李偉 徐明

摘 要：片煙開箱是煙草制絲生產(chǎn)的第一道工序，開箱機中的滾珠絲杠用于煙箱的夾緊與松開。在運行過程中，經(jīng)常發(fā)生滾珠絲杠鎖緊螺母的松動，造成滾珠絲杠運行卡滯。經(jīng)過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)鎖緊螺母的止動墊圈發(fā)生了損壞。通過對滾珠絲杠鎖緊裝置的受力分析以及有限元仿真模擬，找到了造成止動墊圈損壞的原因。并采取增加墊片的方式來改善止動墊圈的受力情況，取得了良好的效果，故障率得以大幅度降低。

關鍵詞：滾珠絲杠；故障分析；受力分析；有限元

制絲生產(chǎn)線上，拆開箱機煙箱夾緊滾珠絲杠在夾緊煙箱垂直輸送過程中，經(jīng)常出現(xiàn)滾珠絲杠運行緩慢、卡滯，甚至造成伺服電機過流觸發(fā)自動保護停止輸出，影響生產(chǎn)的正常進行。

跟蹤設備安裝三年以來的運行情況，歷史同類故障頻次呈逐年上升趨勢。

1 故障分析

滾珠絲杠和滾動軸承其裝配精度與裝配質量在很大程度上決定于絲杠副系統(tǒng)的剛性和定位精度以及軸承的旋轉精度和剛度，并直接影響設備的運行精度。滾動軸承采用角接觸型軸承，在使用時必須對其施加合適的預加負荷消除軸承間隙。[1]如果預加負荷過低，主軸的旋轉精度低、剛度差，易發(fā)熱和產(chǎn)生振動、噪聲，甚至無法正常運轉。預加負荷過高，不但剛度增加不了，而且由于軸承的磨損力矩增大。容易發(fā)熱.直接導致軸承的壽命降低。因此選擇合適的預加負荷是十分重要的。

對滾珠絲杠組件進行拆卸檢修，發(fā)現(xiàn)滾珠絲杠鎖緊螺母止動墊圈內(nèi)耳均出現(xiàn)不同程度的損壞現(xiàn)象。止動墊圈內(nèi)耳損壞導致螺母鎖緊失效，無法保證對軸承施加合適的預加負荷。

（1）止動墊圈安裝方法及原理分析。

圓螺母用止動墊圈又稱止退墊圈，俗名王八墊，是一種防止圓螺母松動的墊圈，用于對滾動軸承進行預緊，防止松動。

（2）螺紋開槽分析。

滾動軸承用的圓形螺母止動墊圈在螺紋上開槽是有要求的，首先圓形螺母和圓形螺母止動墊圈，開槽要根據(jù)止動墊圈的尺寸要求來開。如果開深了，圓形止動墊圈與圓形螺母連接就不牢靠，容易造成連接不牢靠易滑落，如果開淺了，圓形止動墊圈易滑出螺紋上的槽。對于圓形止動墊圈和圓形螺母及螺紋上槽的固定后產(chǎn)生的滑落，會造成軸承不能正常平穩(wěn)運行和間隙過大。

（3）滾珠絲杠安裝尺寸分析。

對滾珠絲杠總成拆卸發(fā)現(xiàn)：軸頭螺紋退刀槽過長，底座軸承安裝到位后，螺紋與軸承內(nèi)圈距離L1=3.8mm，而止動墊圈內(nèi)耳高度L2=5mm；故插入螺紋槽內(nèi)長度：△L=L2-L1=1.2mm。

2 受力分析

（1）止動墊圈內(nèi)耳受力計算。

止動墊圈起到防止鎖緊圓螺母松動的作用，以便保持滾珠絲杠有一定的預緊力。止動墊圈內(nèi)耳受到滾珠絲杠轉矩以及軸向力產(chǎn)生的沖擊載荷作用。

滾珠絲杠采用富士電機。額定功率7500瓦，額定轉速3000r/min。因此，電機額定轉矩：

Ta=9550*P/n=9550*7.5/3000N·m=23.9N·m

作用在內(nèi)耳上的力：F1=Ta/r=1591.7N

式中：r：絲杠軸頭半徑，r=15mm；

滾珠絲杠軸向負載：Fa=Ta*2*3.14*n1/l=28517.5N

式中：n1：滾珠絲杠的傳動效率，取0.95；

L：滾珠絲杠導程，l=5mm；

因此，作用在內(nèi)耳上的力：F=F1+μFa=10147N

式中：μ：摩擦系數(shù)，μ=0.3

（2）止動墊圈內(nèi)耳受力云圖。

我們對止動墊圈的三維模型進行有限元分析，使用SolidWorks軟件中的simulation插件進行靜應力分析。止動墊圈材料選擇為不銹鋼，將止動墊圈與滾動軸承的接觸面設為固定表面，外部載荷施F：10147N施加在止動墊圈內(nèi)耳上，得到止動墊圈內(nèi)耳的應力云圖，[2]如下所示：

其中，最大變形量達到了1.383mm，而止動墊圈內(nèi)耳插入溝槽長度僅為1.2mm，已經(jīng)脫開了軸頭螺紋槽，不能保證可靠連接。在升降運動載荷作用下產(chǎn)生變形，造成損壞，導致螺母松動，軸承間隙增大，絲杠副系統(tǒng)剛性和定位精度及軸承的旋轉精度和剛度得不到保障。

3 改進措施

加工制作補償墊片（如圖8），內(nèi)孔直徑Φ=35mm（與軸承內(nèi)圈尺寸相等）；外圓直徑Φ=45mm；厚度D=4mm（D>L1）；將補償墊片安裝于止動墊圈下部，使得止動墊圈止動內(nèi)耳在螺母緊固后能完全插入螺紋槽內(nèi)，滿足止動墊圈安裝使用要求，保證軸承鎖緊可靠。

通過仿真，止動墊圈的最大變形量為0.5469mm。不會造成止動墊圈從螺紋槽內(nèi)脫出。能夠保持圓螺母緊固，保證絲杠的預緊力。

4 結果

本文對開箱機滾珠絲杠的鎖緊裝置進行了受力分析，并通過SolidWorks軟件的有限元分析插件對零件的受力過程進行了仿真，找到了故障經(jīng)常發(fā)生的原因。然后采取有效措施進行改進，經(jīng)過近一年的運行觀察，未發(fā)生拆開箱機止動墊圈損壞而導致的故障停機，設備有效作業(yè)率有了較大的提高，有效的保證了生產(chǎn)的順利進行。

參考文獻：

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006：331.

[2]陳超祥，胡其登.SolidWorks simulation 基礎教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012：16-29.