魏春華

（重慶松藻礦山機械廠,重慶401445）

0 引 言

在液壓支架的修理過程中，針對大缸徑的油缸，我們在多年的修理工作中，結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，設(shè)計制作了專用的拆裝缸設(shè)備，可以實現(xiàn)機械化的拆裝缸作業(yè)。但對于φ80 mm以下小缸徑油缸，拆裝缸工作一直采用人工作業(yè)方式，勞動強度較大，如果遇到導向套銹蝕嚴重的油缸，需要用氣割進行加熱才能拆開，存在著拆裝效率低及加熱影響缸體壽命的問題，因此我們決定結(jié)合目前在修的φ80 mm和φ63 mm缸徑的兩種油缸設(shè)計制作一套可以實現(xiàn)拆缸作業(yè)和裝缸作業(yè)的一體機，解決目前存在的問題。小缸徑油缸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小缸徑油缸的結(jié)構(gòu)

1 小缸徑拆裝一體機的設(shè)計制作及參數(shù)選擇

為了節(jié)約購買材料的等待時間及成本，我們決定采用廠內(nèi)現(xiàn)有的材料進行設(shè)計制作，架體材料采用廠內(nèi)常用的鋼材，既保證整體的穩(wěn)定性，又確保整體的強度；由于導向套是螺紋結(jié)構(gòu)，因此拆裝缸的動力選擇為液壓傳動的方式，用馬達的旋轉(zhuǎn)運動帶動工裝旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)導向套的拆裝作業(yè)?？傊O(shè)計出的一體機，既可以保證現(xiàn)場的使用條件，又可以保證整體的經(jīng)濟性。

1.1 拆缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計制作

拆缸機結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計為：制作一個操作平臺，在平臺上面布置液壓馬達動力機構(gòu)，完成導向套的拆裝；另外制作一套液壓油缸帶動的動力機構(gòu)，實現(xiàn)解體后的活塞與活塞桿的分離。

1.1.1 架體的設(shè)計

架體的面板采用20 mm厚度的16Mn鋼板，為方便操作人員的操作及工裝配件的整體布置，面板長度為3.5 m，寬度為1.2 m。為確保整體的穩(wěn)定性，在架體的周邊加10#工字鋼。平臺的高度設(shè)計為0.7 m，滿足員工日常的操作習慣，符合人體工學設(shè)計。架體的具體外形尺寸如圖2所示。

圖2 架體的具體外形尺寸

1.1.2 動力機構(gòu)的設(shè)計

針對圖1所示的小缸徑油缸結(jié)構(gòu)，拆缸過程需要將導向套從缸筒內(nèi)拆出，拆導向套之所以困難是因為存在螺紋之間的摩擦力、密封件和缸筒及活塞桿之間的摩擦力。經(jīng)過摩擦力的抽樣檢測，采用長度為0.5 m的加力桿，體重為60 kg的員工壓上去可以松動導向套，遇到稍微緊一些的，采用0.5 m長的加力桿，75 kg的員工用體重壓上去可以松動導向套，特別緊的油缸，用氣割將導向套的位置加熱后，用上述方法就可以實現(xiàn)拆卸作業(yè)，經(jīng)過計算，在正常的情況下需要600 N·m的轉(zhuǎn)矩，油缸較緊時需要750 N·m的轉(zhuǎn)矩，目前我廠其它設(shè)備在用的BME400液壓馬達參數(shù)為：額定壓力為16 MPa，額定轉(zhuǎn)矩為800 N·m，額定轉(zhuǎn)速為250 r/min，排量為398 mL/r，額定功率為22 kW，總效率大于80%。從以上參數(shù)可知，BM-E400馬達的轉(zhuǎn)矩可以滿足我們拆卸小缸徑油缸的轉(zhuǎn)矩需求。

由于小缸徑油缸的活塞桿較長，如果采用馬達和導向套的中心在同一條中心線的設(shè)計，會導致結(jié)構(gòu)空間狹小，無法有效地完成拆裝，因此決定采用一級齒輪傳動的形式實現(xiàn)傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)工裝的尺寸，確定軸承的型號及軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計。我們選用齒輪1的參數(shù)為：m=6 mm，Z1=44。齒輪2的參數(shù)為：m=6 mm，Z2=56。傳動比i=Z2/Z1=56/44=1.27，為保證齒輪傳動的強度，材料選擇為低 合 金 滲 碳 鋼20CrMnTi，整體調(diào)質(zhì)后表面滲碳淬火處理。

1.1.3 導向套定位機構(gòu)的設(shè)計

導向套的外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。制作的定位結(jié)構(gòu)需要與導向的4個定位槽緊密配合，并且要保證充足的強度和工裝的耐用度，導向套定位扳手的尺寸如圖4所示。

圖3 動力機構(gòu)

圖4 導向套的外形尺寸

導向套定位機構(gòu)的強度校核計算，在導向套定位機構(gòu)中強度最薄弱的地方是與導向套開槽位置連接的定位機構(gòu)，如圖4所示的A和B兩個位置，強度計算過程如下：馬達的轉(zhuǎn)矩為800 N·m，直徑為86 mm（0.086 m），力偶矩為800 N·m，所以卡塊兩面的受力為F=800/0.086=9302 N，卡塊的受力面積為28 mm2，受到的剪切強度為332 MPa。另外由于部分情況下卡塊存在著受沖擊力的情況，因此材料的選擇時選用1.5倍的安全系數(shù)，要求材料能夠滿足的剪切強度為332×1.5=483 MPa，參照材料的剪切強度表，選用的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼25CrMnSi，剪切強度為400～560 MPa。為保證材料的整體耐用性，采用的熱處理工藝為：材料整體熱處理調(diào)質(zhì)后，表面采用滲碳淬火的方式。既可以保證卡塊表面的硬度，不易發(fā)生塑性變形，又可以保證整體具有較好的耐沖擊性能。

1.1.4 缸筒定位機構(gòu)的設(shè)計

在拆缸的過程中，為確保油缸的外缸筒不隨著導向套一起旋轉(zhuǎn)，需要能夠快速地實現(xiàn)油缸拆裝的定位，并保證定位的強度,能夠長期地實現(xiàn)自動定位，因此選擇固定的定位機構(gòu)，既保證了定位裝置的強度，也保證了定位的效率。油缸下部采用半圓形的管材，內(nèi)孔和油缸外徑相同，后面采用油缸對缸底進行定位，確保整體的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，油缸旋轉(zhuǎn)定位采用進液接口與半圓筒接觸進行定位，具體的定位結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 油缸旋轉(zhuǎn)定位結(jié)構(gòu)

1.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

本套裝置液壓系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)較為簡單，因此我們決定整套系統(tǒng)采用開式的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮到油液的冷卻問題，決定采用風冷的方式對系統(tǒng)的油液進行降溫，液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 液壓系統(tǒng)原理圖

采用開式的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)簡單、組裝方便、維護簡單，完全可以滿足使用要求。采用的風冷冷卻器結(jié)構(gòu)簡單，又保證了系統(tǒng)整體的冷卻效果，設(shè)備的使用條件為每班4 h左右，從泵的流量和風冷效果來看，完全可以滿足使用要求。

1.2.1 泵站的設(shè)計

泵站為整個液壓系統(tǒng)提供，高壓液體動力源，系統(tǒng)的壓力和流量要與所選用的執(zhí)行機構(gòu)相匹配，從前面可知，選用的馬達型號為BM-E400馬達，馬達的排量為398 mL/r，從圖3的齒輪傳動比為1.27，我們需要的轉(zhuǎn)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)速為30 r/min，則馬達的轉(zhuǎn)速為30 r/min ×1.27=38 r/min。那么齒輪泵的流量應為38 r/min×398 mL/r=15 L/min，由于我們選用的是齒輪泵，容積效率為0.7左右，因此實際需要選用的齒輪泵流量為15 L/min÷0.7=21.5 L/min，最終選擇齒輪泵的流量為22 L/min，系統(tǒng)匹配可以滿足我們現(xiàn)場需要的30 r/min左右的工作轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)設(shè)置溢流閥，根據(jù)待裝油缸的工況對系統(tǒng)壓力進行調(diào)整，最高壓力不超過馬達的額定壓力16 MPa。

齒輪泵及配套電動機的匹配計算：油泵流量公式為Q=q×n/1000；電動機功率公式為W=10×PQ/（612×0.8）。其中：Q為油泵流量，L/min；q為油泵排量，mL/r；n為油泵轉(zhuǎn)速，r/min；W為電動機的功率，kW；P為油泵壓力，MPa。

我們選擇目前常用的四極電動機，實際轉(zhuǎn)速約為1440 r/min。根據(jù)實際的裝缸需要，我們設(shè)計的馬達轉(zhuǎn)速為30～50 r/min，根據(jù)此前選用的BM-E400馬達的參數(shù)及齒輪的傳動比參數(shù)可以計算出齒輪泵的基本參數(shù)：齒輪泵的流量Q=50 r/min×398 mL/r÷1.27≈16 L/min。因此我們確定齒輪泵的基本參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速不低于1470r/min，額定壓力為16 MPa，流量為16 L/min。

電動機的功率參數(shù)W=10×PQ/（612×0.8）=10×16×16÷489.6=5.2 kW，因此選用的電動機功率為6 kW，電動機的額定轉(zhuǎn)速為1470 r/min。選用聯(lián)軸器對電動機和齒輪泵進行連接固定。

1.2.2 液壓動力油缸的設(shè)計

如圖1所示，拆卸完成的油缸，導向套的螺紋連接已經(jīng)松開，需要將活塞桿和缸筒進行分離，為了可以方便快捷地完成解體工作，我們設(shè)計成用液壓油缸將活塞桿拉出的機械結(jié)構(gòu)，提供動力的油缸，我們選擇為目前車間現(xiàn)用最小缸徑的油缸，缸徑為φ63 mm，桿徑為φ45 mm。我們采用乳化泵系統(tǒng)的壓力為31.5 MPa，油缸的力學參數(shù)計算如下：推力F1=π×R2×31.5=3.14×(63/2)2×31.5≈98143 N=98 kN；拉力F2=π×R2×31.5=3.14×[(63/2)2-（45/2)2]×31.5≈48000 N=48 kN。

1.3 定位螺母拆卸結(jié)構(gòu)的設(shè)計制作

活塞的定位采用的是螺母定位，車間原來拆卸螺母都是采用臺虎鉗將活塞桿夾緊，然后用扳手拆卸螺母，這個裝夾程序要浪費很多的工時，因此我們決定采用新的設(shè)計方式,可以安全方便快捷地完成螺母的拆卸工作。具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 定位螺母拆卸結(jié)構(gòu)

1.4 活塞及導向套拆卸機構(gòu)的設(shè)計制作

將活塞、導向套與活塞桿分開，原來采用的方法是用榔頭敲擊的方式進行解體，但是這種方式存在著員工的體力消耗大、安全風險大、拆卸效率低、對油缸配件有損傷等缺點，因此我們決定設(shè)計一套裝置，通過液壓動力的方式，來實現(xiàn)拆卸的機械化，消除上述缺點。

1.4.1 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

整體的結(jié)構(gòu)在一體機的面板上開槽、做滑道，將動力油缸埋在下部，面板上制作活塞的定位機構(gòu)，動力油缸的耳座和活塞桿孔相連，拉動活塞桿將活塞和導向套取出。

1.4.2 動力油缸的選擇

圖8 整體結(jié)構(gòu)

底部推力油缸的選擇，采用目前車間液壓支架上在用的最小缸徑的油缸，可以方便地組織配件，活塞桿與導向套是間隙密封，摩擦力主要來自于內(nèi)部密封件的摩擦力，φ63 mm缸徑油缸的推力計算如前所述，拆卸油缸的推力為98 kN，相當于9.5 t的推力，完全可以滿足使用要求。并且從操作流程上來看也較為簡捷，待拆的活塞放在定位板內(nèi)側(cè)，將活塞桿和滑動定位塊用銷子連接，操作液壓手柄就可以將活塞拆出，順利解決了原拆卸方法存在的弊端。

1.5 裝缸機構(gòu)的設(shè)計制作

通過以上結(jié)構(gòu)的設(shè)計制作、投用，小缸徑油缸的拆卸實現(xiàn)了機械化，但是如何能夠?qū)崿F(xiàn)裝缸的自動化呢？裝缸最繁瑣的工序就是將導向套的螺紋聯(lián)接裝配，我們設(shè)計的拆缸馬達通過換向閥可以實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，只需要完成油缸的定位工作就可以用本設(shè)備完成裝缸作業(yè)。因此我們根據(jù)小缸徑油缸的整體結(jié)構(gòu)位置，設(shè)計了通用的定位機構(gòu)，加設(shè)定位擋板可以保證缸徑在100 mm以下的油缸缸筒定位。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9所示。

圖9 裝缸機構(gòu)

1.6 制作

經(jīng)過對設(shè)計方案實際應用，各項使用性能均能符合預先設(shè)計的功能要求，操作習慣、效率均能滿足現(xiàn)場的使用要求。

2 改進產(chǎn)生的效益

2.1 經(jīng)濟效益

在本設(shè)備投用以前，小缸徑的油缸在正常的情況下，每人每天可以拆裝25根，遇到銹蝕嚴重的情況，還必須派焊工進行加熱處理，否則很難對油缸進行解體。在采用了本裝置以后，每人每天可以完成50根油缸的拆裝，工作效率提升了1倍，并且由于馬達的轉(zhuǎn)矩為800 N·m,即使遇到配合較緊的油缸用本設(shè)備也可以單人完成拆卸，大幅度提高了小缸徑油缸的勞動效率。每臺支架的小缸徑油缸平均為6根，我們目前每年修理的支架臺數(shù)為1300 臺，另外零星的小油缸修理為3000 根/a，總計數(shù)量為10 800 根/a。采用原工藝每年修復小缸徑油缸需要10800÷25×8=3456 h，采用本設(shè)備以后需要10800÷50×8=1728 h，按每小時人工費43.75元計算，每年可以節(jié)約7.56 萬元，因此從長遠來看，本設(shè)備的投用經(jīng)濟效益較為可觀。

2.2 社會效益

本設(shè)備的投用改變了原工藝拆裝缸都采用人工的作業(yè)方式，大幅度降低了員工的勞動強度，解放了員工的勞動力，讓員工有更多的精力去提高產(chǎn)品質(zhì)量、工作效率和改進工藝，使我們能夠更好地滿足礦井的生產(chǎn)需要，提高支架及油缸的修理效率。由于設(shè)備采用的是機械化作業(yè)，消除了由于疲勞作業(yè)而帶來的安全隱患，大大降低了機械安全事故發(fā)生的概率，為員工創(chuàng)造了安全的作業(yè)環(huán)境。

3 結(jié) 語

在我們的日常修理過程中會遇到一些制約生產(chǎn)的效率的瓶頸問題，對安全管理威脅大的工藝流程，限制經(jīng)營指標提高的高消耗環(huán)節(jié)，我們要深入生產(chǎn)現(xiàn)場，結(jié)合實際情況，集思廣益，設(shè)計制作出適用于我們作業(yè)環(huán)境的工裝設(shè)備來解決現(xiàn)場的問題。