用于車架矯形的氣錘的研制

韓 飛，王衛(wèi)衛(wèi)，趙洪運(yùn)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海264209）

用于車架矯形的氣錘的研制

韓 飛，王衛(wèi)衛(wèi)，趙洪運(yùn)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 威海264209）

基于沖擊氣缸研制了用于車架矯形的氣錘，可以代替人工掄大錘砸車架。根據(jù)沖擊氣缸的打擊能量大于人工掄大錘的打擊能量，選用了沖擊氣缸的缸徑和行程。設(shè)計(jì)了氣錘控制電路，選用了控制電路所用的元器件，如開關(guān)、繼電器和電磁閥等。采用懸掛裝置，使氣錘沿水平方向沖擊車架，使用爪形裝置鉤住車架，以減少?zèng)_擊時(shí)氣錘的后退。采用電動(dòng)葫蘆升降氣錘，電動(dòng)葫蘆固定在可以沿導(dǎo)軌行走的門架懸臂上。當(dāng)氣壓達(dá)到0.5～0.6 MPa時(shí)，按下開關(guān)，經(jīng)延時(shí)2～3 s后，錘頭高速水平運(yùn)動(dòng)，被撞擊的車架鋼管發(fā)生了塑性變形，達(dá)到了矯直的要求。

氣錘；沖擊氣缸；車架；矯形

汽車客車生產(chǎn)廠一般是在選用發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤等主要部件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制造客車，因此客車生產(chǎn)廠主要任務(wù)是制造客車車身。客車車身焊裝線主要工藝流程包括焊接車架外撐橫梁和地板支架或車身底架組焊→組焊整車骨架→焊裝車身左右側(cè)圍外蒙皮→組焊車身前、后風(fēng)窗框和前、后圍外蒙皮→車門、行李倉等部件裝配。

汽車客車廠車身骨架焊接過程是將鋼管和板材焊接成單片，然后將單片組合焊接成六面體車身骨架。經(jīng)過吊線和樣板檢測(cè)，車身骨架的橫梁和立柱出現(xiàn)了不同程度的外凸和內(nèi)凹變形，不利于后續(xù)蒙皮的安裝，同時(shí)影響車身的外觀質(zhì)量。目前工廠在焊裝生產(chǎn)線的組焊整車骨架工位和焊裝車身左右側(cè)圍外蒙皮工位之間，設(shè)置骨架矯形工位，采用反向變形法矯正立柱和橫梁的彎曲變形，加載方式為人工掄大錘，當(dāng)橫梁和立柱上出現(xiàn)外凸變形時(shí)，由車架外部朝里錘擊；當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)凹變形時(shí)，由里朝外錘擊。采用自動(dòng)化檢測(cè)和機(jī)械化矯形可有效減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率。經(jīng)過多種方案比較研究，決定采用激光檢測(cè)和計(jì)算機(jī)處理獲得車架外凸或內(nèi)凹的變形量，然后采用靜力（壓或拉）和沖擊力進(jìn)行矯形。本文僅介紹以沖擊力為動(dòng)力的矯形裝置的研制。

由于沖擊氣缸的特殊結(jié)構(gòu)，在較低的壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下，氣缸中的活塞桿或錘頭能產(chǎn)生很高的打擊速度和高的沖擊力[1-2]，能達(dá)到一般鍛錘的打擊速度[3-4]。

汽車客車車身骨架焊好之后，由于焊接變形，導(dǎo)致車身橫梁和立柱的直線度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，影響后續(xù)鋼板的焊裝以及車身的美觀，需要將橫梁和立柱鋼管矯直。為了給車身骨架矯形工位提供簡(jiǎn)單實(shí)用的打擊設(shè)備，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，利用沖擊氣缸作為沖擊力來源研制了車架矯形用的氣錘，該氣錘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，使用操作方便，噪聲震動(dòng)小。氣錘安裝于車身焊裝生產(chǎn)線骨架矯形工位，在焊裝線兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上各布置一臺(tái)，錘頭朝向車身骨架。在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，氣錘可前后移動(dòng)和升降以適應(yīng)不同位置矯形的需要，氣源為工廠的壓縮空氣。

1 氣錘的總體設(shè)計(jì)

氣錘的機(jī)械部分如圖1所示，由爪1、錘頭2、連接環(huán)3、活塞桿4、吊環(huán)5、拉桿6和氣缸7組成。錘頭2與活塞桿4配合，并且用連接環(huán)3和螺釘連接。爪1用螺釘固定在氣缸7端蓋上，吊環(huán)5固定在拉桿6上。吊環(huán)孔的垂直中心線通過氣錘的重心，使錘頭沿水平方向沖擊車架。爪由兩件組成，分布于錘頭兩側(cè)，用爪鉤住鋼管，當(dāng)錘頭沖擊車架時(shí)，使氣錘的后坐力降低，從而避免傷及操作者。

圖1 氣錘機(jī)械部分裝配示意圖

2 沖擊氣缸的選用

沖擊氣缸結(jié)構(gòu)有多種形式[5-8]，由于車架矯形不需要壓邊，故選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的一種沖擊氣缸，其工作原理圖如圖2所示。該沖擊氣缸的動(dòng)作分為復(fù)位、蓄能、低速運(yùn)動(dòng)和高速運(yùn)動(dòng)四個(gè)階段。當(dāng)K2和K3口通大氣，K1口進(jìn)氣時(shí)，活塞環(huán)4帶動(dòng)活塞桿1和活塞5向右運(yùn)動(dòng)，并與右端蓋6接觸，氣缸處于復(fù)位階段；當(dāng)K1孔通大氣，K2孔進(jìn)氣時(shí)，活塞環(huán)4向左運(yùn)動(dòng)，并與左端蓋2接觸，氣缸處于蓄能階段；當(dāng)K3孔進(jìn)氣時(shí)，活塞桿1及活塞5向左低速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)蓄能腔與右端蓋進(jìn)氣腔連通后，活塞桿1和活塞5做高速運(yùn)動(dòng)。

圖2 沖擊氣缸工作原理示意圖

假設(shè)工人掄錘的行程為1.5 m，在0.25 s的時(shí)間內(nèi)完成打擊，錘的重量為4 kg，初速度等于0，根據(jù)距離與加速度和時(shí)間的計(jì)算公式S=（1/2）at2，a×0.252＝ 1.5 m，a=48 m/s2，v=at=48 × 0.25=12 m/s，錘的動(dòng)能E=0.5 mv2=0.5×4×122=288 J.故選用沖擊氣缸的缸筒內(nèi)徑為160 mm，活塞桿行程為140 mm，當(dāng)工作氣壓為0.55 MPa時(shí)，打擊能量為350 J（該數(shù)據(jù)由制造廠提供），大于288 J，能滿足車架矯形所需的打擊能量要求。

3 沖擊氣缸的控制電路和氣路圖

圖3所示為沖擊氣缸的控制電路圖。電路由24 V直流電源供電，采用常開的開關(guān)。電路中采用了一個(gè)普通繼電器和一個(gè)時(shí)間繼電器。采用了兩個(gè)二位五通電磁閥。

圖3 沖擊氣缸控制電路圖

常用的時(shí)間繼電器有5 s和10 s繼電器兩種，本文選擇5 s繼電器。時(shí)間繼電器的型號(hào)為H3Y-2.時(shí)間繼電器接線圖如圖4所示。工作原理：13、14長(zhǎng)時(shí)間接電源，開關(guān)接通后，5、9延時(shí)閉合，二位五通電磁閥工作。普通繼電器的接線方法與時(shí)間繼電器的接線方法相同，開關(guān)接通后，5、9立即閉合，二位五通電磁閥工作。電磁閥也可以接在繼電器的8、12線路上。1、9和4、12為常閉線路，本文不采用。

圖4 時(shí)間繼電器接線圖

圖5 所示為采用的AirTAC亞德客二位五通電磁閥。普通繼電器控制的二位五通電磁閥（見圖6左下）的A出氣口接沖擊氣缸的K1口，B出氣口接沖擊氣缸的K2口；時(shí)間繼電器控制的二位五通電磁閥（圖6右下）的A出氣口封住不用，B出氣口接沖擊氣缸的K3口。

圖5 AirTAC亞德客二位五通電磁閥

圖6 沖擊氣缸氣路控制示意圖

在失電和通氣狀態(tài)下，通過氣源提供的壓縮空氣分兩路進(jìn)入兩個(gè)二位五通閥的進(jìn)氣口P，經(jīng)過A出氣口（圖6左下），通過K1口進(jìn)入活塞左腔，推動(dòng)活塞環(huán)、活塞及活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，完成復(fù)位，同時(shí)活塞右腔的氣體通過 K2、B、S和 K3、B、S排到大氣中；通電后，普通繼電器控制的電磁閥（圖6左下）開始工作，切換工作位置，進(jìn)氣口P和出氣口B接通，A口和排氣口R接通，壓縮空氣推動(dòng)活塞環(huán)向左運(yùn)動(dòng)，活塞環(huán)左腔的氣體通過A、R口排到大氣中。當(dāng)活塞環(huán)接觸左端蓋停止運(yùn)動(dòng)后，活塞環(huán)右腔的氣壓越來越高。時(shí)間繼電器經(jīng)過延時(shí)后，5、9閉合（圖4），圖6右下的電磁閥開始工作，切換工作位置，進(jìn)氣口P和出氣口B接通，壓縮空氣經(jīng)過K3口，進(jìn)入活塞右腔，推動(dòng)活塞和活塞桿向左低速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞的左腔和右腔接通后，活塞和活塞桿在高壓下高速向左運(yùn)動(dòng)。

4 安裝調(diào)試

將控制電路接入24 V直流電源。用快速接頭和氣管，連接油霧過濾減壓閥三聯(lián)件的出氣口與氣路控制板上的兩個(gè)電磁閥的共用進(jìn)氣口（見圖6），連接三聯(lián)件的進(jìn)氣口與工廠壓縮空氣罐的出氣口，連接兩個(gè)電磁閥的三個(gè)出氣口與氣缸的三個(gè)進(jìn)氣口。

為了適應(yīng)不同高度的車架鋼管矯形的需要，選用了電動(dòng)葫蘆。電動(dòng)葫蘆固定在門架懸臂上，用電動(dòng)葫蘆的鋼絲繩上的吊鉤穿過氣錘上的吊環(huán)孔，接通220 V交流電源，用遙控器控制電動(dòng)葫蘆使氣錘上升或下降。

為了滿足車體長(zhǎng)度方向不同位置的車架鋼管的矯形，采用伺服電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)門架運(yùn)動(dòng)，門架下部的車輪沿著地面上的軌道行走，同時(shí)通過門架上方的滑塊，沿著上梁直線導(dǎo)軌滑動(dòng)，用控制盒控制門架的行走。

將氣錘移到需要矯形的車架附近，用爪鉤住車架的腰梁鋼管，當(dāng)三聯(lián)件的氣壓表顯示的氣壓達(dá)到0.5～0.6 MPa時(shí)，按動(dòng)開關(guān)，經(jīng)延時(shí)2～3 s后，錘頭高速水平?jīng)_擊車架鋼管，被沖擊的鋼管發(fā)生了1～2 mm的凹陷變形，與掄錘的矯形效果一致。當(dāng)需要矯直較大規(guī)格的鋼管時(shí)，需要配置增壓比為1∶2的壓縮空氣增壓泵，增壓后的氣壓調(diào)到0.8～1.0 MPa，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)格鋼管的矯形。

5 結(jié)論

根據(jù)車架矯形特點(diǎn)，選擇了沖擊氣缸的結(jié)構(gòu)。通過人工掄錘打擊能量的計(jì)算，根據(jù)沖擊氣缸活塞桿的打擊能量大于手錘的打擊能量，確定了沖擊氣缸的缸筒內(nèi)徑和行程。根據(jù)沖擊氣缸的工作原理，采用了合適的控制電路和氣路，選購了開關(guān)、二位五通電磁閥、繼電器以及油霧過濾減壓閥三聯(lián)件等電器元件。采用爪形裝置，減少了錘頭沖擊時(shí)氣缸的后退。采用電動(dòng)葫蘆鋼絲繩懸掛沖擊氣缸，用遙控器控制氣錘的升降，用控制盒按鈕控制門架的行走，操作方便，滿足了車架不同位置矯形的要求。

[1]王成剛，謝小恒，鄭曉敏，等.沖擊氣缸的數(shù)學(xué)建模與動(dòng)態(tài)仿真[J].機(jī)床與液壓，2013，41（7）：143-145.

[2]孫 偉，葉 謙，謝文華，等.高速?zèng)_擊氣缸的性能試驗(yàn)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2009（12）：59-61.

[3]李瑞鋒，李建朝，王衛(wèi)東.一種鍛壓設(shè)備打擊速度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（7）：23-25.

[4]李天博，薛斌斌，梅從立，等.鍛錘錘頭速度軟測(cè)量建模研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（3）：75-77，80.

[5]徐文燦.沖擊氣缸的選用和設(shè)計(jì)方法[J].液壓與氣動(dòng)，1984（2）：8-13.

[6]李雪梅，曾德懷，丁 峰.沖擊氣缸的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng)，2005（3）：65-66.

[7]張志興.關(guān)于沖擊氣缸的討論[J].機(jī)車車輛工藝，1988（1）：52-55.

[8]馮長(zhǎng)印，邢 星.壓緊活塞式?jīng)_擊氣缸[J].液壓與氣動(dòng)，1980（2）：2-7.

Research on Pneumatic Hammer Used for Shape Righting of Bus Frame

HAN Fei，WANG Wei-wei，ZHAO Hong-yun
（School of Material Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Weihai Shandong 264209，China）

Based on the impact pneumatic cylinder，the pneumatic hammer has been developed for shape righting of bus frame，it can replace artificial swing sledgehammer to the frame.According to that the blow energy of cylinder is greater than the blow energy made by artificial swing sledgehammer，inside diameter and stroke of the impact pneumatic cylinder were chosen.The control circuit of the pneumatic hammer was designed，the components used in the control circuit were chosen ，such as switches，relays and solenoid valves，etc.Used suspension，the pneumatic hammer impacted frame along horizontal direction.The frame was hooked by the claw device，in order to reduce the pneumatic hammer back at the time of impact.The pneumatic hammer was lifted by the electric hoist that was fixed on the arm of the door frame，which can walk along a guide rail.When air pressure was 0.5～0.6 MPa，the switch was pressed，after delay 2 ～ 3 s，the pneumatic hammer head moved horizontally at high speed，plastic deformation of steel pipe of the frame occurred，the requirement of shape righting has been reached.

pneumatic hammer；impact cylinder；bus frame；shape righting

TH138.9

A

1672-545X（2017）10-0091-04

2017-07-09

韓 飛（1962-），男，陜西商南人，副教授，碩士，主要從事鍛壓技術(shù)方面的科研和教學(xué)工作。