一種軸承座自動(dòng)翻轉(zhuǎn)工裝的設(shè)計(jì)與分析

李 松

軋鋼機(jī)械是我集團(tuán)公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，而軸承座則是軋鋼機(jī)上的關(guān)鍵零件之一，加工周期長(zhǎng)、難度大、精度要求高。近年來(lái)，軋機(jī)軸承座的需求量增加較大，且呈上升趨勢(shì)。因此，集團(tuán)公司專(zhuān)門(mén)建立起了一條軸承座專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)。但是，現(xiàn)階段軸承座生產(chǎn)線(xiàn)還存在著一定問(wèn)題，沒(méi)有專(zhuān)用軸承座翻轉(zhuǎn)工裝就是其中的問(wèn)題之一。

軸承座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其加工的復(fù)雜性。在加工過(guò)程中，通常先在立車(chē)上加工內(nèi)孔和端面，此時(shí)需要將內(nèi)孔軸線(xiàn)豎直裝夾；而在鏜床上加工端面上的孔時(shí)，則需要將軸承座的內(nèi)孔軸線(xiàn)水平裝夾。加工整個(gè)軸承座需要多次進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)。但由于軸承座的體積較大，尤其是大型支撐輥軸承座，其體積和重量更大，翻轉(zhuǎn)更加困難。

現(xiàn)中裝分廠(chǎng)在加工軸承座時(shí)，采用天車(chē)配合人工，由起重工用鋼絲繩勒緊軸承座的不同位置，指揮天車(chē)翻轉(zhuǎn)。這種方法存在著明顯的缺點(diǎn)：

（1）生產(chǎn)自動(dòng)化程度低，專(zhuān)業(yè)化水平差，生產(chǎn)效率低下。

（2）需頻繁使用天車(chē)，對(duì)生產(chǎn)調(diào)度影響較大。

（3）工人參與起吊工作，容易發(fā)生安全事故。

可見(jiàn)，現(xiàn)有工藝方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)的要求。針對(duì)此問(wèn)題，需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，使用方便的專(zhuān)用工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)軸承座的翻轉(zhuǎn)工作，以提高生產(chǎn)自動(dòng)化、專(zhuān)業(yè)化水平和生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)的安全性。

1 現(xiàn)有翻轉(zhuǎn)裝置比較分析

常用的工件翻轉(zhuǎn)裝置有很多種，分別應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，下文中將對(duì)不同種類(lèi)的工件翻轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行分析對(duì)比。

1.1 齒輪式翻轉(zhuǎn)裝置

這種翻轉(zhuǎn)裝置現(xiàn)在應(yīng)用于集團(tuán)公司水鍛分廠(chǎng)二工部，主要應(yīng)用于筒節(jié)翻轉(zhuǎn)。該裝置由小齒輪，框架和固定有大齒圈的翻轉(zhuǎn)臺(tái)組成。工件放置在翻轉(zhuǎn)臺(tái)上，翻轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)托輥放置在框架上面，由小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而實(shí)現(xiàn)工件的90°翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，因工件重心高度基本不變，翻轉(zhuǎn)過(guò)程較為平穩(wěn)。但是此種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中大齒圈的加工比較困難，加工成本較高。

1.2 “鏈條”式翻轉(zhuǎn)裝置

近幾年針對(duì)齒輪式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，市面上出現(xiàn)了一些以鏈條傳動(dòng)的鋼卷翻轉(zhuǎn)裝置。由于翻轉(zhuǎn)動(dòng)作對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精度要求不高，所以這種翻轉(zhuǎn)裝置用把合在翻轉(zhuǎn)臺(tái)上的鏈條代替大齒圈，用鏈輪代替小齒輪，其負(fù)載能力不及齒輪式翻轉(zhuǎn)裝置。

1.3 “自卸車(chē)”式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

此種機(jī)構(gòu)常用于自卸貨車(chē)，通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)桿系實(shí)現(xiàn)車(chē)斗的翻轉(zhuǎn)，但是此種機(jī)構(gòu)在進(jìn)行超過(guò)70°的翻轉(zhuǎn)時(shí)，所需液壓缸行程較大，液壓缸用油量也比較多。

1.4 雙液壓缸翻轉(zhuǎn)裝置

此種結(jié)構(gòu)由兩個(gè)平板和兩個(gè)液壓缸組成。工作時(shí)，液壓缸1首先伸長(zhǎng)，通過(guò)平板1將工件托轉(zhuǎn)45°～47°；此時(shí)，液壓缸2迎上，將翻轉(zhuǎn)的工件接住，同時(shí)緩慢縮回，最終完成90°翻轉(zhuǎn)。此種裝置翻轉(zhuǎn)時(shí)比較穩(wěn)定，但是兩個(gè)液壓缸同時(shí)配合動(dòng)作，需要比較復(fù)雜的電液控制系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)和制造提出了一定的難題。

1.5 液壓缸直驅(qū)式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

在“自卸車(chē)”翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將桿系進(jìn)一步簡(jiǎn)化為由一個(gè)液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。但是此機(jī)構(gòu)需要液壓缸行程較長(zhǎng)，在安裝中往往需要深挖地基。但通過(guò)計(jì)算、仿真和優(yōu)化，合理布置液壓缸的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)中心，可以將液壓缸行程盡量縮小。

在以上幾種常見(jiàn)的翻轉(zhuǎn)裝置中，前幾種結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，加工制造難度相對(duì)比較大，而液壓缸直驅(qū)式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。

本文通過(guò)對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)計(jì)算，分析和仿真，確定了最優(yōu)的尺寸，使得液壓缸行程盡量縮短，而且避免了深挖地基的缺點(diǎn)。

2 液壓直驅(qū)式翻轉(zhuǎn)裝置

2.1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)框架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

整個(gè)翻轉(zhuǎn)工裝由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)液壓缸、翻轉(zhuǎn)框架及底座組成。為了保證翻轉(zhuǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，用12個(gè)地腳螺栓將底座固定在基礎(chǔ)上；翻轉(zhuǎn)框架通過(guò)兩側(cè)的銷(xiāo)軸與底座鉸接；兩個(gè)驅(qū)動(dòng)液壓缸對(duì)稱(chēng)布置在框架的兩側(cè)，一端通過(guò)耳軸固定在底座上，另一端固定在翻轉(zhuǎn)框架上（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 翻轉(zhuǎn)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在初始狀態(tài)，液壓缸處于伸出位置，使翻轉(zhuǎn)框架豎直放置，將軸承座以?xún)?nèi)孔軸線(xiàn)水平狀態(tài)放在翻轉(zhuǎn)框架上（見(jiàn)圖3）；翻轉(zhuǎn)時(shí)液壓缸開(kāi)始收縮，翻轉(zhuǎn)框架帶動(dòng)軸承座一同翻轉(zhuǎn)，最終使軸承座內(nèi)孔軸線(xiàn)轉(zhuǎn)到豎直狀態(tài)（見(jiàn)圖4）。翻轉(zhuǎn)極限位置設(shè)有行程開(kāi)關(guān)，以保證翻轉(zhuǎn)角度在90°范圍之內(nèi)，而不會(huì)發(fā)生過(guò)動(dòng)作的現(xiàn)象，整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程用時(shí)約60 s。

圖3 豎直位置

圖4 水平位置

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)按照最大軸承座設(shè)計(jì)，載重15 t，長(zhǎng)寬高分別為3200 mm，2400 mm和2400 mm。為了減輕整個(gè)翻轉(zhuǎn)裝置的重量，采用型鋼焊接框架結(jié)構(gòu)，在減小重量的同時(shí)增大整體強(qiáng)度，整個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)重量約為0.8～1.0 t。

2.2 參數(shù)計(jì)算

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要對(duì)軸承座翻轉(zhuǎn)工裝的各個(gè)尺寸進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)液壓缸最短，避免深挖地基的目標(biāo)。

根據(jù)軸承座豎直放置時(shí)翻轉(zhuǎn)臺(tái)所處狀態(tài)給出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，確定液壓缸兩個(gè)鉸鏈點(diǎn)A和B及翻轉(zhuǎn)框架鉸鏈點(diǎn)O的位置。綜合考慮框架結(jié)構(gòu)的空間限制，首先確定A點(diǎn)和O點(diǎn)的位置，對(duì)于鉸鏈點(diǎn)B，其與鉸鏈點(diǎn)O的豎直距離也可以確定，最后確定B與O的水平距離（見(jiàn)圖5）。

當(dāng)液壓缸的鉸鏈點(diǎn)位于B′位置時(shí)，根據(jù)幾何關(guān)系求得X=550，此時(shí)液壓缸與翻轉(zhuǎn)框架處于互不干涉的臨界位置。再考慮液壓缸鉸鏈點(diǎn)的實(shí)際安裝情況，選定為圖中B點(diǎn)，其與O點(diǎn)水平距離為1130 mm。

在三角形ABC中：

求得 F拉=7.65 t

而液壓缸最大長(zhǎng)度

在翻轉(zhuǎn)臺(tái)處于0°位置時(shí)，在三角形ABC中：

由翻轉(zhuǎn)液壓缸推力與重力關(guān)系

求得 F推=10.05 t

而液壓缸最小長(zhǎng)度

L最小=1088 mm

由于翻轉(zhuǎn)框架兩側(cè)各有一個(gè)液壓缸，所以對(duì)每個(gè)液壓缸來(lái)說(shuō)

綜上：設(shè)安全系數(shù)為1.6，液壓缸能夠承受雙向載荷，確定液壓缸行程不小于800 mm，推力不小于8 t，拉力不小于6.13 t。

2.3 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將整個(gè)模型導(dǎo)入到Inventor中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和受力分析。按照機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，主要載荷力是軸承座和翻轉(zhuǎn)框架的重力，假設(shè)液壓缸的流量恒定，伸出速度恒定，完成90°翻轉(zhuǎn)動(dòng)作用時(shí)間為60 s。翻轉(zhuǎn)框架由豎直狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到水平狀態(tài)（見(jiàn)圖6）。

圖5 翻轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

從仿真曲線(xiàn)上可以看到：

圖6 仿真分析曲線(xiàn)

（1）在翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中，液壓缸先受拉力（inventor中定義拉力為負(fù)值），在啟動(dòng)時(shí)所受的拉力最大，2個(gè)液壓缸受力為7.632 t，單個(gè)液壓缸受力為3.816 t；隨著液壓缸的收縮，所受拉力漸漸減小，當(dāng)軸承座重心與旋轉(zhuǎn)框架在同一豎直線(xiàn)上時(shí)，拉力為零；液壓缸繼續(xù)收縮，液壓缸開(kāi)始受到壓力，當(dāng)翻轉(zhuǎn)到最終點(diǎn)時(shí)，所受壓力達(dá)到最大，2個(gè)液壓缸受壓力為10.07 t，單個(gè)液壓缸受力5.05 t。這與之前的理論計(jì)算基本吻合。證明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，鉸鏈點(diǎn)受力是變化的，其在初始情況下受力最大，隨著翻轉(zhuǎn)的進(jìn)行鉸鏈點(diǎn)受力越來(lái)越小，當(dāng)翻轉(zhuǎn)完成后，鉸鏈點(diǎn)的受力最小。所以對(duì)鉸鏈點(diǎn)的銷(xiāo)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)該選用翻轉(zhuǎn)框架豎直狀態(tài)下的受力值。

（3）在整個(gè)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，鉸鏈點(diǎn)的角速度變化不大，說(shuō)明翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，速度比較穩(wěn)定；角加速度變化不大，翻轉(zhuǎn)沖擊較小。

2.4 液壓缸選型

依據(jù)計(jì)算出的負(fù)載及運(yùn)動(dòng)行程，考慮液壓缸的安裝特點(diǎn)，查閱相關(guān)手冊(cè)與資料，選用HSG工程用液壓缸，型號(hào)為HSG-L-80/45E-1301-800-1147。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參數(shù)計(jì)算和仿真分析，證明此翻轉(zhuǎn)工裝可以穩(wěn)定，高效，安全地完成軸承座的90°翻轉(zhuǎn)動(dòng)作。對(duì)提高生產(chǎn)的自動(dòng)化、專(zhuān)業(yè)化水平和生產(chǎn)效率，增強(qiáng)生產(chǎn)的安全性具有一定的意義。