GDX2/ZB45包裝機(jī)一號(hào)輪凸輪從動(dòng)輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)

侯惠林++蒲林++田銳++劉瀅　張秦江

摘 要：GDX2/ZB45包裝機(jī)一輪中心凸輪依靠凸輪從動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)曲軸，進(jìn)而推動(dòng)護(hù)煙爪執(zhí)行開啟和關(guān)閉動(dòng)作。在使用過程中，凸輪從動(dòng)滾承載力小，受力大，造成從動(dòng)滾故障率非常高，使用壽命非常有限。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)制造了一種新型的非標(biāo)軸承，具有承載大，壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，有效解決了現(xiàn)實(shí)問題。

關(guān)鍵詞：一輪；凸輪從動(dòng)輪；凸輪；曲軸

GDX2/ZB45包裝機(jī)原一輪的模盒為三面封閉結(jié)構(gòu)，為了防止煙支在隨一輪旋轉(zhuǎn)過程中被甩出，在一輪模盒的第四面設(shè)計(jì)了一個(gè)可以開閉的護(hù)煙爪。當(dāng)煙組在推入推出一輪的過程時(shí)，護(hù)煙爪開啟，防止煙支在推入推出過程中被刮破；當(dāng)煙組隨一輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，護(hù)煙爪閉合，護(hù)住側(cè)面的煙支防止被甩出。一輪護(hù)煙爪的準(zhǔn)確開閉是保證一輪煙支質(zhì)量的關(guān)鍵因素，一旦護(hù)煙爪的開閉時(shí)間或者動(dòng)作幅度出現(xiàn)異常，就會(huì)導(dǎo)致煙支劃破、觸頭和缺支問題，進(jìn)而造成質(zhì)量投訴。而一輪護(hù)煙爪的開閉動(dòng)作由一輪中心凸輪和凸輪從動(dòng)輪進(jìn)行控制。在整個(gè)動(dòng)力傳遞過程中，凸輪從動(dòng)輪是最薄弱環(huán)節(jié)，一旦凸輪從動(dòng)輪出現(xiàn)磨損、滾珠掉落等問題，就會(huì)導(dǎo)致一輪擺臂的工作異常，給質(zhì)量造成巨大風(fēng)險(xiǎn)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

當(dāng)一輪中心凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)凸輪從動(dòng)輪做一定角度的擺動(dòng)。凸輪從動(dòng)輪安裝在曲軸的末端，因此，凸輪從動(dòng)輪擺動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)曲軸繞其旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。擺臂采用抱緊聯(lián)接安裝在曲軸的中部，曲軸擺動(dòng)時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)擺臂跟著做擺動(dòng)。護(hù)煙爪安裝在擺臂的末端，這樣擺臂的擺動(dòng)就最終形成了護(hù)煙爪的開閉動(dòng)作。

原一輪的凸輪為組合結(jié)構(gòu)，分為上下部分，上下兩部分剛好成180度相反布置。在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，上凸輪和下凸輪剛好做相反的運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)左右兩側(cè)的擺臂執(zhí)行相反的動(dòng)作。當(dāng)右側(cè)擺臂開啟時(shí)，左側(cè)擺臂剛好閉合，反之則亦然。

一輪的凸輪為外凸輪結(jié)構(gòu)，在凸輪的推程中，把凸輪從動(dòng)輪向外推動(dòng)，當(dāng)凸輪從動(dòng)輪向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，擺臂和護(hù)煙爪執(zhí)行護(hù)住煙支的閉合動(dòng)作。一輪在左右兩個(gè)擺臂之間設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)位彈簧。彈簧的一端安裝在左側(cè)擺臂上，另一端安裝在右側(cè)擺臂上，在凸輪的回程中，依靠彈簧的拉力，擺臂從閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換成開啟，而凸輪從動(dòng)輪緊貼在凸輪的外輪廓上，隨著凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，回到起點(diǎn)位置。

2 存在的問題

一輪凸輪從動(dòng)輪采用的是624軸承，其外形尺寸為4mm×13mm×5mm。一輪的凸輪曲線設(shè)計(jì)采用的是非沖擊曲線，凸輪的推程和回程曲線非常的陡峭，沖擊十分大。而且由于一輪的擺臂采用彈簧進(jìn)行復(fù)位，在一輪打開和關(guān)閉的過程中，凸輪從動(dòng)輪都要克服彈簧巨大的阻力，在一輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，彈簧在往復(fù)伸縮過程中會(huì)引入巨大的沖擊，造成凸輪從動(dòng)輪的運(yùn)轉(zhuǎn)工況比較惡劣。某廠共有包裝機(jī)17臺(tái)，其凸輪從動(dòng)輪的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果如下：

表1

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，該廠凸輪從動(dòng)輪平均每月故障11次，差不多每臺(tái)機(jī)每?jī)蓚€(gè)月?lián)Q一次從動(dòng)輪。由此可見，凸輪從動(dòng)輪易損壞，故障率高。

凸輪從動(dòng)輪故障頻率高，維修復(fù)雜，給維修人員帶來(lái)了繁重的維修壓力，同時(shí)也存在著巨大的質(zhì)量隱患，稍有不慎就可能造成質(zhì)量投訴。

3 問題分析

3.1 彈簧拉力計(jì)算

一輪依靠?jī)蓴[臂之間的彈簧進(jìn)行復(fù)位。其采用的彈簧為普通拉簧，材質(zhì)為彈簧鋼SUP。彈簧的初始長(zhǎng)度為38mm，拉伸到最長(zhǎng)時(shí)彈簧的長(zhǎng)度為52mm。即彈簧在工作過程中的變形量S為：

S=52-38=14mm

根據(jù)拉伸彈簧彈力與伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系，則有：

F=■

其中：

G為彈簧的彈性模量；d為彈簧的鋼絲直徑；n為彈簧的工作圈數(shù)；D為彈簧的中徑。

其中，彈簧鋼的彈性模量取8000kg/mm^2，鋼絲的直徑為1.2mm，工作圈數(shù)為20圈，彈簧的中徑為7mm，也即各參數(shù)的取值情況為：

G=8000d=1.2n=20D=7

把上式代入，計(jì)算得到彈簧的最大受力F的值為：

F=41.5N

3.2 凸輪從動(dòng)輪的壽命分析

通過對(duì)一輪凸輪、曲軸和擺臂組成的力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。可以看出，曲軸和擺臂圍繞共同的轉(zhuǎn)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)，凸輪對(duì)曲軸的作用力F1和彈簧對(duì)擺臂的拉力互為作用力與反作用力。假設(shè)，凸輪對(duì)曲軸上從動(dòng)輪的作用力為F1，彈簧對(duì)擺臂的拉力為F2，在擺臂閉合的過程中，曲軸需要克服彈簧拉力對(duì)曲軸和擺臂組成的結(jié)合體做功，從而推動(dòng)曲軸和擺臂加速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閉合。為了簡(jiǎn)化模型，這里取最小值，則有：

Fr1×L1=F×L2

其中，L1=25，L2=36mm，因此可以計(jì)算得出：

Fr1=59.8N

由于，彈簧為撓性原件，其在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中對(duì)凸輪從動(dòng)輪的沖擊較大，凸輪從動(dòng)輪受到的沖擊力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際計(jì)算值。在沖擊作用下，實(shí)際受力為計(jì)算值的3～5倍。因此，可以計(jì)算得到凸輪從動(dòng)輪的實(shí)際值為：

Fr=3×Fr1=179.3N

凸輪從動(dòng)輪在運(yùn)動(dòng)過程中，只受凸輪對(duì)其的徑向作用力，其軸向作用力可以忽略不計(jì)。因此根據(jù)軸承的壽命公式可以得到：

其中，P為當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷，其計(jì)算公式為：

P=XFr+YFa

式中，F(xiàn)r為徑向負(fù)荷，F(xiàn)a為周向負(fù)荷，X和Y分別為徑向系數(shù)和軸向系數(shù)。由于凸輪從動(dòng)輪只承受徑向負(fù)荷，且查表可得X=1，因此把上式簡(jiǎn)化為：

P=Fr

C為額定動(dòng)載荷，對(duì)一個(gè)特定的軸承來(lái)說(shuō)，其為定值，一輪選用的624軸承的額定動(dòng)載荷為1150。n為轉(zhuǎn)速，根據(jù)一輪的實(shí)際情況，n=1000。為載荷系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況其取值為2。為溫度系數(shù)，在溫度不超過120度的情況下，取值為1。由此可以計(jì)算得到：

Lh=1303小時(shí)

所調(diào)查工廠每天工作16小時(shí)，因此凸輪從動(dòng)輪的壽命約為2.7個(gè)月，實(shí)際使用壽命為2個(gè)月，因此可以看出，凸輪從動(dòng)輪的實(shí)際工況比預(yù)期的更加惡劣。

由軸承的壽命計(jì)算公式可以看出，在相同的條件下，Lh僅受額定動(dòng)載荷C和壽命系數(shù)ξ兩個(gè)參數(shù)的影響，其余的影響因子皆為定值。而額定動(dòng)載荷C和壽命系數(shù)ξ兩個(gè)參數(shù)僅受軸承型號(hào)的影響，因此要提高軸承的使用壽命，只能更換其他更大的承載力更高的軸承或者在不改變尺寸的條件下提升額定動(dòng)載荷C和壽命系數(shù)ξ。受一輪箱體空間所限，在狹小的空間內(nèi)無(wú)法使用更大的軸承，因此更換其他更大的軸承的思路不可行。所以只能嘗試在不改變軸承尺寸的情況下，提升額定動(dòng)載荷C和壽命系數(shù)ξ。

4 改進(jìn)方案

通過對(duì)比滾針軸承和滾子軸承得到，在相同的條件下，滾針軸承的承載能力和壽命系數(shù)要比滾子軸承提升1.5～3倍，而且凸輪從動(dòng)輪不承受軸向載荷，為把原來(lái)的滾子軸承改為滾針軸承提供了可能。在改進(jìn)過程中，對(duì)原軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三大改進(jìn)，從而轉(zhuǎn)換為非標(biāo)滾針軸承：

（1）改進(jìn)軸承外圈尺寸

在改進(jìn)過程中，為了保持整個(gè)軸承的外觀尺寸不變，新軸承的外圈尺寸依然保持為13mm，而內(nèi)圈尺寸則改為9mm，這樣外圈厚度為2mm，保證承載能力，防止在沖擊作用下裂開損壞。

（2）把滾子更換為滾針

取消原滾子結(jié)構(gòu)，全部更換為滾針，滾針的直徑為標(biāo)準(zhǔn)值2mm，所有滾針與外圈的厚度尺寸一致，滾針軸向方向不設(shè)置任何擋圈，以節(jié)省空間放置更多的滾針，提升承載能力。

（3）取消軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)

把軸承內(nèi)圈結(jié)構(gòu)取消，把新軸承設(shè)置為無(wú)內(nèi)圈結(jié)構(gòu)，直接利用軸承旋轉(zhuǎn)軸擋住所有的滾針。無(wú)內(nèi)圈結(jié)構(gòu)可以大大節(jié)省空間，改進(jìn)后軸承旋轉(zhuǎn)軸的直徑由原來(lái)的4mm增加到5mm，軸承的支撐強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升。

（4）改進(jìn)曲軸尺寸

把曲軸的安裝軸承的銷釘孔直徑由4mm增加到5mm，同時(shí)把曲軸端部形狀改為圓形，端部的直徑為8mm，剛好可以擋住所有的滾針，起到軸向擋板的作用，防止?jié)L針在運(yùn)動(dòng)過程中滑出。

5 應(yīng)用效果

方案實(shí)施后，新一輪凸輪從動(dòng)輪的使用壽命得到了大幅度提升，目前新一輪已經(jīng)在各大煙廠進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，技術(shù)人員對(duì)凸輪從動(dòng)輪的使用情況進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤，以下是凸輪從動(dòng)輪的故障率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：

由故障率統(tǒng)計(jì)可以看出，新一輪在各煙廠的運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定，在不同地方使用的三個(gè)一輪最高已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行了8個(gè)月之久，沒有發(fā)生過凸輪從動(dòng)輪的故障。在拆機(jī)檢查過程中，發(fā)現(xiàn)一輪從動(dòng)輪狀態(tài)良好，無(wú)須更換。

由此可見改進(jìn)之后，凸輪從動(dòng)輪的使用壽命得到了大幅的提升，保養(yǎng)時(shí)間間隔也有較大的延長(zhǎng)，改進(jìn)效果十分明顯。

GDX2/ZB45包裝機(jī)一輪凸輪從動(dòng)輪的成功改進(jìn)，成功降低了煙支的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和一輪的保養(yǎng)頻次，同時(shí)也對(duì)降低車間的備件消耗有著十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]楊潔，張曉東.滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算方法的分析與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2004（5）：27-29.

[2]韓曉娟.不同條件下滾動(dòng)軸承壽命的分析計(jì)算方法[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（9）：31-32.

[3]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：ISBN978-7-111-29225-8.