小缸徑油缸拆裝一體機的設計制作

魏春華

（重慶松藻礦山機械廠,重慶401445）

0 引 言

在液壓支架的修理過程中，針對大缸徑的油缸，我們在多年的修理工作中，結合現場的實際情況，設計制作了專用的拆裝缸設備，可以實現機械化的拆裝缸作業。但對于φ80 mm以下小缸徑油缸，拆裝缸工作一直采用人工作業方式，勞動強度較大，如果遇到導向套銹蝕嚴重的油缸，需要用氣割進行加熱才能拆開，存在著拆裝效率低及加熱影響缸體壽命的問題，因此我們決定結合目前在修的φ80 mm和φ63 mm缸徑的兩種油缸設計制作一套可以實現拆缸作業和裝缸作業的一體機，解決目前存在的問題。小缸徑油缸的結構如圖1所示。

圖1 小缸徑油缸的結構

1 小缸徑拆裝一體機的設計制作及參數選擇

為了節約購買材料的等待時間及成本，我們決定采用廠內現有的材料進行設計制作，架體材料采用廠內常用的鋼材，既保證整體的穩定性，又確保整體的強度；由于導向套是螺紋結構，因此拆裝缸的動力選擇為液壓傳動的方式，用馬達的旋轉運動帶動工裝旋轉，實現導向套的拆裝作業。總之設計出的一體機，既可以保證現場的使用條件，又可以保證整體的經濟性。

1.1 拆缸結構的設計制作

拆缸機結構的總體設計為：制作一個操作平臺，在平臺上面布置液壓馬達動力機構，完成導向套的拆裝；另外制作一套液壓油缸帶動的動力機構，實現解體后的活塞與活塞桿的分離。

1.1.1 架體的設計

架體的面板采用20 mm厚度的16Mn鋼板，為方便操作人員的操作及工裝配件的整體布置，面板長度為3.5 m，寬度為1.2 m。為確保整體的穩定性，在架體的周邊加10#工字鋼。平臺的高度設計為0.7 m，滿足員工日常的操作習慣，符合人體工學設計。架體的具體外形尺寸如圖2所示。

圖2 架體的具體外形尺寸

1.1.2 動力機構的設計

針對圖1所示的小缸徑油缸結構，拆缸過程需要將導向套從缸筒內拆出，拆導向套之所以困難是因為存在螺紋之間的摩擦力、密封件和缸筒及活塞桿之間的摩擦力。經過摩擦力的抽樣檢測，采用長度為0.5 m的加力桿，體重為60 kg的員工壓上去可以松動導向套，遇到稍微緊一些的，采用0.5 m長的加力桿，75 kg的員工用體重壓上去可以松動導向套，特別緊的油缸，用氣割將導向套的位置加熱后，用上述方法就可以實現拆卸作業，經過計算，在正常的情況下需要600 N·m的轉矩，油缸較緊時需要750 N·m的轉矩，目前我廠其它設備在用的BME400液壓馬達參數為：額定壓力為16 MPa，額定轉矩為800 N·m，額定轉速為250 r/min，排量為398 mL/r，額定功率為22 kW，總效率大于80%。從以上參數可知，BM-E400馬達的轉矩可以滿足我們拆卸小缸徑油缸的轉矩需求。

由于小缸徑油缸的活塞桿較長，如果采用馬達和導向套的中心在同一條中心線的設計，會導致結構空間狹小，無法有效地完成拆裝，因此決定采用一級齒輪傳動的形式實現傳動結構的優化布置。

根據旋轉工裝的尺寸，確定軸承的型號及軸承座的結構設計。我們選用齒輪1的參數為：m=6 mm，Z1=44。齒輪2的參數為：m=6 mm，Z2=56。傳動比i=Z2/Z1=56/44=1.27，為保證齒輪傳動的強度，材料選擇為低 合 金 滲 碳 鋼20CrMnTi，整體調質后表面滲碳淬火處理。

1.1.3 導向套定位機構的設計

導向套的外形結構如圖4所示。制作的定位結構需要與導向的4個定位槽緊密配合，并且要保證充足的強度和工裝的耐用度，導向套定位扳手的尺寸如圖4所示。

圖3 動力機構

圖4 導向套的外形尺寸

導向套定位機構的強度校核計算，在導向套定位機構中強度最薄弱的地方是與導向套開槽位置連接的定位機構，如圖4所示的A和B兩個位置，強度計算過程如下：馬達的轉矩為800 N·m，直徑為86 mm（0.086 m），力偶矩為800 N·m，所以卡塊兩面的受力為F=800/0.086=9302 N，卡塊的受力面積為28 mm2，受到的剪切強度為332 MPa。另外由于部分情況下卡塊存在著受沖擊力的情況，因此材料的選擇時選用1.5倍的安全系數，要求材料能夠滿足的剪切強度為332×1.5=483 MPa，參照材料的剪切強度表，選用的材料為合金結構鋼25CrMnSi，剪切強度為400～560 MPa。為保證材料的整體耐用性，采用的熱處理工藝為：材料整體熱處理調質后，表面采用滲碳淬火的方式。既可以保證卡塊表面的硬度，不易發生塑性變形，又可以保證整體具有較好的耐沖擊性能。

1.1.4 缸筒定位機構的設計

在拆缸的過程中，為確保油缸的外缸筒不隨著導向套一起旋轉，需要能夠快速地實現油缸拆裝的定位，并保證定位的強度,能夠長期地實現自動定位，因此選擇固定的定位機構，既保證了定位裝置的強度，也保證了定位的效率。油缸下部采用半圓形的管材，內孔和油缸外徑相同，后面采用油缸對缸底進行定位，確保整體的平穩旋轉，油缸旋轉定位采用進液接口與半圓筒接觸進行定位，具體的定位結構如圖5所示。

圖5 油缸旋轉定位結構

1.2 液壓系統的設計

本套裝置液壓系統的整體結構較為簡單，因此我們決定整套系統采用開式的液壓系統結構設計，考慮到油液的冷卻問題，決定采用風冷的方式對系統的油液進行降溫，液壓系統原理圖如圖6所示。

圖6 液壓系統原理圖

采用開式的液壓系統結構，整體結構簡單、組裝方便、維護簡單，完全可以滿足使用要求。采用的風冷冷卻器結構簡單，又保證了系統整體的冷卻效果，設備的使用條件為每班4 h左右，從泵的流量和風冷效果來看，完全可以滿足使用要求。

1.2.1 泵站的設計

泵站為整個液壓系統提供，高壓液體動力源，系統的壓力和流量要與所選用的執行機構相匹配，從前面可知，選用的馬達型號為BM-E400馬達，馬達的排量為398 mL/r，從圖3的齒輪傳動比為1.27，我們需要的轉動機構的轉速為30 r/min，則馬達的轉速為30 r/min ×1.27=38 r/min。那么齒輪泵的流量應為38 r/min×398 mL/r=15 L/min，由于我們選用的是齒輪泵，容積效率為0.7左右，因此實際需要選用的齒輪泵流量為15 L/min÷0.7=21.5 L/min，最終選擇齒輪泵的流量為22 L/min，系統匹配可以滿足我們現場需要的30 r/min左右的工作轉速。

系統設置溢流閥，根據待裝油缸的工況對系統壓力進行調整，最高壓力不超過馬達的額定壓力16 MPa。

齒輪泵及配套電動機的匹配計算：油泵流量公式為Q=q×n/1000；電動機功率公式為W=10×PQ/（612×0.8）。其中：Q為油泵流量，L/min；q為油泵排量，mL/r；n為油泵轉速，r/min；W為電動機的功率，kW；P為油泵壓力，MPa。

我們選擇目前常用的四極電動機，實際轉速約為1440 r/min。根據實際的裝缸需要，我們設計的馬達轉速為30～50 r/min，根據此前選用的BM-E400馬達的參數及齒輪的傳動比參數可以計算出齒輪泵的基本參數：齒輪泵的流量Q=50 r/min×398 mL/r÷1.27≈16 L/min。因此我們確定齒輪泵的基本參數為：額定轉速不低于1470r/min，額定壓力為16 MPa，流量為16 L/min。

電動機的功率參數W=10×PQ/（612×0.8）=10×16×16÷489.6=5.2 kW，因此選用的電動機功率為6 kW，電動機的額定轉速為1470 r/min。選用聯軸器對電動機和齒輪泵進行連接固定。

1.2.2 液壓動力油缸的設計

如圖1所示，拆卸完成的油缸，導向套的螺紋連接已經松開，需要將活塞桿和缸筒進行分離，為了可以方便快捷地完成解體工作，我們設計成用液壓油缸將活塞桿拉出的機械結構，提供動力的油缸，我們選擇為目前車間現用最小缸徑的油缸，缸徑為φ63 mm，桿徑為φ45 mm。我們采用乳化泵系統的壓力為31.5 MPa，油缸的力學參數計算如下：推力F1=π×R2×31.5=3.14×(63/2)2×31.5≈98143 N=98 kN；拉力F2=π×R2×31.5=3.14×[(63/2)2-（45/2)2]×31.5≈48000 N=48 kN。

1.3 定位螺母拆卸結構的設計制作

活塞的定位采用的是螺母定位，車間原來拆卸螺母都是采用臺虎鉗將活塞桿夾緊，然后用扳手拆卸螺母，這個裝夾程序要浪費很多的工時，因此我們決定采用新的設計方式,可以安全方便快捷地完成螺母的拆卸工作。具體設計結構如圖7所示。

圖7 定位螺母拆卸結構

1.4 活塞及導向套拆卸機構的設計制作

將活塞、導向套與活塞桿分開，原來采用的方法是用榔頭敲擊的方式進行解體，但是這種方式存在著員工的體力消耗大、安全風險大、拆卸效率低、對油缸配件有損傷等缺點，因此我們決定設計一套裝置，通過液壓動力的方式，來實現拆卸的機械化，消除上述缺點。

1.4.1 整體結構的設計

整體的結構在一體機的面板上開槽、做滑道，將動力油缸埋在下部，面板上制作活塞的定位機構，動力油缸的耳座和活塞桿孔相連，拉動活塞桿將活塞和導向套取出。

1.4.2 動力油缸的選擇

圖8 整體結構

底部推力油缸的選擇，采用目前車間液壓支架上在用的最小缸徑的油缸，可以方便地組織配件，活塞桿與導向套是間隙密封，摩擦力主要來自于內部密封件的摩擦力，φ63 mm缸徑油缸的推力計算如前所述，拆卸油缸的推力為98 kN，相當于9.5 t的推力，完全可以滿足使用要求。并且從操作流程上來看也較為簡捷，待拆的活塞放在定位板內側，將活塞桿和滑動定位塊用銷子連接，操作液壓手柄就可以將活塞拆出，順利解決了原拆卸方法存在的弊端。

1.5 裝缸機構的設計制作

通過以上結構的設計制作、投用，小缸徑油缸的拆卸實現了機械化，但是如何能夠實現裝缸的自動化呢？裝缸最繁瑣的工序就是將導向套的螺紋聯接裝配，我們設計的拆缸馬達通過換向閥可以實現雙向旋轉，只需要完成油缸的定位工作就可以用本設備完成裝缸作業。因此我們根據小缸徑油缸的整體結構位置，設計了通用的定位機構，加設定位擋板可以保證缸徑在100 mm以下的油缸缸筒定位。具體結構設計如圖9所示。

圖9 裝缸機構

1.6 制作

經過對設計方案實際應用，各項使用性能均能符合預先設計的功能要求，操作習慣、效率均能滿足現場的使用要求。

2 改進產生的效益

2.1 經濟效益

在本設備投用以前，小缸徑的油缸在正常的情況下，每人每天可以拆裝25根，遇到銹蝕嚴重的情況，還必須派焊工進行加熱處理，否則很難對油缸進行解體。在采用了本裝置以后，每人每天可以完成50根油缸的拆裝，工作效率提升了1倍，并且由于馬達的轉矩為800 N·m,即使遇到配合較緊的油缸用本設備也可以單人完成拆卸，大幅度提高了小缸徑油缸的勞動效率。每臺支架的小缸徑油缸平均為6根，我們目前每年修理的支架臺數為1300 臺，另外零星的小油缸修理為3000 根/a，總計數量為10 800 根/a。采用原工藝每年修復小缸徑油缸需要10800÷25×8=3456 h，采用本設備以后需要10800÷50×8=1728 h，按每小時人工費43.75元計算，每年可以節約7.56 萬元，因此從長遠來看，本設備的投用經濟效益較為可觀。

2.2 社會效益

本設備的投用改變了原工藝拆裝缸都采用人工的作業方式，大幅度降低了員工的勞動強度，解放了員工的勞動力，讓員工有更多的精力去提高產品質量、工作效率和改進工藝，使我們能夠更好地滿足礦井的生產需要，提高支架及油缸的修理效率。由于設備采用的是機械化作業，消除了由于疲勞作業而帶來的安全隱患，大大降低了機械安全事故發生的概率，為員工創造了安全的作業環境。

3 結 語

在我們的日常修理過程中會遇到一些制約生產的效率的瓶頸問題，對安全管理威脅大的工藝流程，限制經營指標提高的高消耗環節，我們要深入生產現場，結合實際情況，集思廣益，設計制作出適用于我們作業環境的工裝設備來解決現場的問題。