一種楔塊增力式自鎖液壓卡爪裝置的研究與應(yīng)用

鄭鳳玲，張燕紅

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253034）

0 引言

應(yīng)用于高鐵橋梁的支座可承受7000 t 的沖擊力，使高鐵在運行中能夠保持平穩(wěn)安全。支座的作用之一是使反作用力清晰地作用在墩臺的指定位置，并將集中反作用力分散到足夠大的區(qū)域，以確保墩臺的穩(wěn)定性和可靠性。由此可見，支座起著極其重要的作用。在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上加工高鐵橋梁支座工件時，需要對工件進(jìn)行固定和夾緊。夾緊工件時，動作笨拙、耗時費力、安全性和可靠性差、容易松動。進(jìn)行更換夾具時，需要將夾具上的所有緊固螺釘拆下才能調(diào)換其他夾具，使用不便，耗費了極大的工作量。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，要求機(jī)械工業(yè)不斷在原有技術(shù)上創(chuàng)新和創(chuàng)造新的裝備種類。研究提供了一種楔塊増力式自鎖液壓卡爪裝置，能有效的解決加工高鐵橋梁支座時遇到的裝夾問題。

1 高鐵橋梁支座裝夾裝置的背景

1.1 國內(nèi)背景

中國機(jī)床產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展水平與國外發(fā)達(dá)國家之間相比存在一定的差距。作為機(jī)床的主要配件，卡盤的設(shè)計和制造也存在相同的情況[1]。國內(nèi)的動力卡盤普遍存在功能質(zhì)量可靠性差、精度低、抱軸卡死等問題。液壓卡盤被稱為機(jī)床實現(xiàn)智能化與自動化的主要產(chǎn)品，在國內(nèi)有著良好的發(fā)展前景。

中國裝備制造業(yè)需求量顯著增長，相應(yīng)地，液壓卡盤行業(yè)也在快速發(fā)展。我國液壓卡盤產(chǎn)品技術(shù)雖然在精度、可靠性等方面還是和一些發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平存在較大差距，但是無論是在復(fù)合化、精密化或是高速化等方面都取得了突破性進(jìn)展。我國裝備制造業(yè)發(fā)展的最大薄弱環(huán)節(jié)和產(chǎn)業(yè)升級的最大障礙都在液壓卡盤行業(yè)，針對這一情況，國家計劃實施了與液壓卡盤相關(guān)的重大專項。隨著液壓卡盤行業(yè)各項研究的推進(jìn)，使我國液壓卡盤技術(shù)得到了顯著提高，這為擴(kuò)大國內(nèi)機(jī)床市場提供了良好的條件，同樣重要的是推動了液壓卡盤及數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件的市場發(fā)展。

1.2 國際背景

動力卡盤分為液壓動力卡盤和氣動動力卡盤。動力卡盤在國外已經(jīng)被大量采用，特別是歐洲國家，更多的應(yīng)用在加工中高精度數(shù)控機(jī)床中，應(yīng)用在普通機(jī)床的數(shù)量逐漸減少。目前，國外的液壓缸產(chǎn)品已足夠成熟，其中優(yōu)秀的品牌有英國的SHEFFIELD（鋼盾）、美國的Honeywell（霍尼韋爾）以及德國的西德寶。西方發(fā)達(dá)國家的動力卡盤已占據(jù)很大的市場，手動卡盤逐漸退出。德國雄克公司（Mengen）分廠具有數(shù)十年的生產(chǎn)卡盤類產(chǎn)品的經(jīng)驗，大概有800 種不同規(guī)格的機(jī)床卡盤，雄克動力卡盤具有夾持精度高、磨損小、夾緊力大、工作穩(wěn)定等特點[2]。

KY95210 液壓動力卡盤（圖1）是我國某機(jī)械廠從英國引進(jìn)的樣件，經(jīng)過消化吸收生產(chǎn)的產(chǎn)品，其夾緊力的大小及結(jié)構(gòu)都優(yōu)于其他液壓卡盤。

圖1 KY95210 動力卡盤結(jié)構(gòu)

K51 型動力卡盤（圖2），與國內(nèi)剛開始試制的此類卡盤相比，國外卡盤性能及結(jié)構(gòu)上具有大通孔、高轉(zhuǎn)速、大油壓和大的活塞行程等特點。

圖2 K51 動力卡盤結(jié)構(gòu)

在今天的工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，德國SCHUNK 卡爪受到很多企業(yè)歡迎，尤其是在中國市場，福州法拉第供應(yīng)的SCHUNK 卡爪應(yīng)用廣泛。我國卡盤的發(fā)展目前處于略遜色的位置。

2 楔塊增力式自鎖液壓卡爪裝置的研究

2.1 研究目的

為高鐵橋梁支座加工而設(shè)計的楔塊增力式自鎖液壓卡爪裝置，有效的解決目前杠桿式夾緊裝置所帶來的問題，如固定夾持時、動作笨拙、耗時耗力、安全性和可靠性差、容易松動，增加使用者的工作量等問題。用于高鐵橋梁支座的楔塊增力式自鎖液壓卡爪裝置結(jié)構(gòu)新穎，巧用斜燕尾，形成自鎖，保證了加工的安全性。

2.2 工作原理

在使用時，先將固定板固定在車床或銑床工作臺上，固定板上設(shè)置有螺孔和防滑凸起，方便將固定板固定；然后根據(jù)需要夾緊的工件將卡爪結(jié)構(gòu)固定在固定板上，通過固定板上的鎖緊結(jié)構(gòu)對支撐板進(jìn)行固定（圖3）。在使用本裝置時，固定板上轉(zhuǎn)動連接有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶著齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪通過齒條帶著動力軸在固定板內(nèi)滑動，動力軸帶著3 對壓緊塊滑動，3 對壓緊塊會擠壓鎖緊柱上固接的3 對受壓塊，3 對受壓塊帶著鎖緊柱滑動，鎖緊柱上的凸起會卡在支撐板的凹槽內(nèi)，防止凹槽滑動。通過3對壓緊塊推動鎖緊柱滑動并卡死支撐板，對支撐板進(jìn)行固定，提高了本裝置的便利性。

圖3 固定裝置結(jié)構(gòu)

楔塊増力式自鎖液壓卡爪裝置包括卡爪結(jié)構(gòu)和與卡爪結(jié)構(gòu)相配合的固定結(jié)構(gòu)（圖4）。當(dāng)油缸無活塞桿腔充油，活塞向前運動推動増力楔塊，増力楔塊通過斜燕尾導(dǎo)軌推動伸縮塊伸出；當(dāng)油缸有活塞桿腔充油，活塞向后運動拉動増力楔塊，増力楔塊通過斜燕尾導(dǎo)軌拉動伸縮塊退回。伸縮塊伸出時可以用于夾緊待加工工件，夾緊力通過伸縮塊傳遞至斜燕尾導(dǎo)軌，由于斜燕尾導(dǎo)軌斜度角小于摩擦角，工件夾緊力不會通過斜燕尾導(dǎo)軌傳遞至油缸活塞形成自鎖，并且蝸桿能夠帶動蝸輪，蝸輪能夠帶動齒條，進(jìn)而齒條帶動伸縮快，伸縮快能夠調(diào)節(jié)行程，增大對不同長度工件的加持力，保證工作時的穩(wěn)定性。即使系統(tǒng)斷電油缸泄壓工件夾緊力也不會因此松開，保證了加工的安全性[3]。

圖4 楔塊增力式自鎖液壓卡爪裝置結(jié)構(gòu)

2.3 楔塊增力式自鎖液壓卡爪裝置的優(yōu)勢

（1）對楔塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，由于斜燕尾導(dǎo)軌斜度角小于摩擦角，由于摩擦，無論力如何增加，都不能移動而形成自鎖，實現(xiàn)工件的自動夾緊，即使系統(tǒng)斷電或油缸泄壓，工件夾緊力也不會撤掉，從而保證了加工環(huán)境的安全性，并且通過蝸輪蝸桿能夠?qū)崿F(xiàn)伸縮塊的調(diào)節(jié)，保證工作的穩(wěn)定性。

（2）此機(jī)械加持技術(shù)采用楔塊増力式自鎖液壓卡爪裝置，因?qū)儆谝簤嚎ūP，故采用全封閉式結(jié)構(gòu)，零部件選擇嚴(yán)格，夾持精度高，所有配合面均具有防塵功能，加上獨特的選材與熱處理工藝，使用壽命大大增加；其次，液壓卡盤夾持力大，力量穩(wěn)定，大小可調(diào)；最后，安裝方便，極大程度上解決了使用不方便的問題，進(jìn)一步保證了機(jī)械夾持的技術(shù)效果。

（3）具有楔塊自鎖機(jī)構(gòu)，并采用液壓裝置，兩者結(jié)合，既提高了卡盤使用壽命，也提高了操作者的安全性，使用更便捷可靠。

3 高鐵橋梁支座裝夾裝置的應(yīng)用

高鐵橋梁支座系統(tǒng)作為高速鐵路橋梁的重要組成部分，對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計有著非常重要的影響。高速鐵路橋梁多采用靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計比較簡單，但是其中支座系統(tǒng)由于道床鐵軌相互作用，構(gòu)造較為復(fù)雜。為滿足高速鐵路大跨度橋梁的大承載力和大位移的需要，要求支座具有大噸位大位移性能，同時具有一定的減震性能。因此在設(shè)計時減少目前杠桿式夾緊裝置所帶來的問題顯得尤為重要。

4 結(jié)語

楔塊增力式自鎖液壓卡爪裝置解決了使用固定裝夾裝置加工高鐵橋梁支座時裝夾笨拙、耗時耗力、安全可靠性差、易松動，更換時需要將緊固螺紋全部取下再更換其他夾具等諸多缺陷與不便，降低了生產(chǎn)工作量，提高了便捷度。