可調(diào)式機械凸輪控制器斷軸故障分析及改進

王 駿

(1．江蘇省無錫振華機器廠，江蘇 無錫 214073)

(2．無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無錫 214121)

可調(diào)式機械凸輪控制器具有安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊和調(diào)節(jié)方便的特點，被廣泛使用在機械壓力機上，是機床控制系統(tǒng)的核心功能部件。其凸輪轉(zhuǎn)軸一旦發(fā)生斷軸故障將嚴重威脅到操作人員及設(shè)備安全。針對某型八工位可調(diào)式機械凸輪控制器在工作過程中常發(fā)的斷軸故障，通過分析其工作原理和轉(zhuǎn)軸的受力狀況，從機械結(jié)構(gòu)工藝、加工工藝和主動保護幾方面提出改進和預(yù)防措施。

1 工作原理及受力分析

1.1 工作原理

機械壓力機工作過程中，曲軸旋轉(zhuǎn)一周即完成一個壓制工作周期，具有循環(huán)往復(fù)的特性。為了完成工作循環(huán)內(nèi)的既定動作，要求機床主機和輔機的各運動機構(gòu)具有嚴格的邏輯關(guān)系。通常根據(jù)曲柄旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的各動作的先后順序及持續(xù)時間來設(shè)計工作循環(huán)圖，由凸輪控制器對曲軸旋轉(zhuǎn)角度進行分配，通過行程開關(guān)釋放電信號來自動控制各運動機構(gòu)準確、協(xié)調(diào)、有序動作，完成壓制工作［1］。凸輪驅(qū)動微動開關(guān)實現(xiàn)電路切斷與接通，其工作原理如圖1所示。

1.2 轉(zhuǎn)軸受力分析

圖1 凸輪轉(zhuǎn)軸機械原理圖

凸輪控制器被安裝在機床床身上，通過鏈輪機構(gòu)與機床曲軸聯(lián)接并保持同步旋轉(zhuǎn)，凸輪控制器的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過分析可知，轉(zhuǎn)軸在正常勻速旋轉(zhuǎn)時，受到鏈輪對C點的張力F以及由鏈輪兩側(cè)力差形成的力偶矩TL;通過滾輪垂直作用在轉(zhuǎn)軸軸線的各個微動開關(guān)的彈簧力Fn，形成彎矩Tn;由滾輪與凸輪相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦力Fm和摩擦力矩Tf;轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)過程中，在凸輪輪廓突變處由瞬間加速度產(chǎn)生的沖擊載荷Fc及其形成的沖擊力偶矩Tc。經(jīng)實測，該加速度在轉(zhuǎn)軸60r/min左右時，最大值可達60g［2］。由圖1可知，該沖擊載荷產(chǎn)生于滾輪與凸輪升程起點接觸的瞬間。

圖2 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)與受力分析圖

經(jīng)比較分析，以上各力中，由于滾輪與凸輪是滾動摩擦，摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩Tf和彎矩數(shù)值很小，可以忽略不計;由瞬間加速度引起的沖擊載荷對轉(zhuǎn)軸的破壞性影響最大。在勻速運動的狀況下，鏈輪提供的輸入力偶矩取決于凸輪轉(zhuǎn)軸阻力的大小，因此校核轉(zhuǎn)軸的強度的重點是分析沖擊載荷的影響。

a．沖擊載荷的計算。

沖擊載荷在凸輪升程起點輪廓突變時產(chǎn)生，計算該值時，假設(shè)該型凸輪控制器8組開關(guān)均同時接觸凸輪凸起輪緣，此時可獲得極值。如圖3所示，取45號鋼的密度ρ=7 850kg/m3，則：

圖3 剪力圖和彎矩圖

b．計算兩支點反作用力。

如圖3(a)所示：得FAY=260N。

c．繪制剪力圖、彎矩圖和扭矩圖。

繪制剪力圖和彎矩圖，如圖3(b)、(c)所示。

計算扭矩：已知沖擊載荷作用力方向與切線方向夾角為22°，凸輪半徑為29mm，得：

圖4 扭矩圖

d．強度校核。

由彎矩圖和圖4所示的扭矩圖，可得到2個危險截面。如圖3(a)所示，Ⅰ截面為扭矩最大，且橫截面尺寸突變處，Ⅱ截面為彎矩最大處。根據(jù)第三強度理論校核兩處危險截面［3］。

凸輪控制器轉(zhuǎn)軸在沖擊載荷和振動的環(huán)境下工作，查手冊可知其許用應(yīng)力［σ］=80MPa，僅從靜力學(xué)角度分析，2個危險截面的最大應(yīng)力均在許用范圍內(nèi)。

2 斷軸故障分析

根據(jù)以上轉(zhuǎn)軸的受力分析及強度校核，在正常工作的情況下，其強度均在許用范圍之內(nèi)，但由于以下幾個方面的原因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸在工作中出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。

2.1 轉(zhuǎn)軸的機械制造缺陷

從轉(zhuǎn)軸斷裂截面統(tǒng)計情況來看，斷裂截面多發(fā)于輪廓突變處，如軸擋的溝槽。材料內(nèi)部缺陷加上工作過程中持續(xù)受到?jīng)_擊載荷的影響，溝槽處易形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷軸;另據(jù)轉(zhuǎn)軸的加工工藝文件可知，軸的制造過程中缺少應(yīng)有的熱處理工藝，致使材料最優(yōu)的力學(xué)性能未能發(fā)揮出來。

2.2 裝配同軸度誤差造成阻力增加

凸輪控制器的轉(zhuǎn)軸通過支承軸承固定在箱體上，如圖5所示。箱體由鈑金件焊接而成，兩側(cè)的軸承支架在裝配過程中不可避免會產(chǎn)生同軸度誤差δ，其值過大會導(dǎo)致軸承對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)力，沿軸向和徑向分解為Fx，F(xiàn)r，造成轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時阻力陡增、部件發(fā)熱。轉(zhuǎn)軸部件均是機械剛性聯(lián)接，受熱膨脹后的張力和變形無法卸荷或補償，加劇了斷軸故障發(fā)生頻率。

圖5 裝配同軸度誤差的影響

2.3 突發(fā)性故障致轉(zhuǎn)軸卡死

壓力機工作時，往往伴隨著較強的振動，容易出現(xiàn)相關(guān)部件錯位、脫落等情況，如微動開關(guān)跑偏，從而阻止轉(zhuǎn)軸的正常旋轉(zhuǎn)。突發(fā)的轉(zhuǎn)軸停轉(zhuǎn)故障瞬間提升了鏈輪的輸入扭矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸受力激增而出現(xiàn)斷軸。

3 改進措施

3.1 轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及加工工藝改進

a．針對溝槽輪廓突變處形成的應(yīng)力集中現(xiàn)象，設(shè)計轉(zhuǎn)軸時，在軸擋槽底加一條R0．5的圓弧過渡，在軸段直徑固定的情況下，倒圓過渡可以有效地減緩應(yīng)力集中，提高軸的壽命［4］。

b．45號鋼應(yīng)進行調(diào)質(zhì)處理，必要時可以進行表面強化處理，以提高抗疲勞強度。在調(diào)質(zhì)淬火時，要求工件整個截面淬透，使工件得到以細針狀淬火馬氏體為主的顯微組織，再通過高溫回火，得到以均勻回火索氏體為主的顯微組織，其各項力學(xué)性能相對于未經(jīng)熱處理的材料得到很大提高，見表1。

表1 45號鋼(φ 20mm～φ 40mm)熱處理前后力學(xué)性能比較

3.2 減少轉(zhuǎn)軸安裝的同軸度誤差

轉(zhuǎn)軸通常通過滾動軸承安裝于軸承支架上，當兩側(cè)的軸承支架存在同軸度誤差時，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時阻力增加，發(fā)熱變形嚴重。為減少同軸度誤差，除了提高加工制造精度外，可以外球面滾動軸承代替普通的滾動軸承，如圖6所示。外球面滾動軸承可以承受以徑向負荷為主的徑向與軸向聯(lián)合負荷，用于安裝定位不夠精確，軸與軸承座孔的軸線對中性差，或是軸長而撓度大等的場合。它與帶有弧度的軸承支架配合，具有自調(diào)節(jié)、卸荷功能，較好地消除了同軸度誤差帶來的阻力增加、發(fā)熱變形等問題。

圖6 外球面軸承安裝示意圖

3.3 主動保護

根據(jù)GB27607-2011機械壓力機安全技術(shù)要求，凸輪控制器應(yīng)具備斷軸保護功能［5］，當發(fā)生斷軸故障時，控制器應(yīng)向機床控制系統(tǒng)發(fā)出信號，機床控制系統(tǒng)驅(qū)動制動器緊急制動，保護操作人員及設(shè)備安全。如圖7所示，主動保護裝置，也稱為運動監(jiān)測裝置，由電感式傳感器、碼盤組成運動監(jiān)測機構(gòu)，一旦發(fā)生斷軸故障，使凸輪控制器轉(zhuǎn)軸與曲軸轉(zhuǎn)動不同步或碼盤停止旋轉(zhuǎn)，傳感器將異常電信號發(fā)送給機床控制系統(tǒng)，機床控制系統(tǒng)通過切斷氣源驅(qū)使制動器實現(xiàn)緊急制動。

圖7 主動保護裝置

4 結(jié)束語

通過對可調(diào)式機械凸輪控制器轉(zhuǎn)軸的受力分析、強度校核，分析轉(zhuǎn)軸故障產(chǎn)生的原因，轉(zhuǎn)軸經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、加工工藝改進及支承軸承改型后，基本沒有出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。主動保護裝置可以確保故障發(fā)生后，機床實現(xiàn)緊急制動，消除了操作人員及設(shè)備的安全隱患。

［1］ 楊祥根，韋勇．電子凸輪控制器在機械壓力機上的應(yīng)用［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008(6)：52-56．

［2］ 姚登杰，李厚倫，姚魏志．壓力機用可調(diào)式凸輪控制器轉(zhuǎn)軸受力分析［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012(1)：84-86．

［3］ 吳建生．工程力學(xué)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2008：108-119．

［4］ 亓秀梅，高創(chuàng)寬．軸類零件應(yīng)力集中系數(shù)的理論研究［J］．工程設(shè)計學(xué)報，2002(1)：1-5．

［5］ 馬立強，賀慶，李紅，等．GB27607-2011機械壓力機安全技術(shù)要求［M］．北京：中國標準出版社，2011：2-16．