一種軸承座自動翻轉工裝的設計與分析

李 松

軋鋼機械是我集團公司的主導產品，而軸承座則是軋鋼機上的關鍵零件之一，加工周期長、難度大、精度要求高。近年來，軋機軸承座的需求量增加較大，且呈上升趨勢。因此，集團公司專門建立起了一條軸承座專業化生產線。但是，現階段軸承座生產線還存在著一定問題，沒有專用軸承座翻轉工裝就是其中的問題之一。

軸承座的結構特點決定了其加工的復雜性。在加工過程中，通常先在立車上加工內孔和端面，此時需要將內孔軸線豎直裝夾；而在鏜床上加工端面上的孔時，則需要將軸承座的內孔軸線水平裝夾。加工整個軸承座需要多次進行90°翻轉。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，翻轉更加困難。

現中裝分廠在加工軸承座時，采用天車配合人工，由起重工用鋼絲繩勒緊軸承座的不同位置，指揮天車翻轉。這種方法存在著明顯的缺點：

（1）生產自動化程度低，專業化水平差，生產效率低下。

（2）需頻繁使用天車，對生產調度影響較大。

（3）工人參與起吊工作，容易發生安全事故。

可見，現有工藝方法已經不能滿足專業化生產的要求。針對此問題，需要一種結構簡單，安全可靠，使用方便的專用工裝來實現軸承座的翻轉工作，以提高生產自動化、專業化水平和生產效率，增加生產的安全性。

1 現有翻轉裝置比較分析

常用的工件翻轉裝置有很多種，分別應用于不同的場合，下文中將對不同種類的工件翻轉裝置進行分析對比。

1.1 齒輪式翻轉裝置

這種翻轉裝置現在應用于集團公司水鍛分廠二工部，主要應用于筒節翻轉。該裝置由小齒輪，框架和固定有大齒圈的翻轉臺組成。工件放置在翻轉臺上，翻轉臺通過托輥放置在框架上面，由小齒輪帶動大齒輪轉動，繼而實現工件的90°翻轉動作。在翻轉過程中，因工件重心高度基本不變，翻轉過程較為平穩。但是此種翻轉機構中大齒圈的加工比較困難，加工成本較高。

1.2 “鏈條”式翻轉裝置

近幾年針對齒輪式翻轉機構的缺點，市面上出現了一些以鏈條傳動的鋼卷翻轉裝置。由于翻轉動作對轉動角度的精度要求不高，所以這種翻轉裝置用把合在翻轉臺上的鏈條代替大齒圈，用鏈輪代替小齒輪，其負載能力不及齒輪式翻轉裝置。

1.3 “自卸車”式翻轉機構

此種機構常用于自卸貨車，通過液壓缸驅動桿系實現車斗的翻轉，但是此種機構在進行超過70°的翻轉時，所需液壓缸行程較大，液壓缸用油量也比較多。

1.4 雙液壓缸翻轉裝置

此種結構由兩個平板和兩個液壓缸組成。工作時，液壓缸1首先伸長，通過平板1將工件托轉45°～47°；此時，液壓缸2迎上，將翻轉的工件接住，同時緩慢縮回，最終完成90°翻轉。此種裝置翻轉時比較穩定，但是兩個液壓缸同時配合動作，需要比較復雜的電液控制系統，為設計和制造提出了一定的難題。

1.5 液壓缸直驅式翻轉機構

在“自卸車”翻轉機構的基礎上，將桿系進一步簡化為由一個液壓缸直接驅動。但是此機構需要液壓缸行程較長，在安裝中往往需要深挖地基。但通過計算、仿真和優化，合理布置液壓缸的驅動點和旋轉中心，可以將液壓缸行程盡量縮小。

在以上幾種常見的翻轉裝置中，前幾種結構相對復雜，加工制造難度相對比較大，而液壓缸直驅式翻轉機構結構簡單，制造容易。

本文通過對翻轉機構計算，分析和仿真，確定了最優的尺寸，使得液壓缸行程盡量縮短，而且避免了深挖地基的缺點。

2 液壓直驅式翻轉裝置

2.1 設計方案

本設計方案采用液壓缸直接驅動翻轉框架進行翻轉。

整個翻轉工裝由兩個驅動液壓缸、翻轉框架及底座組成。為了保證翻轉過程的穩定性，用12個地腳螺栓將底座固定在基礎上；翻轉框架通過兩側的銷軸與底座鉸接；兩個驅動液壓缸對稱布置在框架的兩側，一端通過耳軸固定在底座上，另一端固定在翻轉框架上（見圖1、圖2）。

圖1 機構簡圖

圖2 翻轉工裝結構設計方案

在初始狀態，液壓缸處于伸出位置，使翻轉框架豎直放置，將軸承座以內孔軸線水平狀態放在翻轉框架上（見圖3）；翻轉時液壓缸開始收縮，翻轉框架帶動軸承座一同翻轉，最終使軸承座內孔軸線轉到豎直狀態（見圖4）。翻轉極限位置設有行程開關，以保證翻轉角度在90°范圍之內，而不會發生過動作的現象，整個翻轉過程用時約60 s。

圖3 豎直位置

圖4 水平位置

翻轉機構按照最大軸承座設計，載重15 t，長寬高分別為3200 mm，2400 mm和2400 mm。為了減輕整個翻轉裝置的重量，采用型鋼焊接框架結構，在減小重量的同時增大整體強度，整個翻轉機構重量約為0.8～1.0 t。

2.2 參數計算

在進行結構設計的同時，需要對軸承座翻轉工裝的各個尺寸進行計算，以實現液壓缸最短，避免深挖地基的目標。

根據軸承座豎直放置時翻轉臺所處狀態給出結構簡圖，確定液壓缸兩個鉸鏈點A和B及翻轉框架鉸鏈點O的位置。綜合考慮框架結構的空間限制，首先確定A點和O點的位置，對于鉸鏈點B，其與鉸鏈點O的豎直距離也可以確定，最后確定B與O的水平距離（見圖5）。

當液壓缸的鉸鏈點位于B′位置時，根據幾何關系求得X=550，此時液壓缸與翻轉框架處于互不干涉的臨界位置。再考慮液壓缸鉸鏈點的實際安裝情況，選定為圖中B點，其與O點水平距離為1130 mm。

在三角形ABC中：

求得 F拉=7.65 t

而液壓缸最大長度

在翻轉臺處于0°位置時，在三角形ABC中：

由翻轉液壓缸推力與重力關系

求得 F推=10.05 t

而液壓缸最小長度

L最小=1088 mm

由于翻轉框架兩側各有一個液壓缸，所以對每個液壓缸來說

綜上：設安全系數為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 動力學仿真計算

為了驗證計算結果的準確性，將整個模型導入到Inventor中進行運動分析和受力分析。按照機構簡圖對模型進行簡化，主要載荷力是軸承座和翻轉框架的重力，假設液壓缸的流量恒定，伸出速度恒定，完成90°翻轉動作用時間為60 s。翻轉框架由豎直狀態翻轉到水平狀態（見圖6）。

圖5 翻轉臺結構簡圖

從仿真曲線上可以看到：

圖6 仿真分析曲線

（1）在翻轉的過程中，液壓缸先受拉力（inventor中定義拉力為負值），在啟動時所受的拉力最大，2個液壓缸受力為7.632 t，單個液壓缸受力為3.816 t；隨著液壓缸的收縮，所受拉力漸漸減小，當軸承座重心與旋轉框架在同一豎直線上時，拉力為零；液壓缸繼續收縮，液壓缸開始受到壓力，當翻轉到最終點時，所受壓力達到最大，2個液壓缸受壓力為10.07 t，單個液壓缸受力5.05 t。這與之前的理論計算基本吻合。證明了仿真結果的準確性。

（2）在翻轉過程中，鉸鏈點受力是變化的，其在初始情況下受力最大，隨著翻轉的進行鉸鏈點受力越來越小，當翻轉完成后，鉸鏈點的受力最小。所以對鉸鏈點的銷軸進行設計和強度校核時，應該選用翻轉框架豎直狀態下的受力值。

（3）在整個翻轉過程中，鉸鏈點的角速度變化不大，說明翻轉過程中，速度比較穩定；角加速度變化不大，翻轉沖擊較小。

2.4 液壓缸選型

依據計算出的負載及運動行程，考慮液壓缸的安裝特點，查閱相關手冊與資料，選用HSG工程用液壓缸，型號為HSG-L-80/45E-1301-800-1147。

3 結語

經過結構設計，參數計算和仿真分析，證明此翻轉工裝可以穩定，高效，安全地完成軸承座的90°翻轉動作。對提高生產的自動化、專業化水平和生產效率，增強生產的安全性具有一定的意義。