移动式衬套压装系统设计

宋生华

德州宇力液压有限公司，山东德州，253072

0 引言

液压缸是通过做直线往复运动将液压能转化为机械能的执行元件，它结构简单，运行平稳，其中单活塞杆双作用液压缸在各类工程机械的液压系统中得到广泛应用[1]。一般情况下，液压缸与整机连接采用耳环型式，如图1所示，液压缸两端均为单耳环结构，且在耳环内装配衬套，以便在长期使用过程中产生磨损时更换，节约成本。其中液压缸耳环与衬套为过盈联接。

过盈连接装配主要有以下四种方式：①双柱压力机压入法；②人工加垫块锤击法；③冷缩法；④热涨法。笔者公司多采用前两种装配方式，如图2所示，当使用压力机压装时，因压力机必须处于固定位置，压装过程中需要用周转车多次周转液压缸，导致工件移动次数过多，既增加了劳动强度又增加了漆层磕碰损伤的风险，当通过人工加垫块锤击法装配时，虽然不需要周转液压缸，但锤击劳动强度大，压装效率低，既不能保证产品质量又不能满足生产需求[2]。

因此，针对公司现状，专门设计了一种移动式衬套压装系统用于液压缸耳环衬套压装，该压装系统结构简单，相关零部件制造、装配简单易行，成本低廉，体积小巧，既避免了漆层磕碰损伤的风险，又降低了劳动强度，保证了产品质量，值得推广。

1 工艺参数

公司生产的液压缸主要应用在6T及以下装载机和挖掘机等工程机械上面，生产过程中工艺流程为：先进行液压缸总成装配、试验，然后进行液压缸总成表面喷涂底漆和面漆、喷涂后处理，最后进行压装衬套操作。图3为衬套压装时液压缸状态示意，液压缸总成经涂装生产线喷漆、烘干固化后，下线至液压缸专用清理架上，进行喷漆后处理，经检查液压缸总成质量合格后，再进行衬套压装作业。

在衬套压装过程中，主要考虑的工艺参数就是液压缸耳环的尺寸和衬套的尺寸。

1.1 液压缸耳环参数

液压缸耳环参数如图4所示。

图中，①耳环宽度B1：60～100mm；②耳环外形直径d1：130～200mm；③耳环孔直径D1：65～105mm；④耳环材料牌号：45-GB/T699。

1.2 液压缸衬套参数

液压缸衬套参数如图5所示。

图中，①宽度B2：60～100mm（同耳环宽度或小于耳环宽度）；②外圆直径d2：65～105mm（同耳环孔直径）；③内孔直径D2：55～95mm（一般情况下，衬套单边壁厚约5mm）；④衬套材料牌号：45-GB/T699。

说明：当衬套宽度B2小于液压缸耳环宽度B1时，衬套需要压装到耳环的中间位置。

2 压装力计算

过盈配合是依靠包容件和被包容件装配后的过盈量达到紧固连接，装配后，由于包容件和被包容件的径向弹性变形，使结合表面产生一定的压力，工作载荷就是靠相伴产生的摩擦力来传递。在本文中，包容件指液压缸耳环，被包容件指衬套，将衬套压入液压缸耳环的压装力，可以按照纵向过盈配合装配压装力的计算方法进行计算，具体如下：

（1）过盈配合压装力计算：

式中，PXi—将被包容件压入包容件的压装力（kN）；

Pfmax—结合表面承受的最大单位压力 （kN/mm2）；

df—结合直径（mm），本文取最大105mm；

Lf—结合长度（mm），本文取最长100mm；

μ—摩擦系数，如表1，本文取0.1。

表1 摩擦系数

（2）结合表面承受的最大单位压力计算：

式中，δmax—最大过盈量，本文为0.06mm；

Ea—包容件弹性模量，按表3选取，本文取210；

Ei—被包容件弹性模量，按表3选取，本文取210；

Ca、Ci—系数，经计算，可确定，Ca为1.967，Ci为5.907。

（3）系数Ca、Ci计算：

式中，qa—包容件直径比，为结合直径与包容件外径比，本文取0.5；

qi—被包容件直径比，为被包容件内径和结合直径比，本文为0.85；

γa—包容件的泊松系数，按表2选取，本文取0.3；

γi—被包容件的泊松系数，按表2选取，本文取0.3。

表2 弹性模量和泊松系数

经以上公式计算，本文涉及衬套所需压装力最大约为16002N。

3 液压缸及动力源选择

根据经验设计，移动式衬套压装系统的输出力也即是液压缸额定输出力，至少应为需求压装力的3～5倍，约为48006～80010N，确定衬套压装机需要的压装力后，应进行动力源设计，考虑到压装系统的制作成本和生产现场的空间状况，选用公司自主生产的液压泵站和液压缸分别作为动力源和执行部件，此液压泵站最高可提供63MPa，其中液压缸参数如表3。

经分析压装动作可知，液压缸在活塞杆缩回时，做功将衬套压入耳环，可按下式计算此液压缸活塞杆缩回时的额定输出力。

通过计算，可得液压缸额定输出力为96140N，满足压装系统压装力需求。

表3 液压缸参数表

4 方案设计

如图6所示，由于液压缸下线后水平放置在专用清理架上，所以采用立式压装，压装执行机构无固定位置，用平衡器悬挂在液压缸耳环上方，调整好平衡器后，只需要用手握住把手轻微加力就可以让压装执行机构在工艺范围内上下移动。完成装配后，用手握住把手往上轻推，压装执行机构就可以稳定地悬在空中，以节约占地面积。要想连续完成本工序的压装作业，需要设置相应的单轨吊轨道，手拖动压装执行机构可以使其沿着单轨吊轨道前后左右移动，工作状态下压装执行机构距离地面约850mm，且自由状态至少可以上下移动450mm。

如图7所示，压装执行机构安装工艺轴，工艺轴通过螺纹与液压缸活塞杆连接，工艺轴上面开设环形槽，衬套必须位于耳环孔正上方，耳环孔口设计有导向斜面，使衬套均匀压入，避免在压装过程中发生压偏、切伤现象，工作时，按下开关，活塞杆伸出同时带动工艺轴伸出穿过衬套、耳环孔到达耳环的下方，露出环形槽，将开口垫片插入环形槽，作为限位。按下换向开关，活塞杆缩回同时带动工艺轴缩回，开口垫片与液压缸之间的距离随之缩减，从而将衬套压入耳环孔。再次换向，工艺轴再次伸出，取下开口垫片，手用力使平衡器带动压装执行机构整体上移，同时拉动压装执行机构沿单吊轨道换位进行下一个衬套压装，如此反复。

当衬套宽度小于耳环宽度时，需增加调整垫片，以便于将衬套压装至耳环中心位置，压装时将调整垫片置于衬套上方，调整垫片方式如图8所示。

图中，①B3为调整厚度，是液压缸耳环与配合衬套厚度差的一半，即可按式(B1-B2)/2计算；②d3作为限位直径，应大于配合直径D1，当压装到此位置即压装完成；③d4作为定位直径，与衬套端面接触，应略小于衬套外径d2；④d5与衬套内孔配合，设计有导向角，可以略小于衬套内径D2；⑤D3是工艺孔直径，压装时工艺轴从中穿过，所以其值应大于工艺轴直径[3-4]。

使用本压装系统进行压装作业时，均为批次作业，为便于衬套取用以及产品切换时的换装操作，减少往返取件的频次尤其是操作者的行走距离，还需要配置一辆周转小车，周转小车可以跟随压装执行机构的移动而移动，即使衬套和工装一直处于操作者随手可及的位置，从而降低了劳动强度，周转小车样式见图9，小车配有两个带刹车的万向轮，两个定向轮，方便推行，可即行即停，操作台面分上下两层，小车上层操作台可放置待压装衬套，下层操作台可放置压装执行机构的相关换装配件，比如：调整垫片、开口垫片及工艺轴等[5-6]。

5 结语

长期生产实践证实，本文介绍的移动式衬套压装系统结构简单且制造成本低廉，劳动强度低且压装效率高，压装过程平稳，很好地满足了压装工艺要求。