采用易拆卸的連接方式，盡可能減少緊固件的數(shù)量并統(tǒng)一緊固件的類型。

1.2 簡(jiǎn)化產(chǎn)品功能準(zhǔn)則

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的今天，企業(yè)為了滿足購(gòu)物者的需要，產(chǎn)品能力愈來(lái)愈強(qiáng)大。然而，產(chǎn)品功能的綜合也導(dǎo)致了產(chǎn)品組成的復(fù)雜性，使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上只注重了功能的多樣化，而在最開(kāi)始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上忽略了未來(lái)產(chǎn)品報(bào)廢之后的回收利用。因此，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，只要能滿足產(chǎn)品的基本要求，就應(yīng)該盡可能的簡(jiǎn)化一些不必要的功能。這不僅可以提升功能的平穩(wěn)性，而且可以有效地減少零件的數(shù)量，這對(duì)以后產(chǎn)品的裝配、維修、拆卸以及報(bào)廢后的回收都非常有利。

1.3 材料類型相關(guān)準(zhǔn)則

盡可能采用相關(guān)的材料類型，產(chǎn)品的回收是按材料類型進(jìn)行回收的，如果設(shè)備采用的材料種類越少，拆卸和分類就越簡(jiǎn)單。按材料拆卸和回收時(shí)，如果構(gòu)件的材料相同，則構(gòu)件可以不拆卸回收。

2 零件拆卸的自由度和可行性分析

2.1 鄰接約束矩陣

通常采用鄰接約束矩陣表達(dá)子裝配體里面零件之間的連接關(guān)系[6]，如鄰接約束矩陣M，假設(shè)裝配體第k（k=l，2，3，…，n）層有n（n=1，2，3，…）Mkij=[mij]個(gè)零件，則表示為：

其中Mij的值定義如下：

由定義可知，鄰接約束矩陣有如下特點(diǎn)：

（1）Mij為對(duì)稱矩陣。

（2）Mkij第i行向量的模表示示第k層所受其他零件約束的和，同時(shí)也表示有多個(gè)零件與第i個(gè)零件存在約束關(guān)系。

（3）第k層第j個(gè)零件對(duì)其他零件的限制情況用鄰接約束矩陣Mkij第j列向量的模表示。

2.2 零件拆卸的自由度和可行性分析

在空間中零件都有沿X、Y和Z方向的運(yùn)動(dòng)和繞X、Y和Z方向的旋轉(zhuǎn)的6個(gè)自由度。因此，零件的約束也可以從這6個(gè)方向進(jìn)行，零件拆卸的可能幾何方向和可行性也可以從6個(gè)約束間接地得出，而采用約束度和約束矩陣更準(zhǔn)確地得到拆卸的可行性。約束度與自由度概念相反，它表示的是拆卸過(guò)程中其他零件對(duì)目標(biāo)零件沿某一方向的拆卸運(yùn)動(dòng)的約束，常用0和1表示，0表示有其他零件在某一方向約束目標(biāo)拆卸零件。當(dāng)其值為1時(shí)，表示沒(méi)有零件約束它，因此零件在空間中約束度，表示為：（TX，TY，TZ，RX，RY，RZ）

其中T、R各自是代表移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，X、Y、Z各自代表3個(gè)坐標(biāo)軸方位。為了更準(zhǔn)確地表示零件的約束度，將Tx分為沿x軸正向的T+x和沿x軸負(fù)向的T-x，類似這樣可以得到12個(gè)半約束度，（TX，TY，TZ，RX，RY，RZ）則變?yōu)椋?/p>

為了方便起見(jiàn)，12個(gè)數(shù)據(jù)可以用3×4的矩陣來(lái)描述，稱之為兩個(gè)部分之間的約束關(guān)系矩陣。例如，零件i相對(duì)于零件j的約束關(guān)系矩陣RMi-j表示為：

根據(jù)約束關(guān)系矩陣的性質(zhì)可得，零件j相對(duì)于零件i的約束關(guān)系矩陣RMj-i，即為RMi-j的對(duì)稱矩陣。

對(duì)于以上制約矩陣RMi-j，僅當(dāng)6個(gè)移動(dòng)半約束元素中至少有一個(gè)為1時(shí)，零件才被視為可拆卸的。

以簡(jiǎn)單裝配體（兩個(gè)零件組成）為例，如圖1所示，它由兩個(gè)零件X1、X2組成，則X2的制約矩陣矩陣RM2-1為：

圖1 簡(jiǎn)單的裝配體

從式（2）可以判斷的出來(lái)X2是可以拆卸的。

3 拆卸思維及其步驟

產(chǎn)品拆卸流程的含義就相當(dāng)于是一層層減少產(chǎn)品中的約束數(shù)量，去除零件在產(chǎn)品間約束聯(lián)系的流程，所以只要拆掉了一個(gè)零件，整個(gè)拆卸的過(guò)程中都應(yīng)該使產(chǎn)品的約束項(xiàng)目降低，通過(guò)了解鄰接矩陣Mk的物理意義，當(dāng)拆除零件i后應(yīng)該要讓零件i所對(duì)應(yīng)的行和列變?yōu)榱鉡7]。

3.1 拆卸思維

（1）由鄰接約束矩陣的含義知，|Ri|的值代表了另外的零件對(duì)第i個(gè)零件的約束狀況，零件i的限制度最小，自由度最大時(shí)，|Ri|表明了零件i在這個(gè)構(gòu)件里面只收到了來(lái)自一個(gè)方向或一個(gè)零件的約束，通過(guò)上面的的分析可以得到此條拆卸原則：當(dāng)在計(jì)算鄰接矩陣Mk個(gè)行的模時(shí)，算法得知該要最先拆卸|Ri|的值最小的那一行所相應(yīng)的零件，即|Ri|=1的行，要是沒(méi)有，那么就拆卸|Ri|=2的行所對(duì)應(yīng)零件[8]。

（2）通常狀況下要求只需要拆卸掉|Ri|≤2所相應(yīng)的零件，根據(jù)多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以得到，如果實(shí)際中出現(xiàn)了|Ri|＞2情況時(shí)，把他拆卸掉的話，最后的到矛盾的解的結(jié)果會(huì)大大增加。

（3）指定拆卸基礎(chǔ)件。

（4）如有必要，可手動(dòng)指定某些零件的拆卸順序。

（5）同一類型或?qū)ΨQ排列的零件可視為一個(gè)零件，可同時(shí)拆下（部分需人工指定）

3.2 拆卸序列生成步驟

拆卸序列生成步驟，如圖2所示。

圖2 拆卸序列生成步驟

4 某工程機(jī)械液壓缸的拆卸設(shè)計(jì)

4.1 拆卸模型建立

建立某工程機(jī)械液壓缸總體裝配如圖3所示。

圖3 液壓油缸總裝圖

4.2 拆卸自由度分析

在知道總體零件之后，要對(duì)零件進(jìn)行分層分類進(jìn)行拆解，依次對(duì)零件進(jìn)行自由度分析，歸類零件。

由自由度原理分析可知零件1不可拆卸。

由自由度原理分析可知零件2可拆卸。

由自由度原理分析可知零件3可拆卸，類似，把零件4～16都進(jìn)行分析。

4.3 拆卸模型的分層

由上自由度分析可得總裝配體可以分為以下幾個(gè)部分：S1缸體、S2缸蓋總成、S3固定軸套和S4壓注油，總分層如圖4所示。

圖4 總分層圖

根據(jù)S1缸體、S2缸杠總成、S3固定軸套、S4壓注油桿之間的連接關(guān)系，指定S2缸杠總成為基礎(chǔ)件，建立第一層網(wǎng)絡(luò)連接，如圖5所示。

圖5 液壓油缸第一層網(wǎng)絡(luò)連接

由圖6可知各個(gè)產(chǎn)品的連接關(guān)系，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)連接圖形成網(wǎng)絡(luò)圖的第一層如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)化后的液壓油缸第一層網(wǎng)絡(luò)連接

根據(jù)K1活塞桿總成、K2六角螺母、K3活塞1總成、K4活塞二總成、K5缸蓋總成之間的連接關(guān)系，指定K5缸蓋總成為基礎(chǔ)件，建立第二層網(wǎng)絡(luò)連接，如圖7所示。

圖7 缸桿總成網(wǎng)絡(luò)連接

由圖7可知各個(gè)產(chǎn)品的連接關(guān)系，K2六角螺母為連接件，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接圖原理，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)連接圖去掉連接件，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)連接圖形成網(wǎng)絡(luò)圖的第二層如圖8所示。

圖8 簡(jiǎn)化后的缸桿總成網(wǎng)絡(luò)連接

4.4 生成拆卸序列

根據(jù)第一層裝配體S1缸體，S2缸杠總成，S3固定軸套，S4壓注油桿之間的約束關(guān)系可得其對(duì)應(yīng)鄰接約束矩陣M1：

由M1可知[R1]=1，[R3]=1，[R4]=1，根據(jù)拆卸原則，先拆掉零件S1、S3、S4，由于零件2為基礎(chǔ)件，根據(jù)拆卸原則基礎(chǔ)件最后拆卸，最后可得M1=0。所以產(chǎn)品第一層的拆卸序列為S1/S3/S4＞S2（''/''表示或的關(guān)系，意思是先拆誰(shuí)都可以，''＞''表示符號(hào)左邊要比符號(hào)右邊先行拆掉）。

同理第二層最終的拆卸序列為：K2＞K3/K4＞K1＞K5，K1活塞桿總成由活塞桿1，O型密封圈15，因?yàn)榛钊麠U總成只有兩個(gè)零件組成，根據(jù)拆卸原則可得拆卸序列為1/15，K3活塞桿1總成由10活塞1，密封圈9，O型密封圈8，非金屬導(dǎo)向環(huán)7，YX型密封圈6組成，鄰接約束矩陣為：

根據(jù)拆卸的原理，先行拆掉YX型密封圈6，非金屬導(dǎo)向環(huán)7，O型密封圈8，密封圈9，能得到：M=0，所以拆卸序列為：6/7/8/9＞10。K4活塞2總成由13YX型孔用密封圈1，14YX型孔用密封圈2；12活塞2組成，其拆卸序列為：13/14＞12，K5的拆卸序列為4/5，最后得到液壓油缸的拆卸序列為：

11/23＞[16＞（6/7/8/9＞10）/（13/14＞12）＞（1/15）＞（4/5）]

5 結(jié)束語(yǔ)

工程機(jī)械產(chǎn)品是制造業(yè)的重要組成部分，文章以拆卸的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、零件拆卸的自由度和可行性以及拆卸的思維和步驟等理論為基礎(chǔ)，以某工程機(jī)械的液壓缸的拆卸為例，建立了拆卸模型，采用了約束度和約束矩陣的方法對(duì)液壓缸拆卸的自由度進(jìn)行了分析與計(jì)算，進(jìn)行了拆卸設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)為某工程機(jī)械的液壓缸的拆卸提供拆卸路徑、拆卸工具和拆卸方法；并從拆卸的角度給液壓缸的設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)理念，使產(chǎn)品在滿足性能與功能的前提下改進(jìn)產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，并盡可能降低產(chǎn)品的拆卸成本和總成本，減少對(duì)廢棄產(chǎn)品進(jìn)行回收處理時(shí)零部件的重用和材料回收的工作量；讓某工程機(jī)械的液壓缸的拆卸有跡可循，提高了拆卸效率，降低了回收費(fèi)用，提高了資源的再生和利用率。