500噸液壓拆裝機的研制

劉社榮，陳凌飛，梁鋒，陳志強

（西部鉆探玉門鉆井管具機修服務公司，甘肅 酒泉 735000）

液壓拆裝機是對鉆井機械設備維修的主要裝備之一。由于鉆井設備部件多為大型零件，普通液壓拆裝機力臂以及承重支座比較薄弱，使用過程中易出現力臂變形，大型部件無法裝夾的困難，液壓系統壓力不能滿足生產維修的需要，因此研制新一代拆裝機非常必要。

1 設計思路

目的：500噸液壓拆裝機要解決設備修理過程中，直徑大于1000mm軸套類零件的拆裝，提高設備修理效率，提升修理能力。

結構組成：拆裝架主要由液壓站、500噸液壓千斤頂、力臂、工程液缸、滑動裝夾裝置和支撐底座構成。液壓站為整套裝置提供動力源，500噸液壓千斤頂和滑動裝夾裝置共同完成零部件拆裝的頂壓功能，工程液壓缸實現兩根力臂的分離與并攏，實現不同外形尺寸工件的裝夾。設計裝夾寬度2300mm，最大工件長度6250mm。

技術方案：對力臂、液壓站、液缸等主要部件提出詳細的技術要求，進行外購；支撐底座、卡頭滑動機構自制，其他材料自備；根據裝配圖要求進行裝配。

達到的效果：通過該裝置的使用，提升設備修理能力和效率，減少工人勞動強度。設計全新操作面板，簡便操作。各閥件均有過載卸荷功能，確保設備運行安全可靠。

2 500噸液壓拆裝機設計和制作

2.1 拆裝機結構設計

拆裝機由一臺500噸液壓千斤頂、兩根矩形力臂、四臺工程液壓缸和滑動裝夾裝置組成。主體設備由前后兩個支座支撐。兩根力臂分別由配置的四臺工程液壓缸伸縮來實現兩根力臂的并攏和分離。該液壓缸具備自鎖性能，在拆裝架承載時可以從前后拉住兩根力臂，保證力臂間的平行度。力臂的行走由每根梁上的四個滾輪支撐。

2.2 拆裝機工作原理

（1）液壓部分。拆裝機的液壓部分由一臺低壓泵、一臺高壓泵提供動力源，低壓泵經電磁換向閥和比例閥控制前后四臺工程液壓缸的供油，來實現力臂前、后的同步分離與并攏進而對工件進行裝夾作業。液缸的伸縮由低壓、高壓泵共同完成。低壓泵流量大，可以在主液缸空載的情況下迅速將其頂出，當頂升壓力超過20MPa時，低壓泵自動溢流高壓泵繼續工作，液缸頂升速度下降，緩慢地將工件頂出。

（2）控制部分。拆裝機的控制部分集中于一個懸掛可轉動式控制面板，電機的啟停以及工件的裝夾、主液缸的升縮全部在控制面板上操作，在工件裝夾好液缸承壓后，將控制面板旋轉至安全位置進行下一步頂壓作業，確保操作安全。

（3）滑動裝夾裝置。滑動裝夾裝置行走時由曲拐和軸承支撐，根據裝夾工件的尺寸確定卡頭需要移動的距離后，拔出固定銷，轉動曲拐手柄，由支撐軸承將滑動裝夾裝置撐起，前后推動達到需要位置后（對齊銷孔指示位置），再轉動曲拐手柄，使曲拐復位，穿回固定銷即可。

2.3 薄弱部位強度校核

（1）滑動卡頭支撐軸強度校核。

①根據設計圖紙計算，滑頭卡頭總質量為1.7噸，卡頭由2根軸、8副軸承支撐，分配到每兩幅軸承，其承受的力為，17kN/4=4.25kN。

②受力分析如圖1。

③強度校核：Ra=Rb=4kN。

其中Ra、Rb為支座反力，Mmax為最大彎矩，σmax為最大拉應力，[σ]為許用拉應力。

④為抗彎截面系數，W=πd3/32，nb為安全系數，取 1.5。

⑤滑動卡頭支撐軸滿足強度要求。

（2）滑動裝夾裝置固定銷銷抗剪切強度校核。

①根據設計噸位，每個卡頭承載2500kN，則每個銷子承載1250kN，再分配到兩點，各自承載625kN。

圖1 滑動卡頭受力分析

②受力分析如圖2。

圖2 滑動裝夾裝置固定銷銷抗剪切強度

③強度校核計算。剪力：F=625000N，截面A=3.14×75×75=17662.5mm2。

τ=F/A=35.4MPa＜[τ]。其中 [τ]為許用剪切應力，[τ]=0.6×[σ]=354MPa。

④卡頭銷子滿足強度要求。

（3）力臂端部有限元分析計算。利用ANSYS對力臂端部進行有限元分析，在150mm鋼板下方施加Ux=Uy=Uz=0三個方向的約束，2500kN載荷施加位置如圖3、圖4所示。有限元模型節點58614個、單元52402個。限于篇幅，只提供結果圖。

（4）有限元分析結論。通過對力臂端部的有限元分析校核發現，力臂端部結構沿作用力方向上的最大變形為0.073mm；由于應力集中的影響，最大應力出現在2500kN作用力施加的位置，為97.876MPa；150mm鋼板的最大應力為40.265MPa，遠小于45#鋼的屈服強度≧355MPa。因此，結構符合設計要求。

2.4 制作與試用情況

（1）液壓拆裝機的制作。根據設計方案，其中液壓系統、力臂、500噸千斤頂、50噸工程液壓缸以及卡頭外購定制，出具相應圖紙并與外協廠家簽訂技術協議（包括制作技術要求）。其他附件按圖紙自制。整機組裝在修理車間內實施。

（2）現場試用情況。2016年7月，對拆裝機進行頂壓試驗，頂升壓力達到63MPa，憋壓10分鐘無異常。隨后對JC50絞車滾筒軸（長×最大外徑mm，5665×Φ1665mm）進行拆解作業，當壓力表指示到40MPa時，將滾筒軸整體頂出，拆裝機各項動作均正常。根據壓力-噸位換算表對照，千斤頂頂升噸位320噸，整個過程平穩，無異常。拆裝機達到了設計與使用的要求。

（3）存在缺陷。現場應用沒有達到500噸額定值，實際應用中能否出現更高噸位，需要在實踐中進行實際驗證。

圖3 有限元分析結果（力臂被施加載荷位置最大應力97.876MPa）

圖4 力臂肩部150mm厚鋼板處最大應力40.265MPa

3 結語

本拆裝機制作完成后，一體式支撐架的承載能力增強；矩形力臂的抗彎性能得到增強；滑動卡頭設計成手動推拉式，運行的安全性能有效提升；力臂移動方式由液壓缸推拉，運行的穩定性提升，整體結構更加緊湊；操作面板使用、操作簡單、安全。500噸液壓拆裝機的成功研制，使在設備軸類零部件的拆裝過程中，能夠滿足各種修理需求，運行平穩，提高了修理作業效率和作業安全性，達到了預期的設計目標。