H1000包装机组卷盘架驱动机构改进

吴潇　蔡冠辉　张国智　温华国

摘 要

H1000超高速包装机组的卷盘架驱动齿形带轮与电机主轴的连接方式为平键连接，针对目前GDH1000超高速包装机组的卷盘架驱动齿形带轮与电机主轴的连接处经常出现莫顺比较严重地影响了设备效率，本文提出了采用锥形胀套连接替代原有的键槽连接，较好地解决了电机主轴与同步带轮磨损较快的问题，大大减轻了时间成本和维修成本，提高了设备的有效作用率，降本增效的效果显著。

关键词

H1000包装机组;卷盘架组件;平键连接;胀套连接

中图分类号： TB486                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.057

1 前言

1.1 背景

G.D H1000超高速包装机组是由意大利G.D公司生产的目前世界上生产速度最快的包装机组之一，机组的生产速度最快可以达到1000包/分钟[4]。其中卷盘架组件是实现卷筒包装材料的松卷和输送，同样也是又独立电机驱动，松卷的速度由电机转速控制，电机转速根据设备的生产速度变化，以实现材料的供给。卷盘架的驱动动力传递路线是永磁同步电机的动力带动齿形带轮，通过齿形带将动力传动到滚筒支架轴上的带轮，带轮带动滚筒支架轴，在经过减速机带动滚筒支架，支架带动滚筒材料转动实现材料的松卷输送。

1.2 故障现象

在机组开机或停机时，内衬纸卷盘架组件上的驱动机构会产生急加速或者急减速的动作。另外当内衬纸自动装载及放卷装置自动更换内衬纸卷的过程中，机器也会适当减速以顺利接驳内衬纸，然后再重新加速至生产速度，这些都会对主轴及与其连接的齿形带轮产生一定的冲击[1]。在设备实际生产过程中设备正常生产约半年左右，卷盘架组件的电机主轴及同步带轮的连接位置上会发生严重的磨损，磨损会增加传动间隙，导致材料供给故障。

2 卷盘架组件驱动机构的故障形式

2.1 永磁同步电机主轴与同步带轮的失效形式

首先，對正常生产半年后的卷盘架组件拆卸后进行检查，通过对比可以发现拆卸下来的永磁同步电机主轴的键槽处几乎磨损殆尽，磨损量远远超过1%的轴径。观察同步带轮的结构，可以发现同步带轮上有一对称布置的突耳部分，在此设计中，凸耳部分实际上代替了平键的功能。可以看到同步带的凸耳部分磨损同样非常严重，磨损程度同样超出了键宽的1%。

分析永磁同步电机主轴及同步带轮的结构，可以知道，永磁同步电机主轴与同步带轮现有的连接形式为对称布置的平键连接。

3 故障分析及改进方案

3.1 故障分析

我们知道，一般平键连接的失效形式主要由两种。一种是静连接状态下，键、轴或轮中较弱的零件工作面被压馈，严重过载时可能会被剪断。另外一种是动连接状态下，键、轴或轮中较弱的零件的工作面的磨损。

首先我们需要确定机组在正常运行时，主轴与同步带轮之间传递转矩T的大小。通过查阅《机械设计手册》，我们知道普通平键连接在校验其连接强度时，是以两个连接件之间所需传递的转矩来进行校验的。因此，我们可以采用键连接的强度校验公式，来倒推主轴与同步带轮之间所能传递的最大转矩T。

由以上分析可知，主轴与同步带轮之间属于静连接。通过查阅相关设计手册（《机械设计手册》），普通平键连接以静连接进行强度校核时，通常只按工作面上的挤压应力进行条件性强度校核。

假设载荷沿键长度和键高均匀分布，双键布置时的连接强度检验公式为：

小组人员对拆卸下来的主轴测量后得出数据如下：主轴直径d为20mm，键的高度h为4mm，键的工作长度l为10mm。已知键所使用的材料为45钢，通过查阅《机械设计手册》并结合卷盘架组件的工作状态可知，永磁同步电机主轴及同步带轮间的键连接的许用挤压应力值不能超过120MPa。将所测数据代入公式二中，稍加变形，可以得到主轴与同步带轮所需传递的转矩T：

可以证实的是此连接在使用过程中已出现明显磨损，由此可见，主轴与同步带轮之间所需传递的转矩至少超过了36000N.mm。

3.2 提出改进方案

由上述分析可知，1#永磁同步电机主轴及同步带轮磨损的主要原因是由于它们之间的连接强度不足。针对“1#永磁同步电机主轴与同步带轮连接强度不足”这一现象，研究人员提出以下两种种对策方案，并对所提出的对策方案进行了对比评价及可行性分析。

方案一：改变主轴及同步带轮的结构，将主轴与同步带轮的连接形式改为过盈配合连接。

方案二：改变主轴及同步带轮的结构，将主轴与同步带轮的连接形式改为锥形胀套连接。

小组人员为保证设计安全可靠，重新设计的连接方式所能传递的最大转矩Tq需在原连接形式所能传递的转矩T的基础上乘以一个安全系数q。考虑到上述计算过程中材料的力学性能、实验值和计算值与实际值的差别，本文中的计算模式存在估算等情况，q值应尽可能偏大。在此取q值为10，即：

代入数据后，可以得到T 应为360000N.mm。

经分析，方案一虽能够达到所需求的转矩，但后期维修困难，加工精度要求较高亦不做考虑。最终，决定选择第二个方案，即将主轴与同步带轮的连接方式改为锥形胀套连接。

4 方案实施与效果验证

4.1 实施方案分析

经研究，根据主轴及同步带轮的现有的结构形式，将它们之间的连接方式改为Z3型胀套连接[3]最为简单方便。其原理即是：在高强度螺栓的作用下，同步带轮与锥形胀套开始轴向收缩，由于两者之间的存在一定的锥度，迫使锥形胀套发生径向变形，从而使锥形胀套内环与轴之间、锥形胀套外环与同步带轮之间产生巨大的抱紧力，实现无键连接[5]。

将主轴与同步带轮的连接方式加以改进，改进后的连接方式裝配示意图如图1所示。高强度螺钉的数量为4颗，轴径为20mm，鉴于同步带轮的厚度限制，此胀套连接的有效长度为18.6mm。

但是本文中的有效连接强度L-2与标准胀套连接所要求的并不一致，因此需重新进行计算。

在此，我们以锥形胀套为研究对象，对其进行静力学受力分析[6]。图2所示为锥形胀套的受力分析示意图。FN1为高强度螺栓的拉力作用下，对锥形胀套的正压力;FN2为同步带轮对锥形胀套的反作用力;FN3为永磁同步电机主轴作用在锥形胀套上的正压力。

由锥形胀套的受力简图可知：FN1、FN2、FN3三者相互组成一平衡力系。因此可以得到如下两个平衡力系方程：

其中，α为锥形面的锥度。

可以看出，锥形胀套连接的有效连接面及锥形面的应力是均匀分布的，则锥形胀套与永磁同步电机主轴的有效连接面处所受的应力σz，由压应力计算公式：

式中，A为锥形胀套与永磁同步电机主轴的有效连接面的面积。

A=π*d*有效咬合长度=≈3.14*20*18.6=1168.08mm

在此有效咬合长度下所能传递的最大转矩Te为：

式中f为锥形胀套与同步电机主轴的静摩擦系数。查阅相关机械设计手册可知，材料均为45钢间无润滑剂情况下的静摩擦系数取值通常为0.15。

代入数据后，得到改进后的胀套连接方式在其有效咬合长度下所能传递的最大转矩Te为：

由以上分析可知，改进后的胀套连接方式，其能够传递的最大转矩与螺栓的拉力成正比，与锥形面的正切值成反比。也就是说，螺栓的拉力越大，转矩越大;锥形面的角度越小，转矩越大。因此，锥形胀套的设计关键参数即为螺栓的抗拉强度及锥形面的角度。

4.2 螺栓选用及锥形胀套锥度计算

螺栓的拉力FN1可以根据螺栓的抗拉强度计算公式来确定。式中：n为螺栓的数量，σa为螺栓的抗拉强度，Aa为螺栓的有效截面。

在此，为提高转矩Te的大小，本文选用强度等级为12.9的螺栓。由公式（6），可以得出锥形胀套在不同螺钉数量，不同锥度下的所能够传递的最大转矩Te，如表1所示。

由表1可知，锥形角度越小，所能传递的转矩越大。在锥形胀套的锥形角为5度的情况下，均满足传递转矩的要求。但是锥形角并不是越小越好。研究发现锥形角度过小，会降低锥套本身的强度。另外，锥形胀套的螺栓应为对称布置，以使锥形面上的压力分布更加均匀，螺栓数量越多，压力分布越均匀。在此，本文在安全系数取值为10的情况下，选用6颗M4的，强度等级为12.9的高强度螺栓。锥形胀套的锥形角度选为8度即能够满足机组正常运行所需要传递的转矩，证明此设计安全可靠。

5 结束语

经过改造后H1000包装机组卷盘架驱动机构经过实际生产运行测试近一年时间检查无明显的磨损痕迹。

本文针对G.D H1000卷盘架组件的主要故障进行分析，设计并试改进了内衬纸卷盘架组件的1#电机主轴与同步带轮的连接方式，得出以下结论：

（1）1#电机主轴与同步带轮易发生磨损的主要原因是主轴与同步带轮之间的键连接强度不足与正反转的冲击力。

（2）在不改变1#电机主轴的轴径的情况下，采用锥形胀套连接之后的主轴与同步带轮之间传递的扭矩达到了300N.m，远远超出了主轴所需传递的最大扭矩，满足使用要求。延长了主轴及同步带轮的使用寿命，还增加了一个过载保护。

同时为了使得此次改进措施能在车间得到更好的应用，进一步提高设备有效作用率，笔者还对此次设计资料整理后形成标准化文件，上报车间贮存。将此次改进应用到相似结构的其他卷盘架组件上去，例如内框纸卷盘架组件及小包玻璃纸卷盘架组件。

参考文献

[1]王道臣，王征宇，宋伟，周华.摆动液压缸键连接和胀套连接的对比分析[J].液压与气动，2011（06）：20-22.

[2]何章涛，杜静，何玉林，常慧英，冯博.MW级风力发电机组主轴胀套连接的结构强度分析*[J].机械设计，2011，（5）：69-74.

[3]杨亚，徐小兵，张宇航.绞车滚筒轴胀套联接的强度分析[J].制造业信息化，2015，（02）：65-67.