分件供送星形撥輪運行故障分析及啟示

盧志斌

摘 要：引進消化吸收再創新是提高自主創新能力的重要途徑。文章結合現場經驗對包裝機械重要的基礎件星形撥輪的運行故障進行研究，通過求解被供送物體的力學模型，得到被供送物體傾倒的臨界條件，提出對應的加工裝配質量控制方法。該方法在實際應用中取得良好效果，在如何進行技術消化和轉換方面提供了一個實用的案例。

關鍵詞：包裝設備；分件供送；星形撥輪；故障分析；質量控制

引言

在引進國內外先進技術的基礎上，學習、分析、借鑒，進行再創新，形成具有自主知識產權的新技術，是提高自主創新能力的重要途徑。在市場需求的推動下，國內包裝機械發展很快，自主生產的品種不斷增多，產值迅速增長。各種品牌的機器不斷問世，價格比國外進口便宜很多，但是性能與運行質量還是不盡人意。其主要原因除了材料選用外，缺少加工裝配的質量控制是重要因素。

目前國內包裝機械的設計逐漸渡過以測繪仿制為主的階段，開始進入自主研發階段，但在理論上尚缺少深入的分析研究[1，2]。測繪仿制只能模仿每一個零件的形狀，粗略估計其加工精度，甚至經過化驗獲得材料的成分。但不能獲得控制零件加工和裝配質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。而這些信息關系產品競爭能力，是不會通過任何途徑泄露的企業秘密，只能通過自主的研究來破解。

星形撥輪是包裝機械重要的基礎件，廣泛用于各種分件包裝場合，如灌裝、密封、貼標噴碼、裝盒裝箱等。作者在工作實踐中發現，一些使用過一段時間的包裝機械，在運行中偶發被供送物體傾倒的故障，甚至造成整條生產線停產。事故多發生在輸送半徑較大，厚度較薄的星形撥輪上。文章對這種故障進行深入的研究，建立被供送物體傾倒的力學模型，分析故障產生的原因，得到用于指導設計、安裝和調試的定量公式。

1 被供送物體的力學模型

星形撥輪（下稱撥輪）的典型工作環境如圖1所示。撥輪勻速轉動，把圓柱形瓶子撥進右側弧形擋板，轉過預定角度后送出。取Y軸與撥輪軸線垂直相交，從撥輪中心指向瓶子重心，建立動坐標系如圖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，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處的驅動力Ne，方向與瓶子重心的線速度相同，作用點到瓶子底面的高度為he。瓶子做勻速圓周運動，Nd和Nc產生摩擦力Fd和Fc， Nc提供所需的向心力，根據力學原理[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下，轉動中心位于d1點，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項表示促使瓶子向后傾倒的逆時針力矩，第2、3項表示阻止瓶子向后傾倒的順時針力矩。式（4）左邊大于零將越過臨界狀態，進入失穩狀態。同理可研究瓶子向前傾倒的情況（轉動中心位于d2點），得到的表達式與式（4）相同，所不同的是左邊第1項表示阻止瓶子向前傾倒的力矩，第2、3項表示促使瓶子向前傾倒的力矩，左邊小于零進入失穩狀態。

2 被供送物體失穩狀態的分析

圖3（a）所示為瓶子處于平衡狀態的情況。當瓶子向后傾倒時（圖3（b）），瓶底中心離開底板，支承力Nd的作用點移動至d1點；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變為圖中的j；撥輪施加的驅動力Ne作用點高度移動至撥輪齒的上端面。設撥輪齒的厚度為H，則Ne的作用點上移了H/2。此時的平衡條件為

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t很小，與式（4）對比，式（6）左邊第1項增加很少，而負號項的絕對值變大，并增加了順時針力偶Gj，瓶子將順時針轉動回到圖3（a）的狀態。這表明瓶子越過式（4）定義的臨界狀態后進入失穩狀態，處在不斷顛簸之中，在外界干擾下有可能進一步越過圖3（c）所示的傾倒臨界狀態，發生傾倒。傾倒臨界狀態表示為

Fc-Fc（he+H/2）-Fd（he+H/2）=0 （7）

越過傾倒臨界狀態后，G的作用線移動至Nd作用線的左邊，Gj變成逆時針力矩，加速了瓶子的傾倒。從式（7）解出使瓶子進入向后傾倒臨界狀態的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。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論。從式（4）解出瓶子失穩臨界狀態的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的he3，并發現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為中心對稱分布。

3 撥輪運行故障分析與啟示

當機器經過較長時間運行后，撥輪的軸承發生磨損。以滑動軸承的情況為例進行分析，如圖4所示，受軸承間隙影響，撥輪邊緣可上下移動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，對于某類確定的機器，代入相關的參數就可以計算出來。

考慮供送過程的穩定性，機器允許發生的T值應大大小于Tmax，可根據產品市場目標來確定。考慮日后軸承的磨損，根據所采用的材料、供送受力和機器的預期壽命，可以進一步確定公差帶寬度和配合性質。

從以上分析知，設計新機器時，撥輪安裝高度he是決定供送穩定性的重要因素。目前這個安裝高度是在現場通過反復試驗確定的，安裝的結果只保證當前不發生供送故障，并不能保證he處于合理的位置。在設計時可按照式（4）的計算來控制he的公稱高度，選擇與軸承設計同一等級的公差。

作者采用文章方法和結論對故障機器進行維修，取得滿意效果。作者認為，在經歷從引進成品到自主制造的過程中，故障分析是很重要的環節。故障的發生暴露出產品設計中存在的問題，反映出消化吸收國外先進技術中存在的薄弱環節，從而指明了創新研發的方向。針對使用中出現的問題進行深入的研究，充分發揮理論的指導作用，就能逐步完善產品的設計，提升自主創新能力。

參考文獻

[1]戴宏民，戴佩燕，周均.中國包裝機械發展的成就及問題[J].包裝學報，2012（1）：61-65.

[2]雷文斌.我國包裝機械行業發展現狀研究[J].中國包裝工業，2015（8）：98+100.

[3]楊開云，等.理論力學[M].科學出版社，2013，13.