基于一体化点焊机转环构件的应用分析

鲍维霜，仲岩，左安邦

天津七所高科技有限公司，天津，300400

0 引言

一体化点焊机常应用在一些机械设备的生产线中，其点焊机主要由转环构件、阻焊变压器、气缸、吊杆、焊臂以及一些配套设备组成，上述结构件均与转环结构相连接，即整台电焊机可围绕中轴转环构件进行转动，其转环是否流畅且灵活会直接影响到设备的使用和工作效率。为此，本文将从几种常见的轴承结构角度入手，分析各种可用在一体化点焊机轴承结构设计的利弊，并基于此提出一种四点接触转盘球轴承结构的优化方法。该方法可解决负游隙与摩擦力间比值关系的问题，找出转环轴承的最佳摩擦力矩，以此优化一体化点焊机转环结构的操作流畅性。

1 常见轴承结构分析

1.1 深沟球轴承组件结构

深沟球轴承是现阶段市面上最常见的滚动轴承，所受载荷力主要包括径向载荷和少量的轴向载荷，该类轴承非常耐用，可适用于各种复杂环境[1]。应用在点焊机转环上的深沟球轴承以单列深沟球轴承为主，该类轴承主要由转环内外环、深沟球轴承以及轴承内外圈压板等结构组成，一体化点焊机使用深沟球轴承的主要优势在于该轴承技术相对成熟，具有成本低、质量可靠和环境抗性强等特性，并且转环内、外环的加工要求相对较低，在有充足润滑的条件下转动较为灵活且在特殊环境下不会对低速转动产生影响[2]。但该轴承制成的转环构件尺寸相对较大，导致对应的转环组件尺寸也需要随之增加，这种大直径转环制成的一体化点焊机不具有人体工学性质，实际操作效果和适用性相对较差[3]。

1.2 无内外圈单钢球滚动体类轴承结构

该类轴承与深沟球轴承的结构设计相似，同样是将点焊机的转环组件作为轴承的外圈和内圈结构，而内部钢球则作为滚动体在转环内转动，以此形成无内外圈结构的单钢球滚动体类轴承[4]。从装有该轴承的一体化点焊机角度来看，该轴承主要由转环外内环和钢球结构组成，该设计方式具有结构简单紧凑和轻量化的特点，虽然可以在一定程度上缩小点焊机转环尺寸，但因转环内外环作为转动轴承的一部分，其尺寸的公差和加工精度会存在差异问题，并且在轴承受损之后无法通过简单的拆卸更换进行维修[5]。

1.3 四点接触薄壁轴承结构

四点接触薄壁轴承属于薄壁定截面轴承的一种，此轴承的径向截面不会随轴承内径的变化而发生变化，因此该类轴承也被称为“等截面轴承”。因该轴承使用四点接触形式设计，因此可承受一体化点焊机转环结构的径向载荷、倾覆力矩以及双向轴向载荷等承载力，符合现阶段机械设备生产线对一体化点焊机转环构件的需求。四点接触薄壁轴承制成的点焊机转环结构包括转环内外环、四点接触薄壁轴承以及轴承内外圈压板。该类轴承与深沟球轴承相比可实现小型化和轻量化的点焊机转环结构设计，并且该轴承等截面的设计特点使得转环外环可以在不同径向尺寸条件下实现轴向尺寸相同的设计[6]。但是该类轴承因轴壁十分轻薄，导致机械化生产难度较大，并且不同批次的加工质量难以保证统一。

2 摩擦力矩模型

基于上述分析，本文将对四点接触薄壁轴承制成一体化点焊机转环结构进行分析，进一步探究其摩擦力矩与负游隙间的关系。该轴承的摩擦来源主要有钢球——滚道滚动摩擦、滑动摩擦组成以及润滑剂的黏性摩擦。从一体化点焊机的实际应用可知，一般操作动作对点焊机四点接触转盘轴承要求的转速很低，因此可不计保持架、钢球与润滑剂等相互摩擦带来的阻力，只对钢球与沟道相互摩擦产生的弹性滞后摩擦、钢球与滚道相互摩擦产生的差动滑动摩擦以及钢球自旋产生的滑动摩擦进行分析。

2.1 弹性滞后引起的摩擦力矩

一体化点焊机转环的四点接触薄壁轴承因材料弹性滞后性质，导致钢球在沟道上运动时产生的摩擦力矩为：

式中，DW表示轴承内钢球的直径；α0表示初始接触角；β表示弹性滞后系数，本文取0.007；dm表示轴承节圆的直径；V表示过渡变量；Z表示轴承内钢球个数；μ表示初始游隙；ai(e)表示接触椭圆长半轴；bi(e)表示接触椭圆短半轴；F表示第一类椭圆的积分；E表示第二类椭圆的积分；∑ρi(e)表示两接触面曲率的和；E'表示综合弹性模量；Eb表示钢球弹性模量；Ei(e)表示套圈弹性模量；v表示泊松比；Qi(e)表示接触载荷。其中下标i表示内滚道，e代表外滚道。

2.2 差动滑动引起的摩擦力矩

式中，fs表示滑动摩擦因数，本文取0.08；fi(e)表示沟曲率系数；U表示过渡变量；dm表示轴承节圆直径；

2.3 自旋滑动引起的摩擦力矩

式中，ai(e)表示轴承工作接触角。

由上述分析可得到整套轴承在转环下的摩擦力矩，即：

3 结果与分析

本文将以HKA020X四点接触球转盘轴承为例进行研究，详细参数如表1所示[7]。该轴承可用于一体化点焊机转环结构设计，是一种兼具轻量化、小型化、高硬度和抗磨损的轴承。若设该轴承在点焊机转环下所承受的径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩均为0，则在式（1）-（13）中可通过改变游隙值的大小获得不同游隙值时的轴承摩擦力矩。

表1 HKA020X四点接触球转盘轴承的详细参数

3.1 理论分析结果

以DN2-25XT一体化点焊机为例验证HKA020X四点接触球转盘轴承在转环结构中的摩擦力矩。由式（13）可得出点焊机负游隙值与启动力矩关系，如图1所示。从图中曲线变化可看出，随着游隙值的不断减少其摩擦力矩处于不断上升状态，并且上升幅度不断增大。造成该现象的主要原因是，随着游隙的减小轴承内钢球与滚道间的接触形变和接触面积会不断增大，进而导致摩擦力也会随之增大，因此该轴承的摩擦力矩会随着游隙变化而增大。

图1 负游隙值与启动摩擦力矩间的关系

3.2 试验验证

通常情况下此轴承的游隙值无法通过仪器或人工的方式直接获得，但可通过测量轴承内、外圈滚道尺寸以及钢球直径的方式计算出负游隙值。为得到更加精准的测量值，测量人员一般会在测量之前对轴承施加一定量的测量载荷，采用SWF小型转盘轴承摩擦力矩测量机（下称SWF）实现对测试轴承摩擦力矩的测量。测量步骤如下：首先需要固定轴承的外圈结构，利用SWF带动HKA020X四点接触球转盘轴承的内圈进行匀速旋转，此时SWF的显示面板上便会显示出轴承转动瞬时力矩值和最大力矩值。将SWF测得的测量值与理论值进行对比，对比数据如图2所示，其中启动力矩的数值为轴承启动力矩的平均值。

图2 理论与试验结果的对比图

由图2数据可知，试验值与理论值的涨幅趋势基本一致，对两者的变化曲线进行观察可发现，实际测量值与理论值之间存在一定的误差，即当测试轴承负游隙值处于-50～-130μm之间时，点焊机转环构件启动力矩的误差基本吻合，当测试轴承负游隙值在-145～-185μm之间时，点焊机转环构件启动力矩的误差稍大，造成该问题的主要原因是，测量轴承启动力矩时存在较多不定因素，例如在实际测量中，能够测量游隙的测量工具只有千分尺，测量沟道椭圆和沟型等误差都会在一定程度上影响力矩，由此会出现同一游隙对应不同启动力矩的情况[8]。

4 结语

结合上述分析可知，现阶段一体化点焊机的常用转环轴承结构为四点接触球转盘轴承，该轴承可以基本满足一体化点焊机在生产线上的应用。从游隙与摩擦力关系分析中可看出四点接触球转盘轴承的负游隙越大，其轴承所产生的摩擦力矩便会越大，同时增幅强度也会随之增强。由试验参数绘制曲线可知，为使一体化点焊机能够达到最佳使用的摩擦力，需要控制负游隙处在-100～-50μm之间，以此才能在每次启动点焊机转环时达到最低磨损。