氣動平衡技術在電動擰緊軸上的應用

摘要：文章以氣動平衡技術在履帶擰緊機工裝應用為實例，解決了原來傳統的控制氣路造成的沖擊對電動擰緊軸使用壽命的影響，該平衡技術對于制造企業的裝配生產過程中氣動設備的使用有一定的參考意義。

關鍵詞：氣動平衡；履帶擰緊機；擰緊軸

中圖分類號：TH131 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）16-0057-02

在履帶的生產裝配過程中，履帶與鏈條的連接螺母扭矩值要求一定的范圍，必須使用電動擰緊軸才可以達到工藝要求，螺母的擰緊是先由裝配人員用氣動扳手進行預緊，然后再用電動擰緊軸按設定的擰緊程序擰緊至工藝要求的扭矩范圍。通常M16～M24的螺母擰緊扭矩值范圍大約在600～2200Nm，單個履帶板有四組螺栓螺母與鏈條連接，并且四組螺栓不呈梯形分布，這就需要電主軸在X、Y、Z三個方向都可移動。電動擰緊軸通常安裝在一個可移動的工裝上，整個工裝部分可以沿履帶輥道線方向（Y向）移動，此方向的移動是需要操作人員旋轉手輪來完成的，電主軸部分的水平移動（X向）是以減速電機為動力，滾珠絲杠傳遞動力帶動電主軸水平運動，豎直方向是由一個全程自鎖氣缸帶動電主軸及水平移動部分升降，工裝對于水平移動和豎直方向的控制是用一個五按鈕的集成式操作手柄來實現的，四個按鈕控制方向，第五個按鈕是用來啟動擰緊軸工作。

1 現有問題

在卡特彼勒天津工廠履帶擰緊工序是每日兩班工作制，生產節拍需要擰緊機每天工作兩萬多個工作循環，也就是每天電主軸下降-擰緊-上升的節奏兩萬多次，對電主軸的可靠性要求極高。電主軸目前沒有國產品牌，較好性能的電主軸都是些以瑞典的ATLAS、美國COOPER和INGERSOLLAND為代表的歐美品牌，日本及韓國生產的以低扭矩較多。

電動擰緊軸的升降動作是由氣缸驅動、操作人員按升降按鈕來實現的，氣缸采用的是全程自鎖氣缸，是為了防止控制系統出現故障時，電主軸部分不會突然下落而產生意外。

傳統的氣路控制如圖2所示，雖然可以完成升降的基本功能，但是下降過程中氣缸壓力再加上電主軸水平移動部分的重量300多公斤，電主軸前端套筒與螺母接觸時產生巨大的沖擊力，對電主軸前端減速器部分壽命影響極大，在卡特彼勒天津工廠幾乎1～2個月就需要維修電主軸，更換被損壞的減速器部件，給廠家生產造成很大的不便，并帶來昂貴的維護費用。

氣路原理：操作者按下降按鈕后，電磁閥2動作，給自鎖氣缸7鎖緊裝置通氣，打開氣缸鎖，同時電磁閥3動作，向氣缸活塞端通氣，氣缸桿推出，帶動電主軸部分下降。

操作者按松開按鈕后，電磁閥2反向動作，切斷自鎖氣缸鎖緊裝置氣源，氣缸鎖死。同時電磁閥3回到中位，封住氣缸進出口氣源。

操作者按上升按鈕后，電磁閥2動作，給自鎖氣缸7鎖緊裝置通氣，打開氣缸鎖，同時電磁閥3動作，向氣缸桿端通氣，氣缸桿收回，帶動電主軸部分上升。

除了下降時巨大的沖擊對電主軸的不利影響外，此氣路還有另外一個不可忽視的問題，當車間生產停頓時間較長后，氣缸內的氣體壓力由于氣路不可避免的泄露會降低，但是由于自鎖氣缸的鎖緊裝置鎖住了氣缸桿，氣缸桿不會由于負載帶動向下伸出，當操作人員下次開啟設備，按下上升按鈕后，由于氣缸活塞桿端腔體壓力很低，氣源通過電磁閥3、節流閥4是有較大的阻力，流速較慢，不能迅速給桿端腔體充氣達到上升壓力，而此時氣缸鎖緊裝置已經打開，負載（電主軸及水平移動部分的重量）產生的拉力會使氣缸桿拉出，電主軸以及水平移動部分迅速下墜，幾秒鐘后氣缸下腔壓力升上來之后，氣缸桿又會向上收回，也就是說操作者按下了上升按鈕后，設備電主軸部分反應是快速下降，再上升，再震蕩數秒后才能達到穩定狀態，這樣出人意料的反應極易造成意外的設備損壞甚至是人身傷害。

2 解決方案

針對此問題，我們將氣動平衡技術引入該設備，應用該技術，完全解決了電主軸下降時的沖擊和再次重啟后的快速下墜的問題，充分保護這些價格不菲的進口的電

主軸。

平衡氣路只需要在氣缸一端通氣，通過調節進氣壓力使氣缸產生的提升力等于或接近負載重量，或者說用氣缸力“抵消”了大部分負載重量，操作者使用很小的外力就可以使負載上升或者下降。

在本例中即是用平衡氣路的原理，氣缸力平衡掉了負載重量，電主軸擰緊套筒與螺母接觸時，只是有改變負載部分升降狀態的幾公斤的外力施加到電主軸擰緊套筒與螺母之間，讓套筒進入螺母頭部，對電主軸幾乎沒有任何

沖擊。

經減壓閥2的氣路是為氣缸活塞桿端保持一定的氣壓，氣缸桿端腔體在氣缸不動作時與氣源連接，防止設備長時間停止使用后再開啟時活塞桿端腔體內無壓力，負載會帶動氣缸桿向下急墜而造成意外。單向閥8的作用是阻止上升下降時氣缸充氣側腔內的壓力沿此路在兩位三通閥6的排氣口被卸掉。

3 應用效果

我公司為卡特彼勒徐州工廠提供的擰緊設備工裝在使用了平衡氣路以后，有效地消除了電主軸部分下落時的沖擊，同時由于對工裝本身的反作用力減小，從而使得工裝的結構件的剛性要求降低，我們對工裝的結構件進行了重新的優化設計，整個工裝的自身重量比原設備減小了20%多，同時使得工裝在輥道線體上行走所需的推力下降了20%，減輕了工人的勞動強度。采用新氣路的工裝使用一年以來，再也沒有發生過減速器損壞的問題，該技術應用得到了電主軸供應商ATLAS的認可，同時設備也得到最終使用客戶的好評。

4 結語

氣動平衡技術可以應用在機械設計的各個方面，在汽車生產的焊裝和總裝線的裝配過程應用非常廣泛，多用于零部件安裝搬運助力機械手、輪胎裝配工裝及反扭力輔助臂等，但在其他行業卻應用較少。本文通過一個簡單的應用實例，介紹了平衡氣路的一種方式，該平衡技術可以推廣應用于多種負載氣動平衡，也可替代彈簧平衡器、氣動平衡器、氣動葫蘆等成型產品，合理的使用能夠為生產企業降低生產成本和提高設備利用率。

參考文獻

[1] 路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.

作者簡介：王紅安（1975—），男，陜西寶雞人，青島興儀電子設備有限責任公司助工，碩士，研究方向：化工機械與設備。