雙臂吊環同步彎曲裝置的設計

王小美 李 健 朱金金

（南通理工學院，江蘇 南通 226002）

在石油鉆采行業，吊環作為連接頂驅和井口設備的中間過渡裝置，承載負荷大，強度要求高[1]。雙臂吊環在小修作業中廣泛使用，諸多企業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]。還有一些企業將高強度圓鋼進行紅彎，進而加工為長圓環形狀，但該法需要先進行一側的紅彎，然后人工手動切換至另一側進行紅彎，生產效率較低，并且時常出現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。本文旨在設計一款半自動化同步彎曲裝置，提高生產效率，降低工人勞動強度。

1 彎曲方案確定

根據形式分類，吊環主要分為雙臂吊環和單臂吊環。常規用的載荷為75t，桿部直徑為Φ=45mm，小環部半徑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品的精度、彎曲角度、拉伸尺寸有著重要關系，對于單根吊環，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，然后將零件調轉方向，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，從而給后續的焊接工作帶來一定的難度。

圖1 常規彎曲裝置

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 的內部，可以上下進行移動。圖示狀態為加工時的狀態，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半周運動，進而實現坯料的彎曲成型。當加工完畢后，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。

上述方案無法實現同步彎曲和解決彎曲后對中困難的問題，因此設計出如圖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 主體結構設計

裝置主要由操作平臺、夾緊裝置、彎曲裝置、傳動裝置、液壓驅動裝置等構成，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，系統壓力升高，進而順序閥開啟，后續的擺動液壓缸才開始工作，進行同步折彎操作。雙臂吊環擠壓成形后，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，從而節省時間，提升效率。

圖3 同步彎曲裝置組成

夾緊裝置是對吊環毛坯進行夾緊的關鍵零部件，如果夾緊裝置輸出力不夠，在加工過程中會出現抖動變形，甚至產生廢品。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：

所以壓緊軸強度小于材料的屈服極限，性能符合要求。

3 液壓系統的設計

液壓系統主要由手動換向閥、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里的低壓系統，并且振動不大，所以選用螺紋聯接，一般將壓力管路內的允許平均流速定為4～5m/s[3]。

根據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，液壓缸內徑為45mm，則選取公稱通徑為14mm。液壓缸的內徑和活塞桿的直徑是根據液壓缸的力來決定的。根據彎曲雙臂吊環的實際工況，需要F=5000N 的力來完成雙臂吊環的彎曲，在選取工作壓力為6Mpa，其中壓緊液壓缸主體結構如圖4 所示。

圖4 壓緊液壓缸

根據液體靜壓力計算公式知：

求得D=32.6mm。液壓缸內徑D 與活塞桿直徑d 的關系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徑D 和活塞桿直徑d，根據國家標準（GB2348-80）規定的系列選取，最終確定液壓缸的缸筒內徑D 尺寸為40mm，活塞桿直徑d 為25mm。

在液壓缸的設計中，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，一般取n≥1.4。

代入相應的數據得到：

因此活塞桿強度符合要求。

4 結論

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