非织造设备托辊动平衡优化措施研究

周 晶，白秋林，周 礼，李西德

（1.四川化工职业技术学院机械工程学院，四川泸州 646300；2.中海沥青四川有限责任公司，四川泸州 646300）

0 引言

托辊是非织造设备的重要支撑部分，工作时被动旋转，由产品摩擦带动[1]，其主要作用是减少产品的运行阻力，使产品的垂度不超过允许范围，保证产品的平稳运行。随着市场对非织造产品需求的急剧增大，用户对非织造设备的要求越来越高，非织造设备的托辊幅宽和转速都不断提高[2]，对托辊动平衡提出更高要求。只有控制托辊的圆跳动量才能提高其动平衡质量[3]。为此，针对现有非织造设备托辊在高速旋转过程中存在的圆跳动超差现象，通过原因排查，提出相应的优化措施。

1 圆跳动超差原因排查

某公司承揽了一批非织造设备的托辊加工任务，其设计要求如图1 所示，要求加工完成后圆跳动≤0.08 mm、托辊加工后返修率低于8%。

由图1 可知，该产品托辊辊体属于细长管件，长度和直径比例大于20∶1，加工中易变形，直线度和圆跳动均难以保证；辊体薄壁结构局部加工余量小、加工难度大。基于上述加工难点，产品托辊加工后因圆跳动超差导致动不平衡，致使返修率较高。经统计，全年多辊牵伸机辊筒结合件的平均返修率为28%（表1）。

表1 全年多辊牵伸机辊筒结合件返修率

图1 托辊设计

为排查圆跳动超差较高的原因，从“人、机、料、法、环”5 个环节进行了全面分析，其可能涉及的因素如图2 所示。造成托辊返修率高的主要原因有加工人员缺乏培训、技术水平不能满足加工要求、设备精度不满足加工需求、材料不符合标准、配平衡方法不合理、车间照明不符合要求等。

图2 圆跳动超差关联

对加工人员进行考核，成绩都在90 分以上（80 分为合格），均持证上岗且技术水平高、工作时间长、经验丰富；对加工托辊零件的机床设备的维护、检修记录和设备精度进行了调查、检测，机床按规定进行检修、维护，设备精度满足加工需求；对生产部及下料工段进行了解，确定料坯按国家标准购买，质保书、购料凭据齐全，与来料一致，现场检测圆度满足要求；根据建筑照明设计标准GB 50034—2004 的规定，机加工车间的照明亮度推荐强度为500 lx，经检测，加工牵伸机区域的平均照明亮度为548 lx，满足要求。

对配平前后圆跳动进行抽样检测，其检查数据见表2。工件在配平前不合格率为20%（圆跳动合格量≤0.08 mm）；按照焊接工艺配平方法对托辊配平后，圆跳动相对于配平前有9 件样品增大，不合格样品为4 件，不合格率由20%增大到40%。究其原因在于托辊的辊筒是薄壁结构，采用焊接工艺配平时，辊筒被焊接时受到瞬态剧烈的热作用，内部温度分布差别巨大，金属组织变化极不均匀，材料的膨胀和收缩使得内部产生复杂的残余应力。在残余应力的变化和作用下，导致辊筒被焊接处因升温而引起的热变形[4]，形成一个相对于其他位置的质量集中。在匀速旋转时，辊筒体内任一质量集中点都将产生离心力，无数个离心力组成一个惯性力系作用在轴承上，形成托辊对轴承的动压力。如果托辊的质量对转轴对称分布，则动压力为零，即托辊不平衡量为零；否则将产生动压力，即托辊有不平衡量[5]。综上分析可判断，焊接平衡块配平方式是造成托辊圆跳动超差的原因之一。

表2 零件配平前后圆跳动抽查检测记录 mm

托辊辊筒现有加工工艺流程如图3 所示。辊筒经粗车后，现场随机抽取5 件产品进行筒体直线度及不平衡合格量检测，检测结果见表3，直线度不合格率为100%（直线度合格量≤0.20 mm/m），动平衡不合格率为40%（不平衡量合格量≤90 g），其原因是在粗车外圆与精车中心架外圆之间少了一道校直工艺，修正不平衡量，加工中产生的变形和跳动会造成其壁厚不均匀。因此，托辊辊筒现有工艺流程不合理，也是造成圆跳动超差的原因之一。

表3 辊筒经粗车后直线度、不平衡量检测记录

图3 托辊辊筒现有工艺流程

托辊结合件现有工艺流程如图4 所示，结合件采用粗精磨外圆成形后再校动平衡，其圆跳动、直线度检测记录如表4 所示，圆跳动不合格率为40%（圆跳动合格量≤0.08 mm），直线度不合格率为40%（直线度合格量≤0.20 mm/m），究其原因是动平衡校正补焊的平衡块引起辊体变形。因此，托辊结合件现有工艺流程不合理，也是造成托辊圆跳动超差的原因之一。

表4 托辊结合件圆跳动、直线度检测记录

图4 托辊结合件现有工艺流程

2 改进措施

2.1 利用螺钉固定平衡块

将焊接平衡块配平方式调整为螺纹连接平衡块配平方式[6]。在原有设计图的基础上，外幅板增加8 个平衡孔，用于校平衡后配平，结构改进如图5 所示。托辊加工完成后，在长轴动平衡机上测出托辊的不平衡点及不平衡量，找到对应的平衡螺孔，增加相应质量的平衡块，利用螺钉进行固定即可完成配平。结合件加工完成后，增加两块封板遮挡平衡块，防止杂物进入，保证外形美观。

图5 辊轴结构改进

如图6 所示，假设在辊轴任一处有一质心A 导致辊轴动不平衡，做长轴动平衡机检测，测量出质心A 的不平衡力Fa的大小、方向。要使托辊旋转时处于动平衡状态，需一力与Fa平衡。设需要的力为Fb，则平衡力Fb与Fa等值、反向。通过圆心O，以Fb左右两边的平衡块安装孔C、D 为基准，做出辅助线OC、OD，利用力的平行四边形公理，将Fb分解到辅助线OC、OD 上，即可算出平衡孔C、D 处所需要的平衡分力Fb1和Fb2的大小，则平衡孔C、D 处所加配重质量（式中F 为C、D 处计算出的平衡力）。

图6 调平原理

2.2 制定合适的辊筒加工工艺

调整辊筒加工工艺，增加了一道校直工艺和一道车平衡孔工艺，工艺流程如图7 所示。工件校直可以减小加工变形量，保证坯件的质量，提高下一步加工工序的精度；车工件两端平衡孔再次去除工件的不平衡量，进一步来减小工件的不平衡量、跳动。经过粗车调整，筒体不圆度及轴孔同轴度超差引起壁厚不均匀问题得到控制。

图7 调整后的辊筒加工工艺

2.3 调整结合件加工工艺

调整后结合件加工工艺流程如图8 所示，在结合件进行磨削加工时要把粗、精磨分开，粗磨加工后进行校动平衡、配平衡、复平衡工艺，然后再进行精磨加工，减小配平衡后产生的平衡误差。

图8 调整后结合件加工工艺

3 改进成效

将焊接配平方式改为螺纹连接平衡块增重方式、调整加工工艺后，对托辊结合件进行检测，检测结果见表5，返修率从平均28%下降至4%，实现改进目标。

表5 托辊结合件检测记录

4 结束语

针对托辊圆跳动超差现象，从“人、机、料、法、环”5 个环节进行全面分析，寻其质量原因，并以质量原因为切入点，从产品设计和工艺调整两个方面实施改进。生产实践证明，将热加重配平的方式改进为螺纹连接冷加重配平，优化加工工艺流程，能有效提高非织造设备的托辊的动平衡质量，可为类似长轴薄壁管状零部件的动平衡提供参考。