魏春華

（重慶松藻礦山機(jī)械廠,重慶401445）

0 引 言

在液壓支架的修理過程中，針對(duì)大缸徑的油缸，我們?cè)诙嗄甑男蘩砉ぷ髦?，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)制作了專用的拆裝缸設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的拆裝缸作業(yè)。但對(duì)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(dòng)強(qiáng)度較大，如果遇到導(dǎo)向套銹蝕嚴(yán)重的油缸，需要用氣割進(jìn)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(jì)制作一套可以實(shí)現(xiàn)拆缸作業(yè)和裝缸作業(yè)的一體機(jī)，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(jī)的設(shè)計(jì)制作及參數(shù)選擇

為了節(jié)約購買材料的等待時(shí)間及成本，我們決定采用廠內(nèi)現(xiàn)有的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)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(qiáng)度；由于導(dǎo)向套是螺紋結(jié)構(gòu)，因此拆裝缸的動(dòng)力選擇為液壓傳動(dòng)的方式，用馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)工裝旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向套的拆裝作業(yè)。總之設(shè)計(jì)出的一體機(jī)，既可以保證現(xiàn)場(chǎng)的使用條件，又可以保證整體的經(jīng)濟(jì)性。

1.1 拆缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作

拆缸機(jī)結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)為：制作一個(gè)操作平臺(tái)，在平臺(tái)上面布置液壓馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，完成導(dǎo)向套的拆裝；另外制作一套液壓油缸帶動(dòng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)解體后的活塞與活塞桿的分離。

1.1.1 架體的設(shè)計(jì)

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(zhǎng)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(tái)的高度設(shè)計(jì)為0.7 m，滿足員工日常的操作習(xí)慣，符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)。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(dòng)力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

針對(duì)圖1所示的小缸徑油缸結(jié)構(gòu)，拆缸過程需要將導(dǎo)向套從缸筒內(nèi)拆出，拆導(dǎo)向套之所以困難是因?yàn)榇嬖诼菁y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(cè)，采用長(zhǎng)度為0.5 m的加力桿，體重為60 kg的員工壓上去可以松動(dòng)導(dǎo)向套，遇到稍微緊一些的，采用0.5 m長(zhǎng)的加力桿，75 kg的員工用體重壓上去可以松動(dòng)導(dǎo)向套，特別緊的油缸，用氣割將導(dǎo)向套的位置加熱后，用上述方法就可以實(shí)現(xiàn)拆卸作業(yè)，經(jīng)過計(jì)算，在正常的情況下需要600 N·m的轉(zhuǎn)矩，油缸較緊時(shí)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(dá)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(dá)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(zhǎng)，如果采用馬達(dá)和導(dǎo)向套的中心在同一條中心線的設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)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(jí)齒輪傳動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)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(hào)及軸承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(dòng)比i=Z2/Z1=56/44=1.27，為保證齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)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(dǎo)向套定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

導(dǎo)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(dǎo)向的4個(gè)定位槽緊密配合，并且要保證充足的強(qiáng)度和工裝的耐用度，導(dǎo)向套定位扳手的尺寸如圖4所示。

圖3 動(dòng)力機(jī)構(gòu)

圖4 導(dǎo)向套的外形尺寸

導(dǎo)向套定位機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核計(jì)算，在導(dǎo)向套定位機(jī)構(gòu)中強(qiáng)度最薄弱的地方是與導(dǎo)向套開槽位置連接的定位機(jī)構(gòu)，如圖4所示的A和B兩個(gè)位置，強(qiáng)度計(jì)算過程如下：馬達(dá)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(qiáng)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(shí)選用1.5倍的安全系數(shù)，要求材料能夠滿足的剪切強(qiáng)度為332×1.5=483 MPa，參照材料的剪切強(qiáng)度表，選用的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼25CrMnSi，剪切強(qiáng)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在拆缸的過程中，為確保油缸的外缸筒不隨著導(dǎo)向套一起旋轉(zhuǎn)，需要能夠快速地實(shí)現(xiàn)油缸拆裝的定位，并保證定位的強(qiáng)度,能夠長(zhǎng)期地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，因此選擇固定的定位機(jī)構(gòu)，既保證了定位裝置的強(qiáng)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(duì)缸底進(jìn)行定位，確保整體的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，油缸旋轉(zhuǎn)定位采用進(jìn)液接口與半圓筒接觸進(jìn)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(jì)

本套裝置液壓系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(jì)，考慮到油液的冷卻問題，決定采用風(fēng)冷的方式對(duì)系統(tǒng)的油液進(jìn)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(jiǎn)單、組裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單，完全可以滿足使用要求。采用的風(fēng)冷冷卻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(fēng)冷效果來看，完全可以滿足使用要求。

1.2.1 泵站的設(shè)計(jì)

泵站為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供，高壓液體動(dòng)力源，系統(tǒng)的壓力和流量要與所選用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相匹配，從前面可知，選用的馬達(dá)型號(hào)為BM-E400馬達(dá)，馬達(dá)的排量為398 mL/r，從圖3的齒輪傳動(dòng)比為1.27，我們需要的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為30 r/min，則馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為30 r/min ×1.27=38 r/min。那么齒輪泵的流量應(yīng)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(shí)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(chǎng)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(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)整，最高壓力不超過馬達(dá)的額定壓力16 MPa。

齒輪泵及配套電動(dòng)機(jī)的匹配計(jì)算：油泵流量公式為Q=q×n/1000；電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的功率，kW；P為油泵壓力，MPa。

我們選擇目前常用的四極電動(dòng)機(jī)，實(shí)際轉(zhuǎn)速約為1440 r/min。根據(jù)實(shí)際的裝缸需要，我們?cè)O(shè)計(jì)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速為30～50 r/min，根據(jù)此前選用的BM-E400馬達(dá)的參數(shù)及齒輪的傳動(dòng)比參數(shù)可以計(jì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)功率為6 kW，電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1470 r/min。選用聯(lián)軸器對(duì)電動(dòng)機(jī)和齒輪泵進(jìn)行連接固定。

1.2.2 液壓動(dòng)力油缸的設(shè)計(jì)

如圖1所示，拆卸完成的油缸，導(dǎo)向套的螺紋連接已經(jīng)松開，需要將活塞桿和缸筒進(jìn)行分離，為了可以方便快捷地完成解體工作，我們?cè)O(shè)計(jì)成用液壓油缸將活塞桿拉出的機(jī)械結(jié)構(gòu)，提供動(dòng)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(xué)參數(shù)計(jì)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(jì)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(tái)虎鉗將活塞桿夾緊，然后用扳手拆卸螺母，這個(gè)裝夾程序要浪費(fèi)很多的工時(shí)，因此我們決定采用新的設(shè)計(jì)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(jì)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(dǎo)向套拆卸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作

將活塞、導(dǎo)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(jìn)行解體，但是這種方式存在著員工的體力消耗大、安全風(fēng)險(xiǎn)大、拆卸效率低、對(duì)油缸配件有損傷等缺點(diǎn)，因此我們決定設(shè)計(jì)一套裝置，通過液壓動(dòng)力的方式，來實(shí)現(xiàn)拆卸的機(jī)械化，消除上述缺點(diǎn)。

1.4.1 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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

1.4.2 動(dòng)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(dǎo)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(jì)算如前所述，拆卸油缸的推力為98 kN，相當(dāng)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(jiǎn)捷，待拆的活塞放在定位板內(nèi)側(cè)，將活塞桿和滑動(dòng)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作

通過以上結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作、投用，小缸徑油缸的拆卸實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，但是如何能夠?qū)崿F(xiàn)裝缸的自動(dòng)化呢？裝缸最繁瑣的工序就是將導(dǎo)向套的螺紋聯(lián)接裝配，我們?cè)O(shè)計(jì)的拆缸馬達(dá)通過換向閥可以實(shí)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(jì)了通用的定位機(jī)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(jì)如圖9所示。

圖9 裝缸機(jī)構(gòu)

1.6 制作

經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)方案實(shí)際應(yīng)用，各項(xiàng)使用性能均能符合預(yù)先設(shè)計(jì)的功能要求，操作習(xí)慣、效率均能滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。

2 改進(jìn)產(chǎn)生的效益

2.1 經(jīng)濟(jì)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(yán)重的情況，還必須派焊工進(jìn)行加熱處理，否則很難對(duì)油缸進(jìn)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(dá)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(dòng)效率。每臺(tái)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(tái)數(shù)為1300 臺(tái)，另外零星的小油缸修理為3000 根/a，總計(jì)數(shù)量為10 800 根/a。采用原工藝每年修復(fù)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(shí)人工費(fèi)43.75元計(jì)算，每年可以節(jié)約7.56 萬元，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，本設(shè)備的投用經(jīng)濟(jì)效益較為可觀。

2.2 社會(huì)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(dòng)強(qiáng)度，解放了員工的勞動(dòng)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(jìn)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(jī)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(jī)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(huì)遇到一些制約生產(chǎn)的效率的瓶頸問題，對(duì)安全管理威脅大的工藝流程，限制經(jīng)營指標(biāo)提高的高消耗環(huán)節(jié)，我們要深入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，結(jié)合實(shí)際情況，集思廣益，設(shè)計(jì)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(chǎng)的問題。