千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 俊,陳遠(yuǎn)方，李保強(qiáng)

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 工業(yè)與智能中心，河南 鄭州 450007)

液壓支架是煤礦綜合機(jī)械化采煤工作中最主要的使用設(shè)備[1]，千斤頂作為液壓支架重要的承載部件之一，對(duì)液壓支架的穩(wěn)定安全運(yùn)行有重要作用[2-3]。在千斤頂來料清洗、活塞桿部裝、缸筒活塞桿組件合裝、導(dǎo)向套擰緊、成品施壓測(cè)試的裝配過程中，導(dǎo)向套擰緊環(huán)節(jié)必不可少?，F(xiàn)階段的導(dǎo)向套擰緊工藝由于缺少自動(dòng)化設(shè)備，需要工人用卡齒扳手將導(dǎo)向套擰入缸筒，并進(jìn)行預(yù)緊。但人工擰緊無法有效保證導(dǎo)向套的擰緊效果和預(yù)緊力，這不僅影響千斤頂?shù)纳a(chǎn)效率和裝配質(zhì)量，也增大了現(xiàn)場(chǎng)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

此前，國內(nèi)研究者曾對(duì)擰緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。于洪增等設(shè)計(jì)了一種擺動(dòng)式氣動(dòng)夾緊反力臂裝置，用以輔助工人實(shí)現(xiàn)汽車螺栓擰緊[4]；屈創(chuàng)等為解決發(fā)動(dòng)機(jī)底殼螺栓組的擰緊問題，設(shè)計(jì)了一種四軸擰緊機(jī)，以配合夾緊工裝完成擰緊[5]；田永成等提出一種在線式輪裝制動(dòng)盤螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)的設(shè)計(jì)方法，解決了輪裝制動(dòng)盤螺栓的擰緊問題[6]。目前關(guān)于擰緊機(jī)的研究集中在螺栓的擰緊，由于缺少自動(dòng)化工具工裝，千斤頂導(dǎo)向套的擰緊仍不得不由人工作業(yè)方式來實(shí)現(xiàn)。本文擬設(shè)計(jì)一種千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)，將其應(yīng)用于千斤頂自動(dòng)裝配線，以代替人工來擰緊千斤頂導(dǎo)向套，實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)淖詣?dòng)化裝配。

1 千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)概述

某煤機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)的千斤頂有側(cè)推、護(hù)幫、伸縮、平衡等用途，每種用途的機(jī)型均有多種規(guī)格。千斤頂雖然具有多用途、多規(guī)格的特點(diǎn)，但具有相似的結(jié)構(gòu)特征。千斤頂由缸筒、活塞桿組、導(dǎo)向套等部件組成(圖1)。千斤頂?shù)母淄簿哂幸粋€(gè)圓柱表面，末端鑄有銷孔耳；導(dǎo)向套法蘭外圓上均勻分布著4個(gè)卡槽。合裝后千斤頂?shù)幕钊麠U裝在缸筒中，導(dǎo)向套靠在缸筒內(nèi)螺紋上。生產(chǎn)過程要求用擰緊機(jī)對(duì)合裝后的千斤頂導(dǎo)向套進(jìn)行擰緊，以提高千斤頂裝配線的裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1.導(dǎo)向套；2.導(dǎo)向套法蘭外圓卡槽；3.銷孔耳；4.缸筒；5.活塞桿

千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)如圖2所示。它主要由夾緊機(jī)構(gòu)、止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、擰緊機(jī)構(gòu)、機(jī)架、控制柜等組成。夾緊機(jī)構(gòu)、止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和擰緊機(jī)構(gòu)均布置在機(jī)架線軌上，可在線軌上進(jìn)行位置調(diào)整。本文根據(jù)生產(chǎn)要求，綜合考慮擰緊機(jī)各機(jī)構(gòu)時(shí)間同步、空間不干涉、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的需要，按照每根導(dǎo)向套擰緊時(shí)間2 min的擰緊速度設(shè)計(jì)了圖3所示的擰緊機(jī)工作循環(huán)圖。

1.擰緊機(jī)構(gòu)；2.千斤頂；3.夾緊機(jī)構(gòu)；4.止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；5.觸摸屏；6.機(jī)架齒條；7.機(jī)架線軌；8.機(jī)架；9.控制柜

圖3 千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)的工作循環(huán)圖

擰緊機(jī)工作時(shí)，首先根據(jù)千斤頂來料類型加載工藝參數(shù)；其次，夾緊機(jī)構(gòu)調(diào)整位置對(duì)千斤頂進(jìn)行夾緊；隨后，止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行止轉(zhuǎn)，防止擰緊導(dǎo)向套過程中缸筒隨導(dǎo)向套轉(zhuǎn)動(dòng)；然后，擰緊機(jī)構(gòu)對(duì)導(dǎo)向套進(jìn)行擰緊；最后，夾緊機(jī)構(gòu)調(diào)整千斤頂位置，以配合機(jī)器人下料，完成千斤頂導(dǎo)向套擰緊的全過程。

2 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)采用一對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)夾緊功能。夾緊機(jī)構(gòu)主要由V形塊、安裝板、位置調(diào)整齒輪、伺服電機(jī)、夾緊氣缸等組成(圖4)。夾緊機(jī)構(gòu)通過滑塊安裝在機(jī)架線軌上，位置調(diào)整齒輪與機(jī)架齒條嚙合，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)齒輪來調(diào)整夾緊機(jī)構(gòu)在機(jī)架線軌上的位置。夾緊機(jī)構(gòu)的V形塊Ⅰ和V形塊Ⅱ分別通過安裝板與夾緊齒條Ⅰ、夾緊齒條Ⅱ相連。夾緊齒輪的軸心是固定的，夾緊齒條Ⅰ、夾緊齒條Ⅱ均與夾緊齒輪相嚙合。夾緊氣缸固定在安裝板上，氣缸活塞桿與夾緊齒條Ⅰ相連。氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)齒條，齒條Ⅰ、齒條Ⅱ相對(duì)移動(dòng)，帶動(dòng)兩個(gè)V形塊，實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作。

1.V形塊Ⅰ；2.線軌；3.夾緊齒條Ⅰ；4.V形塊Ⅱ；5.防撞開關(guān)；6.安裝板；7.滑塊；8.夾緊齒條Ⅱ；9.夾緊齒輪；10.機(jī)架線軌；11.機(jī)架齒條；12.位置調(diào)整齒輪；13.減速器；14.夾緊氣缸；15.伺服電機(jī)

夾緊過程中，機(jī)器人首先根據(jù)千斤頂規(guī)格加載擰緊工藝參數(shù)，并用伺服電機(jī)調(diào)整夾緊機(jī)構(gòu)在機(jī)架線軌上的位置；隨后將千斤頂送至兩個(gè)V形塊之間；最后通過氣缸活塞桿推動(dòng)齒條，帶動(dòng)兩個(gè)V形塊來夾緊缸筒。

夾緊力是夾緊機(jī)構(gòu)最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。夾緊力應(yīng)足夠夾緊所有類型的千斤頂；同時(shí)，夾緊力不能過大，應(yīng)保證缸筒在預(yù)緊力矩的作用下能繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)銷孔耳的角度不合適而無法卡入止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)層板間進(jìn)行止轉(zhuǎn)時(shí)，可通過預(yù)緊力矩作用來轉(zhuǎn)動(dòng)缸筒，調(diào)整銷孔耳的角度。夾緊機(jī)構(gòu)夾緊千斤頂時(shí)缸筒的受力情況如圖5所示。

(a) 缸筒在夾緊端面上受力

根據(jù)受力分析，缸筒在夾緊端面上的受力平衡方程為：

(1)

根據(jù)止轉(zhuǎn)要求，摩擦阻力矩應(yīng)小于預(yù)緊力矩，因此有：

(3)

式中：Tr為預(yù)緊力矩，N·m；D為缸筒直徑，m。夾緊力的大小應(yīng)適應(yīng)所有千斤頂類型，因此有：

(L,L1,L2,m,Tr,D)∈S

(4)

式中，S為各類型千斤頂構(gòu)成的參數(shù)集合。

針對(duì)參數(shù)集合S進(jìn)行計(jì)算，可求得夾緊機(jī)構(gòu)1、夾緊機(jī)構(gòu)2的夾緊力取值范圍，有：F(1)≥581.2 N;F(2)≥437.9 N;F(1)≤2 557.1 N;F(2)≤2 557.1 N。綜合考慮后，本文選取夾緊機(jī)構(gòu)1、夾緊機(jī)構(gòu)2的夾緊力F(1)=F(2)=800 N。

3 止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)的止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由層板、槽板、安裝板、連接板、導(dǎo)桿、復(fù)位彈簧、止轉(zhuǎn)氣缸等組成(圖6)。止轉(zhuǎn)氣缸固定在連接板上;千斤頂活塞桿與安裝板連接；槽板固定在安裝板的兩側(cè)；層板放置在槽板滑槽內(nèi),且與導(dǎo)桿相連接。

1.層板；2.槽板；3.安裝板；4.線軌；5.連接板；6.導(dǎo)桿；7.復(fù)位彈簧；8.滑塊；9.止轉(zhuǎn)氣缸

止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在夾緊機(jī)構(gòu)的一側(cè)，在夾緊機(jī)構(gòu)夾緊缸筒后進(jìn)行缸筒止轉(zhuǎn)。

止轉(zhuǎn)過程中，止轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)層板，壓向缸筒銷孔耳，缸筒銷孔耳頂出部分層板，卡在層板之間，實(shí)現(xiàn)止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的缸筒止轉(zhuǎn)功能。同時(shí)，設(shè)計(jì)成多層板結(jié)構(gòu)的止轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，能夠兼顧銷孔耳厚度不同的千斤頂止轉(zhuǎn)要求。

4 擰緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

擰緊機(jī)構(gòu)由氣電滑環(huán)、擰緊伺服電機(jī)、隨動(dòng)氣缸、氣動(dòng)四爪卡盤、交叉滾子軸承等構(gòu)成(圖7)。擰緊伺服電機(jī)經(jīng)輪系驅(qū)動(dòng)四爪卡盤扭轉(zhuǎn)。卡盤回轉(zhuǎn)軸線與夾緊機(jī)構(gòu)V形塊的抱夾中心同軸，通過氣電滑環(huán)實(shí)現(xiàn)與機(jī)架的氣電連接。隨動(dòng)氣缸固定在底板上，氣缸活塞桿與機(jī)架的上擋塊為固定連接。

(a) 機(jī)構(gòu)側(cè)面

擰緊過程中，夾緊機(jī)構(gòu)的位置調(diào)整伺服功能發(fā)揮作用，將夾緊并止轉(zhuǎn)后的千斤頂移送給擰緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)將導(dǎo)向套法蘭外圓端面與T形卡爪對(duì)齊；此時(shí)，卡爪氣缸推動(dòng)T形卡爪，使其頂在導(dǎo)向套法蘭外圓面上；隨后四爪卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)，T形卡爪卡入外圓卡槽；同時(shí)，隨動(dòng)氣缸電磁閥打開，隨動(dòng)氣缸會(huì)隨著螺紋的擰入進(jìn)程推動(dòng)擰緊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整體進(jìn)給。擰緊過程中，能對(duì)擰緊機(jī)構(gòu)卡盤轉(zhuǎn)角和擰緊力矩進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

擰緊機(jī)構(gòu)中T形卡爪與導(dǎo)向套通過擠壓傳遞力矩，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向套的擰入和預(yù)緊。由于擠壓接觸面積有限，預(yù)緊時(shí)，T形卡爪與導(dǎo)向套在擠壓面上可能產(chǎn)生過大變形或壓潰失效，這都會(huì)直接影響擰緊機(jī)構(gòu)的工作效率和千斤頂?shù)漠a(chǎn)品質(zhì)量。因此，本文對(duì)擠壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，選取合適的T形卡爪材料，并對(duì)預(yù)緊過程的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了有限元分析。

預(yù)緊過程中導(dǎo)向套的受力情況如圖8所示。

圖8 預(yù)緊過程中導(dǎo)向套的受力情況

根據(jù)分析，擠壓面的強(qiáng)度要求為：

(5)

(6)

式中：σp為T形卡爪與導(dǎo)向套擠壓面的壓應(yīng)力；ψ為載荷不均勻系數(shù)，取ψ=0.5～0.8；z為T形卡爪個(gè)數(shù)，z=4；d為導(dǎo)向套外圓直徑，mm；h為導(dǎo)向套外圓卡槽深度，mm；t為導(dǎo)向套外圓厚度，mm；[σ1]為導(dǎo)向套許用壓應(yīng)力，MPa；[σ2]為T形卡爪許用壓應(yīng)力，MPa；M為各類型千斤頂構(gòu)成的參數(shù)集合。

針對(duì)參數(shù)集合M進(jìn)行計(jì)算，可得出預(yù)緊某側(cè)推千斤頂時(shí)擠壓面的最大壓應(yīng)力，即397.71 MPa。根據(jù)該應(yīng)力值和選定的導(dǎo)向套材料27SiMn，可選取調(diào)質(zhì)處理的40Cr作為T形卡爪材料。

為了驗(yàn)證在預(yù)緊過程中，導(dǎo)向套和T形卡爪均不會(huì)因預(yù)緊作業(yè)在擠壓面上產(chǎn)生過大變形或壓潰失效這一結(jié)論,本文在建立對(duì)應(yīng)最大計(jì)算應(yīng)力的側(cè)推千斤頂導(dǎo)向套模型后，將其導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行了有限元分析。首先，對(duì)模型中一些不影響擠壓分析的實(shí)體特征進(jìn)行簡(jiǎn)化[7]，如導(dǎo)向套外螺紋；其次，設(shè)置各零件材料參數(shù)；然后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并參考文獻(xiàn)[8],對(duì)擠壓面進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。圖9所示為擠壓面的網(wǎng)格劃分結(jié)果。圖10所示為預(yù)緊過程中擠壓面的加載和約束。有限元分析結(jié)果見表1。

表1 有限元分析結(jié)果

圖9 擠壓面的網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖10 擠壓面的加載和約束

分析可知，T形卡爪主要受預(yù)緊力矩的作用。根據(jù)力的相互作用關(guān)系，若將卡盤視為靜止?fàn)顟B(tài)，則螺紋面將受到一定的力矩作用。設(shè)置邊界條件并進(jìn)行預(yù)緊過程的靜力學(xué)分析，可得到導(dǎo)向套與T形卡爪在預(yù)緊時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。圖11-圖13所示依次為擰緊機(jī)構(gòu)裝配體、導(dǎo)向套和T形卡爪的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。

從圖11-圖13可以看出，預(yù)緊過程中，導(dǎo)向套和T形卡爪在擠壓面上產(chǎn)生應(yīng)力的最大值遠(yuǎn)小于材料的允許應(yīng)力，且變形極小。這表明，預(yù)緊不會(huì)影響千斤頂產(chǎn)品的質(zhì)量和擰緊機(jī)構(gòu)的工作效率，所設(shè)計(jì)擰緊機(jī)構(gòu)能夠滿足擰緊需要。

(a) 應(yīng)力云圖 (b) 應(yīng)變?cè)茍D圖11 裝配體應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

(a) 應(yīng)力云圖 (b) 應(yīng)變?cè)茍D圖12 導(dǎo)向套應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

(a) 應(yīng)力云圖 (b) 應(yīng)變?cè)茍D圖13 T形卡爪應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

擰緊機(jī)是千斤頂裝配線的重要設(shè)備，其控制系統(tǒng)不僅要完成對(duì)擰緊過程的控制，同時(shí)應(yīng)具有合理的架構(gòu)，以支持裝配線的智能化和信息化建設(shè)。為避免協(xié)議多樣性造成的設(shè)備互聯(lián)互通困難[9-10]，本文設(shè)計(jì)了一種采用過程控制的OLE(Object Linking and Embedding)統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)的擰緊機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)組成如圖14所示。該控制系統(tǒng)以西門子1200PLC為控制器，對(duì)千斤頂導(dǎo)向套的擰緊過程進(jìn)行控制(擰緊過程的控制流程見圖15)；以O(shè)PC UA來實(shí)現(xiàn)擰緊機(jī)與其他設(shè)備的互聯(lián)，以及數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)。裝配線WinCC軟件能通過OPC UA采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[11-12]，實(shí)現(xiàn)擰緊機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警和數(shù)據(jù)記錄等。

圖14 控制系統(tǒng)的組成

圖15 擰緊過程的控制流程

6 樣機(jī)試驗(yàn)

將擰緊機(jī)運(yùn)用于千斤頂自動(dòng)裝配線中，進(jìn)行擰緊試驗(yàn)，并在擰緊導(dǎo)向套后對(duì)千斤頂注入液壓油，進(jìn)行高壓測(cè)試。若擰緊機(jī)擰緊質(zhì)量差，如出現(xiàn)導(dǎo)向套預(yù)緊不足、螺紋損壞等情況，則千斤頂導(dǎo)向套處會(huì)在施壓測(cè)試時(shí)出現(xiàn)液壓油泄露問題。因此，可以施壓過程中千斤頂導(dǎo)向套處是否出現(xiàn)液壓油泄露為依據(jù)，對(duì)擰緊機(jī)的擰緊質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)不同類型的千斤頂，每種規(guī)格選取10根進(jìn)行測(cè)試。本文以施壓測(cè)試不漏油作為千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)擰緊合格的判斷依據(jù)，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。千斤頂導(dǎo)向套擰緊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 千斤頂導(dǎo)向套擰緊試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可看出，所設(shè)計(jì)千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)的擰緊平均合格率為97.5%，擰緊平均工作節(jié)拍穩(wěn)定在80 s內(nèi)，具有不錯(cuò)的擰緊效果，能夠滿足企業(yè)生產(chǎn)要求。

7 結(jié) 語

本文針對(duì)千斤頂導(dǎo)向套需要人工擰緊的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種千斤頂導(dǎo)向套擰緊機(jī)，并對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。該擰緊機(jī)已成功運(yùn)用于某煤機(jī)制造企業(yè)的千斤頂裝配線中，工作穩(wěn)定可靠，平均擰緊合格率為97.5%，平均工作節(jié)拍穩(wěn)定在80 s內(nèi)，滿足了企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要求。該擰緊機(jī)擰緊方法也可以用于其他類型的生產(chǎn)線中，對(duì)于解決螺紋類工件的擰緊問題具有一定的參考價(jià)值。