焊接升降轉胎防落裝置的設計與應用

陳鍵，高燚，黃勇

1.中車株洲電力機車有限公司轉向架事業部 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

在焊接構架等工件時，為了達到一定的工藝要求，需要將工件上升并旋轉一定角度，進行全方位焊接以及精整打磨等作業，其過程需要使用焊接升降轉胎對工件進行升降和翻轉。焊接升降轉胎的升降機構常見有三種升降形式：絲杠式、鏈條式和鋼絲繩式。目前，我們焊接生產中使用的焊接升降轉胎升降形式采用的是絲杠式升降機構。在焊接升降轉胎使用中，由于工件及工裝夾具外形結構尺寸較大，重量較重，如果焊接升降轉胎的升降機構在升降過程中發生機械失效情況，易造成工件的損壞和操作人員傷亡等安全事故。因此，需要設計一種焊接升降轉胎防落裝置等措施，來預防和解決升降機構機械失效事故的發生，從而保證生產安全。

2 焊接升降轉胎的結構和工作原理

焊接升降轉胎主要由焊接升降轉胎主動端、升降機構、翻轉機構、焊接升降轉胎從動端和電氣控制系統等部分組成[1]，如圖1所示。焊接升降轉胎主動端、從動端安裝在地面T形槽導軌上, 主動端轉盤和從動端轉盤上安裝有焊接工裝夾具和工件。焊接升降轉胎主動端、從動端均設有升降機構，通過安裝在立柱頂端的升降電動機提供動力，經減速器、絲桿傳動副、立柱、滾輪等傳動機構，帶動工作臺沿立柱上升和下降；主動端上還設有翻轉機構, 翻轉機構動力由制動電動機及減速器提供，通過減速器帶動回轉支承和回轉工作臺，使工件平穩翻轉，實現全方位焊接、精整打磨等操作。電氣控制系統裝有PLC控制組件、斷路器和接觸器，對焊接升降轉胎各部分運轉進行控制。

圖1 焊接升降轉胎

3 升降機構的結構及失效分析

3.1 升降機構的結構

焊接升降轉胎的升降機構主要由升降減速電動機、絲桿、機架、立柱、回轉工作臺、升降箱體、承重螺母及安全螺母等組成，如圖2所示。

圖2 升降機構結構

工作原理：焊接升降轉胎的主動端、從動端上均安裝有升降機構，采用三相交流電動機驅動，經蝸桿蝸輪減速器減速，帶動絲桿轉動，通過組合螺母的作用帶動升降箱體沿立柱作垂直運動，升降箱體上安裝導向輪和回轉工作臺[2]，如圖3所示。

圖3 升降機構傳動原理

3.2 升降機構的失效分析

從目前生產中焊接升降轉胎出現的失效情況分析，主要是承重螺母及安全螺母磨損造成的升降箱體和回轉工作臺一起墜落，導致工件及設備損壞的安全事故。

回轉工作臺安裝在承重螺母上，并由升降減速電動機驅動絲桿回轉帶動工作臺上下運動；翻轉減速電動機通過大小齒輪嚙合驅動工作臺翻轉。組合螺母由承重螺母、安全螺母、接近開關等組成，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起保護作用。同時在承重螺母與安全螺母之間設有接近開關，檢測承重螺母的磨損量，當承重螺母磨損量超過設定值時，控制系統即刻發出報警，整個系統立即停止工作，如圖4所示。焊接升降轉胎是一種將工件升降、翻轉至適合操作者作業的大型工藝裝備，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，有時操作者需站在工件上進行作業。因此，焊接升降轉胎的升降機構防墜落結構是非常重要的。焊接升降轉胎自帶的安全螺母防墜落結構理論上安全可行，但在實際使用中由于安裝使用不當、維護不及時和生產現場的外部環境等因素，常導致上述防墜落結構失效，致使焊接升降轉胎存在工件墜落的風險。

圖4 組合螺母原理示意

為此，對安全螺母防墜落結構進行了分析，導致其失效的原因主要有以下3點。

1）生產現場的焊接升降轉胎承重螺母與安全螺母之間的接近開關為常開式，即正常工作時為斷電狀態，當開關外部線路出現問題時，控制系統接收不到開關信號，導致開關失效。

2）接近開關因本身質量問題而造成失效。

3）焊接升降轉胎運行程序編輯時未設置安全密碼，不了解的人員可手動修改程序或強制清除報警信息。

另外，作為保護人身安全的機構，一層保護機構是不夠的，需要多增加一層冗余保護機構。

4 焊接升降轉胎防落裝置的設計

針對生產中出現的焊接升降轉胎工作臺墜落，導致工件及設備損壞的安全事故，設計一種焊接升降轉胎防落裝置是非常必要的，也是預防和解決焊接升降轉胎在實際生產中失效墜落，避免人身傷亡的一項重要改進措施。

4.1 防落裝置的結構及工作原理

基于生產現場所使用的焊接升降轉胎進行了改造設計，在焊接升降轉胎的升降箱體和立柱上增加一個防墜落結構，如圖5所示。

圖5 防落裝置結構

防落裝置結構主要由電磁鐵、連接銷、導向套、升降箱體、銷軸及立柱等組成，電磁鐵通過連接銷與銷軸聯接，導向套固定在升降箱體上，內部裝有自潤滑軸承，銷軸可在軸承自由滑動。立柱上開有一列插銷孔，且孔的上邊設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時，鐵芯是在內部彈簧的作用上往前推的。

1）當工作臺處于上升狀態時，電磁鐵處于失電狀態，銷軸在彈簧的作用下頂著立柱表面，當插銷頂入插銷孔時，上升時銷軸會在斜面的作用下頂回，不影響工作臺繼續上升。當工作臺出現意外事故墜落時，銷軸在電磁鐵內的彈簧作用下，將銷軸頂入距其下面最近的一個插銷孔內，防止工作臺繼續下墜。

2）當工作臺處于停止狀態時，電磁鐵處于失電狀態，銷軸頂著立柱的表面，防止工作臺繼續下墜。

3）當工作臺處于下降狀態時，電磁鐵得電，銷軸收回，不影響工作臺下降。

焊接升降轉胎的升降工作臺墜落均是發生在上升和停止狀態，此結構能有效的防止工作臺墜落，保護產品、設備和人身安全。

4.2 銷軸的強度計算

銷軸前端直徑為40mm，因斷面為45°斜面，工作時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，調質處理，根據設計手冊，其抗剪許用應力[3]為

因7.17MPa＜185MPa，故銷軸抗彎強度滿足要求。

4.3 其他改進措施

1）對現有程序升級；對程序編輯設定密碼，非廠家人員無法修改程序。同時設置焊接升降轉胎定期強制歸零，解決架焊接升降轉胎兩端不同步的問題。

2）將接近開關由常開式改為常閉式，解決了接近開關失效的問題。

5 焊接升降轉胎防落裝置的應用效果

目前，焊接升降轉胎防落裝置已經在生產中得到了較好應用，如圖7所示。該焊接升降轉胎防落裝置結構簡單，便于對生產現場的焊接升降轉胎進行改造，制造成本較低，操作簡便。從目前生產現場應用效果看，焊接升降轉胎防落裝置對發生在上升和停止狀態的墜落均能有效的防止，保護產品和人身安全。但因生產現場所使用焊接升降轉胎受其結構的限制，在其工作臺下降過程中還無法起到保護作用，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 生產現場的應用實例

6 結束語

本文介紹的只是我們實際生產中焊接升降轉胎防落裝置的一個改進案例，真正的安全生產還是每個人在實際工作中，從思想上牢固豎立安全第一的理念，把生產安全時刻銘記在心，才能創造一個安全的工作環境。