任丰兰，姚 星

（1.常德职业技术学院，湖南 常德 415000；2.中南大学，长沙 410003）

0 引言

制造业是国民经济最重要的支柱产业，工程机械又是制造业的一个非常重要的领域。工程机械产品的制造消耗了较多的资源和能源[1]，对很多已经超过使用年限或型号老龄化的设备，如果继续使用，将会造成环境的污染，随着人类对生态环境保护越来越重视，大量的工程机械将面临报废的危险。由于自然资源的过度开发与消耗，导致全球性的资源短缺，为此，人们提出对报废产品进行回收的理念[2]，希望从源头上遏制环境污染，节约资源与能源。如何将淘汰或废弃的工程机械进行回收利用，已成为工程机械设计者们所关心的问题。而传统的工业模式采用的是资源-产品-废物模式[3]，缺乏回收利用的理念，导致资源的浪费；以往的产品设计，也缺乏考虑产品的回收利用，导致设计出来的产品在报废后拆卸较困难，又缺乏相应的拆卸思维、拆卸工具和拆卸方法，增加了产品回收的成本，影响了报废后产品的利用[4]。基于此，提出了面向某工程机械液压缸的拆卸设计，它以某工程机械的液压缸为例，遵循易于拆卸、简化产品功能等准则，从零件拆卸的自由度和可行性分析出发，对液压缸拆卸路径、拆卸工具和拆卸方法进行了设计、分析，并从拆卸的角度给设计者提供一些设计理念，使产品在满足性能与功能的前提下改进产品的装配结构，使其易于拆卸与回收，让拆卸分离操作变得简单、快捷，让拆下的零部件易于手工自动处理，实现产品的回收利用，实现生态工业和可持续发展[5]。

1 拆卸设计准则

1.1 采用易于拆卸准则

产品的装配是靠各零件之间进行连接而成，而产品拆卸的快慢很大程度上与连接方法（紧固方法）有关，不同的连接方法对拆卸的影响也大不相同。例如，拆卸键连接通常比拆卸普通的螺纹连接花费3～10倍的时间。因此，在选择连接方式时，保证其功能和强度等前提下，尽可能采用易拆卸的连接方式，尽可能减少紧固件的数量并统一紧固件的类型。

1.2 简化产品功能准则

在市场经济的今天，企业为了满足购物者的需要，产品能力愈来愈强大。然而，产品功能的综合也导致了产品组成的复杂性，使得产品在设计上只注重了功能的多样化，而在最开始的结构设计上忽略了未来产品报废之后的回收利用。因此，在产品结构设计中，只要能满足产品的基本要求，就应该尽可能的简化一些不必要的功能。这不仅可以提升功能的平稳性，而且可以有效地减少零件的数量，这对以后产品的装配、维修、拆卸以及报废后的回收都非常有利。

1.3 材料类型相关准则

尽可能采用相关的材料类型，产品的回收是按材料类型进行回收的，如果设备采用的材料种类越少，拆卸和分类就越简单。按材料拆卸和回收时，如果构件的材料相同，则构件可以不拆卸回收。

2 零件拆卸的自由度和可行性分析

2.1 邻接约束矩阵

通常采用邻接约束矩阵表达子装配体里面零件之间的连接关系[6]，如邻接约束矩阵M，假设装配体第k（k=l，2，3，…，n）层有n（n=1，2，3，…）Mkij=[mij]个零件，则表示为：

其中Mij的值定义如下：

由定义可知，邻接约束矩阵有如下特点：

（1）Mij为对称矩阵。

（2）Mkij第i行向量的模表示示第k层所受其他零件约束的和，同时也表示有多个零件与第i个零件存在约束关系。

（3）第k层第j个零件对其他零件的限制情况用邻接约束矩阵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

在空间中零件都有沿X、Y和Z方向的运动和绕X、Y和Z方向的旋转的6个自由度。因此，零件的约束也可以从这6个方向进行，零件拆卸的可能几何方向和可行性也可以从6个约束间接地得出，而采用约束度和约束矩阵更准确地得到拆卸的可行性。约束度与自由度概念相反，它表示的是拆卸过程中其他零件对目标零件沿某一方向的拆卸运动的约束，常用0和1表示，0表示有其他零件在某一方向约束目标拆卸零件。当其值为1时，表示没有零件约束它，因此零件在空间中约束度，表示为：（TX，TY，TZ，RX，RY，RZ）

其中T、R各自是代表移动和转动，X、Y、Z各自代表3个坐标轴方位。为了更准确地表示零件的约束度，将Tx分为沿x轴正向的T+x和沿x轴负向的T-x，类似这样可以得到12个半约束度，（TX，TY，TZ，RX，RY，RZ）则变为：

为了方便起见，12个数据可以用3×4的矩阵来描述，称之为两个部分之间的约束关系矩阵。例如，零件i相对于零件j的约束关系矩阵RMi-j表示为：

根据约束关系矩阵的性质可得，零件j相对于零件i的约束关系矩阵RMj-i，即为RMi-j的对称矩阵。

对于以上制约矩阵RMi-j，仅当6个移动半约束元素中至少有一个为1时，零件才被视为可拆卸的。

以简单装配体（两个零件组成）为例，如图1所示，它由两个零件X1、X2组成，则X2的制约矩阵矩阵RM2-1为：

图1 简单的装配体

从式（2）可以判断的出来X2是可以拆卸的。

3 拆卸思维及其步骤

产品拆卸流程的含义就相当于是一层层减少产品中的约束数量，去除零件在产品间约束联系的流程，所以只要拆掉了一个零件，整个拆卸的过程中都应该使产品的约束项目降低，通过了解邻接矩阵Mk的物理意义，当拆除零件i后应该要让零件i所对应的行和列变为零[7]。

3.1 拆卸思维

（1）由邻接约束矩阵的含义知，|Ri|的值代表了另外的零件对第i个零件的约束状况，零件i的限制度最小，自由度最大时，|Ri|表明了零件i在这个构件里面只收到了来自一个方向或一个零件的约束，通过上面的的分析可以得到此条拆卸原则：当在计算邻接矩阵Mk个行的模时，算法得知该要最先拆卸|Ri|的值最小的那一行所相应的零件，即|Ri|=1的行，要是没有，那么就拆卸|Ri|=2的行所对应零件[8]。

（2）通常状况下要求只需要拆卸掉|Ri|≤2所相应的零件，根据多年的实际经验可以得到，如果实际中出现了|Ri|＞2情况时，把他拆卸掉的话，最后的到矛盾的解的结果会大大增加。

（3）指定拆卸基础件。

（4）如有必要，可手动指定某些零件的拆卸顺序。

（5）同一类型或对称排列的零件可视为一个零件，可同时拆下（部分需人工指定）

3.2 拆卸序列生成步骤

拆卸序列生成步骤，如图2所示。

图2 拆卸序列生成步骤

4 某工程机械液压缸的拆卸设计

4.1 拆卸模型建立

建立某工程机械液压缸总体装配如图3所示。

图3 液压油缸总装图

4.2 拆卸自由度分析

在知道总体零件之后，要对零件进行分层分类进行拆解，依次对零件进行自由度分析，归类零件。

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，类似，把零件4～16都进行分析。

4.3 拆卸模型的分层

由上自由度分析可得总装配体可以分为以下几个部分：S1缸体、S2缸盖总成、S3固定轴套和S4压注油，总分层如图4所示。

图4 总分层图

根据S1缸体、S2缸杠总成、S3固定轴套、S4压注油杆之间的连接关系，指定S2缸杠总成为基础件，建立第一层网络连接，如图5所示。

图5 液压油缸第一层网络连接

由图6可知各个产品的连接关系，简化网络连接图形成网络图的第一层如图6所示。

图6 简化后的液压油缸第一层网络连接

根据K1活塞杆总成、K2六角螺母、K3活塞1总成、K4活塞二总成、K5缸盖总成之间的连接关系，指定K5缸盖总成为基础件，建立第二层网络连接，如图7所示。

图7 缸杆总成网络连接

由图7可知各个产品的连接关系，K2六角螺母为连接件，根据网络连接图原理，简化网络连接图去掉连接件，简化网络连接图形成网络图的第二层如图8所示。

图8 简化后的缸杆总成网络连接

4.4 生成拆卸序列

根据第一层装配体S1缸体，S2缸杠总成，S3固定轴套，S4压注油杆之间的约束关系可得其对应邻接约束矩阵M1：

由M1可知[R1]=1，[R3]=1，[R4]=1，根据拆卸原则，先拆掉零件S1、S3、S4，由于零件2为基础件，根据拆卸原则基础件最后拆卸，最后可得M1=0。所以产品第一层的拆卸序列为S1/S3/S4＞S2（''/''表示或的关系，意思是先拆谁都可以，''＞''表示符号左边要比符号右边先行拆掉）。

同理第二层最终的拆卸序列为：K2＞K3/K4＞K1＞K5，K1活塞杆总成由活塞杆1，O型密封圈15，因为活塞杆总成只有两个零件组成，根据拆卸原则可得拆卸序列为1/15，K3活塞杆1总成由10活塞1，密封圈9，O型密封圈8，非金属导向环7，YX型密封圈6组成，邻接约束矩阵为：

根据拆卸的原理，先行拆掉YX型密封圈6，非金属导向环7，O型密封圈8，密封圈9，能得到：M=0，所以拆卸序列为：6/7/8/9＞10。K4活塞2总成由13YX型孔用密封圈1，14YX型孔用密封圈2；12活塞2组成，其拆卸序列为：13/14＞12，K5的拆卸序列为4/5，最后得到液压油缸的拆卸序列为：

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

5 结束语

工程机械产品是制造业的重要组成部分，文章以拆卸的设计准则、零件拆卸的自由度和可行性以及拆卸的思维和步骤等理论为基础，以某工程机械的液压缸的拆卸为例，建立了拆卸模型，采用了约束度和约束矩阵的方法对液压缸拆卸的自由度进行了分析与计算，进行了拆卸设计。

本文设计为某工程机械的液压缸的拆卸提供拆卸路径、拆卸工具和拆卸方法；并从拆卸的角度给液压缸的设计者提供设计理念，使产品在满足性能与功能的前提下改进产品的装配结构，并尽可能降低产品的拆卸成本和总成本，减少对废弃产品进行回收处理时零部件的重用和材料回收的工作量；让某工程机械的液压缸的拆卸有迹可循，提高了拆卸效率，降低了回收费用，提高了资源的再生和利用率。