一種鏈傳動設備聚四氟乙烯導軌軟帶的研究及應用

陳 光 杜剛華 申 晨 馬曉宇 殷 森

一種鏈傳動設備聚四氟乙烯導軌軟帶的研究及應用

陳 光 杜剛華 申 晨 馬曉宇 殷 森

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046012）

針對一種鏈傳動設備在工作過程中發生的爬行現象，分析了導軌的結構形式及發生問題的原因。為消除或降低該爬行問題，參考有關文獻資料，通過試驗驗證了聚四氟乙烯導軌軟帶在一定程度上可以解決或降低裝填過程中的爬行。為今后的鏈傳動設備聚四氟乙烯導軌軟帶應用提供了試驗數據的依據。

鏈傳動設備；聚四氟乙烯；導軌

1 引言

該鏈傳動設備由電機帶動齒輪，通過鏈條傳動帶動待裝工件的滑塊在導軌內運動，當電機低速勻速轉動，待裝工件也低速運動時，時常會出現忽快忽慢，明顯的速度不均勻現象，一般稱之為爬行。爬行嚴重影響了待裝工件的定位精度，裝填時間等參數，同時會加速導軌的磨損甚至使鏈傳動設備不能正常工作。尤其是執行自動裝填操作過程中，當爬行嚴重時，可能導致電機損壞，或導致待裝工件發生共振損壞待裝工件內部電子原器件。

簡要分析鏈傳動設備的結構特點及爬行現象，通過查閱相關文獻資料，分析研究機床上使用聚四氟乙烯導軌軟帶，從而提出并開展了鏈傳動設備導軌黏貼聚四氟乙烯導軌軟帶裝填試驗，期望通過試驗驗證的方法消除或降低鏈傳動設備的爬行。

2 鏈傳動設備爬行分析

2.1 鏈傳動設備結構分析

圖1 鏈傳動設備傳動機構

通過分析裝填機構及裝填過程，可以明確兩點：首先，該裝填機構為典型的鏈條傳動形式；其次，待裝工件與裝填機構之間的運動形式是滑動摩擦。因此，影響鏈傳動設備裝填過程穩定性的主要零部件一是鏈條與相關驅動機構，另外是導軌與滑塊。

2.2 鏈傳動設備爬行分析

多臺鏈傳動設備產品裝填檢驗驗收時，待裝工件在運動時均出現行進不平穩、時走時停的現象。為分析鏈傳動設備的爬行，選取一臺鏈傳動設備測試震動頻率，設定驅動速度為0.5m/min、2m/min，在該速度下出現的爬行頻率均為2.7Hz。相關文獻資料表明，類似鏈條傳動的滑動摩擦運動形式的機械結構，當驅動力為低速勻速運動，且負載運動速度較低時，時常會出現停頓、快慢的爬行現象。因此，爬行是采用此種結構形式與運動方式的機械設備的普遍現象。

v0—驅動速度 F—動摩擦力 c—傳動系統阻尼系數 k—傳動系統剛度 m—質量

為方便分析此鏈條傳動設備的爬行機理，結合相關文獻資料，可將其結構形式簡化并建立一個簡單的物理模型[1]，該鏈條傳動設備采用電動機、減速器作動力源，動力輸出至鏈輪，并以大跨距鏈條為傳動媒介，借助傳動機構帶動負載沿導軌做低速勻速直線運動。簡化后的系統可看成一套彈簧阻尼系統，即驅動系統低速勻速（速度為0）運動，通過傳動機構（剛度為，阻尼為），驅動系統內的負載（質量為）沿著導軌運動，如圖2所示。

此模型的運動方程如下所示，為負載在時間的位移：

值可采用試驗測得的爬行頻率計算獲得，其計算式如下所示：

應用上述物理模型及公式分析，可以得出：系統阻尼系數越大越不容易出現爬行現象。系統阻尼主要包含結構等效阻尼和摩擦等效阻尼，一般而言結構自身的等效阻尼很小，因此系統阻尼系數主要由摩擦特性等效阻尼系數決定[2]；系統剛度越大越不容易出現爬行現象；動摩擦因數越小越不容易出現爬行現象；單獨改變驅動速度對負載運行規律作用不大。

根據上述結論，結合設備結構分析，由于設備整體設計思路及結構已無法進行較大變動，系統阻尼系數、剛度都很難優化，唯一可行的途徑為降低系統動摩擦因數。因此，需減小系統摩擦系數和摩擦力，通過了解該設備生產過程，發現其導軌在加工中存在較大質量問題，而這些問題將直接影響系統的動摩擦因數。

據不完全統計，現在銀行業貸款余額中，民營企業貸款占25%，而民營經濟在國民經濟中的份額超過60%。民營企業從銀行得到的貸款和它在經濟中的比重還不相匹配、不相適應。從長遠來看，銀行業對民營企業的貸款支持，應該契合民營經濟在國民經濟中的相應比重。

2.3 鏈傳動設備導軌分析

鏈傳動設備導軌加工精度、表面質量在很大程度上影響系統摩擦系數，可將鏈傳動設備導軌作為消除或降低鏈傳動設備爬行的研究對象。事實上，目前在導軌加工中確實存在無法解決的質量問題，主要為導軌的直線度、平面度受結構及加工設備所限難以滿足設計尺寸及形位公差要求。

鏈傳動設備導軌分為主軌和副導軌，其結構形式見圖3，其中主軌長6900mm，左右副導軌長3900mm，設計圖紙要求導軌材質為38CrMoAl，導軌需調質處理HBS280～320，導軌面氮化處理，表面硬度≥HV850，滲氮厚度≥0.5mm，平面度0.04mm，平行度0.15mm。受氮化處理設備體積所限，導軌長度不得超過1200mm，因此按工藝要求將主軌分為7段，左右副導軌分為4段。

圖3 主軌與副導軌

首先，各段導軌按工藝流程粗加工，然后調質熱處理，之后是精加工，最后為表面滲氮處理。導軌在表面滲氮前，各尺寸及行為公差均能滿足圖紙尺寸要求，但表面滲氮熱處理后，導軌發生變形，各尺寸及行為公差無法滿足圖紙尺寸要求。由于表面滲氮熱處理后的導軌硬度極高且脆性增大，無法有效地冷校形，且由于導軌滲氮熱處理后為最終狀態，如果熱校形，將會降低導軌硬度，破壞滲氮層，因此也無法熱校形。雖然工藝人員通過各種機加參數優化、反變形控制、滲氮參數優化、滲氮工裝裝卡等一系列措施來降低或控制導軌的滲氮變形，但是由于滲氮過程為典型的熱處理過程，熱變形是一種復雜的變形過程，影響因素眾多，難以精確控制熱變形。

導軌的變形是多種多樣的，導軌本身為不對稱結構，滲氮后的導軌呈現出多種變形趨勢，在長、寬、高方向上均不同程度出現翹曲和扭轉變形，其整體變形是一種三維立體的復雜變形，尤以長度方向的翹曲最為嚴重，整個導軌往往呈現弓形。因此，主軌或副導軌由各段拼接后，滑塊在軌道上運動則會出現爬坡和下坡交替運動的現象，同時由于軌道的不平整，摩擦系數及摩擦力也存在交替變化，這也解釋了鏈傳動設備的爬行現象。

分析導軌的滲氮要求，是因為滑塊在導軌面持續、交替做滑動摩擦，滑塊材料為30CrMnSi，硬度較高，為避免導軌表面出現劃傷，提高使用壽命，必須采用滲氮的工藝方式來提高導軌表面的耐磨性。通過對機床行業的研究分析，機床導軌的使用環境、運動規律與研究的鏈傳動設備導軌有極大的相似處，目前機床導軌已普遍采用聚四氟乙烯導軌軟帶來提高導軌的表面耐磨性、減小摩擦系數，在解決機床爬行上已發揮了重要作用。受此啟示，若該鏈傳動設備導軌可用聚四氟乙烯導軌軟帶代替導軌滲氮，那么既可以解決導軌耐磨性又可以降低滑動摩擦系數，且導軌基體不需進行滲氮熱處理，更不會產生熱變形，可徹底解決導軌嚴重變形的問題。

3 聚四氟乙烯導軌軟帶的特性及應用

3.1 聚四氟乙烯導軌軟帶的特性

聚四氟乙烯（PTFE）是一種具有極強化學穩定性的有機物，通常在高溫環境下也不與與濃酸、濃堿或強氧化劑起反應。與各類無機潤滑油、合成潤滑油相容性好，熱穩定性極佳，間歇工作溫度高達250℃。在動態載荷下，連續工作溫度在120～125℃（無潤滑條件），或150～160℃（有潤滑條件），其摩擦系數（=0.04）極小，同時耐磨性很高，延伸率及韌性好，具有轉移性，當摩擦面形成轉移膜后，其摩擦系數則會極大降低。因此，聚四氟乙烯可稱為理想的無油潤滑材料。此外，聚四氟乙烯還具有突出的耐水、耐堿水、耐油、耐高低溫交變及耐紫外線等多種綜合物化性能。

3.2 聚四氟乙烯導軌軟帶在機床導軌中的應用

由于聚四氟乙烯導軌軟帶是一種具有高強耐磨性、極低摩擦系數的工程塑料，其特性非常符合機床導軌的要求，因此在機床導軌上普遍使用了聚四氟乙烯導軌軟帶，當然除了可應用在機床導軌上，還可以修復易磨損件，比如軸瓦、滑塊等，最重要的應用是修復機床的導軌。聚四氟乙烯材料本身與各類金屬之間的摩擦系數極低（與常用金屬材料系數0.07～0.14），機床導軌使用聚四氟乙烯導軌軟帶后，滑行順暢，減小振動和噪音，從而可以避免機床低速運行時產生爬行。一般情況下，短時間內無油或缺油，不會導致導軌劃傷，同時可以降低滑塊和軌道摩擦表面的耗損，降低軌道的加工難度與成本，提高機床使用壽命。

黏貼了聚四氟乙烯導軌軟帶的機床導軌同黏貼了其它塑料的或是單純鑄鐵的機床導軌相比，擁有較大優勢。但是聚四氟乙烯是一種典型的難粘接材料，若聚四氟乙烯導軌軟帶表面不活化處理，直接與機床導軌粘結很難牢固地粘結在一起。因此，采用聚四氟導軌軟帶必須注意選取經過表面活化的一面作為黏貼面，且需要采用專用的黏結膠，同時應嚴格遵循黏結工藝。

4 鏈傳動設備導軌黏貼聚四氟乙烯導軌軟帶試驗

4.1 導軌黏貼聚四氟乙烯導軌軟帶

聚四氟乙烯導軌軟帶的常用厚度為0.3～0.5 mm，按照導軌長度、寬度裁剪成形黏貼在加工完成的導軌表面。本次試驗采用厚度為0.3mm聚四氟乙烯導軌軟帶分段黏貼在主軌、左右副導軌上，同時配套使用TY導軌軟帶專用膠（分為A、B組份，使用時需按1:1比例配比），具體工藝步驟如下。

4.1.1 制備聚四氟乙烯導軌軟帶

將0.3mm厚的導軌軟帶按主軌及左右副導軌的實際拼接尺寸裁剪成形，并均布地沖制若干鉚釘孔（每段軟帶上的沖制3個鉚釘孔，同時在導軌上制有螺釘孔所對應的軟帶處也需沖孔，以便于后續排除空氣），將其四角打圓，待用。

4.1.2 清洗

清理主軌及左右副導軌上的潤滑脂，用綢布蘸取丙酮擦拭軌道表面。注意擦拭的方向性，確保沿一個方向，避免二次污染，直到潔白無垢為止。在導軌接縫及其緊固螺釘處，輔助使用蘸有丙酮的棉簽擦拭并用丙酮多次清洗導軌面，直至無殘留潤滑脂或其它多余物。同理，對于聚四氟乙烯導軌軟帶的清洗，也應用丙酮多次清洗脫脂，注意清洗面為導軌軟帶較為粗糙的褐色面，清洗之后的表面要保持清潔。

4.1.3 配膠

TY導軌軟帶黏貼專用膠分為A組與B組份，配膠時按需準備3根攪拌棒和3個量杯。將導軌膠A組與B組份分別倒入2個量杯，按重量比例1:1稱重。用2根攪拌棒分別將A與B組份均勻攪拌，二者勿使用同一攪拌棒，之后用攪拌均勻地將A與B組份倒入1個新量杯，用新攪拌棒將其攪拌均勻。配好的導軌膠需在30min內將其均勻涂在兩粘接面上即可，膠層需薄而均勻。

4.1.4 黏貼

在主軌、左右副導軌以及軟帶清洗過的一面用細毛刷均勻涂上配好的導軌膠。第1次涂膠，需放置3～5min，第2次涂膠，需放置10min，以不粘手為適宜，膠層總厚度要求控制為0.04～0.07mm。之后把每段導軌軟帶粘接在主軌和左右副導軌上（拼接位置處圓滑過渡），采用專用的滾壓工裝推壓，將黏結面內的空氣排凈，然后在鉚釘孔內填滿膠液（軟帶上為避開螺釘所開的孔處不填膠）。

4.1.5 固化及修整

加壓固化使用配重工裝壓緊導軌軟帶（每段導軌軟帶上的配重為15～20kg），在室溫下固化36h。待固化完成后，使用刀具修整導軌軟帶邊角，去除不規則形狀，形成坡形。

4.2 裝填試驗驗證

待上述工作完成后，將鏈傳動設備各機構安裝就位，在導軌軟帶上均勻涂抹7403高溫齒輪酯，與裝填裝置完成對接，在鏈傳動設備上高低速裝填試驗各3次，觀察裝填過程中待裝工件的運行狀態。試驗結果表明，黏貼聚四氟乙烯導軌軟帶后的鏈傳動設備在試驗過程高速裝填時，待裝工件的爬行現象徹底消除，全行程范圍均處于平穩運動狀態；低速裝填時，小范圍內偶爾出現爬行現象，主要是在導軌的接縫處和特定的個別位置，但相對與未黏貼導軌軟帶時爬行現象得到了極大改善。

5 結束語

通過以上分析和試驗，證明導軌黏貼聚四氟乙烯導軌軟帶后可以有效地消除或降低鏈傳動設備的爬行現象。同時，聚四氟乙烯導軌軟帶的應用能夠避免導軌加工難題，徹底克服導軌滲氮變形帶來的一系列問題，對于提高導軌的合格率，滿足產品使用功能具有不可替代的作用。

1 白國長，任天平. 機床爬行的仿真研究及控制措施[J]. 機床與液壓，2005(4)：32～35

2 于英華，徐平，劉大木. 機床低速爬行研究現狀及分析[J]. 遼寧工程技術大學學報，2004，23(2)：243～246

Research and Application of A Polytetrafluoroethylene Guide Soft Belt for Chain Transmission Equipment

Chen Guang Du Ganghua Shen Chen Ma Xiaoyu Yin Seng

(Shanxi Aerospace Qinghua equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Aiming at the crawling phenomenon of a chain transmission equipment in the working process, the structural form of the guide rail and the cause of the problem are analyzed. In order to eliminate or reduce this crawling problem, relevant literatures were studied. t is verified by tests that the soft tape of PTFE guide rail can solve or reduce the creep in the filling process to a certain extent. Provide the basis of test data for future application of PTFE guide rail soft belt for chain transmission equipment.

chain drive equipment；PTFE；guide rail

陳光（1985），工程師，焊接專業；研究方向：大型設備焊接及裝配。

2020-03-12