1电机2带传动3齿轮传动4主轴5主动胶筒

6塑钢型材7从动胶筒8丝杆传动9蜗杆传动

图1进给机构传动原理图

 

塑料门窗型材包装机的作用是将轧制好的门窗 型材表面包裹一层纸带，以防止型材损伤，进给机 构是该设备的核心部分，其工作原理如图L主动 胶筒安装在蜗轮蜗杆减速机(WP040-1/60-B)的 输出轴上，它与从动胶筒通过丝杠装置夹紧塑料门 窗型材后以21.5r/mi的速度转动，带动塑料门窗 型材向前作进给运动，以实现对型材进行纸带缠绕 包装。在传动链中，蜗轮蜗杆减速机的作用有二个: 一是按照1： 60的减速比减速，二是运动方向的改 变。在工作中，固定于机架上的电机通过三角胶 带将运动传递至齿轮轴Z” Z],再与安装在减速 机输入轴上的為啮合，将4=1291 r/min的运动传入减速机。丝杠转动时，為随减速机一同移动并与齿轮轴W相对滑动。笔者最近了解，某企业塑料门窗型材包装机多次出现主轴断裂现象，给企业造成较大的经济损失。造成门窗型材包装机主轴断裂的因素很多，除了一些使用和维护不当的因素造成的之外，设计方面是否存在欠缺也是一个值得探讨的问题。传统的轴类零件设计方法是将应力、强度等参数都视为确定量并按一定的强度条件进行设计或校核，而实际情况并非如此。 由于受各种因素的影响，这些参数均存在许多不确定的因素。另外，轴的许多失效形式，都是由于损伤累积引起的性能下降而最终导致故障的过程，系统从完好状态到故障状态是由一系列的中介状态相互联系、相互渗透、相互转化的。可见，机械系统中随机性与模糊性是密 切相关同时存在，其主要表现为设计参数取值的随机性和许用应力边界的模糊性。对于前者我们可以釆用统计学的方法即可靠性的方法来处理，对于后者，可以采用模糊集合的隶属函数来表示。集模糊数学和可靠性设计理论于一体的模糊可靠性设计方法正是在这种背景下诞 生的，它弥补了常规设计方法的不足⑴。本文运用模糊可靠性设计理论解析塑料门窗型材包装机主轴失效问题，为其故障预报和検测维修提供理论依据。

 

弯曲应力标准差为：

    

C_a = J 席 +3C； = 7o.1²+3xO.O1² =0.1

Sb =京=0.1 X 69.75=6.98

主轴危险截面扭转应力均值为：

C_T =杞 + 3C； = Jo.F+3x0.01 =0.1

主轴危险截面复合权艶迎劳应力均值为：

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

复合对称循环疲劳应力标准差为：  

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

歹2+*邳)2    V 69.75² +22.94²

 

零件对称循环疲劳强度极限均值为：查得£ = 0.6, " = 0.85,如=1.55

一 £§一

(J-1K = (7 0.6x0.85x280L55=92.13 Mpa

 

对称循环疲劳强度极限标准差为：

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

主轴疲劳强度可靠度计算参数为：

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

将可靠度参数代入式 ⑷ 得可靠度R=0.88762,失效概率F=0.11238。

一般机械零件要求设计的可靠度RA0.99,可见，主轴疲劳强度可靠度严重不足，门窗 型材包装机主轴断裂并非偶然，是由于疲劳强度可靠性不足造成的，分析结果与实际情况完 全一致。

3改进措施

门窗型材包装机主轴的可靠性与许多因素有关，如轴的尺寸参数、材料和制造工艺、载 荷情况等。虽然增大轴危险截面的直径是提高轴可靠度最直接和有效的方法，但门窗型材包 装机主轴尺寸本身就比较大，若再增大，将会使设备的体积和重量更大，造成制造和安装困 难；且轴的直径增加后，相应的轴承、联轴器等都要随之进行更改，那样，对原设计的改动 过大，维修周期长，工作量大，既不方便又不经济。对旧设备由于受工艺、结构、安装等条 件的限制，应以对原设计修改最小取得的效果最大为原则，所以增大轴的直径是不可取的。 鉴于此本文采取从两方面改进的措施，它简单易行，修改量小。

1. 改进轴材料和制造工艺。主轴的的可靠度与材料的强度和制造水平密切相关，材料强 度越高，其可靠度越高，轴的制造精度和工艺水平越高，其可靠度越高也越高。因此，可通 过提高主轴材料强度和制造工艺水平来达到提高轴的可靠度的目的。即将门窗型材包装机主 轴的材料从45钢调质改为40Cr调质，轴的加工工艺从粗车-半精车-磨削改为粗车-半精车- 粗磨-精磨。这样，通过提高材料的疲劳强度极限和表面质量，从而提高轴的可靠度。
2. 改善轴的受力状况。门窗型材包装机主轴与同步电机传动轴不对中是导致轴断裂的一 个不可忽视的因素。由于两轴不同心，运转时会产生了一个摆动的力，又由于同步机轴比门 窗型材包装机主轴直径大，所以这个摆动的力产生的附加弯曲会造成门窗型材包装机主轴发 生疲劳断裂。所以改善轴的受力状况，是提高轴的疲劳可靠度的一个重要途径。通过提高带 式联轴器的安装精度，重新调整电机的位置，保证门窗型材包装机主轴与电机轴的对中，使 轴的附加弯矩减小，可间接提高轴的可靠度。

改进后门窗型材包装机主轴的可靠度计算如下：

零件对称循环疲劳强度极限均值为：

查得J =35()Mpa, " = 0.91"/L58

^— eB — 0.6x0.91x350 _A

(y-iK =— = 120.95 Mpa

k_a 1.58

对称循环疲劳强度极限标准差为：

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

主轴疲劳强度可靠度计算参数为：

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

将可靠度参数代入式(4)得可靠度R=0.99864_o

可见，改进的效果显著，门窗型材包装机主轴疲劳可靠性足够。以改进的轴替代原轴进 行生产，使

用状态一直良好，再未发生主轴段裂现象。

4结论

1. 常规设计，没有体现机械零部件的可靠度指标，由于设计过程中将各种参数按静态 性能处理，未能考虑它们随机性及模糊性，虽然理论上满足强度条件，但难以符合客观实际 情况，往往引起零部因不可靠而失效，可靠性设计将机械零件的质量定量化，这样不仅能将 零件在指定的运行时间内的失效概率限制在预先给定的一个较小的范围内，而且能为零件的 定期批量检修提供必要的依据，给设备故障诊断和维修工作提供保证。
2. 模糊可靠性设计方法充分考虑了载荷、零件尺寸和材料强度性能数据的随机性和模 糊性，将影响齿轮强度的各种参数看成具有某种概率分布的统计量和模糊数，通过概率理论 和模糊数学计算求解齿轮强度的可靠性，克服了常规设计中将设计变量一律视为确定量的缺 陷，它比常规的强度设计更接近客观实际，更科学合理。
3. 通过利用模糊可靠性设计理论对塑料门窗型材包装机主轴强度进行了分析，解答了 主轴失效的原因，并提岀了相应的改进措施，对提高模木机主轴运行的安全性和可靠性具有 现实意义。
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