met Mechanical Engineering and Technology 2167-6631 2167-6623 beplay体育官网网页版等您来挑战！ 10.12677/met.2024.135056 met-98969 Articles 工程技术 滤袋弹性圆环弹力检测与圆环拆卸一体化装置设计与试验
Design and Experiment of Elastic Force Detection and Disassembly Integration Equipment for Elastic Ring of Dust Filter Bag
周鹏鹏 孙润富 迟德霞 王双全 鲁灵捷 杜洋洋 景钎时 辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁 抚顺 27 09 2024 13 05 482 490 28 9 ：2024 21 9 ：2024 21 10 ：2024 Copyright © 2024 beplay安卓登录 All rights reserved. 2024 This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ 针对滤袋弹性圆环的弹力检测由人工经验评价和人工拆卸已检圆环劳动强度大等问题，设计了一种滤袋弹性圆环弹力检测与圆环拆卸一体化装置。首先测试了滤袋弹性圆环约束状态下受径向压力下的弹力和变形量，提出了滤袋弹性圆环弹力检测与圆环拆卸装置原理，其次开展结构设计和样机试制、组装、调试。用本研究开发的装置开展了滤袋弹性圆环弹力检测与圆环拆卸因素影响试验，结果表明拆卸机构的主气缸推压深度、拆卸气缸推压位置、拆卸气缸推力分别为90 mm、b、80 N时能够成功拆卸滤袋弹性圆环。
To address issues such as the high labor intensity of manual evaluation and disassembly of the elastic rings used in dust filter bags, we designed elastic force detection and disassembly integration equipment for an elastic ring of the dust filter bag. First, we tested the elasticity and deformation of the elastic rings under radial pressure in a constrained state. We then proposed the working principle of the equipment for elasticity testing and ring disassembly. Subsequently, we conducted structural design, prototype fabrication, assembly, and debugging. Utilizing the equipment developed in this study, we performed experiments to investigate the factors affecting both the elasticity testing of the elastic rings and the disassembly process. The results indicated that the main cylinder’s push depth, push position, and push force of the disassembly cylinder, set at 90 mm, b, and 80 N, respectively, successfully enabled the disassembly of the dust filter bag’s elastic rings.
弹性圆环，径向弹力，除尘滤袋，压力检测，拆卸机构
Elastic Ring
Radial Elastic Force Dust Filter Bag Force Detection Disassembly Equipment 1. 引言

除尘滤袋是袋式除尘器的核心部件，是由纺织而成的滤布或非纺织而成的毡制成。如 图1 ，滤袋胀圈是由一个弹性圆环3 (即滤袋弹性圆环)和一个有表面凹槽的橡胶套4组合而成，滤袋胀圈的弹力把除尘滤袋袋口径向压紧在袋式除尘器花板1圆孔中，起到固定除尘滤袋的功能。此外，除尘滤袋口与除尘器花板圆孔的密封，是通过与滤袋弹性圆环直径相同的花板圆孔过盈配合时产生的弹力，将滤袋袋口2径向压在花板1圆孔形成。滤袋袋口与花板圆孔之间密封不良会降低除尘效率，因此滤袋弹性圆环的弹力大小对滤袋与花板之间密封有重要意义。滤袋弹性圆环的张力检测和拆卸工作均是由人工完成，首先将弹性圆环安装进花板圆孔中，再用手沿花板孔圆周方向转动弹性圆环，凭借操作人员感知到的摩擦力判断弹性圆环弹力是否合格；存在弹性圆环弹力检测结果不能定量表达、完全凭工人的经验等问题。当拆卸已检弹性圆环弹力，需要人工施加约200 N的力将弹性圆环压成凹型后取出，存在劳动强度大、工人不能长时间操作等问题。

刘冬基于塑性铰坍塌模型分析了径向荷载与位移的理论表达式，对压头形状、尺寸及加载方式等因素对圆管截面塑性变形规律及吸能特性的影响进行了试验 [1] 。焦光伟运用塑性变形理论和虚功原理，建立了一个受均匀径向载荷作用下的管道挤压变形模型，并使用钢管进行实验得到了管道挤压的载荷–位移曲线 [2] 。祝效华等建立了考虑材料非线性的数值模型，分析了海洋柔性管骨架层在径向夹持载荷作用下的力学特性 [3] 。汤明刚基于有限元分析方法研究了海洋柔性管道互锁型骨架层由于外部静水压力可能引起的压溃失效问题 [4] 。王彩山基于有限元数值分析方法分析海洋柔性管道互锁型骨架层在径向压缩载荷作用下骨架层的力学行为，开展了骨架层试件的径向压缩试验 [5] 。杨玉亮等分别采用数值建模叠加法和拉格朗日法，建立了圆环在自由状态和约束状态下运动情况的数学方程式 [6] 。Lawrence N. Virgin等通过对铝合金圆环与某一刚性对象的横向撞击进行了深入的研 [7] 。Narinder Kumar Gupta研究了不同的尺寸大小和不同的边界条件的圆形薄壁结构处于不同特征和不同冲击载荷下的大变形问题 [8] 。Guangzhao Han等人提出了一种圆环构件弹性模量、应力应变关系、屈服强度和拉伸强度的实验测量方法 [9] 。Ya-Pu Zhao研究了圆弧形状的金属薄壁圆环静态压缩问题 [10] 。

国内外学者关于圆环承受径向压力的研究主要从试验与数值分析两方面开展，取得了较多的研究结果，但是对除尘滤袋弹性圆环约束状态下受径向压力及变形的研究报道不多。本文拟先开展除尘滤袋弹性圆环约束状态下受径向压力及变形试验，设计一种滤袋弹性圆环压力检测与弹性圆环拆卸装置，再开展该装置的运行参数优化试验。

Figure 1. Installation structure diagram of filter bag mouth--图1. 滤袋袋口安装结构示意图-- 2. 滤袋弹性圆环弹力检测与圆环拆卸装置结构设计 2.1. 滤袋弹性圆环弹力检测与圆环拆卸原理

图2. 滤袋弹性圆环弹力检测与圆环拆卸原理

滤袋弹性圆环弹检测原理如 图2(a) ，首先由操作人员将已安装了滤袋弹性圆环的花板放于施力元件主气缸推头下，夹紧气缸5夹紧花板3。主气缸推头推压滤袋弹性圆环4使其发生较大形变，此时滤袋弹性圆环4呈“凹”型，如 图2(b) 。滤袋弹性圆环在变形过程中会产生一定的弹力，该弹力作用于安装在压力检测机构底板的压力传感器2，压力传感器检测滤袋弹性圆环的弹力。

滤袋弹性圆环拆卸工作原理如 图2(b) ，滤袋弹性圆环弹力检测完成后，滤袋弹性圆环2呈“凹”型；拆卸气缸施加力F0冲击“凹”型滤袋弹性圆环的边缘，使得滤袋弹性圆环脱离主气缸推头，此时滤袋弹性圆环会因变形产生的弹性势能而弹出花板孔，完成滤袋弹性圆环拆卸。

 2.2. 滤袋弹性圆环径向压力和径向变形量试验

采用YG026H型多功能电子织物强力机检测花板圆孔约束状态下滤袋弹性圆环弹力。取直径为125 mm、145 mm、155 mm的碳钢和不锈钢两种成品滤袋弹性圆环各五个，测试花板圆孔约束状态下滤袋弹性圆环弹力。

Figure 3. Column diagram of maximum radial elastic force and deformation of bag elastic ring--图3. 袋弹性圆环最大径向弹力和变形量柱状图--

由 图3 可知，直径为125 mm、145 mm、155 mm的碳钢滤袋弹性圆环在花板圆孔约束状态下的最大径向弹力分别为220.8 N、185.6 N、157.4 N，产生最大径向弹力时的径向压缩量分别为18.4 mm、16.6 mm、13.6 mm；直径为125 mm、145 mm、155 mm的不锈钢滤袋弹性圆环在花板圆孔约束状态下的最大径向弹力分别为199.7 N、196.7.63 N、172.9 N，产生最大径向弹力时的径向压缩量分别为18.8 mm、17.1 mm、13.6 mm [10] ；滤袋弹性圆环弹力极大值如 图3 ，该参数值是装置设计的主要参数。

 2.3. 滤袋弹性圆环压力检测与弹性圆环拆卸装置总体设计

滤袋弹性圆环压力检测与弹性圆环拆卸装置是一种集成了滤袋弹性圆环压力检测和圆环拆卸功能的自动化装置，由弹性圆环弹力检测机构、由弹性圆环拆卸机构、拆卸气缸平面导轨机构、花板夹紧机构、电控系统、气动系统以及机架平台等部分组成。

Figure 4. Filter bag elastic ring pressure detection mechanism--图4. 滤袋弹性圆环压力检测机构--

如 图4 ，弹性圆环压力检测机构主要由压力传感器上顶板、压力传感器下底板、两块压力传感器、四块压力传感器垫板及螺栓组成。压力传感器下底板通过四个螺栓和机架底板上滑槽固定连接，对滤袋弹性圆环压力检测机构起到了固定作用。

如 图5 ，滤袋弹性圆环拆卸机构由拆卸气缸、拆卸气缸固定板、SBR圆柱导轨与SBR滑块组、SGR直线导轨与SGR滑块组、平面导轨平台板、支撑板、四个单衬直线轴承组成。拆卸气缸端部安装冲头，用以拆卸弹性圆环；不同形状、尺寸的拆卸推头可在滑槽内左右自由移动和旋转，可针对不同变形量的滤袋弹性圆环随时进行调整，通过四个螺钉可对拆卸推头进行锁定。拆卸气缸通过拆卸气缸固定板安装在四个SBR圆柱导轨滑块上，四个圆柱导轨滑块以正方形阵列安装在两根圆柱导轨上，实现X轴方向移动并停驻在任意位置。圆柱导轨安装在两个SGB直线导轨滑块，SGB直线导轨滑块在两根平行的SGR直线导轨上，实现Y轴方向移动并停驻在任意位置。SGB直线导轨用螺栓安装在支撑板上，支撑板的四角装有直线轴承，四个直线轴承可以帮助拆卸气缸平面导轨平台实现Z轴方向移动并停在Z轴上的任意位置。

Figure 5. Disassembly of cylinder plane guide rail mechanism--图5. 拆卸气缸平面导轨机构-- 1. 花板，2. 花板移动挡板，3. 夹紧气缸，4. 花板夹紧固定底板，5. 花板固定挡板，6. 滤袋弹性圆环--Figure 6. Filter bag elastic annular plate clamping mechanism--

如 图6 ，该机构由花板移动挡板、花板固定挡板、夹紧气缸、花板夹紧固定底板及连接件组成。花板固定挡板和夹紧气缸安装在花板夹紧固定底板上，花板移动挡板安装在夹紧气缸推杆上，而装有滤袋弹性圆环的花板被花板移动挡板和花板固定挡板夹紧 [11] 。

传感器受到滤袋弹性圆环向下作用时，弹性测点就会出现微小变形，附着在弹性测点上的弹性应变片也会出现微小变形，影响到电桥的电阻值，从而形成压差信号，经A/D转换电路将滤波后的电压信号转换成可利用的数字信号。

本文采用纳威克(NVK) KA2高精度称重传感器，该传感器工作稳定、精度较高的单点式压力传感器，灵敏度为2.0 ± 0.2% m V/V，量程为0~60 KG，能够满足于大多数工作场合。

设计完成的滤袋弹性圆环弹力检测与弹性圆环拆卸装置总体结构如 图7(a) 。零件加工与采购后，组装试验样机装配与调试，对压力传感器进行标定，连接显示仪表以及供电设备接线。滤袋弹性圆环压力检测与弹性圆环拆卸装置实物如 图7(b) ，经调试该样机能够运行，进行空载试验可以正常工作。

图7. 滤袋弹性圆环压力检测与弹性圆环拆卸装置

 3. 滤袋弹性圆环弹力检测与圆环拆卸试验 3.1. 压力传感器标定试验

在进行滤袋弹性圆环拆卸与压力检测装置性能测试之前，对滤袋弹性圆环压力检测机构电阻应变片式传感器进行标定，得到相应电压值所对应的弹性圆环压力大小。在标定试验中，将花板夹紧机构和弹性圆环压力检测机构顶板做整体标定，标定结果如 图8 。

Figure 8. The relationship curve between the pressure sensor voltage and the load--图8. 压力传感器电压与负载的关系曲线--

得到滤袋弹性圆环压力检测机构的输出电压(y)与负载(x)的关系曲线，用MATLAB对试验数据进行拟合，函数关系为y = 0.016x – 0.5646，R2为0.988。

 3.2. 滤袋弹性圆环弹力检测试验

选取材料为60钢的滤袋弹性圆环为试件，采用滤袋弹性圆环压力检测装置做压力检测试验。制备直径为220 mm，宽度为30 mm，厚度为0.5 mm的滤袋弹性圆环。用数据采集卡和显示仪表记录滤袋弹性圆环弹力–位移值，结果如 表1 。

<xref></xref>Table 1. Relative deviation of test results in two waysTable 1. Relative deviation of test results in two ways 表1. 两种方式测试结果相对偏差

弹性圆环径向压缩量L/mm

数据采集卡测试值N

仪表显示值N

偏差/%

10

154.66

156.32

1.07

20

77.23

78.47

1.61

30

62.31

64.57

3.63

40

55.12

56.33

2.20

50

50.88

52.68

3.54

60

49.64

50.24

1.21

70

48.45

49.86

2.91

80

48.18

49.52

2.78

使用滤袋表条压力检测装置测得的滤袋表条压力最大偏差百分比为3.63%，最小偏差百分比为1.07%，平均偏差百分比为2.37%。说明滤袋弹性圆环弹力检测装置有较高的准确性，满足工程应用要求。

 3.3. 滤袋弹性圆环拆卸机构性能参数试验

由滤袋弹性圆环拆卸机构工作原理分析和初步试验，确定主气缸推压深度x1、拆卸气缸推压位置x2 (如 图9 所示)、拆卸气缸推力x3、拆卸气缸推头速度x4、拆卸气缸和滤袋弹性圆环之间的初始距离x5等因素对拆卸效果可能有影响，选取这五个因素为试验因素，各因素水平如 表2 所示，开展单因素试验。

Figure 9. Filter bag elastic ring disassembly mechanism push pressure position diagram--图9. 滤袋弹性圆环拆卸机构推压位置示意图--

<xref></xref>Table2. Single factor test factor level coding tableTable2. Single factor test factor level coding table 表2. 单因素试验因素水平编码表

试验因素

序号

主气缸推压深度x1/(mm)

拆卸气缸推压位置x2

拆卸气缸推力x3/(N)

拆卸气缸速度x4/(mm/s)

初始距离x5/(mm)

1

30

a

20

50

10

2

60

b

40

100

30

3

90

c

60

150

50

4

120

80

200

70

5

150

100

250

90
3.4. 滤袋弹性圆环拆卸机构性能参数试验结果与分析

拆卸气缸推压位置为b、拆卸气缸推力为60 N、拆卸气缸速度为150 mm/s、拆卸气缸和滤袋弹性圆环之间的初始距离为50 mm时，主气缸推压深度对可拆卸指数的方差分析F的统计量为3.565，显著性水平为0.023，说明主气缸推压深度对拆卸效果有影响；主气缸推压深度在90 mm时，拆卸效果最佳。

主气缸推压深度为90 mm、拆卸气缸推力为60 N、拆卸气缸速度为150 mm/s、拆卸气缸和滤袋弹性圆环之间的初始距离为50 mm时，拆卸气缸推压位置对可拆卸指数方差分析F的统计量为15.043，显著性水平约为0，拆卸气缸推压位置对拆卸效果有影响。当拆卸气缸推压位置在a时，拆卸效果最差；拆卸气缸推压位置在b时，拆卸效果最佳。

主气缸推压深度为90 mm、拆卸气缸推压位置为b、拆卸气缸速度为150 mm/s、拆卸气缸和滤袋弹性圆环之间的初始距离为50 mm时，拆卸气缸推力对可拆卸指数的方差分析F的统计量为214.212，显著性水平约为0，拆卸气缸推力对拆卸效果有影响。拆卸气缸推力为80N时拆卸效果最佳。

卸气缸速度和初始距离对可拆卸指数的方差分析结果，F的统计量分别为0.312和1.694，显著性水平分别为0.869和0.168。说明这两个因素对拆卸效果影响不显著。

 4. 结论

1) 开展了除尘滤袋弹性圆环约束状态下受径向压力及变形试验，滤袋弹性圆环约束状态下径向弹力最大值约为200 N，产生最大径向弹力时的径向压缩量为20 mm。

2) 设计了一种滤袋弹性圆环压力检测与弹性圆环拆卸一体化装置，对组成该装置的弹性圆环压力检测机构、弹性圆环拆卸机构、拆卸气缸平面导轨机构、花板夹紧机构进行了结构设计，并设计了电控系统、气动系统等。

3) 确定了对滤袋弹性圆环拆卸机构的影响因素，开展了滤袋弹性圆环拆卸试验，结果表明：主气缸推压深度、拆卸气缸推压位置、拆卸气缸推力对拆卸效果有显著影响，其值分别为90 mm、b、80 N时拆卸效果最佳；拆卸气缸推头速度、拆卸气缸和滤袋弹性圆环之间的初始距离对拆卸效果没有显著影响。

 基金项目

辽宁省教育厅高校基本科研项目(202210148037)。2023年大学生创新创业训练计划立项项目(202310148005)。

 NOTES

*通讯作者。

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