重型彈簧機構安裝方法的改進

夏金星

東風井關農業機械有限公司 湖北襄陽 441000

1 序言

彈簧是往復運動機構的重要組件之一，采取合適的方法對彈簧進行壓縮是實現往復運動機構安裝的重中之重。目前了解到，多數往復運動機構都設計選用了較小簧徑和彈力的彈簧，該類彈簧的壓縮和安裝也通常是運用杠桿原理，利用改制的夾鉗類工具進行操作實現的。

圖1 伸縮機構

2 提出問題

我公司某機型伸縮機構的爆炸圖如圖1所示，該機構也是由彈簧組成的往復運動機構，但不同的是，該機構采用了直徑達14mm的彈簧鋼做成的重型彈簧，其設計圖樣如圖2所示，最大彈力可達11500N。巨大的彈力對安裝方法提出了更高的要求。經過測量統計各組件的尺寸和裝配關系發現，彈簧在自由狀態下尺寸為87mm，小墊圈與彈簧墊圈厚度和為9mm，所有組件都安裝的情況下，如圖3中A狀態所示，內六角螺栓M10×35mm與液壓缸內螺紋相距3mm，彈簧不壓縮是無法安裝內六角螺栓的。

圖2 彈簧設計圖

圖3 機構剖視（裝配尺寸計算）

3 改進設計

起初想到的是設計變更，將內六角螺栓換選成較長規格的，但是仍面臨三大難題：①小墊圈的厚度，但設計者首先從使用壽命和強度上給予了否定。②內六角螺栓長度變化，該零件選用了高強度12.9級的內六角螺栓，如果采用長40mm規格的螺栓，在A狀態時，僅有1個螺距（M10螺栓粗牙螺距1.5mm）的配合，極不穩妥；如果采用長45mm規格的螺栓，液壓缸的螺紋孔又設計太淺，螺栓緊固后，襯瓦有4mm軸向活動間隙，這是堅決不允許的；如果將標準螺栓改成特制件，標準件廠家又會增加新的投入，周期延長，成本也隨之增加，仍舊沒有通過。③液壓缸螺紋加深6mm，配合選用長45mm的螺栓，雖能滿足設計上的裝配要求，但實際上也無法達成，液壓缸是進口件，而且是其公司的成熟品，廠家也無意再作修改。以上3種設計變更的思路均未通過。

之后改從墊圈著手考慮，經過計算，如果先用3mm的墊圈臨時代替小墊圈和彈簧墊圈，此時螺栓配合部分有3mm（2個螺距），然后使用氣動沖擊扳手安裝內六角螺栓壓縮彈簧到一定位置后，用一剛性支撐頂住伸縮機構總成（見圖4），最后再使用氣動工具拆掉螺栓和臨時墊圈換裝成設計的小墊圈和彈簧墊圈。思路和操作都很簡單，運用該方法進行試裝，最終雖能達到設計預期的安裝效果，但耗時較長。在更換一批其他部品拆機作業時發現，最為擔心的問題——螺紋結構的損壞還是發生了。其實，在安裝時已有所察覺，用最大力矩可達200N·m的氣動沖擊扳手安裝時，螺栓旋入的速度異常緩慢，這時頭部的螺紋由于受力過大，已開始出現損傷，因此在拆卸時，損傷的外螺紋部分引起更多的內螺紋損壞，高達50%的螺栓無法拆卸，最終導致進口液壓缸因螺紋破壞而不得不報廢，損失巨大。因此，該方法只能就此放棄。

圖4 伸縮機構總成與支撐

克服巨大的彈力，運用簡單的杠桿原理就需要很長的力臂，設計該類工裝不僅占用空間大，而且也很難起到省力的效果，傳統的方法只能摒棄。結合平時的生產應用，經過討論研究，發現重型臺虎鉗采用T形螺紋副進行夾持和自鎖，完全能滿足組裝需求。結合液壓缸總成的結構，將臺虎鉗進行了改制，如圖5所示（件1～件8組成液壓缸部分，件10～件18組成伸縮機構，件19～件25組成臺虎鉗部分）。從中可看出，設計采用2件活動插銷與液壓缸固定座將伸縮機構的液壓缸牢固地固定在臺虎鉗的固定鉗座上，改制的活動鉗口中部留有足夠空間便于內六角螺栓安裝。在使用臺虎鉗T形螺紋副進行旋轉夾緊時，需要使用較長的加長桿旋轉，雖能實現彈簧的壓縮，保證內六角螺栓無損安裝，但效率極為低下，仍耗時耗力。因此，純機械結構操作，已不能滿足高效省力的安裝需求，而穩定可靠的液壓控制系統的需求，越發明顯。為此，我們將庫存中無法消耗的直徑為40mm、最大壓力可達21MPa的雙向液壓缸經過計算校驗又重新派上了用場。根據公式P＝F/S，可計算出該液壓缸能達到的最大壓力F＝21×π×202＝26376（N）＞11500（N），液壓缸達到43%的壓力即可滿足使用。結合現有液壓站，依照圖6所示的最傳統的液壓控制圖開始設計和制作。調速閥可以對液壓缸伸縮的速度進行控制，截止閥與壓力表可以實現對壓力進行控制，調節至大于彈簧最大壓力20%即可實現壓縮，同時，也保證了其他組件的安全。所有元件到位后，對臺虎鉗原有的螺紋副機構進行了拆除，換裝上設計的液壓控制系統，如圖7所示。經過30臺份小批量的試裝，證實了預期計算校核的正確性，液壓控制系統帶動改制的臺虎鉗能輕松高效地對該伸縮機構進行壓縮，并實現內六角螺釘的無損安裝。雖然臺虎鉗結構本身還需要克服活動鉗口與液壓缸落差的力矩，但當調節液壓缸壓力為17MPa時即可輕松完成對該機構的組裝，效率較之前大幅提升，并極其省時省力，達到了改進的預期。

圖5 液壓夾具機械部分與伸縮機構

圖6 液壓系統

圖7 液壓夾具試裝

4 結束語

該伸縮機構組裝方法的改進，是機械和液壓相關知識在傳統臺虎鉗夾緊裝置的綜合運用，為類似重型彈簧機構的組裝提供了一種新的思路，也為類似彈簧伸縮機構的設計提供了有益的參考。