千斤顶导向套拧紧机的设计与试验

刘 俊,陈远方，李保强

(机械工业第六设计研究院有限公司 工业与智能中心，河南 郑州 450007)

液压支架是煤矿综合机械化采煤工作中最主要的使用设备[1]，千斤顶作为液压支架重要的承载部件之一，对液压支架的稳定安全运行有重要作用[2-3]。在千斤顶来料清洗、活塞杆部装、缸筒活塞杆组件合装、导向套拧紧、成品施压测试的装配过程中，导向套拧紧环节必不可少。现阶段的导向套拧紧工艺由于缺少自动化设备，需要工人用卡齿扳手将导向套拧入缸筒，并进行预紧。但人工拧紧无法有效保证导向套的拧紧效果和预紧力，这不仅影响千斤顶的生产效率和装配质量，也增大了现场工人的劳动强度。

此前，国内研究者曾对拧紧机构的设计进行了研究。于洪增等设计了一种摆动式气动夹紧反力臂装置，用以辅助工人实现汽车螺栓拧紧[4]；屈创等为解决发动机底壳螺栓组的拧紧问题，设计了一种四轴拧紧机，以配合夹紧工装完成拧紧[5]；田永成等提出一种在线式轮装制动盘螺栓自动拧紧机的设计方法，解决了轮装制动盘螺栓的拧紧问题[6]。目前关于拧紧机的研究集中在螺栓的拧紧，由于缺少自动化工具工装，千斤顶导向套的拧紧仍不得不由人工作业方式来实现。本文拟设计一种千斤顶导向套拧紧机，将其应用于千斤顶自动装配线，以代替人工来拧紧千斤顶导向套，实现千斤顶的自动化装配。

1 千斤顶导向套拧紧机概述

某煤机制造企业生产的千斤顶有侧推、护帮、伸缩、平衡等用途，每种用途的机型均有多种规格。千斤顶虽然具有多用途、多规格的特点，但具有相似的结构特征。千斤顶由缸筒、活塞杆组、导向套等部件组成(图1)。千斤顶的缸筒具有一个圆柱表面，末端铸有销孔耳；导向套法兰外圆上均匀分布着4个卡槽。合装后千斤顶的活塞杆装在缸筒中，导向套靠在缸筒内螺纹上。生产过程要求用拧紧机对合装后的千斤顶导向套进行拧紧，以提高千斤顶装配线的装配质量和生产效率。

1.导向套；2.导向套法兰外圆卡槽；3.销孔耳；4.缸筒；5.活塞杆

千斤顶导向套拧紧机如图2所示。它主要由夹紧机构、止转机构、拧紧机构、机架、控制柜等组成。夹紧机构、止转机构和拧紧机构均布置在机架线轨上，可在线轨上进行位置调整。本文根据生产要求，综合考虑拧紧机各机构时间同步、空间不干涉、运动协调的需要，按照每根导向套拧紧时间2 min的拧紧速度设计了图3所示的拧紧机工作循环图。

1.拧紧机构；2.千斤顶；3.夹紧机构；4.止转机构；5.触摸屏；6.机架齿条；7.机架线轨；8.机架；9.控制柜

图3 千斤顶导向套拧紧机的工作循环图

拧紧机工作时，首先根据千斤顶来料类型加载工艺参数；其次，夹紧机构调整位置对千斤顶进行夹紧；随后，止转机构进行止转，防止拧紧导向套过程中缸筒随导向套转动；然后，拧紧机构对导向套进行拧紧；最后，夹紧机构调整千斤顶位置，以配合机器人下料，完成千斤顶导向套拧紧的全过程。

2 夹紧机构设计

千斤顶导向套拧紧机采用一对夹紧机构来实现夹紧功能。夹紧机构主要由V形块、安装板、位置调整齿轮、伺服电机、夹紧气缸等组成(图4)。夹紧机构通过滑块安装在机架线轨上，位置调整齿轮与机架齿条啮合，通过伺服电机带动齿轮来调整夹紧机构在机架线轨上的位置。夹紧机构的V形块Ⅰ和V形块Ⅱ分别通过安装板与夹紧齿条Ⅰ、夹紧齿条Ⅱ相连。夹紧齿轮的轴心是固定的，夹紧齿条Ⅰ、夹紧齿条Ⅱ均与夹紧齿轮相啮合。夹紧气缸固定在安装板上，气缸活塞杆与夹紧齿条Ⅰ相连。气缸活塞杆运动时推动齿条，齿条Ⅰ、齿条Ⅱ相对移动，带动两个V形块，实现夹紧动作。

1.V形块Ⅰ；2.线轨；3.夹紧齿条Ⅰ；4.V形块Ⅱ；5.防撞开关；6.安装板；7.滑块；8.夹紧齿条Ⅱ；9.夹紧齿轮；10.机架线轨；11.机架齿条；12.位置调整齿轮；13.减速器；14.夹紧气缸；15.伺服电机

夹紧过程中，机器人首先根据千斤顶规格加载拧紧工艺参数，并用伺服电机调整夹紧机构在机架线轨上的位置；随后将千斤顶送至两个V形块之间；最后通过气缸活塞杆推动齿条，带动两个V形块来夹紧缸筒。

夹紧力是夹紧机构最重要的设计参数之一。夹紧力应足够夹紧所有类型的千斤顶；同时，夹紧力不能过大，应保证缸筒在预紧力矩的作用下能绕轴线转动。当销孔耳的角度不合适而无法卡入止转机构层板间进行止转时，可通过预紧力矩作用来转动缸筒，调整销孔耳的角度。夹紧机构夹紧千斤顶时缸筒的受力情况如图5所示。

(a) 缸筒在夹紧端面上受力

根据受力分析，缸筒在夹紧端面上的受力平衡方程为：

(1)

根据止转要求，摩擦阻力矩应小于预紧力矩，因此有：

(3)

式中：Tr为预紧力矩，N·m；D为缸筒直径，m。夹紧力的大小应适应所有千斤顶类型，因此有：

(L,L1,L2,m,Tr,D)∈S

(4)

式中，S为各类型千斤顶构成的参数集合。

针对参数集合S进行计算，可求得夹紧机构1、夹紧机构2的夹紧力取值范围，有：F(1)≥581.2 N;F(2)≥437.9 N;F(1)≤2 557.1 N;F(2)≤2 557.1 N。综合考虑后，本文选取夹紧机构1、夹紧机构2的夹紧力F(1)=F(2)=800 N。

3 止转机构设计

千斤顶导向套拧紧机的止转机构主要由层板、槽板、安装板、连接板、导杆、复位弹簧、止转气缸等组成(图6)。止转气缸固定在连接板上;千斤顶活塞杆与安装板连接；槽板固定在安装板的两侧；层板放置在槽板滑槽内,且与导杆相连接。

1.层板；2.槽板；3.安装板；4.线轨；5.连接板；6.导杆；7.复位弹簧；8.滑块；9.止转气缸

止转机构安装在夹紧机构的一侧，在夹紧机构夹紧缸筒后进行缸筒止转。

止转过程中，止转气缸带动层板，压向缸筒销孔耳，缸筒销孔耳顶出部分层板，卡在层板之间，实现止转机构的缸筒止转功能。同时，设计成多层板结构的止转机构，能够兼顾销孔耳厚度不同的千斤顶止转要求。

4 拧紧机构设计

拧紧机构由气电滑环、拧紧伺服电机、随动气缸、气动四爪卡盘、交叉滚子轴承等构成(图7)。拧紧伺服电机经轮系驱动四爪卡盘扭转。卡盘回转轴线与夹紧机构V形块的抱夹中心同轴，通过气电滑环实现与机架的气电连接。随动气缸固定在底板上，气缸活塞杆与机架的上挡块为固定连接。

(a) 机构侧面

拧紧过程中，夹紧机构的位置调整伺服功能发挥作用，将夹紧并止转后的千斤顶移送给拧紧机构，同时将导向套法兰外圆端面与T形卡爪对齐；此时，卡爪气缸推动T形卡爪，使其顶在导向套法兰外圆面上；随后四爪卡盘转动，T形卡爪卡入外圆卡槽；同时，随动气缸电磁阀打开，随动气缸会随着螺纹的拧入进程推动拧紧机构，实现整体进给。拧紧过程中，能对拧紧机构卡盘转角和拧紧力矩进行动态监测。

拧紧机构中T形卡爪与导向套通过挤压传递力矩，实现导向套的拧入和预紧。由于挤压接触面积有限，预紧时，T形卡爪与导向套在挤压面上可能产生过大变形或压溃失效，这都会直接影响拧紧机构的工作效率和千斤顶的产品质量。因此，本文对挤压应力进行计算，选取合适的T形卡爪材料，并对预紧过程的应力和应变进行了有限元分析。

预紧过程中导向套的受力情况如图8所示。

图8 预紧过程中导向套的受力情况

根据分析，挤压面的强度要求为：

(5)

(6)

式中：σp为T形卡爪与导向套挤压面的压应力；ψ为载荷不均匀系数，取ψ=0.5～0.8；z为T形卡爪个数，z=4；d为导向套外圆直径，mm；h为导向套外圆卡槽深度，mm；t为导向套外圆厚度，mm；[σ1]为导向套许用压应力，MPa；[σ2]为T形卡爪许用压应力，MPa；M为各类型千斤顶构成的参数集合。

针对参数集合M进行计算，可得出预紧某侧推千斤顶时挤压面的最大压应力，即397.71 MPa。根据该应力值和选定的导向套材料27SiMn，可选取调质处理的40Cr作为T形卡爪材料。

为了验证在预紧过程中，导向套和T形卡爪均不会因预紧作业在挤压面上产生过大变形或压溃失效这一结论,本文在建立对应最大计算应力的侧推千斤顶导向套模型后，将其导入ANSYS软件进行了有限元分析。首先，对模型中一些不影响挤压分析的实体特征进行简化[7]，如导向套外螺纹；其次，设置各零件材料参数；然后，进行网格划分，并参考文献[8],对挤压面进行了网格细化。图9所示为挤压面的网格划分结果。图10所示为预紧过程中挤压面的加载和约束。有限元分析结果见表1。

表1 有限元分析结果

图9 挤压面的网格划分结果

图10 挤压面的加载和约束

分析可知，T形卡爪主要受预紧力矩的作用。根据力的相互作用关系，若将卡盘视为静止状态，则螺纹面将受到一定的力矩作用。设置边界条件并进行预紧过程的静力学分析，可得到导向套与T形卡爪在预紧时的应力应变云图。图11-图13所示依次为拧紧机构装配体、导向套和T形卡爪的应力应变云图。

从图11-图13可以看出，预紧过程中，导向套和T形卡爪在挤压面上产生应力的最大值远小于材料的允许应力，且变形极小。这表明，预紧不会影响千斤顶产品的质量和拧紧机构的工作效率，所设计拧紧机构能够满足拧紧需要。

(a) 应力云图 (b) 应变云图图11 装配体应力、应变云图

(a) 应力云图 (b) 应变云图图12 导向套应力、应变云图

(a) 应力云图 (b) 应变云图图13 T形卡爪应力、应变云图

5 控制系统设计

拧紧机是千斤顶装配线的重要设备，其控制系统不仅要完成对拧紧过程的控制，同时应具有合理的架构，以支持装配线的智能化和信息化建设。为避免协议多样性造成的设备互联互通困难[9-10]，本文设计了一种采用过程控制的OLE(Object Linking and Embedding)统一架构(OPC UA)的拧紧机控制系统。该系统组成如图14所示。该控制系统以西门子1200PLC为控制器，对千斤顶导向套的拧紧过程进行控制(拧紧过程的控制流程见图15)；以OPC UA来实现拧紧机与其他设备的互联，以及数据的采集存储。装配线WinCC软件能通过OPC UA采集存储数据[11-12]，实现拧紧机的状态监测、故障报警和数据记录等。

图14 控制系统的组成

图15 拧紧过程的控制流程

6 样机试验

将拧紧机运用于千斤顶自动装配线中，进行拧紧试验，并在拧紧导向套后对千斤顶注入液压油，进行高压测试。若拧紧机拧紧质量差，如出现导向套预紧不足、螺纹损坏等情况，则千斤顶导向套处会在施压测试时出现液压油泄露问题。因此，可以施压过程中千斤顶导向套处是否出现液压油泄露为依据，对拧紧机的拧紧质量进行评价。

试验时，针对不同类型的千斤顶，每种规格选取10根进行测试。本文以施压测试不漏油作为千斤顶导向套拧紧机拧紧合格的判断依据，进行试验结果的统计。千斤顶导向套拧紧试验结果如表2所示。

表2 千斤顶导向套拧紧试验结果

从试验结果可看出，所设计千斤顶导向套拧紧机的拧紧平均合格率为97.5%，拧紧平均工作节拍稳定在80 s内，具有不错的拧紧效果，能够满足企业生产要求。

7 结 语

本文针对千斤顶导向套需要人工拧紧的现状，设计了一种千斤顶导向套拧紧机，并对其关键结构和参数进行了设计分析。该拧紧机已成功运用于某煤机制造企业的千斤顶装配线中，工作稳定可靠，平均拧紧合格率为97.5%，平均工作节拍稳定在80 s内，满足了企业生产技术要求。该拧紧机拧紧方法也可以用于其他类型的生产线中，对于解决螺纹类工件的拧紧问题具有一定的参考价值。