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1電機2帶傳動3齒輪傳動4主軸5主動膠筒

6塑鋼型材7從動膠筒8絲桿傳動9蝸桿傳動

圖1進給機構(gòu)傳動原理圖

 

塑料門窗型材包裝機的作用是將軋制好的門窗 型材表面包裹一層紙帶，以防止型材損傷，進給機 構(gòu)是該設(shè)備的核心部分，其工作原理如圖L主動 膠筒安裝在蝸輪蝸桿減速機(WP040-1/60-B)的 輸出軸上，它與從動膠筒通過絲杠裝置夾緊塑料門 窗型材后以21.5r/mi的速度轉(zhuǎn)動，帶動塑料門窗 型材向前作進給運動，以實現(xiàn)對型材進行紙帶纏繞 包裝。在傳動鏈中，蝸輪蝸桿減速機的作用有二個: 一是按照1： 60的減速比減速，二是運動方向的改 變。在工作中，固定于機架上的電機通過三角膠 帶將運動傳遞至齒輪軸Z” Z],再與安裝在減速 機輸入軸上的為嚙合，將4=1291 r/min的運動傳入減速機。絲杠轉(zhuǎn)動時，為隨減速機一同移動并與齒輪軸W相對滑動。筆者最近了解，某企業(yè)塑料門窗型材包裝機多次出現(xiàn)主軸斷裂現(xiàn)象，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟損失。造成門窗型材包裝機主軸斷裂的因素很多，除了一些使用和維護不當?shù)囊蛩卦斐傻闹?，設(shè)計方面是否存在欠缺也是一個值得探討的問題。傳統(tǒng)的軸類零件設(shè)計方法是將應(yīng)力、強度等參數(shù)都視為確定量并按一定的強度條件進行設(shè)計或校核，而實際情況并非如此。 由于受各種因素的影響，這些參數(shù)均存在許多不確定的因素。另外，軸的許多失效形式，都是由于損傷累積引起的性能下降而最終導致故障的過程，系統(tǒng)從完好狀態(tài)到故障狀態(tài)是由一系列的中介狀態(tài)相互聯(lián)系、相互滲透、相互轉(zhuǎn)化的。可見，機械系統(tǒng)中隨機性與模糊性是密 切相關(guān)同時存在，其主要表現(xiàn)為設(shè)計參數(shù)取值的隨機性和許用應(yīng)力邊界的模糊性。對于前者我們可以釆用統(tǒng)計學的方法即可靠性的方法來處理，對于后者，可以采用模糊集合的隸屬函數(shù)來表示。集模糊數(shù)學和可靠性設(shè)計理論于一體的模糊可靠性設(shè)計方法正是在這種背景下誕 生的，它彌補了常規(guī)設(shè)計方法的不足⑴。本文運用模糊可靠性設(shè)計理論解析塑料門窗型材包裝機主軸失效問題，為其故障預(yù)報和検測維修提供理論依據(jù)。

 

彎曲應(yīng)力標準差為：

    

C_a = J 席 +3C； = 7o.1²+3xO.O1² =0.1

Sb =京=0.1 X 69.75=6.98

主軸危險截面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力均值為：

C_T =杞 + 3C； = Jo.F+3x0.01 =0.1

主軸危險截面復(fù)合權(quán)艶迎勞應(yīng)力均值為：

M = J&2 +4(膈尸=J69.752 +4x(0.6x22.94)2 =74.98Mpa

復(fù)合對稱循環(huán)疲勞應(yīng)力標準差為：  

   _ 忖2$* +4。諾專~ _ ,69.752 乂6.98? +4(0.6x22.94)2 X2.3?

歹2+*邳)2    V 69.75² +22.94²

 

零件對稱循環(huán)疲勞強度極限均值為：查得£ = 0.6, " = 0.85,如=1.55

一 £§一

(J-1K = (7 0.6x0.85x280L55=92.13 Mpa

 

對稱循環(huán)疲勞強度極限標準差為：

查得Ce=C§= 0.045, C_ka = C_ai = 0.05

 

 

C_{a >k} =+ CM = V0.045² +0.045² +0.05² =0.05² =0.114

S” =Cc ct-iat =92.13x0.114 = 10.05

^a~lK ^a-\K

主軸疲勞強度可靠度計算參數(shù)為：

a_x = (Xtk - 92.13

*(J_x =0■一ik -<7c = 92.13-74.89 = 17.24

S_x = Js 二 +明=710.05² +10.88² = 14.81

將可靠度參數(shù)代入式 ⑷ 得可靠度R=0.88762,失效概率F=0.11238。

一般機械零件要求設(shè)計的可靠度RA0.99,可見，主軸疲勞強度可靠度嚴重不足，門窗 型材包裝機主軸斷裂并非偶然，是由于疲勞強度可靠性不足造成的，分析結(jié)果與實際情況完 全一致。

3改進措施

門窗型材包裝機主軸的可靠性與許多因素有關(guān)，如軸的尺寸參數(shù)、材料和制造工藝、載 荷情況等。雖然增大軸危險截面的直徑是提高軸可靠度最直接和有效的方法，但門窗型材包 裝機主軸尺寸本身就比較大，若再增大，將會使設(shè)備的體積和重量更大，造成制造和安裝困 難；且軸的直徑增加后，相應(yīng)的軸承、聯(lián)軸器等都要隨之進行更改，那樣，對原設(shè)計的改動 過大，維修周期長，工作量大，既不方便又不經(jīng)濟。對舊設(shè)備由于受工藝、結(jié)構(gòu)、安裝等條 件的限制，應(yīng)以對原設(shè)計修改最小取得的效果最大為原則，所以增大軸的直徑是不可取的。 鑒于此本文采取從兩方面改進的措施，它簡單易行，修改量小。

1. 改進軸材料和制造工藝。主軸的的可靠度與材料的強度和制造水平密切相關(guān)，材料強 度越高，其可靠度越高，軸的制造精度和工藝水平越高，其可靠度越高也越高。因此，可通 過提高主軸材料強度和制造工藝水平來達到提高軸的可靠度的目的。即將門窗型材包裝機主 軸的材料從45鋼調(diào)質(zhì)改為40Cr調(diào)質(zhì)，軸的加工工藝從粗車-半精車-磨削改為粗車-半精車- 粗磨-精磨。這樣，通過提高材料的疲勞強度極限和表面質(zhì)量，從而提高軸的可靠度。
2. 改善軸的受力狀況。門窗型材包裝機主軸與同步電機傳動軸不對中是導致軸斷裂的一 個不可忽視的因素。由于兩軸不同心，運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生了一個擺動的力，又由于同步機軸比門 窗型材包裝機主軸直徑大，所以這個擺動的力產(chǎn)生的附加彎曲會造成門窗型材包裝機主軸發(fā) 生疲勞斷裂。所以改善軸的受力狀況，是提高軸的疲勞可靠度的一個重要途徑。通過提高帶 式聯(lián)軸器的安裝精度，重新調(diào)整電機的位置，保證門窗型材包裝機主軸與電機軸的對中，使 軸的附加彎矩減小，可間接提高軸的可靠度。

改進后門窗型材包裝機主軸的可靠度計算如下：

零件對稱循環(huán)疲勞強度極限均值為：

查得J =35()Mpa, " = 0.91"/L58

^— eB — 0.6x0.91x350 _A

(y-iK =— = 120.95 Mpa

k_a 1.58

對稱循環(huán)疲勞強度極限標準差為：

查得C_e=C_p= 0.04, C_ka = C心=0.045

C 心K = Jc； + C： + C；。+ C 二 =7o.O4² +0.04² +0.045² =0.045² =0.091

S" = Cjk b-以=120.95x0.091 = 11.01

主軸疲勞強度可靠度計算參數(shù)為：

a_x -(T-ik = 120.95

、a_x = - &c = 120 95-74.98 = 45.97

S_x = Js** +S； = 711.01² +10.88² =15.48

將可靠度參數(shù)代入式(4)得可靠度R=0.99864_o

可見，改進的效果顯著，門窗型材包裝機主軸疲勞可靠性足夠。以改進的軸替代原軸進 行生產(chǎn)，使

用狀態(tài)一直良好，再未發(fā)生主軸段裂現(xiàn)象。

4結(jié)論

1. 常規(guī)設(shè)計，沒有體現(xiàn)機械零部件的可靠度指標，由于設(shè)計過程中將各種參數(shù)按靜態(tài) 性能處理，未能考慮它們隨機性及模糊性，雖然理論上滿足強度條件，但難以符合客觀實際 情況，往往引起零部因不可靠而失效，可靠性設(shè)計將機械零件的質(zhì)量定量化，這樣不僅能將 零件在指定的運行時間內(nèi)的失效概率限制在預(yù)先給定的一個較小的范圍內(nèi)，而且能為零件的 定期批量檢修提供必要的依據(jù)，給設(shè)備故障診斷和維修工作提供保證。
2. 模糊可靠性設(shè)計方法充分考慮了載荷、零件尺寸和材料強度性能數(shù)據(jù)的隨機性和模 糊性，將影響齒輪強度的各種參數(shù)看成具有某種概率分布的統(tǒng)計量和模糊數(shù)，通過概率理論 和模糊數(shù)學計算求解齒輪強度的可靠性，克服了常規(guī)設(shè)計中將設(shè)計變量一律視為確定量的缺 陷，它比常規(guī)的強度設(shè)計更接近客觀實際，更科學合理。
3. 通過利用模糊可靠性設(shè)計理論對塑料門窗型材包裝機主軸強度進行了分析，解答了 主軸失效的原因，并提岀了相應(yīng)的改進措施，對提高模木機主軸運行的安全性和可靠性具有 現(xiàn)實意義。
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