位置可調式絞車傳動軸總成裝配支架設計

張波，羅強,2，蘇艷，葉銳,2，張靜怡，解艷維

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

在機械行業中，有一類需要橫裝的軸總成，軸總成包括長軸、齒輪、鏈輪、隔套等零部件（例如：石油鉆機絞車中的中間軸總成），需要將各零部件安裝在長軸上，由于零部件較多、較大、較重，目前的安裝方法是將長軸放在兩個支撐架上，天車吊起零部件將零部件安裝在軸上，因為軸沒有固定，安裝過程中會遇到零部件與支撐架干涉的情況，需要反復吊起、調換2個支撐架的位置來上裝零部件，至少需要4個人才能完成作業，操作繁瑣、難度大、耗時費力且安全性極差。這類軸總成規格尺寸較多，軸徑尺寸不同、跨度大，如何滿足能在橫裝的軸總成裝配過程中簡化操作步驟，提高安全性及滿足不同軸徑的通用性[1]，降低工人工作量，提高工作效率，提高裝配精度等成為一個需要解決的問題。

1 方案設計

開展傳動軸總成類部件裝配工藝技術研究，針對長軸與齒輪、鏈輪的安裝（橫裝軸）需要反復吊起調換支撐架來上裝部件、費時費力等問題，研究可移動的傳動軸總成裝配支架結構，優化裝配工藝[2]。

1.1 機械類絞車傳動軸總成裝配現狀

經統計，公司每年需要橫裝的絞車傳動軸總成和并車箱上傳動軸總成大約40～50套。現有工裝進行傳動軸總成橫裝需要4人、采用3個獨立的簡易支架支撐進行裝配，還需天車不斷調換支架位置以避免干涉，存在安全隱患多、裝配質量差、效率低等問題，現有橫裝軸支架如圖1所示。

1.2 技術方案

經過技術研究，設計了一種位置可調式絞車傳動軸總成裝配支架。該裝置主要由旋轉固定鉗總成、導軌及備用支架組成，適用軸徑為φ150～φ240 mm，涵蓋了JC30～JC70絞車的所有傳動軸總成部件的安裝尺寸（中間白軸長為300～850 mm）。

通過分析各種形式的鉆機絞車傳動軸總成結構特點，開展一次裝夾橫裝技術研究，解決了快捷安裝、多規格匹配適用等難題，完成了位置可調式絞車傳動軸總成裝配支架開發設計工作。

1.2.1 主要結構

位置可調式絞車傳動軸總成裝配支架主體如圖2所示，夾持部分如圖3所示。裝置主體由旋轉固定鉗、導軌、備用支撐架組成，旋轉固定鉗可在導軌上移動，移動到合適的位置后，旋轉固定鉗與導軌通過銷軸連接固定，旋轉固定鉗的上部支撐架2采用可開合式設計，裝配時，上部支撐架2打開，軸安裝在旋轉固定鉗內，閉合上部支撐架，銷軸6連接，通過調節頂緊螺栓5，可以帶動壓緊裝置4來壓緊軸，軸被固定好后，可依次裝夾完成軸左右兩邊部件的組裝，同時預備了一個位置可調式備用支架，可以支撐較重的部件，避免一邊過重而引起較大的彎矩。

圖2 位置可調式絞車傳動軸總成裝配支架總體主視圖

圖3 位置可調式絞車傳動軸總成裝配支架夾持部分

1.2.2 結構特點

1)旋轉固定鉗采用可開合結構，打開后放入軸，調整好位置后，通過頂緊螺栓來夾緊軸總成。

2) 旋轉固定鉗與導軌用銷軸連接，通過調節銷軸位置，可調節夾緊距離，步進為50 mm，可調距離控制精確。

3）旋轉固定鉗總成與軸接觸部位采用多組尼龍插板結構，高度可調，且此材料具有良好的耐磨性和彈性，可以很好地保護軸。

4）備用支架可靈活支撐傳動軸總成的不同部位，具有位置可調、移動方便、輕松支起及放倒的功能。

5）整體結構簡單，實用性強，在保證強度的基礎上最大限度地優化結構。

6）旋轉固定鉗壓緊軸后設計了鎖緊裝置，裝配齒輪、鏈輪等零部件時保證軸被壓緊，提高安全性，不會引起側翻等現象。

2 分析計算

按照ZJ90鉆機絞車配套的傳動軸總成結構及質量3780 kg開展分析計算。

1）根據其受力情況，建立力學模型如圖4所示。

圖4 傳動軸總成受力分析

2）裝配過程是先安裝軸總成左端零部件，再安裝軸總成右邊零部件，按受力最嚴重的情況計算[3]。

3）在整體計算的基礎上，分別對旋轉固定鉗總成、銷軸及導軌的強度進行計算，強度滿足要求。

2.1 支撐架的強度計算

材料為Q345B 槽鋼，力學性能：σb≥490 MPa，σs≥345 MPa。

圖5 旋轉固定鉗總成

A 點的支反力為40 472.76 N，方向向下；B點的支反力為74 323.56 N，方向向上。

σA＜［σ］，σB＜［σ］。通過以上計算可知支撐架強度滿足要求。

2.2 銷軸的強度計算

支撐架通過銷軸與軌道與支架連接的銷軸受剪切力[4]。先算A點支架下方的耳板，4個耳板受剪切。

銷軸材質為45鋼，軸徑為φ30 mm，力學性能：σs≥355 MPa。則

τmax<［τ］，可知耳板強度滿足要求。

2.3 導軌的強度計算

導軌是整體的，它是通過銷軸與支架連接，受一個向上的力為40 472.76 N。

按最嚴重的情況計算，D點不動，C點所受彎矩為M=FL=40472.76 N·m。按整體受力為傳動軸總成的重力和支架的重力計算：

A點受力FA′=8418.2+89.15=8507.35 N；

所受的彎矩為MA=8418.2×0.7=5955.145 N·m；

B點受力FB′=19237.4+89.15=19326.55 N；

所受的彎矩為MB=19326.55×1.6=30922.48 N·m；σmax′<［σ］，通過以上計算可知導軌強度滿足要求。

圖6 銷軸

圖7 導軌

圖8 位置可調式絞車傳動軸總成裝配支架彎矩圖

2.4 耳板受剪計算

耳板材料為Q235B，力學性能：σb≥490 MPa σs≥235 MPa；單板的厚度為10 mm。

耳板抗剪計算：

圖9 耳板

τ＜［τ］，通過分析計算，強度均滿足設計要求。

3 試驗過程

安裝軸總成的位置可調式支架，具體試驗過程為：安裝軸總成時，先確定中間白軸的長度，據此調節2個旋轉固定鉗的位置，調節好后通過銷軸與導軌固定，2個旋轉固定鉗總成的上部支撐架旋轉打開，軸吊放在旋轉固定鉗上，與尼龍墊板接觸，2個旋轉固定鉗總成的墊板高度可微調，保證軸在同一水平高度作業，然后將上部支撐架扣合，銷軸連接，通過調節頂緊螺栓，可以帶動壓緊裝置來壓緊軸，軸被固定好后，可依次裝夾完成軸左右兩邊部件的組裝，同時配備了一個位置可調式備用支架，可以支撐較重的部件，避免一邊過重而引起支架承受較大的彎矩。

4 關鍵技術及創新點

1）旋轉固定鉗可移動，即中間夾緊部位距離可調，且可調節的位置控制精確，涵蓋JC30～JC70絞車的所有傳動軸總成部件的安裝尺寸，適用不同的傳動軸總成的安裝，通用性強；2）可實現傳動軸總成部件的快捷安裝及拆卸過程；3）縮短安裝時間，更好地控制裝配的質量；4）2個旋轉固定鉗總成（夾緊軸的部位）中間采用插板式墊片結構，高度微調，滿足不同的軸肩安裝尺寸；5）設計了旋轉固定鉗壓緊軸后的鎖緊裝置，保證軸被壓緊。

5 應用及效益

位置可調式絞車傳動軸總成裝配支架的應用，通過夾緊軸，完成軸總成左右零部件的安裝，避免了傳統方法存在的安全隱患，能依次裝夾完成軸總成零部件的組裝，具有旋轉固定鉗位置可調、夾緊軸總成軸徑適用范圍廣等優點，同時還能降低對工人技能水平的要求，減少了工作量，節省了勞動力。

此前需要最少50 min才能完成軸總成的安裝，用此種方案經實際統計，安裝軸總成僅用了21 min，可減少50%的人力及58%的時間，解決了組裝過程中勞動強度大的問題，同時消除了安全隱患，該設計過程中采用車間剩余鋼材，大量節約了工裝的制造費用和時間，節約新購鋼板約1 t，節約費用4000元。按照每年生產裝配50套絞車傳動軸計算，每年可累計節約制造成本50萬元。