FOCKE-FXS725小包機主電機輸出軸油封工裝設計與開發 *

李福南，李云杰，倪 駿，戴奇霖

(紅云紅河集團昆明卷煙廠，云南 昆明 650202)

0 引 言

昆明卷煙廠生產三部現有四臺德國HAUNI公司所生產的FOCKE-FXS超高速軟包卷接機組，運行速度為600包/min，是紅云紅河集團昆明卷煙廠云煙(珍品)生產的主力機型[1]。在FXS725小盒包裝機部分主電機，主要將動力通過柔性聯軸器傳遞給驅動軸。經過一段時間的運行后，發現該設備存在主電機輸出軸軸套與法蘭盤的油封配合軸頸處有潤滑油滲出的情況，此為FOCKE-FXS的共性問題。

FOCKE-FXS超高速軟包卷接機組在行業內引進尚屬首次，打造智能化工廠是昆明卷煙廠的目標。圍繞全國煙草工作會議上提出的“創新動力強、全要素生產率高、環境成本低、綜合效益好”的可持續發展戰略，昆明卷煙廠生產三部決定開拓創新，研發一套能快速更換FOCKE-FXS725小包機主電機輸出軸油封的工裝，并解決油封滲油的問題，以此提高效率，為企業的創新發展做出貢獻。

1 現 狀

FOCKE-FXS卷煙包裝機組是昆明廠于2016年引進的新型卷煙包裝設備。該機組主要由725小包機、753小包透明質包裝機、779條包透明質包裝機、798鋁箔紙、印花供給拼接裝置、796單張商標共給裝置、519煙包高空輸送裝置、509小包供給并包裝置組成。該機組運行穩定、產品質量可靠、人及操作界面設計人性化；具有四新技術的大量應用，代表了世界最先進軟盒包裝設備的制造水品，運行速度為600包/min。目前我廠共引進了4臺，經現場調試驗收后均已先后投入生產。

在FXS725小盒包裝機部分主電機，主要將動力通過柔性取軸器傳遞給驅動軸，驅動軸持續轉動，通過軸上的圓柱斜之輪對將動力分兩路，傳遞給主機部分，另一路通過同步帶驅動整個煙包輸出部分。經過一段時間的運行后，發現四臺設備均存在主電機輸出軸軸套與法蘭盤的油封配合軸頸處有潤滑油滲出的情況，此為FOCKE-FXS的共性問題。經初步檢查判斷為油封唇口損壞，導致骨架油封唇無法密封住潤滑油而出現滲油情況。油封座與電機座平齊，無法獨立拆除油封座，法蘭盤裝配于電機座上，因此電機座也無法直接拆下，因而需要拆卸的部件較多，工序較為復雜。此問題在行業內尚屬首例，國內外目前暫無快速有效的解決方案[2]。為了解決該問題，昆明卷煙廠生產三部以此為內容開展專題攻關活動。

針對FOCKE-FXS小包機主電機輸出軸油封滲油的問題，目前的解決方法是先將主電機拆除，并通過放油螺栓把齒輪箱內的潤滑油放干。為此需要先拆除主電機與輸出軸之間的聯軸器，移除主電機(體積重量較大)、拆除輸出部分的中間驅動帶、主機和外觀質量檢測編碼器過輪板。然后再拆除齒輪箱蓋，拆下輸出軸端面螺釘，拆除外側法蘭蓋。拆除外側法蘭蓋后，可抽出輸出軸，如此完成外側法蘭蓋的拆除，最終進行油封唇的更換。由此可知，該方法拆除的零件較多，時間較長。經過統計，該方法需要時間為12 h左右[3]。

綜上所述，采用傳統方法費時費力，需拆除較多配件，同時由于齒輪箱內部配合精度較高，稍有不慎極易損壞配件，故需要重新研發一種新的拆除油封的方法[4]。

2 創新工裝設計

由于法蘭盤位于法蘭蓋里面，整個操作空間較小，不利于設計較為復雜且體積較大的工裝，故為了拆除法蘭盤，結合設備結構特點，昆明卷煙廠生產三部充分發揮創新能力，研制了新型工裝對法蘭盤進行拆卸。

該新型工裝是采用組合螺紋傳動的方法，將法蘭蓋中的法蘭盤取出，如圖1所示的剖面圖。該工裝的核心思想是在法蘭盤上對稱的鉆兩個螺紋沉孔，而非通孔，然后絲桿的下端與法蘭盤上的螺紋沉孔配合，絲桿的上端先與第一個圓螺母配合，然后穿過頂蓋后再與第二個圓螺母配合。當轉動兩個圓螺母時，使得絲桿沿水平方向向外移，這樣便能將法蘭盤拉出，實現快速拆卸法蘭盤的目的。該工裝只用在法蘭盤上打兩個沉孔，無需通孔，故不會破壞了法蘭盤的整體結構，并且絲桿不會對底蓋表面造成損害。創新工裝二維示意圖如圖1所示。

圖1 創新工裝二維示意圖

3 創新工裝制作

設計好創新工裝后，筆者將從零件材質、絲桿尺寸、法蘭盤沉孔尺寸、六角螺母材質和軸套耐磨涂層五個方面制作創新工裝。創新工裝三維示意圖如圖2所示。

圖2 創新工裝三維示意圖

3.1 零件材質選擇

為了制作出硬度高、不易變形、成本低的零件，本文通過市場調研，從45鋼、1Cr18Ni9Ti(不銹鋼)、7050鋁合金中進行選擇。45鋼的硬度為229HBC、密度為7.85 g/cm、屈服強度為355 MPa,成本為8元/kg；1Cr18Ni9Ti的硬度為187HBC、密度為7.93 g/cm、屈服強度為205 MPa,成本為8.9元/kg；7050鋁合金的硬度為135HBC、密度為2.70 g/cm、屈服強度為455 MPa,成本為50元/kg。綜上所述，45鋼成本低、強度高，1Cr18Ni9Ti成本低、強度低，7050鋁合金成本高、強度高，故此文采用45鋼作為零件材質。

3.2 絲桿尺寸確定

為了確定創新工裝的絲桿尺寸，文中采用受力仿真分析的方式進行。在軟件中進行建模，并對模型施加扭矩，觀察模型的應力、應變和位移狀態。由于絲桿直徑太小會導致受力時形變過大，受力狀態不好，故此次受力分析從絲桿直徑φ5開始試驗，并且直徑每次增加1 mm進行計算，直到受力狀態最好為止。

絲桿直徑為φ5、φ6、φ7、φ8時的受力仿真分析圖分別如圖3～6所示。

圖3 絲桿直徑為φ5時的受力仿真情況

經過多輪計算后，可以看出，當絲桿直徑為φ8時，受力狀態較好，無需再增加尺寸，從而節約材料成本，所以，絲桿的直徑最終確定為φ8。

圖4 絲桿直徑為φ6時的受力仿真情況

圖5 絲桿直徑為φ7時的受力仿真情況

圖6 絲桿直徑為φ8時的受力仿真情況

3.3 法蘭盤沉孔尺寸確定

為確定創新工裝的法蘭盤沉孔尺寸，文中采用受力仿真分析的方式進行。在軟件中進行建模，并對模型施加扭矩，觀察模型的應力、應變和位移狀態。由于沉孔直徑太小會導致受力時形變過大，受力狀態不好，故此次受力分析從沉孔直徑φ3開始試驗，且直徑每次增加1 mm進行計算，直到受力狀態最好為止。

沉孔直徑為φ3、φ4、φ5、φ6時的受力仿真分析分別如圖7～10所示。

圖7 沉孔直徑為φ3時的受力仿真情況

圖8 沉孔直徑為φ4時的受力仿真情況

圖9 沉孔直徑為φ5時的受力仿真情況

圖10 沉孔直徑為φ6時的受力仿真情況

經過多輪計算后，可以看出，當沉孔直徑為φ6時，受力狀態較好，無需再增加尺寸，所以，沉孔的直徑最終確定為φ6。

3.4 六角螺母材質選擇

根據機械設計相關規定，要求六角螺母的腐蝕率≤0.5 mm/a、抗拉強度≥300 MPa。為了滿足以上要求，文中通過市場調研，從銅、碳鋼、鋁合金三種材料中選擇六角螺母材質。銅的腐蝕率為0.5 mm/a、抗拉強度為200 MPa；碳鋼的腐蝕率為1 mm/a、抗拉強度為350 MPa；鋁合金的的腐蝕率為0.15 mm/a、抗拉強度為300 MPa。綜上所述，銅腐蝕率達標、抗拉強度不達標，碳鋼腐蝕率不達標、抗拉強度達標，鋁合金腐蝕率達標、抗拉強度達標，故本文采用鋁合金作為六角螺母材質。

3.5 軸套耐磨材料選擇

經查閱資料，可知磨損量公式為：

式中:W為磨損量；K為磨損系數；N為正壓力；v為速度；t為時間；H為材料硬度。由于磨損系數K，正壓力N，速度v和時間t為固定值，故磨損量W就只與材料硬度H有關。

原軸套筒的材料為40鉻鋼，維氏硬度為304-340 HV。只要能找到一種材料，其硬度為40鉻鋼硬度的3倍以上，再將該材料涂覆在原材料40鉻鋼的表面上，可將軸套筒的耐磨性至少提高3倍。

為了提高軸套筒耐磨性，對一些常用的耐磨材料進行了對比分析。高錳鋼涂層硬度為544 HV，為40鉻鋼硬度的1.71倍。碳化鉻涂層硬度為795 HV，為40鉻鋼硬度的2.48倍。碳化鎢涂層硬度為1200 HV，為40鉻鋼硬度的3.75倍。通過對比，最終，本文選擇碳化鎢金屬陶瓷作為軸套筒的耐磨涂層材料。

創新工裝制作完成后，其實物圖和使用過程如圖11所示。

圖11 拆卸工裝示意圖及其使用過程

4 結 語

通過采用研制的創新工裝，整個油封的拆裝時間從12 h縮短到了2 h，效率提高了83%，有效的縮短了輸出軸油封拆卸時間。

油封快速拆卸工裝的研制和軸套筒耐磨材料涂層的加工，有效解決了FOCKE-FXS725主電機輸出軸油封拆卸時間過長的問題，并增強了軸套筒的耐磨性，增加了設備連續作業的時間，有效的提高了修理工的工作效率，在行業內屬于首創，在同類 FOCKE 軟盒包裝設備上具有較好的推廣價值。