印刷机械凸轮机构失效分析

那东琦

（哈尔滨三环印刷包装机械有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150078）

1 凸轮受力分析

1.1 凸轮在正常运转的过程中，在每一个循环周期中都会和相邻的部件产生摩擦，这种荷载作用在凸轮上，对凸轮产生了很大的影响。期间作用在凸轮上的荷载力来自于不同的方向，其大小和作用点都是在不断的变化的。

1.2 根据分析对象的特点，对于凸轮机构所承受的载荷可看成是变的静载荷。如果载荷方向与从动件升程方向相反，则在加速段，此载荷与惯性力同向；而在减速段，此载荷则与惯性力反向。根据Hertz创立的金属弹性接触理论，在印刷机械中凸轮和滚子的接触属于典型的赫兹接触，即凸轮与滚子在接触区域发生局部弹性变形，载荷作用在公法线上，变形区域为一长方形表面，其最大接触应力发生在接触区域的中线上嗍。为简化分析，计算时凸轮机构所承受的载荷采用一个循环周期内最大的瞬时载荷，认为危险部位失效时凸轮副失效。

2 有限元分析

2.1 以某型印刷机械中的凸轮摩擦副为研究对象，已知滚子从动件的升程为85mm，凸轮基圆半径为80mm，滚子半径为25mm。根据分析对象的特点，实际凸轮滚子摩擦副的有限元模型如图l所示。

图1 凸轮副有限元计算模型

2.2 凸轮副材料的选配影响其摩擦学特性，应选择具有良好的抗点蚀、抗擦伤性和固态互溶性低的材料配对。本文所分析的某凸轮副材料性能如表l所示。其中凸轮材料为Cu—Cr-Mo耐磨铸铁。

表1 凸轮副材料性能

2.3 在MSC.MARC软件中，选用四面体单元对凸轮副几何模型划分网格，在凸轮与滚子的接触部分划分的单元比较密集，其它部分较为稀疏。对凸轮施加约束限制其在空间的全部自由度，对滚子施加约束限制其除接触法线方向外的全部自由度。并将二者设置为弹性可变形体，施加接触约束。在滚子上施加载荷后提交任务，计算凸轮机构的受力情况。结果如图2所示。

图2 VonMise$应力分布云图

3 失效分析及磨损机理

3.1 在实际的工作当中，凸轮以及从动件一般情况下是处于边界润滑状态，无法形成流动状态的润滑油膜，所形成的油膜厚度还不及凸轮摩擦表面的粗糙度，那么这种状态下，机器在运转的时候就相当于在半干摩擦的状态下工作。在机器运转中，造成金属表面磨损一个重要的因素就是在膜弹流润滑下，在金属的表面会有凸起的峰点，他们的接触直接造成机器的磨损。根据相关的理论依据，在机器运行期间，在摩擦副界面之间，润滑油膜可以建立一个动压的承载压力，所产生的动压值可以将赫兹接触状况下的接触应力挤压表面分开。在机器运转的条件下，由于自身的旋转，润滑介质会产生流体润滑油膜的承载力，这样的话就可以在旋转体和滑动面之间制造一点空隙，使之隔开。在运行，如果油膜的厚度不够，不能够将两个接触面之间的粗糙峰有效的隔离的话，那么摩擦副将会进入到混合摩擦的状态下，也就是说在膜润滑和微凸体接触的时候，在他们之间同时存在部分膜润滑和边界润滑的状态。在机器的运转速度很高的状态下，就会产生一定的摩擦热，导致润滑油膜破断，摩擦的系数将会更大，严重的情况下可能会发生局部位置的烧结。通常情况下，机械的磨损事故都是在这种状态下发生的，在凸轮和滚子的接触表面上，是凸轮摩擦副产生最大法向应力的位置，在据表层一定深度的材料内部则会产生最大的剪切力，在这两种力道的作用下，在机械的亚表层就极容易发生塑性的变形和形成裂纹的源头。微裂纹扩展与连接就形成磨屑。根据凸轮轮廓与滚子的受力状况和摩擦副的磨损特征，可以看出其失效方式与齿轮传动类似，属于疲劳磨损和粘着磨损失效。凸轮和其从动机构滚子是以滑动摩擦为主的点接触或线接触摩擦副。在摩擦过程中，摩擦界面的接触首先是占总表面百分之几的微凸体的接触，当载荷作用时真实接触点上的应力超过其屈服极限，将会发生塑变流动；接触点受到反复的揉擦压力，导致表层分子结构歪变，在范德华力和静电引力等的相互作用下，产生强烈的粘附作用，使界面发生“冷焊”，出现金属“转移”现象，物质将从摩擦副的一方转移到摩擦副的另一方。为减轻摩擦、磨损和防止机械损伤，可以在润滑油中加入少量润滑油极压抗磨剂，以形成具有油性(低温、轻载荷)或极压性(高温、重载荷)的润滑油。这种添加剂在摩擦过程中能牢固吸附在金属表面上，使界面接触点的凸部填平，减少滑动阻力和防止擦伤，并利用摩擦化学反应，产生化学吸附膜和半流体的润滑膜，承受摩擦载荷，极压化学反应膜对抑制边界摩擦磨损起重要作用。

结语

通过以上的叙述，对凸轮机构在印刷的过程中可能产生失效的原因进行了分析，在分析的过程中，对各个因素都进行了深入的剖析，为以后在印刷中出现故障做出了参考，可以对故障做出事先预防，出现故障可以及时的进行诊断和解决，使机器可以得到及时的维修，尽量的减少损失。在印刷行业中，如果机器出现了故障，将会为生产带来很大的损失，所以说要对这些进行全面的分析，综合各方面因素进行考量，使印刷机械能够更好的为印刷业服务。

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