- Dans le cadre de contraintes d’espace et de temps de cycle, les préhenseurs de manutention à haute température doivent coordonner prise portante, interruption du flux thermique, protection des circuits pneumatiques, stabilité structurelle et facilité de maintenance.
- Divisez la conception en une zone porteuse à haute température/zone d’isolation thermique/zone d’actionnement à basse température, combinant des mâchoires résistantes à la chaleur, une couche d’usure en céramique, une rupture de pont thermique en vitrocéramique, une couche de fibres céramiques, une rupture de pont thermique à entrefer et un écran réfléchissant.
- Le chemin d’isolation composite calculé dans cet article a une conductivité thermique équivalente d’environ 0.25 W/(m·K). Dans les conditions de simulation indiquées 650℃, la racine de la mâchoire est ≤83℃, la face de montage du cylindre ≤55℃ et la paroi extérieure du tuyau ≤68℃ ; Le flux thermique le long du chemin de conduction principal est environ 98.7% inférieur à celui d’une connexion métallique directe.
- Configurer le circuit pneumatique avec une alimentation en air éloignée de la source de chaleur, des tubes métalliques à proximité de la source de chaleur, une isolation des tuyaux secondaires, des composants en retrait et un comportement contrôlé en matière de perte de charge. L’efficacité calculée de la protection thermique du circuit pneumatique est d’environ 76.9% dans les conditions de température spécifiées dans cet article.
Unité : Jiangsu Aurek Intelligent Technology Co., Ltd. (Lianyungang, Jiangsu) Catégorie : Recherche technique Contient des formules complètes, des tableaux et des résultats d’éléments finis. Le texte PDF complet peut être téléchargé à la fin de l’article ou dans le coin supérieur droit.
00 Résumé
Pendant le forgeage, le traitement thermique, le moulage sous pression, le frittage et la manipulation côté four, la chaleur peut se propager le long des mâchoires vers l’actionneur, provoquant une une élévation excessive de la température du système pneumatique, un vieillissement et une défaillance des flexibles, un faux fonctionnement du capteur et une fiabilité de préhension réduite. Cet article développe un modèle de chemin de transfert de chaleur pour la manipulation à cycle court de pièces chaudes et organise la structure en zones porteuses à haute température, d’isolation thermique et d’actionnement à basse température. La conception aborde la compatibilité des matériaux, la disposition, les chemins d’isolation et la protection pneumatique, combinant des mâchoires résistantes à la chaleur, une couche de contact en céramique résistante à l’usure, une rupture de pont thermique en vitrocéramique, une couche de fibres céramiques, une rupture de pont thermique à entrefer et un réflecteur de rayonnement. Les calculs de conductivité thermique équivalente et l’analyse par éléments finis couplée thermique-structurelle comparent ensuite les champs de température, les contraintes thermiques et la déformation thermique.
Les calculs et simulations dans cet article donnent une conductivité thermique équivalente d’environ 0.25 W/(m·K) pour le chemin d’isolation composite. Avec une température de surface de la pièce de 650 ℃, un temps de préhension unique de 20 s et une température ambiante de 35 ℃, la température maximale de la racine de la mâchoire reste inférieure à 83 ℃, la face de montage du cylindre à l’intérieur 55 ℃ et la paroi extérieure du tuyau à moins de 68 ℃. Par rapport à une connexion métallique directe et continue, le flux thermique le long du chemin de conduction principal diminue d’environ 98.7%, l’efficacité de la protection thermique du circuit pneumatique est de 76.9% et la déformation thermique au niveau de la pointe de la pince reste inférieure à 0.20 mm. Ces résultats comparent les conceptions structurelles étudiées ici. L’augmentation réelle de la température de l’équipement et le comportement de fonctionnement continu nécessitent des mesures de température sur prototype et des tests cycliques.
01Introduction
Les manipulateurs, les robots industriels, les portiques ou les pinces dédiées peuvent manipuler des pièces chaudes pendant le chauffage, le déchargement du four, le transfert, le chargement et le déchargement, et le mouvement entre les processus. Le forgeage, le traitement thermique, le moulage, le moulage sous pression, le frittage et le traitement de l’acier en aval impliquent un fort rayonnement thermique, un transfert de chaleur par contact important, une contrainte thermique concentrée, une chute de tartre et un choc thermique. Concevez la force de préhension, la rigidité et la précision de positionnement ainsi que l’isolation, la protection pneumatique et les contrôles de sécurité.
La conception structurelle doit d’abord vérifier les ponts thermiques métalliques continus, puis la disposition des tuyaux, des composants pneumatiques et des pièces d’isolation remplaçables à proximité de la source de chaleur. L’augmentation uniquement de la température nominale du matériau de la mâchoire ne résout pas l’augmentation de la température de l’actionneur, le durcissement du tuyau ou les fuites. Les coussinets en céramique, les plaques isolantes, les boucliers et les manchons de tuyau doivent également être faciles à inspecter et à remplacer. Sélectionnez la conception en tenant compte ensemble de la capacité de charge de préhension, de l’interruption du flux thermique, de la protection pneumatique, de la stabilité structurelle et de la maintenance.
02Charges thermiques et considérations de conception
2.1 Mécanismes de transfert de chaleur
La chaleur pénètre dans l’outillage par conduction de contact, rayonnement et convection. La conduction de contact transporte la chaleur de la pièce à travers les mâchoires. Le rayonnement devient important au-dessus de 500 °C, tandis que l’air chaud de l’atelier, le flux d’air du four et le mouvement des outils contribuent à la convection. Ensemble, ils créent un champ de température non uniforme, la chaleur se propageant le long des plaques, des vis, des broches, des guides et des connexions des actionneurs. Le ramollissement des flexibles, la défaillance des joints, la dégradation du lubrifiant et les défauts des capteurs peuvent survenir avant la défaillance structurelle du métal. La protection pneumatique et l’isolation structurelle doivent donc être conçues ensemble.
2.2 Problèmes avec la conception existante des luminaires à haute température
Les structures solides en acier ou en acier inoxydable résistant à la chaleur sont faciles à usiner, mais une connexion métallique continue entre les extrémités chaude et froide offre une faible résistance thermique. Lorsque des entretoises locales en céramique sont ajoutées, leur matériau, leur épaisseur et leur méthode de montage affectent conjointement l’isolation et la fiabilité. La céramique d’alumine convient à la résistance à l’usure, à la compression et au contact à haute température, mais sa conductivité thermique n’est pas faible, elle ne devrait donc pas fournir à elle seule l’isolation principale. Les tuyaux standard en PU, nylon et caoutchouc peuvent durcir, se fissurer, vieillir et fuir sous l’effet des radiations et de l’exposition à l’air chaud. Les chemins thermiques structurels, les étages d’isolation, le routage pneumatique et la logique de contrôle doivent donc être conçus ensemble.
2.3 Isolation composite et contrôles de protection
Les pinces à haute température peuvent combiner isolation composite, maintenance modulaire et verrouillages de sécurité : les alliages résistants à la chaleur supportent la charge de l’extrémité chaude ; les matériaux à faible conductivité et les cavités d’air interrompent le transfert de chaleur ; les écrans réfléchissants réduisent l’apport de rayonnement ; les composants pneumatiques et de détection sont en retrait ; et les conduites proches de la source de chaleur utilisent des profilés métalliques et des manchons isolants. Incluez des signaux de pression, de température et d’état de serrage dans les verrouillages pour fournir une conception thermique, mécanique, pneumatique et de contrôle intégrée.
03 Méthode de conception d’outillage
3.1 Conditions de conception et paramètres cibles
L’analyse considère la manutention en cycle court de pièces forgées à chaud/pièces traitées thermiquement : après la sortie du four, la pièce est saisie, transférée et placée à l’aide d’une pince montée sur un robot ou un portique, avec un actionnement pneumatique fournissant la force de serrage. Les paramètres ci-dessous sont des entrées pour les calculs et la comparaison de conception de cet article.
| Article | Valeur du paramètre | importance en matière de conception |
|---|---|---|
| Température de surface de la pièce | 650 °C | Correspondant à des conditions de transport de courte durée après sortie du four |
| température ambiante | 35 °C | Tenir compte de l’environnement à haute température dans l’atelier du four |
| Masse de la pièce | 80 kg | Pièces forgées de dimensions moyennes ou pièces traitées thermiquement |
| Temps de serrage unique | 20 s | Cycle représentatif de manipulation d’un robot ou d’un portique |
| fréquence des cycles | 30 ~ 40 cycles/h | Fréquence du cycle de production continu |
| Pression d’air de fonctionnement | 0.6 MPa | Pression d’actionnement pneumatique |
| Accélération de manipulation | 2.0 m/s² | Envisager un choc start-stop |
| Facteur de sécurité de serrage | ≥2.5 | Empêcher le glissement et la dégradation thermique |
| Température de la surface de montage du cylindre | ≤60 °C | Protéger les joints et l’état de lubrification |
| Température de la paroi extérieure du tuyau | ≤70 °C | Prévenir le vieillissement thermique des flexibles |
| Déformation thermique de l’extrémité de l’outillage | ≤ 0.25 mm | Garantir une stabilité de positionnement et de serrage répétée |
Tableau 1 Paramètres typiques des conditions de manipulation des pièces à haute température
3.2 Calcul de la force de serrage et exigences structurelles en matière de charge
Lors de l’utilisation d’un serrage double face, la force de serrage normale requise par la mâchoire de serrage unilatérale peut être vérifiée au préalable selon le modèle de serrage par friction :
où Fn est la force de serrage normale unilatérale (N), S est le facteur de sécurité, m est la masse de la pièce (kg), g est l’accélération de la gravité, a est l’accélération de la charge mobile (m/s²) et μ est le coefficient de frottement de contact à haute température. En supposant S=2.5, m=80 kg, a=2.0 m/s², μ=0.35, la force de serrage requise d’un côté est d’environ 3371 N ; Compte tenu de l’échelle d’oxyde, de l’impact des vibrations, de l’usure des mâchoires de serrage et des fluctuations du coefficient de frottement, la force de serrage nominale d’un côté dans la conception technique ne doit pas être inférieure à 4.2 kN. Les pièces à haute température ne doivent pas dépendre entièrement du frottement. Les rainures en forme de V, les limites de marche, les supports d’enveloppe ou les supports inférieurs doivent être utilisés en premier, afin que la force de serrage et les limites géométriques partagent la stabilité.
3.3 Principes de conception de partitions fonctionnelles
Disposer la pince en trois zones fonctionnelles. La zone porteuse à haute température entre en contact ou s’approche de la pièce à usiner et offre une préhension, une résistance à la chaleur et une résistance à l’oxydation. La zone d’isolation thermique, entre les mâchoires et l’actionneur, réduit le flux thermique, interrompt les ponts thermiques et s’adapte aux contraintes thermiques. La zone d’actionnement à basse température abrite les cylindres, les guides, les collecteurs de vannes, les capteurs et la connexion du robot, à l’abri du rayonnement thermique direct. Séparez clairement les fonctions de charge, d’isolation et d’actionnement au niveau des connexions pour éviter les chemins de transfert de chaleur métalliques continus.
3.4 Sélection des matériaux et disposition structurelle
| pièces | Matériaux recommandés | Fonction principale | Raison de la sélection |
|---|---|---|---|
| Elément porteur avant de la mâchoire de préhension | Inconel 625 ou acier inoxydable résistant à la chaleur | Résister aux charges de serrage et faire face à un rayonnement à haute température | Résistance aux hautes températures, résistance à l’oxydation, résistance à la corrosion |
| Couche de contact avec la pièce | 96% céramique d’alumine | Résistant à l’usure, résistant à la pression, réduit l’adhérence du métal | Convient aux tampons d’usure remplaçables et n’est pas utilisé comme seule couche d’isolation primaire. |
| Bloc à rupture de pont thermique | Vitrocéramique Macor | Bloquer le transfert de chaleur de la mâchoire de serrage à la base de montage | Faible conductivité et usinabilité pour la localisation des ruptures thermiques |
| Isolation souple | couverture en fibres céramiques | Réduire la conduction dans la cavité et le transfert de chaleur par rayonnement | Faible conductivité thermique, faible capacité thermique, résistance aux chocs thermiques |
| cavité d’isolation thermique | Structure d’entrefer | Affaiblir les ponts thermiques solides continus | Structure simple et légère compatible avec l’isolation en fibres |
| écran réfléchissant | 304 / 316 Tôle d’acier inoxydable | Blinder le rayonnement et protéger le circuit pneumatique | Facile à former, démonter et remplacer |
| Support de montage basse température | Acier inoxydable ou acier faiblement allié | Assurer l’installation et la rigidité portante | Bonne aptitude au traitement, mais les ponts thermiques continus doivent être évités |
| Circuit pneumatique à proximité d’une source de chaleur | Tuyau en acier inoxydable 316 ou tuyau en PTFE tressé en acier inoxydable | Améliorer la résistance à la température et la résistance aux dommages mécaniques | Convient aux canalisations de courte distance à proximité de sources de chaleur |
Tableau 2 Matériaux et fonctions des principaux composants du luminaire
Le long du chemin de flux thermique, la structure comprend des mâchoires porteuses en alliage résistant à la chaleur, des tampons d’usure en céramique d’alumine remplaçables, une coupure thermique en vitrocéramique Macor, une coupure thermique à entrefer et une couche de remplissage en fibres céramiques, avec un mince écran réfléchissant en acier inoxydable à l’extérieur. Inclure les vis, les goupilles de positionnement et les plaques de serrage dans l’examen des ponts thermiques ; empêcher les vis à l’extrémité chaude de s’étendre directement dans la base de montage froide. Selon les besoins de raccordement, utiliser des fixations étagées, des douilles isolantes, des vis à tige réduite ou des sections localement réduites. Précharger les tampons en céramique par contact facial et les retenir mécaniquement ; ne comptez pas sur des adhésifs pour supporter le cisaillement à haute température.
04Analyse et optimisation des performances d’isolation thermique
4.1 Modèle de transfert de chaleur
Pour le calcul préliminaire, simplifiez le chemin principal de transfert de chaleur de la mâchoire à la base de montage sous forme de couches plates en série et estimez le flux de chaleur à l’aide d’un modèle de conduction en régime permanent :
Le transfert de chaleur par rayonnement est estimé comme suit :
Ici Q est le taux de transfert de chaleur (W), keq est la conductivité thermique équivalente, ε est l’émissivité de surface et σ est la constante de Stefan-Boltzmann. Le rayonnement d’une pièce à 650 °C chauffe également les tuyaux, les capteurs et les structures minces ; fournir un écran réfléchissant à côté de l’isolation des contacts.
4.2 Calcul de la conductivité thermique équivalente des structures isolantes composites
En prenant le chemin de transfert de chaleur équivalent d’un côté comme exemple, prenons la zone de transfert de chaleur A=1200 mm², le côté haute température est 650 °C et la cible du côté basse température est 35 °C. Les paramètres de la couche isolante composite sont les suivants.
| Couche | matériau ou structure | Épaisseur/mm | Conductivité thermique W/(m·K) | Résistance thermique L/k /(m²·K/W) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Pièce de préhension en Inconel 625 résistante à la chaleur | 3 | 17.5 | 0.00017 |
| 2 | Patins d’usure en céramique d’alumine | 5 | 24.7 | 0.00020 |
| 3 | Blocs isolants en vitrocéramique Macor | 8 | 1.46 | 0.00548 |
| 4 | Isolation en fibres céramiques | 12 | 0.16 | 0.07500 |
| 5 | Couche d’entrefer équivalente | 4 | 0.085 | 0.04706 |
| total | Chemin isolé composite | 32 | 0.25 (équivalent) | 0.12791 |
Tableau 3 Paramètres du chemin d’isolation composite
À partir de l’équation (3), la conductivité thermique équivalente du chemin d’isolation composite est obtenue :
Densité du flux thermique par unité de surface :
Transfert thermique unilatéral :
Pour la même épaisseur totale, la conception directe en métal continu suppose une conductivité thermique moyenne de 20 W/(m·K), ce qui donne un flux thermique calculé d’environ 3.84×10⁵ W/m². La valeur calculée correspondante pour le chemin composite est environ 98.7% inférieure. Dans ce modèle, la rupture thermique Macor, la couche de fibres céramiques et la rupture thermique à entrefer constituent la principale résistance thermique. La céramique d’alumine, plus conductrice thermiquement, offre une résistance à l’usure par contact et ne constitue pas la seule couche d’isolation primaire.
4.3 Conditions aux limites pour la simulation du flux de chaleur
| Condition aux limites | valeur |
|---|---|
| Température de la surface de contact de la pièce | 650 °C |
| Température ambiante de l’atelier | 35 °C |
| coefficient de transfert thermique par convection naturelle | 8 W/(m²·K) |
| Émissivité radiante d’une pièce à haute température | 0.75 |
| Émissivité de la surface extérieure du blindage métallique | 0.35～0.45 |
| temps de contact de la pince | 20 s |
| Temps de contrôle en régime permanent | 1800 s |
| Cibles de sécurité de la surface extérieure du tuyau d’air | ≤70 °C |
| Objectifs de sécurité de la surface de montage du cylindre | ≤60 °C |
Tableau 4 Conditions aux limites pour la simulation du flux thermique
L’analyse thermique-structurelle couplée calcule d’abord le champ de température, puis l’importe dans le modèle structurel avec la force de préhension, la gravité, l’accélération dynamique et les contraintes limites. Concentrez-vous sur les températures à la base de la mâchoire, sur la face de montage du cylindre et sur la paroi extérieure du tuyau, ainsi que sur les contraintes thermiques autour des trous dans les blocs isolants et le déplacement thermique à l’extrémité.
4.4 Résultats de l’analyse par éléments finis
| Conception | Description structurelle | Température maximale à la base du mors de serrage/°C | Température maximale de la surface de montage du cylindre/°C | Température maximale de la paroi extérieure de la conduite d’air/°C | Contrainte équivalente maximale/MPa | Déformation thermique finale/mm | Évaluation |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | Connexion globale directe en 304 acier inoxydable, pas de protection | 312 | 186 | 156 | 221 | 0.46 | Ne répond pas aux exigences de sécurité pneumatique |
| B | Pince métallique + patin céramique monocouche | 168 | 104 | 121 | 138 | 0.29 | Amélioré, mais les températures pneumatiques restent excessives |
| C | Structure isolante composite + écran réfléchissant | 83 | 54 | 62～68 | 118 (zone métallique) / 42 (zone à rupture de pont thermique en céramique) | 0.18 | Répond aux critères de température et de déformation de ce modèle |
Tableau 5 Comparaison des résultats de l’analyse thermostructurale de différents schémas structurels
Dans les limites de simulation utilisées ici, la conception C réduit la température de la racine de la mâchoire d’environ 73.4%, la température de la face de montage du cylindre d’environ 71.0% et la température de la paroi extérieure du tuyau d’environ 56%–60% et déformation thermique de la pointe d’environ 60.9% par rapport à la conception A. La majeure partie de la chute de température se produit à travers le bloc isolant Macor, la couche de fibres céramiques et la coupure thermique de l’entrefer. Les contraintes thermiques se concentrent autour des trous de vis dans le bloc isolant, des transitions des mâchoires et des bords des plaques de serrage en céramique. Dans le modèle, la contrainte thermique maximale dans le bloc Macor est d’environ 42 MPa, dans la plage de sécurité supposée ; la contrainte équivalente maximale au niveau de la racine de la mâchoire métallique est d’environ 118 MPa, inférieure à la valeur admissible utilisée. La déformation thermique de la pointe est de 0.18 mm, en dessous de la limite de conception de 0.25 mm.
4.5 Points clés pour l’optimisation de la structure d’isolation thermique
- Réduisez les ponts thermiques métalliques continus : empêchez les vis à extrémité chaude de s’étendre directement dans la base de montage de l’actionneur. Utilisez des fixations étagées, des bagues isolantes ou des connexions à section réduite, le cas échéant.
- Support de charge et isolation séparés : les alliages résistants à la chaleur supportent la charge, les coussinets en céramique résistent à l’usure par contact, le Macor et la fibre céramique interrompent le flux de chaleur et les écrans réfléchissants réduisent le rayonnement.
- Contrôler la contrainte de traction de la céramique : utilisez la précharge de contact facial et évitez les charges sur les bords tranchants. Chanfrein et trous de montage ronds pour limiter les contraintes locales dans les composants ayant une résistance à la traction et aux chocs limitée.
- Mettre en place des modules d’isolation maintenables : les coussinets en céramique, les fibres d’isolation thermique, les réflecteurs et les gaines de conduite d’air sont conçus comme des pièces d’usure modulaires pour un remplacement rapide.
05Conception de protection des circuits pneumatiques
5.1 Principes généraux de protection des circuits pneumatiques
Développez le circuit pneumatique parallèlement au concept structurel, en suivant les principes suivants : maintenir l’alimentation en air éloignée de la source de chaleur, utiliser du métal à proximité de la source de chaleur, fournir une isolation secondaire des tuyaux, localiser les actionneurs dans la zone basse température et contrôler le comportement en cas de perte de pression. Aux emplacements des tuyaux et des raccords vulnérables à une défaillance thermique, combinez le routage du côté blindé, les tubes de transition métalliques, les manchons isolants et les écrans réfléchissants.
5.2 Mesures de sécurité pour l’interface d’alimentation en air comprimé
L’interface d’alimentation en air comprimé doit être disposée au-dessus du luminaire, sur la face arrière de la bride du robot ou à l’extrémité fixe de l’équipement, avec une distance en ligne droite d’au moins 300 mm de la pièce à haute température ; lorsque l’espace est limité, utilisez un réflecteur, un écran thermique ou un écran structurel pour éviter le rayonnement direct.
| Unité d’interface d’alimentation en air | mesures de conception | Fonction principale |
|---|---|---|
| Vanne d’arrêt manuelle | Définir la fonction de verrouillage | Isoler de manière fiable l’alimentation en air comprimé pendant la maintenance |
| Réducteur de pression du filtre | La pression est stable à 0.55~0.65 MPa | Garantir une force de serrage stable |
| Clapet anti-retour | Empêcher le reflux de pression | Éviter une décompression anormale |
| Soupape de maintien de pression ou petit réservoir d’air | Maintenir le serrage à court terme après avoir coupé l’air | Conserver la charge pendant la période de réponse spécifiée |
| Soupape de sécurité | Déclenchement en cas de surpression | Empêcher l’éclatement de la conduite pneumatique |
| capteur de pression | Détection en temps réel de la pression de serrage | Verrouillé avec la logique de sécurité du robot |
| Etiquette de température ou thermocouple | Surveiller la température de la zone d’interface | Identifier l’accumulation de chaleur locale |
Tableau 6 Mesures de sécurité pour l’interface d’alimentation en air comprimé
Utilisez la priorité de rétention de préhension dans la logique pneumatique. Après une panne d’alimentation électrique, d’alimentation en air ou de signal de commande, maintenez la préhension ou le verrouillage mécanique. Autoriser le relâchement uniquement une fois que la pièce à travailler se trouve dans la zone de placement sûre, que le support est établi et que la pression de l’air est stable.
5.3 Conception de l’isolation des tuyaux d’air
Protéger le tuyau en trois étapes. Acheminez-le le long du côté blindé à basse température, en dehors du rayonnement direct de la mâchoire. À 100–300 mm de la source de chaleur, utilisez un tube en acier inoxydable 316 approprié, un tube ondulé en acier inoxydable ou un tuyau en PTFE tressé en acier inoxydable, puis passez à un tube flexible ordinaire plus loin. Ajoutez des manchons en fibre de céramique ou en fibre de verre enduite de silicone, ou une protection ondulée en acier inoxydable, avec un réflecteur externe amovible.
L’efficacité de la protection thermique de la conduite d’air est évaluée comme suit :
En utilisant des températures de paroi extérieure de tuyau de 178 ℃ non protégé et de 68 ℃ protégé, avec une température ambiante de 35 ℃, l’efficacité de protection thermique calculée est de 76.9%. La température protégée est inférieure à l’objectif de 70 ℃ défini dans cet article. Le comportement du circuit pneumatique lors d’une manipulation continue nécessite toujours des mesures de température sur prototype et des tests cycliques.
5.4 Conception de la protection thermique des composants pneumatiques
Placer les vérins dans la zone basse température et transmettre le mouvement via des liaisons résistantes à la chaleur, des leviers ou des tiges de poussée isolées. Prévoyez un manchon isolant et un mince capuchon thermique en métal entre la tige et la mâchoire chaude. Localisez les vannes et les collecteurs derrière le poignet du robot, à côté de la glissière du portique ou à un point fixe à distance, en ne laissant que des lignes courtes au niveau de l’outillage. Lorsque le rayonnement du four est fort, un rideau de purge 20–40 L/min à l’extérieur du bouclier peut être utilisé ; éloignez-le des éclaboussures de tartre. Surveillez les lignes de zone chaude avec des indicateurs de température et arrêtez-vous pour inspection au-dessus de 80 °C.
06Évaluation de la sécurité et applications industrielles
6.1 Modes de défaillance et contrôle des risques
Évaluez quatre catégories de risques – mécaniques, thermiques, pneumatiques et de contrôle – et reliez chacune à ses causes de défaillance, ses conséquences, ses mesures de contrôle et ses indicateurs d’inspection.
| mode de défaillance | Causes possibles | principales conséquences | mesures de contrôle | Indicateurs quantitatifs proposés |
|---|---|---|---|---|
| Glissades de pièces | Force de serrage insuffisante, chute de tartre d’oxyde, chute de pression d’air | Dommages matériels ou blessures corporelles | Facteur de sécurité adéquat, rainure en V ou support mécanique, valve de maintien de pression | Force à une seule mâchoire ≥4.2 kN ; interdire la manipulation en dessous de 0.45 MPa |
| Vieillissement thermique de la conduite d’air | Le tuyau d’air est proche de la source de chaleur et n’a pas de couvercle d’isolation thermique. | Fuite d’air, éclatement de canalisation, perte de pression de serrage | Acheminement côté blindé, tubes métalliques et manchons isolants | Paroi extérieure de la conduite d’air ≤70 °C |
| Dommages au joint de cylindre | La température du cylindre augmente trop et la tige du piston conduit la chaleur. | Mouvement lent et force de serrage réduite | Cylindre arrière, tige de poussée calorifuge, cache réfléchissant | Surface de montage du cylindre ≤60 °C |
| Patin céramique fissuré | Choc thermique, contact ponctuel, concentration des contraintes sur la plaque de pression | La surface de contact est endommagée et le serrage est instable. | Précharge de contact en surface, transition à coins arrondis, modules remplaçables | Facteur de sécurité de contrainte de traction de la céramique ≥3 |
| Déformation thermique des mâchoires de préhension | Le gradient de température est trop important et la structure est asymétrique | Charge de décalage de serrage et erreur de positionnement | Isolation symétrique, ajout de raidisseurs et vérification par simulation | Déformation thermique finale ≤0.25 mm |
| Brûlures du personnel | Capot de protection manquant et surface exposée à haute température | blessures corporelles | Écrans thermiques, panneaux d’avertissement, zones de verrouillage | Surface extérieure contactable ≤55~60 °C |
| Dysfonctionnement du capteur | Haute température, rayonnement thermique, vieillissement des câbles | Erreur de logique d’action | Capteurs de recul, conduit métallique et isolation électrique | Surface de montage du capteur ≤50 °C |
Tableau 7 Principaux modes de défaillance et mesures de contrôle
6.2 Scénarios d’application industrielle
Sélectionnez la structure pour les caractéristiques de la pièce et de la source de chaleur. Le Le chargement et le déchargement de pièces forgées de barres rondes, de billettes et de pièces forgées peuvent utiliser des mâchoires en alliage résistant à la chaleur, des tampons en céramique et des marches de support mécaniques. Le Déchargement dans le four de traitement thermique des paniers, des plateaux et des pièces d’arbre/disque met l’accent sur la protection contre les rayonnements et les conduites d’air acheminées à distance. Le Le post-traitement du moulage sous pression/du moulage nécessite une protection contre le tartre, les éclairs et les impacts de particules chaudes, avec des écrans réfléchissants remplaçables. Pour les effecteurs terminaux de robots à six axes, vérifiez ensemble la masse, le décalage du centre de gravité et le transfert de chaleur, en positionnant les cylindres, les collecteurs de vannes et les capteurs derrière la bride lorsque cela est possible. Lorsque l’espace des fermes ou du portique le permet, des cavités isolantes plus épaisses et des boîtiers de vannes externes peuvent être utilisés.
6.3 Suggestions de mise en œuvre du projet
- Établir un inventaire des sources de chaleur pendant la phase de conception : Enregistrez la température de la pièce et de l’embouchure du four, le temps de séjour, la direction des projections de tartre d’oxyde, la trajectoire du robot et la zone de contact.
- Mesure de température sur prototype : utilisez la mesure infrarouge et des thermocouples au niveau de la racine de la mâchoire, de la face de montage du cylindre, de la paroi extérieure du tuyau, de la plaque de collecteur de vanne et du support de capteur. Enregistrez l’augmentation de la température sur au moins 2 heures de fonctionnement continu.
- Test de durée de vie avant la production en série : au moins 10000 cycles à vide et 2000 cycles de serrage à source de chaleur simulés ; Inspectez les tampons en céramique pour détecter les fissures, les fixations pour le desserrage, les conduites d’air pour le durcissement, les joints pour les fuites et la répétabilité.
- Entretien de routine : Inspectez les coussinets en céramique à chaque quart de travail, les fibres isolantes une fois par semaine et les manchons de tuyau une fois par mois ; remplacer les pièces endommagées. Arrêtez-vous et vérifiez si la température du tuyau dépasse 80 °C ou si la face de montage du cylindre dépasse 70 °C.
- Verrouillages de sécurité : combinez les informations de préhension, de pression, de position du robot et de support de la pièce. Interdire la manipulation à grande vitesse si la pression est faible, si la préhension est incomplète ou si la température dépasse sa limite.
07 Conclusion et perspectives
Conclusions : (1) Disposez la pince dans des zones porteuses à haute température, d’isolation thermique et d’actionnement à basse température, avec des responsabilités claires en matière de charge et de protection thermique. (2) La comparaison de conception dans cet article prend en charge l’isolation composite pour contrôler le flux de chaleur. (3) La conductivité thermique équivalente calculée est d’environ 0.25 W/(m·K), avec un flux thermique le long du chemin principal environ 98.7% inférieur à celui d’une connexion métallique directe. (4) Dans les conditions de simulation 650 ℃ indiquées, la face de montage du cylindre est ≤55 ℃ et la paroi extérieure du tuyau ≤68 ℃, répondant ainsi aux objectifs de température de l’article ; les performances réelles en fonctionnement continu nécessitent une vérification du prototype. (5) Concevoir ensemble la protection pneumatique et l’isolation structurelle ; L’augmentation des températures nominales des composants ne suffit pas à elle seule. (6) Utilisez des modules maintenables pour les pièces d’isolation critiques et inspectez-les et remplacez-les comme spécifié.
Autres travaux : D’autres études peuvent aborder la durée de vie en fatigue thermique aux interfaces céramique-métal, les comparaisons mesurées des combinaisons de matériaux isolants et le retour de température, de pression atmosphérique et de force de préhension. Les bases de données de sélection, la maintenance prédictive et les évaluations numériques de sécurité nécessitent comme base les données de test et les résultats de surveillance correspondants.
08 Références
- Yang Shiming, Tao Wenquan. Transfert de chaleur[M]. Pékin : Higher Education Press, 2019.
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