２０１７年２月 第４５卷第４期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｆｅｂ．２０１７ Ｖｏ１．４５ Ｎｏ．４ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１７．０４．０１９ 双液压缸臂式翻模机的设计 韩彦军 ，张良 ，王艳莉 ，李然 （１．石家庄铁道大学机械工程学院，河北石家庄０５００４３； ２．河北新大地机电制造有限公司，河北石家庄０５００００） 摘要：为了提高双块式轨枕翻模机的工作效率和稳定性，使它能满足多种工作要求，设计一种新型双液压缸臂式翻模 机。对其结构组成、液压系统、运动过程及运动过程中的受力情况进行了分析。该新型翻模机具有工作效率高、布置灵 活、翻转平稳、反应速度快等特点。 关键词：翻模机；液压系统：受力分析 中图分类号：ＴＨ１２２ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００１—３８８１（２０１７）０４－０６８－４ ． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ａｒｍ Ｔｙｐｅ Ｔｕｒｎｏｖｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅ ＨＡＮ Ｙａｎｊｕｎ ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉａｎｇ ．ＷＡＮＧ Ｙａｎｌｉ ，ＬＩ Ｒａｎ （１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｔｉｅｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈ￣ｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００４３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｅｂｅｉ Ｘｉｎｄａｄｉ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｒｎｏｖｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ，ａ ｎｅｗ—ｔｙｐｅ ｄｏｕｂｌｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｒｍ ｔｙｐｅ ｔｕｒｎｏｖｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ａｄａｐｔ ｔｏ ｖａｒｉｏｕｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ，ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ—ｔｙｐｅ ｔｕｒｎｏｖｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｌａｙｏｕｔ，ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｅｔｃ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｕｒｎｏｖｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ；Ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ 翻模机是双块式轨枕自动化生产线的重要设备， 主要用来将经蒸汽养护的轨枕随同模具一同翻转，并 铰接，其铰接位置如图１所示。翻模机通过卡爪油 缸、内外侧转臂油缸等机构的协调动作可将双块式轨 枕翻转１８０。，达到轨枕脱模的目的。 卡爪 转臂 卡爪油缸 外侧转臂油缸 内侧转臂油缸 转轴组件 机架 将空模翻回 ］，其设计的好坏直接影响整个自动化生 产线的工作水平．因而对翻模机进行合理的设计就显 得极为重要。采用传统减速机驱动的翻模机多存在结 构复杂庞大、操作繁琐、使用寿命短等问题＿２］，文中 介绍一种双液压缸臂式翻模机，它具有翻转平稳、工 作效率高、噪声低、质量轻、体积小、反应速度快、 不易破坏轨枕等优点。 １ 翻模机的结构及功能 １．１翻模机的结构组成 双液压缸臂式翻模机由结构对称的左右翻转体组 成．每侧翻转体的结构如图１所示，翻转体由卡爪 １、转臂２、卡爪油缸３、外侧转臂油缸４、内侧转臂 油缸５、转轴组件６、机架７等组成。卡爪通过转轴 图１翻模机结构组成 １．２翻模动作分析 如图２所示，翻模机的一个完整工作过程为ａ— ｂ—ｃ—ｄ—ｅ一｝一ｇ—ｈ—ｉ—ｊ—ｋ一１。其中正翻模过程 包括ａ、ｂ、Ｃ、ｄ、ｅ、ｆ ６个工作状态，反翻模过程包 组件安装在转臂上，其上端皆成钩状体，下端与卡爪 油缸铰接．通过驱动卡爪油缸可实现对模具的夹紧。 内外两个转臂油缸的缸座与活塞杆分别与机架和转臂 收稿Ｅｔ期：２０１６—０１－０８ 基金项目：石家庄市科技局资助项目（１０１０８４６１Ａ） 作者简介：韩彦军（１９６８一），男，硕士，副教授，研究方向为机械设计制造及其自动化。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｎ＿ｙａｎ＿．ｊｕｎ＠１２６．ｃｏｒｎ。 第４期 韩彦军等：双液压缸臂式翻模机的设计 ・６９・ 括ｇ、ｈ、ｉ、Ｊ、ｋ、１ ６个工作状态。翻模机通过各个 工作状态时油缸的动作情况如表１所示。 （ａ）状态ａ （ｂ）状态ｂ （ｃ）状态ｃ （ｄ）状态ｄ （ｅ）状态ｅ （ｆ）状态ｆ （ｇ）状态ｇ （ｈ）状态ｈ （ｉ）状态ｉ （ｊ）状态ｊ （ｋ）状态ｋ （１）状态’ 图２翻模动作示意图 表１各工作状态内、外侧转臂油缸动作情况 工作状态 油缸动作 工作状态 油缸动作 ａ 内侧转臂油缸伸出，外侧转臂油缸伸出 ｇ 内侧转臂油缸伸出，外侧转臂油缸伸出 ｂ 内侧转臂油缸随动，外侧转臂油缸伸出 ｈ 内侧转臂油缸伸出，外侧转臂油缸随动 ｃ 内侧转臂油缸收缩．外侧转臂油缸伸出 ｉ 内侧转臂油缸伸出。外侧转臂油缸收缩 ｄ 内侧转臂油缸收缩．外侧转臂油缸随动 ｊ 内侧转臂油缸随动，外侧转臂油缸收缩 ｅ 内侧转臂油缸收缩．外侧转臂油缸收缩 ｋ 内侧转臂油缸收缩．外侧转臂油缸收缩 ｆ 内、外侧转臂油缸停止工作 ｌ 内、外侧转臂油缸停止工作 起始位置时（状态ａ），卡爪夹紧轨枕及模具后， 是，外侧转臂油缸将先到达并跨过死点位置（状态 外侧转臂油缸与内侧转臂油缸同时伸出施加推力。推 ｈ）。同时由于模具已脱模，转臂和模具重心到达转 动转臂旋转从而对浇筑好的轨枕及模具进行翻转。运 臂转轴中心正上方的位置较正翻模时后移（状态ｉ）。 动到状态ｂ时，内侧转臂油缸到达死点位置．即内侧 ２液压系统分析 转臂油缸力作用线通过转轴中心，油缸行程达到最 液压系统为设备的动力核心，液压设备的稳定性 大，内侧转臂油缸停止工作，外侧转臂油缸继续外伸 很大程度上决定着设备运行稳定性ｌ３］。在硬件上保证 施加推力，内侧转臂油缸随动直至跨过死点位置。跨 液压设备的稳定性时，设计了如图３所示的翻模机液 过死点位置后，内侧转臂油缸收缩，同时外侧转臂油 压系统。该液压系统由夹紧机构回路和翻模机构回路 缸伸出，但由于存在摩擦等作用的影响。刚跨过死点 两部分组成。 位置时，内侧转臂油缸还不能够执行收缩动作．需要 夹紧机构回路用于控制卡爪夹紧和放松，它主要 转过一定角度（状态ｃ）后方可进行动作。当运动到 由卡爪油缸、双向液压锁１１和电磁换向阀２组成。 状态ｄ时，转臂和模具的重心在转臂转轴中心的正上 翻模机构回路用于控制转臂翻转，它主要由内侧转臂 方，跨过该位置后，内侧转臂油缸在转臂重力作用下 油缸，外侧转臂油缸，双向液压锁１２、１３．分流集 开始缓慢收缩转变为施加一定的推力，而外侧转臂油 流阀９、１０，单向调速阀５、６、７、８和电磁换向阀 缸停止工作，随着转臂的转动而动作，直到外侧转臂 ３、４组成。各油缸由相应的三位四通电磁换向阀控 油缸到达死点位置（状态ｅ）。跨过该位置后，内外 制其伸缩，每个油缸都配有一个由两个液控单向阀组 油缸施加一定的推力缓慢收缩，这样使得转臂及模具 成的双向液压锁 ］。设计的液压系统具有以下 缓慢下降直到到达指定位置（状态ｆ），松开夹具， 特点： 即完成了一个正翻模动作。 （１）动作同步。翻转过程中要求左右对称的两 反翻模动作类似于正翻模动作，与正翻模不同的 个转臂油缸应动作同步，因此在回路中设置分流集流 ・７０・ 机床与液压 第４５卷 阀。当电磁换向阀３或４左位接回路时，压力油经分 流集流阀分成两股等量的油液进入两个外（内）侧 翻转油缸，使两缸活塞同步上升；当换向阀右位接回 路时，分流集流阀起集流作用，控制两缸活塞同步 持以调速阀调定的速度运动，同时调速阀在回路中充 当背压阀的作用，使翻模机翻转更平稳。 （３）安全可靠。当停止向液压缸供油或液压油 路管道破裂漏油等情况发生时，翻转液压缸活塞杆在 下降。 （２）翻转平稳。液压杆带动转臂翻转时。转臂 外力作用下会白行下落、夹紧液压缸会发生夹紧不牢 现象，为了防止事故发生，４个转臂油缸和夹紧油缸 需配有双向液压锁，保证活塞杆能迅速、平稳、可靠 且长时间地被锁定，并不为外力所移动．也可保证卡 对液压杆的作用力是时刻在变化的，这使得液压缸回 油腔的压力和流量也发生变化，由此便会出现负载变 化引起的冲击和抖动现象 ］，导致翻转不平稳。为 此，在每个回路中都串联一个调速阀，可使液压缸保 卡爪油缸 外侧转臂油缸 爪可靠地夹紧物体，并准确地使转臂保持在既定位置 上，从而保障翻转过程的安全可靠。 内侧转臂油缸 卜一油泵 ２、３、 电磁换向阀 ５、６、７、 单向调速阀 ９、１【卜分流集流阀 ｌｌ、１２、１３一双向液压锁 １ 安全阀 １卜滤油器 图３翻模机液压系统 ３翻模机的力学分析 翻模机在运动过程中，内外侧转臂油缸的受力随 着翻转角度的变化而变化，现主要对其中的起始位 越小，即越省力。因此在结构尺寸允许的情况下，应 使力的矩尽量大，即转臂上液压缸作用点应远离转轴 中心。 置、内侧转臂油缸到达死点位置、外侧转臂油缸到达 死点位置３个关键状态进行受力分析。为计算方便， 以一侧设备为例进行分析。 （１）起始位置分析 （２）内侧转臂油缸死点位置分析 内侧转臂油缸达到死点位置时（如图４（ｂ）所 示），内侧转臂油缸停止工作，外侧转臂油缸所承受 的载荷达到最大值。此时，ｚ＝７７０ ｍｍ，ｚ ＝３３５ ｍｍ， Ｚ ＝０，由式（１）得：Ｆ．＝１．１５Ｇ。 （３）外侧转臂油缸死点位置分析 图４（ａ）为翻转机位于起始工作位置简化图， 此时转臂与轨枕及模具重心离转轴最远，总力矩最 大，由力矩平衡得关系式： Ｇｌ／２＝Ｆｌ Ｚｌ＋Ｆ２Ｚ２ （１） 外侧转臂油缸到达死点位置时（如图４（ｃ）所 示）．内侧转臂油缸所承受的载荷达到最大值。此 时，Ｚ＝７１５ ｍｍ，Ｚ１＝０，Ｚ２＝３３５ ｍｍ，由式（１）得： Ｆ２＝０．９３Ｇ。 式中：Ｇ为总重力： ・ Ｆ 为外侧转臂油缸推力； Ｆ，为内侧转臂油缸推力； ｚ为重力作用线到转轴距离； 反翻模的过程同正翻模时油缸的动作顺序相反， 但内外油缸受到最大载荷的位置与正翻模时相同。另 外，由于反翻模时模具已脱模。所以转臂与模具的重 ｚ 为 作用线到转轴距离； ｚ，为Ｆ，作用线到转轴距离。 此时Ｚ：１ ０５０ ｍｍ，Ｚ ＝２６０ ｉＴｌｍ，Ｚ，：２４０ ｍｍ，由 此得到Ｆ，＝２．０２Ｇ一０．９２Ｆ，。 心相对于正翻模时要靠近转轴，即ｚ的值比正翻模时 要小。Ｇ与ｚ都减小，总力矩就减小，Ｆ 与Ｆ，也相 应减小 从式（１）可以看出：ｚ 与 越大，则Ｆ 与 第４期 韩彦军等：双液压缸臂式翻模机的设计 ・７１・ （ａ）起始位置 （ｂ）内侧转臂油缸到达死点位置 （ｃ）外侧转臂油缸到达死点位置 图４各位置处的受力图 ４结论 文中对双液压缸臂式翻模机的结构组成、液压系 统、运动过程及运动过程中的受力情况进行了分析， 可得到以下结论：（１）该翻模机具有翻转平稳、工 作效率高、反应速度快、不易破坏轨枕等优点。（２） 液压系统采用双向液压锁、分流集流阀和单向调速阀 ＣＨＥＮ Ｊ，ＪＩＮ Ｘ，ＺＨＡＮＧ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｗｈｏｌｅ Ｈｙ— ｄｒａｕｌｉｃ ＴｕｒｎＯｖｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｓｙｓｔｅｍ『Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ｈｙ． ｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１２，４０（２２）：５２—５４，６７． ［５］夏永胜，童竹杳．液压自动翻转机的设计［Ｊ］．流体传动 与控制，２０１４（３）：３６－３９． ＸＩＡ Ｙ Ｓ．ＴＯＮＧ Ｚ Ｙ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｔｕｒｎｏｖｅｒ Ｍａ． 等液压元件，可提高系统的稳定性和可靠性。（３） 经计算，翻模机在工作过程中内侧转臂油缸承受的最 大载荷为０．９３Ｇ，外侧转臂油缸承受的最大载荷为 １．１５Ｇ，可依据这两个参数进行转臂油缸的选型。 ｃｈｉｎｅ［Ｊ １．Ｆｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１４ （３）：３６－３９． ［６］王野牧 动液压夹紧器及其液压控制系统设计［Ｊ］．机 床与液压，２００５（２）：１１１—１１２． ＷＡＮＧ Ｙ Ｍ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｌａｍｐ ａｎｄ Ｉｔｓ 参考文献： ［１］贾粮棉，韩彦军．高速铁路轨道施工技术与装备［Ｍ］．武 汉：华中科技大学出版社。２０１０． ［２］曹玉宝．工件翻转装置液压传动系统设计［Ｊ］．机床与液 压，２０１１，３９（４）：７３－７７． ＣＡＯ Ｙ Ｂ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ Ｔｕｒｎｏｖｅｒ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ａｕｔｏ— Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ， ２００５（２）：１１１一ｌ１２． ・ ［７］赵丽梅．大型自动翻转机液压系统设计［Ｊ］．液压与气 动，２０１１（２）：７１－７３． ＺＨＡＯ Ｌ Ｍ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｅａｖｙ・ｄｕｔｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｕｒｎｏｖｅｒ Ｍａ— ｃｈｉｎｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ＆Ｐｎｅｕ— ｍａｔｉｃｓ，２０１ １（２）：７１－７３． ｍａｔｉｃ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ［Ｊ］．Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ， ２０１１，３９（４）：７３－７７． ［８］康芳茂，韦芳．全液压货车转向架翻转机的液压系统设 计［Ｊ］．液压与气动，２００１，１（１）：１７—１９． ＫＡＮＧ Ｆ Ｍ，ＷＥＩ Ｆ．Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ［３］赵军，梁新华，韩彦军，等．一种用于轨枕生产的翻转机： ２０１３２０４３４９２６．２［Ｐ］．２０１４－０１－０８． ［４］陈杰，金鑫，张晖，等．全液压翻转机系统设计［Ｊ］．机床 与液压，２０１２，４０（２２）：５２—５４．６７． ａｂｏｕｔ ｔｈｅ Ｔｉｌｔｅｒ ｏｆ Ｂｏｇｉｅ ｏｆ Ｆｒｅｉｇｈｔ Ｃａｒｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｈｙ－ ｄｒａｕｌｉｃｓ＆Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ，２００１，１（１）：１７－１９． （上接第６７页） （２）主轴部件分度支承轴承载荷计算 由图１可知：主轴箱支承在双列圆柱滚子轴承 （２）工作台分度装置 如图３所示：采用了圆弧滚动导轨支承的结构． 工作台与直驱伺服电机直联并支承在圆弧滚动导轨 上，加工时的载荷都是由轴承承担，故轴承的承载能 力是关键。 主轴部件重力０．９５ ｋＮ，主轴切削负荷１．２ ｋＮ： 上，结构紧凑。 ３结论 总载荷２．１５ ｋＮ，远小于轴承的额定动静载荷。 该分度装置的核心理念：直驱、零传动、最高分 度精度，采用直驱分度技术，为提高异形零件、齿 轮、蜗轮、正多边形零件、均布孔等加工精度提供了 ２．４精密分度装置的结构特征 （１）主轴部件分度装置 保障。 如图１所示：采用了中间套（元件５）结构，套 支承在轴承上，套一端与直驱伺服电机直联。另一端 靠短锥与主轴轴箱直联，结构紧凑。 参考文献： ［１］金属切削机床设计编写组．金属切削机床设计［Ｍ］．上 海：上海科学技术出版社．１９８６：１１２—１１４．