雙臂吊環(huán)同步彎曲裝置的設(shè)計

王小美 李 健 朱金金

（南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226002）

在石油鉆采行業(yè)，吊環(huán)作為連接頂驅(qū)和井口設(shè)備的中間過渡裝置，承載負荷大，強度要求高[1]。雙臂吊環(huán)在小修作業(yè)中廣泛使用，諸多企業(yè)將坯料先鍛造成比較扁平的偽方形體，再通過氣割、鍛造和磨削這三種方法依次成型[2]。還有一些企業(yè)將高強度圓鋼進行紅彎，進而加工為長圓環(huán)形狀，但該法需要先進行一側(cè)的紅彎，然后人工手動切換至另一側(cè)進行紅彎，生產(chǎn)效率較低，并且時常出現(xiàn)圓鋼彎曲后錯位偏移的情況，使得后期的對接焊接難度增大。本文旨在設(shè)計一款半自動化同步彎曲裝置，提高生產(chǎn)效率，降低工人勞動強度。

1 彎曲方案確定

根據(jù)形式分類，吊環(huán)主要分為雙臂吊環(huán)和單臂吊環(huán)。常規(guī)用的載荷為75t，桿部直徑為Φ=45mm，小環(huán)部半徑R=60mm，兩彎曲圓弧的中心距為1500mm 左右。坯料的彎曲以及成型方式的選擇對產(chǎn)品的精度、彎曲角度、拉伸尺寸有著重要關(guān)系，對于單根吊環(huán)，彎曲后的材料和實際下料的長度是有一定差異性的。如圖1 所示，常用方案是將一根直圓鋼一端放入該裝置中，彎曲好后，然后將零件調(diào)轉(zhuǎn)方向，再放入該裝置中，完成另一端的彎曲，但是存在一個弊端，接頭處難以對齊，從而給后續(xù)的焊接工作帶來一定的難度。

圖1 常規(guī)彎曲裝置

具體來講，部件1 為帶有直徑為45mm 外輪廓的圓柱體并且與部件2 焊接在一起；部件2 中間有直徑為60mm 的通孔，內(nèi)置有讓部件3 上下移動的軌道；部件3 為一個圓柱形實體，另外一部分安裝在部件2 的內(nèi)部，可以上下進行移動。圖示狀態(tài)為加工時的狀態(tài)，由部件2 的圓盤帶動部件1 運動，夾在中間的坯料就可以實現(xiàn)半周運動，進而實現(xiàn)坯料的彎曲成型。當(dāng)加工完畢后，部件3 向下移動，從而取出圓鋼坯料，掉頭再次進行加工，加工好后，部件3 下移，取出圓鋼坯料，完成加工。

上述方案無法實現(xiàn)同步彎曲和解決彎曲后對中困難的問題，因此設(shè)計出如圖2 的新型方案，可以盡量減少塑性變形和兩圓弧中心距的誤差。

圖2 同步彎曲裝置

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置主要由操作平臺、夾緊裝置、彎曲裝置、傳動裝置、液壓驅(qū)動裝置等構(gòu)成，如圖3 所示。操作人員將長圓鋼放到固定位置后，只需要操作一下手動閥，首先負責(zé)壓緊的液壓缸會先行工作，對長圓鋼進行壓緊，到達壓緊位置后，系統(tǒng)壓力升高，進而順序閥開啟，后續(xù)的擺動液壓缸才開始工作，進行同步折彎操作。雙臂吊環(huán)擠壓成形后，反向操作手動閥，壓緊液壓缸和擺動液壓缸同時工作，返回原來位置，即可取出成型的雙臂吊環(huán)，從而節(jié)省時間，提升效率。

圖3 同步彎曲裝置組成

夾緊裝置是對吊環(huán)毛坯進行夾緊的關(guān)鍵零部件，如果夾緊裝置輸出力不夠，在加工過程中會出現(xiàn)抖動變形，甚至產(chǎn)生廢品。而夾緊裝置中最主要的是壓緊軸，它的強度將決定夾緊裝置的穩(wěn)定性。以下對夾緊裝置中壓緊軸進行校核計算：

彎矩：

抗彎截面系數(shù)：

所以壓緊軸強度小于材料的屈服極限，性能符合要求。

3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

液壓系統(tǒng)主要由手動換向閥、壓緊液壓缸、順序閥、擺動液壓缸、管線等組成。由于該裝置屬于液壓系統(tǒng)里的低壓系統(tǒng)，并且振動不大，所以選用螺紋聯(lián)接，一般將壓力管路內(nèi)的允許平均流速定為4～5m/s[3]。

根據(jù)對實際使用中液壓缸制作標準的查詢，參照進出油孔的尺寸系列表，液壓缸內(nèi)徑為45mm，則選取公稱通徑為14mm。液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿的直徑是根據(jù)液壓缸的力來決定的。根據(jù)彎曲雙臂吊環(huán)的實際工況，需要F=5000N 的力來完成雙臂吊環(huán)的彎曲，在選取工作壓力為6Mpa，其中壓緊液壓缸主體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 壓緊液壓缸

根據(jù)液體靜壓力計算公式知：

求得D=32.6mm。液壓缸內(nèi)徑D 與活塞桿直徑d 的關(guān)系d/D=0.7。

用上述方法計算得出的缸徑D=40mm 和活塞桿直徑d=22.4mm。

通過計算得出了液壓缸內(nèi)徑D 和活塞桿直徑d，根據(jù)國家標準（GB2348-80）規(guī)定的系列選取，最終確定液壓缸的缸筒內(nèi)徑D 尺寸為40mm，活塞桿直徑d 為25mm。

在液壓缸的設(shè)計中，活塞桿的直徑往往很重要，因此對活塞桿需要進行如下校核計算：

液壓缸活塞桿直徑d 的強度計算公式為

活塞缸的直徑為d。液壓缸的負載為F；[σ]為活塞桿材料許用力，活塞桿材料為45 鋼，[σ]=σb/n，σb為材料的抗拉強度，n 為材料的安全系數(shù)，一般取n≥1.4。

代入相應(yīng)的數(shù)據(jù)得到：

因此活塞桿強度符合要求。

4 結(jié)論

本文對同步彎曲裝置總體結(jié)構(gòu)和液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行了設(shè)計和校核計算，該裝置有以下優(yōu)點：（1）操作簡單，只需旋轉(zhuǎn)手動閥，即可以實現(xiàn)半自動化作業(yè)，減輕工人勞動強度；（2）雙側(cè)同步，通過齒輪傳動裝置和液壓驅(qū)動系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)雙側(cè)彎曲，因而能很好地控制對接處的位置，便于后續(xù)的對心焊接工作。該裝置可為具體的工程應(yīng)用提供一些設(shè)計思路。