一种轴承座自动翻转工装的设计与分析

李 松

轧钢机械是我集团公司的主导产品，而轴承座则是轧钢机上的关键零件之一，加工周期长、难度大、精度要求高。近年来，轧机轴承座的需求量增加较大，且呈上升趋势。因此，集团公司专门建立起了一条轴承座专业化生产线。但是，现阶段轴承座生产线还存在着一定问题，没有专用轴承座翻转工装就是其中的问题之一。

轴承座的结构特点决定了其加工的复杂性。在加工过程中，通常先在立车上加工内孔和端面，此时需要将内孔轴线竖直装夹；而在镗床上加工端面上的孔时，则需要将轴承座的内孔轴线水平装夹。加工整个轴承座需要多次进行90°翻转。但由于轴承座的体积较大，尤其是大型支撑辊轴承座，其体积和重量更大，翻转更加困难。

现中装分厂在加工轴承座时，采用天车配合人工，由起重工用钢丝绳勒紧轴承座的不同位置，指挥天车翻转。这种方法存在着明显的缺点：

（1）生产自动化程度低，专业化水平差，生产效率低下。

（2）需频繁使用天车，对生产调度影响较大。

（3）工人参与起吊工作，容易发生安全事故。

可见，现有工艺方法已经不能满足专业化生产的要求。针对此问题，需要一种结构简单，安全可靠，使用方便的专用工装来实现轴承座的翻转工作，以提高生产自动化、专业化水平和生产效率，增加生产的安全性。

1 现有翻转装置比较分析

常用的工件翻转装置有很多种，分别应用于不同的场合，下文中将对不同种类的工件翻转装置进行分析对比。

1.1 齿轮式翻转装置

这种翻转装置现在应用于集团公司水锻分厂二工部，主要应用于筒节翻转。该装置由小齿轮，框架和固定有大齿圈的翻转台组成。工件放置在翻转台上，翻转台通过托辊放置在框架上面，由小齿轮带动大齿轮转动，继而实现工件的90°翻转动作。在翻转过程中，因工件重心高度基本不变，翻转过程较为平稳。但是此种翻转机构中大齿圈的加工比较困难，加工成本较高。

1.2 “链条”式翻转装置

近几年针对齿轮式翻转机构的缺点，市面上出现了一些以链条传动的钢卷翻转装置。由于翻转动作对转动角度的精度要求不高，所以这种翻转装置用把合在翻转台上的链条代替大齿圈，用链轮代替小齿轮，其负载能力不及齿轮式翻转装置。

1.3 “自卸车”式翻转机构

此种机构常用于自卸货车，通过液压缸驱动杆系实现车斗的翻转，但是此种机构在进行超过70°的翻转时，所需液压缸行程较大，液压缸用油量也比较多。

1.4 双液压缸翻转装置

此种结构由两个平板和两个液压缸组成。工作时，液压缸1首先伸长，通过平板1将工件托转45°～47°；此时，液压缸2迎上，将翻转的工件接住，同时缓慢缩回，最终完成90°翻转。此种装置翻转时比较稳定，但是两个液压缸同时配合动作，需要比较复杂的电液控制系统，为设计和制造提出了一定的难题。

1.5 液压缸直驱式翻转机构

在“自卸车”翻转机构的基础上，将杆系进一步简化为由一个液压缸直接驱动。但是此机构需要液压缸行程较长，在安装中往往需要深挖地基。但通过计算、仿真和优化，合理布置液压缸的驱动点和旋转中心，可以将液压缸行程尽量缩小。

在以上几种常见的翻转装置中，前几种结构相对复杂，加工制造难度相对比较大，而液压缸直驱式翻转机构结构简单，制造容易。

本文通过对翻转机构计算，分析和仿真，确定了最优的尺寸，使得液压缸行程尽量缩短，而且避免了深挖地基的缺点。

2 液压直驱式翻转装置

2.1 设计方案

本设计方案采用液压缸直接驱动翻转框架进行翻转。

整个翻转工装由两个驱动液压缸、翻转框架及底座组成。为了保证翻转过程的稳定性，用12个地脚螺栓将底座固定在基础上；翻转框架通过两侧的销轴与底座铰接；两个驱动液压缸对称布置在框架的两侧，一端通过耳轴固定在底座上，另一端固定在翻转框架上（见图1、图2）。

图1 机构简图

图2 翻转工装结构设计方案

在初始状态，液压缸处于伸出位置，使翻转框架竖直放置，将轴承座以内孔轴线水平状态放在翻转框架上（见图3）；翻转时液压缸开始收缩，翻转框架带动轴承座一同翻转，最终使轴承座内孔轴线转到竖直状态（见图4）。翻转极限位置设有行程开关，以保证翻转角度在90°范围之内，而不会发生过动作的现象，整个翻转过程用时约60 s。

图3 竖直位置

图4 水平位置

翻转机构按照最大轴承座设计，载重15 t，长宽高分别为3200 mm，2400 mm和2400 mm。为了减轻整个翻转装置的重量，采用型钢焊接框架结构，在减小重量的同时增大整体强度，整个翻转机构重量约为0.8～1.0 t。

2.2 参数计算

在进行结构设计的同时，需要对轴承座翻转工装的各个尺寸进行计算，以实现液压缸最短，避免深挖地基的目标。

根据轴承座竖直放置时翻转台所处状态给出结构简图，确定液压缸两个铰链点A和B及翻转框架铰链点O的位置。综合考虑框架结构的空间限制，首先确定A点和O点的位置，对于铰链点B，其与铰链点O的竖直距离也可以确定，最后确定B与O的水平距离（见图5）。

当液压缸的铰链点位于B′位置时，根据几何关系求得X=550，此时液压缸与翻转框架处于互不干涉的临界位置。再考虑液压缸铰链点的实际安装情况，选定为图中B点，其与O点水平距离为1130 mm。

在三角形ABC中：

求得 F拉=7.65 t

而液压缸最大长度

在翻转台处于0°位置时，在三角形ABC中：

由翻转液压缸推力与重力关系

求得 F推=10.05 t

而液压缸最小长度

L最小=1088 mm

由于翻转框架两侧各有一个液压缸，所以对每个液压缸来说

综上：设安全系数为1.6，液压缸能够承受双向载荷，确定液压缸行程不小于800 mm，推力不小于8 t，拉力不小于6.13 t。

2.3 动力学仿真计算

为了验证计算结果的准确性，将整个模型导入到Inventor中进行运动分析和受力分析。按照机构简图对模型进行简化，主要载荷力是轴承座和翻转框架的重力，假设液压缸的流量恒定，伸出速度恒定，完成90°翻转动作用时间为60 s。翻转框架由竖直状态翻转到水平状态（见图6）。

图5 翻转台结构简图

从仿真曲线上可以看到：

图6 仿真分析曲线

（1）在翻转的过程中，液压缸先受拉力（inventor中定义拉力为负值），在启动时所受的拉力最大，2个液压缸受力为7.632 t，单个液压缸受力为3.816 t；随着液压缸的收缩，所受拉力渐渐减小，当轴承座重心与旋转框架在同一竖直线上时，拉力为零；液压缸继续收缩，液压缸开始受到压力，当翻转到最终点时，所受压力达到最大，2个液压缸受压力为10.07 t，单个液压缸受力5.05 t。这与之前的理论计算基本吻合。证明了仿真结果的准确性。

（2）在翻转过程中，铰链点受力是变化的，其在初始情况下受力最大，随着翻转的进行铰链点受力越来越小，当翻转完成后，铰链点的受力最小。所以对铰链点的销轴进行设计和强度校核时，应该选用翻转框架竖直状态下的受力值。

（3）在整个翻转过程中，铰链点的角速度变化不大，说明翻转过程中，速度比较稳定；角加速度变化不大，翻转冲击较小。

2.4 液压缸选型

依据计算出的负载及运动行程，考虑液压缸的安装特点，查阅相关手册与资料，选用HSG工程用液压缸，型号为HSG-L-80/45E-1301-800-1147。

3 结语

经过结构设计，参数计算和仿真分析，证明此翻转工装可以稳定，高效，安全地完成轴承座的90°翻转动作。对提高生产的自动化、专业化水平和生产效率，增强生产的安全性具有一定的意义。