焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳鍵，高燚，黃勇

1.中車株洲電力機(jī)車有限公司轉(zhuǎn)向架事業(yè)部 湖南株洲 412001

2.株洲中車特種裝備有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

在焊接構(gòu)架等工件時(shí)，為了達(dá)到一定的工藝要求，需要將工件上升并旋轉(zhuǎn)一定角度，進(jìn)行全方位焊接以及精整打磨等作業(yè)，其過程需要使用焊接升降轉(zhuǎn)胎對(duì)工件進(jìn)行升降和翻轉(zhuǎn)。焊接升降轉(zhuǎn)胎的升降機(jī)構(gòu)常見有三種升降形式：絲杠式、鏈條式和鋼絲繩式。目前，我們焊接生產(chǎn)中使用的焊接升降轉(zhuǎn)胎升降形式采用的是絲杠式升降機(jī)構(gòu)。在焊接升降轉(zhuǎn)胎使用中，由于工件及工裝夾具外形結(jié)構(gòu)尺寸較大，重量較重，如果焊接升降轉(zhuǎn)胎的升降機(jī)構(gòu)在升降過程中發(fā)生機(jī)械失效情況，易造成工件的損壞和操作人員傷亡等安全事故。因此，需要設(shè)計(jì)一種焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置等措施，來預(yù)防和解決升降機(jī)構(gòu)機(jī)械失效事故的發(fā)生，從而保證生產(chǎn)安全。

2 焊接升降轉(zhuǎn)胎的結(jié)構(gòu)和工作原理

焊接升降轉(zhuǎn)胎主要由焊接升降轉(zhuǎn)胎主動(dòng)端、升降機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、焊接升降轉(zhuǎn)胎從動(dòng)端和電氣控制系統(tǒng)等部分組成[1]，如圖1所示。焊接升降轉(zhuǎn)胎主動(dòng)端、從動(dòng)端安裝在地面T形槽導(dǎo)軌上, 主動(dòng)端轉(zhuǎn)盤和從動(dòng)端轉(zhuǎn)盤上安裝有焊接工裝夾具和工件。焊接升降轉(zhuǎn)胎主動(dòng)端、從動(dòng)端均設(shè)有升降機(jī)構(gòu)，通過安裝在立柱頂端的升降電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)減速器、絲桿傳動(dòng)副、立柱、滾輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)工作臺(tái)沿立柱上升和下降；主動(dòng)端上還設(shè)有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu), 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力由制動(dòng)電動(dòng)機(jī)及減速器提供，通過減速器帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，使工件平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)全方位焊接、精整打磨等操作。電氣控制系統(tǒng)裝有PLC控制組件、斷路器和接觸器，對(duì)焊接升降轉(zhuǎn)胎各部分運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。

圖1 焊接升降轉(zhuǎn)胎

3 升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及失效分析

3.1 升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

焊接升降轉(zhuǎn)胎的升降機(jī)構(gòu)主要由升降減速電動(dòng)機(jī)、絲桿、機(jī)架、立柱、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、升降箱體、承重螺母及安全螺母等組成，如圖2所示。

圖2 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

工作原理：焊接升降轉(zhuǎn)胎的主動(dòng)端、從動(dòng)端上均安裝有升降機(jī)構(gòu)，采用三相交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)蝸桿蝸輪減速器減速，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過組合螺母的作用帶動(dòng)升降箱體沿立柱作垂直運(yùn)動(dòng)，升降箱體上安裝導(dǎo)向輪和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)[2]，如圖3所示。

圖3 升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理

3.2 升降機(jī)構(gòu)的失效分析

從目前生產(chǎn)中焊接升降轉(zhuǎn)胎出現(xiàn)的失效情況分析，主要是承重螺母及安全螺母磨損造成的升降箱體和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)一起墜落，導(dǎo)致工件及設(shè)備損壞的安全事故。

回轉(zhuǎn)工作臺(tái)安裝在承重螺母上，并由升降減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿回轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)；翻轉(zhuǎn)減速電動(dòng)機(jī)通過大小齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)。組合螺母由承重螺母、安全螺母、接近開關(guān)等組成，安全螺母的外形尺寸同承重螺母一樣，其安裝在承重螺母下方，在承重螺母磨損失效時(shí)起保護(hù)作用。同時(shí)在承重螺母與安全螺母之間設(shè)有接近開關(guān)，檢測(cè)承重螺母的磨損量，當(dāng)承重螺母磨損量超過設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)即刻發(fā)出報(bào)警，整個(gè)系統(tǒng)立即停止工作，如圖4所示。焊接升降轉(zhuǎn)胎是一種將工件升降、翻轉(zhuǎn)至適合操作者作業(yè)的大型工藝裝備，承載的工件通常都是外形尺寸較大，重量較笨重，操作者一般需要站在工件旁，有時(shí)操作者需站在工件上進(jìn)行作業(yè)。因此，焊接升降轉(zhuǎn)胎的升降機(jī)構(gòu)防墜落結(jié)構(gòu)是非常重要的。焊接升降轉(zhuǎn)胎自帶的安全螺母防墜落結(jié)構(gòu)理論上安全可行，但在實(shí)際使用中由于安裝使用不當(dāng)、維護(hù)不及時(shí)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的外部環(huán)境等因素，常導(dǎo)致上述防墜落結(jié)構(gòu)失效，致使焊接升降轉(zhuǎn)胎存在工件墜落的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 組合螺母原理示意

為此，對(duì)安全螺母防墜落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，導(dǎo)致其失效的原因主要有以下3點(diǎn)。

1）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的焊接升降轉(zhuǎn)胎承重螺母與安全螺母之間的接近開關(guān)為常開式，即正常工作時(shí)為斷電狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)外部線路出現(xiàn)問題時(shí)，控制系統(tǒng)接收不到開關(guān)信號(hào)，導(dǎo)致開關(guān)失效。

2）接近開關(guān)因本身質(zhì)量問題而造成失效。

3）焊接升降轉(zhuǎn)胎運(yùn)行程序編輯時(shí)未設(shè)置安全密碼，不了解的人員可手動(dòng)修改程序或強(qiáng)制清除報(bào)警信息。

另外，作為保護(hù)人身安全的機(jī)構(gòu)，一層保護(hù)機(jī)構(gòu)是不夠的，需要多增加一層冗余保護(hù)機(jī)構(gòu)。

4 焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置的設(shè)計(jì)

針對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的焊接升降轉(zhuǎn)胎工作臺(tái)墜落，導(dǎo)致工件及設(shè)備損壞的安全事故，設(shè)計(jì)一種焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置是非常必要的，也是預(yù)防和解決焊接升降轉(zhuǎn)胎在實(shí)際生產(chǎn)中失效墜落，避免人身傷亡的一項(xiàng)重要改進(jìn)措施。

4.1 防落裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

基于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用的焊接升降轉(zhuǎn)胎進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，在焊接升降轉(zhuǎn)胎的升降箱體和立柱上增加一個(gè)防墜落結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 防落裝置結(jié)構(gòu)

防落裝置結(jié)構(gòu)主要由電磁鐵、連接銷、導(dǎo)向套、升降箱體、銷軸及立柱等組成，電磁鐵通過連接銷與銷軸聯(lián)接，導(dǎo)向套固定在升降箱體上，內(nèi)部裝有自潤(rùn)滑軸承，銷軸可在軸承自由滑動(dòng)。立柱上開有一列插銷孔，且孔的上邊設(shè)與與銷軸前端匹配的斜面。電磁鐵為推式電磁鐵，即電磁鐵為失電狀態(tài)時(shí)，鐵芯是在內(nèi)部彈簧的作用上往前推的。

1）當(dāng)工作臺(tái)處于上升狀態(tài)時(shí)，電磁鐵處于失電狀態(tài)，銷軸在彈簧的作用下頂著立柱表面，當(dāng)插銷頂入插銷孔時(shí)，上升時(shí)銷軸會(huì)在斜面的作用下頂回，不影響工作臺(tái)繼續(xù)上升。當(dāng)工作臺(tái)出現(xiàn)意外事故墜落時(shí)，銷軸在電磁鐵內(nèi)的彈簧作用下，將銷軸頂入距其下面最近的一個(gè)插銷孔內(nèi)，防止工作臺(tái)繼續(xù)下墜。

2）當(dāng)工作臺(tái)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電磁鐵處于失電狀態(tài)，銷軸頂著立柱的表面，防止工作臺(tái)繼續(xù)下墜。

3）當(dāng)工作臺(tái)處于下降狀態(tài)時(shí)，電磁鐵得電，銷軸收回，不影響工作臺(tái)下降。

焊接升降轉(zhuǎn)胎的升降工作臺(tái)墜落均是發(fā)生在上升和停止?fàn)顟B(tài)，此結(jié)構(gòu)能有效的防止工作臺(tái)墜落，保護(hù)產(chǎn)品、設(shè)備和人身安全。

4.2 銷軸的強(qiáng)度計(jì)算

銷軸前端直徑為40mm，因斷面為45°斜面，工作時(shí)抗剪的作用面只有圓斷面的一半，如圖6所示。

圖6 銷軸工作斷面

銷軸采用45鋼材質(zhì)，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，其抗剪許用應(yīng)力[3]為

因7.17MPa＜185MPa，故銷軸抗彎強(qiáng)度滿足要求。

4.3 其他改進(jìn)措施

1）對(duì)現(xiàn)有程序升級(jí)；對(duì)程序編輯設(shè)定密碼，非廠家人員無(wú)法修改程序。同時(shí)設(shè)置焊接升降轉(zhuǎn)胎定期強(qiáng)制歸零，解決架焊接升降轉(zhuǎn)胎兩端不同步的問題。

2）將接近開關(guān)由常開式改為常閉式，解決了接近開關(guān)失效的問題。

5 焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置的應(yīng)用效果

目前，焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了較好應(yīng)用，如圖7所示。該焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的焊接升降轉(zhuǎn)胎進(jìn)行改造，制造成本較低，操作簡(jiǎn)便。從目前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果看，焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置對(duì)發(fā)生在上升和停止?fàn)顟B(tài)的墜落均能有效的防止，保護(hù)產(chǎn)品和人身安全。但因生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用焊接升降轉(zhuǎn)胎受其結(jié)構(gòu)的限制，在其工作臺(tái)下降過程中還無(wú)法起到保護(hù)作用，因此在今后的工作中還將不斷的探索和研究，并加以完善。

圖7 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用實(shí)例

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的只是我們實(shí)際生產(chǎn)中焊接升降轉(zhuǎn)胎防落裝置的一個(gè)改進(jìn)案例，真正的安全生產(chǎn)還是每個(gè)人在實(shí)際工作中，從思想上牢固豎立安全第一的理念，把生產(chǎn)安全時(shí)刻銘記在心，才能創(chuàng)造一個(gè)安全的工作環(huán)境。