分件供送星形撥輪運(yùn)行故障分析及啟示

盧志斌

摘 要：引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新是提高自主創(chuàng)新能力的重要途徑。文章結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)包裝機(jī)械重要的基礎(chǔ)件星形撥輪的運(yùn)行故障進(jìn)行研究，通過求解被供送物體的力學(xué)模型，得到被供送物體傾倒的臨界條件，提出對(duì)應(yīng)的加工裝配質(zhì)量控制方法。該方法在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果，在如何進(jìn)行技術(shù)消化和轉(zhuǎn)換方面提供了一個(gè)實(shí)用的案例。

關(guān)鍵詞：包裝設(shè)備；分件供送；星形撥輪；故障分析；質(zhì)量控制

引言

在引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)、分析、借鑒，進(jìn)行再創(chuàng)新，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，是提高自主創(chuàng)新能力的重要途徑。在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)包裝機(jī)械發(fā)展很快，自主生產(chǎn)的品種不斷增多，產(chǎn)值迅速增長(zhǎng)。各種品牌的機(jī)器不斷問世，價(jià)格比國(guó)外進(jìn)口便宜很多，但是性能與運(yùn)行質(zhì)量還是不盡人意。其主要原因除了材料選用外，缺少加工裝配的質(zhì)量控制是重要因素。

目前國(guó)內(nèi)包裝機(jī)械的設(shè)計(jì)逐漸渡過以測(cè)繪仿制為主的階段，開始進(jìn)入自主研發(fā)階段，但在理論上尚缺少深入的分析研究[1，2]。測(cè)繪仿制只能模仿每一個(gè)零件的形狀，粗略估計(jì)其加工精度，甚至經(jīng)過化驗(yàn)獲得材料的成分。但不能獲得控制零件加工和裝配質(zhì)量的公差與配合信息，無法在成本和性能之間取得最佳的平衡。而這些信息關(guān)系產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力，是不會(huì)通過任何途徑泄露的企業(yè)秘密，只能通過自主的研究來破解。

星形撥輪是包裝機(jī)械重要的基礎(chǔ)件，廣泛用于各種分件包裝場(chǎng)合，如灌裝、密封、貼標(biāo)噴碼、裝盒裝箱等。作者在工作實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，一些使用過一段時(shí)間的包裝機(jī)械，在運(yùn)行中偶發(fā)被供送物體傾倒的故障，甚至造成整條生產(chǎn)線停產(chǎn)。事故多發(fā)生在輸送半徑較大，厚度較薄的星形撥輪上。文章對(duì)這種故障進(jìn)行深入的研究，建立被供送物體傾倒的力學(xué)模型，分析故障產(chǎn)生的原因，得到用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試的定量公式。

1 被供送物體的力學(xué)模型

星形撥輪（下稱撥輪）的典型工作環(huán)境如圖1所示。撥輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，把圓柱形瓶子撥進(jìn)右側(cè)弧形擋板，轉(zhuǎn)過預(yù)定角度后送出。取Y軸與撥輪軸線垂直相交，從撥輪中心指向瓶子重心，建立動(dòng)坐標(biāo)系如圖2所示。Z軸與瓶子軸線重合，方向向上；X軸符合右手定則。

瓶子重量G，重心位于z點(diǎn)，重心到瓶底支承面的距離是hz；瓶子受到支承力Nd，作用于底面中心d處；弧形擋板作用在瓶子c處的正壓力Nc，方向平行XY平面指向瓶子重心；撥輪齒作用在瓶子e處的驅(qū)動(dòng)力Ne，方向與瓶子重心的線速度相同，作用點(diǎn)到瓶子底面的高度為he。瓶子做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，Nd和Nc產(chǎn)生摩擦力Fd和Fc， Nc提供所需的向心力，根據(jù)力學(xué)原理[3]，在X和Z方向上的平衡條件為：

Fc+Fd-Ne=0 （1）

Nd-G=0 （2）

瓶子向后傾倒的臨界狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于d1點(diǎn)，平衡條件為

（3）

其中？籽0是瓶子底面接觸半徑。式（1）、（2）代入式（3），得

Fchz-Fche-Fdhe=0 （4）

式（4）左邊第1項(xiàng)表示促使瓶子向后傾倒的逆時(shí)針力矩，第2、3項(xiàng)表示阻止瓶子向后傾倒的順時(shí)針力矩。式（4）左邊大于零將越過臨界狀態(tài)，進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。同理可研究瓶子向前傾倒的情況（轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于d2點(diǎn)），得到的表達(dá)式與式（4）相同，所不同的是左邊第1項(xiàng)表示阻止瓶子向前傾倒的力矩，第2、3項(xiàng)表示促使瓶子向前傾倒的力矩，左邊小于零進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)。

2 被供送物體失穩(wěn)狀態(tài)的分析

圖3（a）所示為瓶子處于平衡狀態(tài)的情況。當(dāng)瓶子向后傾倒時(shí)（圖3（b）），瓶底中心離開底板，支承力Nd的作用點(diǎn)移動(dòng)至d1點(diǎn)；瓶子重心的高度增加了t，重心到d1的水平距離從原來的？籽0變?yōu)閳D中的j；撥輪施加的驅(qū)動(dòng)力Ne作用點(diǎn)高度移動(dòng)至撥輪齒的上端面。設(shè)撥輪齒的厚度為H，則Ne的作用點(diǎn)上移了H/2。此時(shí)的平衡條件為

Fc（hz+t）-Gj-Ne（he+H/2）=0 （5）

式（1）代入式（5）整理得

Fc（hz+t）-Fc（he+H/2）-Gj-Fd（he+H/2）=0 （6）

開始傾倒時(shí)t很小，與式（4）對(duì)比，式（6）左邊第1項(xiàng)增加很少，而負(fù)號(hào)項(xiàng)的絕對(duì)值變大，并增加了順時(shí)針力偶Gj，瓶子將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)回到圖3（a）的狀態(tài)。這表明瓶子越過式（4）定義的臨界狀態(tài)后進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)，處在不斷顛簸之中，在外界干擾下有可能進(jìn)一步越過圖3（c）所示的傾倒臨界狀態(tài)，發(fā)生傾倒。傾倒臨界狀態(tài)表示為

Fc-Fc（he+H/2）-Fd（he+H/2）=0 （7）

越過傾倒臨界狀態(tài)后，G的作用線移動(dòng)至Nd作用線的左邊，Gj變成逆時(shí)針力矩，加速了瓶子的傾倒。從式（7）解出使瓶子進(jìn)入向后傾倒臨界狀態(tài)的he1。 （8）

其中

A=？滋d g/（？滋cRω2）

其中？滋c和？滋d是擋板和底面與瓶子之間的摩擦因數(shù)。研究式（4）、（6）和（7），he越小，方程左邊的值越大，瓶子越容易向后傾倒。同理可以分析得到he越大，瓶子越容易向前傾倒的結(jié)論。從式（4）解出瓶子失穩(wěn)臨界狀態(tài)的he2。

he2=（9）

he1與he2之差就是供送過程中撥輪齒位置高度允許的最大偏差。同理可得到瓶子向前傾倒臨界狀態(tài)的he3，并發(fā)現(xiàn)he3-he2=he1-he2，即撥輪與瓶子接觸壓力中心位置的最大偏差以he2為中心對(duì)稱分布。

3 撥輪運(yùn)行故障分析與啟示

當(dāng)機(jī)器經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，撥輪的軸承發(fā)生磨損。以滑動(dòng)軸承的情況為例進(jìn)行分析，如圖4所示，受軸承間隙影響，撥輪邊緣可上下移動(dòng)2T。軸承間隙為δ的情況下。

T=2R？啄/B （10）

其中B是軸承寬度，見圖4（a）。T的最大值Tmax等于he1與he2之差，對(duì)于某類確定的機(jī)器，代入相關(guān)的參數(shù)就可以計(jì)算出來。

考慮供送過程的穩(wěn)定性，機(jī)器允許發(fā)生的T值應(yīng)大大小于Tmax，可根據(jù)產(chǎn)品市場(chǎng)目標(biāo)來確定。考慮日后軸承的磨損，根據(jù)所采用的材料、供送受力和機(jī)器的預(yù)期壽命，可以進(jìn)一步確定公差帶寬度和配合性質(zhì)。

從以上分析知，設(shè)計(jì)新機(jī)器時(shí)，撥輪安裝高度he是決定供送穩(wěn)定性的重要因素。目前這個(gè)安裝高度是在現(xiàn)場(chǎng)通過反復(fù)試驗(yàn)確定的，安裝的結(jié)果只保證當(dāng)前不發(fā)生供送故障，并不能保證he處于合理的位置。在設(shè)計(jì)時(shí)可按照式（4）的計(jì)算來控制he的公稱高度，選擇與軸承設(shè)計(jì)同一等級(jí)的公差。

作者采用文章方法和結(jié)論對(duì)故障機(jī)器進(jìn)行維修，取得滿意效果。作者認(rèn)為，在經(jīng)歷從引進(jìn)成品到自主制造的過程中，故障分析是很重要的環(huán)節(jié)。故障的發(fā)生暴露出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的問題，反映出消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)中存在的薄弱環(huán)節(jié)，從而指明了創(chuàng)新研發(fā)的方向。針對(duì)使用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入的研究，充分發(fā)揮理論的指導(dǎo)作用，就能逐步完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，提升自主創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1]戴宏民，戴佩燕，周均.中國(guó)包裝機(jī)械發(fā)展的成就及問題[J].包裝學(xué)報(bào)，2012（1）：61-65.

[2]雷文斌.我國(guó)包裝機(jī)械行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].中國(guó)包裝工業(yè)，2015（8）：98+100.

[3]楊開云，等.理論力學(xué)[M].科學(xué)出版社，2013，13.