(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東廣州 510430)

隨著吹塑瓶的廣泛應(yīng)用，吹塑機(jī)的生產(chǎn)效率及穩(wěn)定性備受關(guān)注，其中二步法直線式電動(dòng)高速PET吹瓶機(jī)的生產(chǎn)速度和模腔數(shù)量是衡量設(shè)備性能的關(guān)鍵參數(shù)。目前國(guó)外先進(jìn)的二步法吹塑機(jī)生產(chǎn)商有法國(guó)的Sidel公司，加拿大的Husky公司等[1]，其中Sidel公司最新研發(fā)的無縫結(jié)合一體機(jī)Combi34xs,通過改良輸送機(jī)構(gòu),使0.2～0.7 L的小型瓶的生產(chǎn)效率達(dá)到17瓶/s。其工藝流程為：理瓶胚-插瓶胚-預(yù)熱-調(diào)整瓶胚間距-吹塑-冷卻[2]。在預(yù)熱時(shí)，為了節(jié)約設(shè)備空間，需要將瓶胚在緊湊的環(huán)境下傳動(dòng)。但是預(yù)熱完成后，在吹塑前，由于瓶子的大小會(huì)變大，需要在第中間螺距上開始變螺距。完成變螺距后，又開始等螺距工作，這樣就可以調(diào)整瓶胚的間距。但這樣的絲桿加工困難[3-4]，在調(diào)節(jié)螺距時(shí)，與絲桿螺紋接觸的滑動(dòng)件會(huì)產(chǎn)生高的速度和加速度，對(duì)絲桿表面產(chǎn)生沖突力，破壞絲桿螺紋表面的油膜，致使螺紋磨損加劇?；瑒?dòng)塊與絲桿螺紋之間的潤(rùn)滑油膜厚度對(duì)絲桿傳動(dòng)速度和耐用度有密切的關(guān)系，而絲桿傳動(dòng)速度決定了瓶坯吹塑成型的速度。

研究表明，速度越高，越難形成油膜。1997年，陳國(guó)定等[5]通過建立彈性動(dòng)力潤(rùn)滑方程，獲得了軸承滾子外圈形成油膜厚度的數(shù)學(xué)方程，通過改善潤(rùn)滑提高了軸承的旋轉(zhuǎn)速度。2018年，韓傳軍等[6]通過螺桿泵的實(shí)驗(yàn)分析，研究了摩擦因數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相同轉(zhuǎn)速和載荷下，隨著法向載荷的增大，定子橡膠的摩擦因數(shù)先減小后增大。史冬巖等[7]結(jié)合滑動(dòng)軸承，分析了油膜壓力作用下軸瓦合金層的應(yīng)力分布情況，通過建立擾動(dòng)壓力方程，獲得滑動(dòng)軸承的特性系數(shù)，發(fā)現(xiàn)油膜壓力呈三維拋物面分布的規(guī)律。油膜厚度的計(jì)算與摩擦因數(shù)密切相關(guān)，較為成熟的有CPE4R的網(wǎng)格單元[8]對(duì)模塊進(jìn)行網(wǎng)格化，同時(shí)利用Mooney-Rivlin模型[9]建立受力關(guān)系。

為了提高吹瓶機(jī)的生產(chǎn)效率，節(jié)約吹瓶機(jī)的空間尺寸，本文作者將變螺距絲桿應(yīng)用到吹瓶設(shè)備中，通過設(shè)計(jì)吹瓶機(jī)機(jī)械手組的結(jié)構(gòu)，探索變螺距絲桿工藝要求，分析瓶坯抓取部分的滑動(dòng)塊與絲桿間的受力及潤(rùn)滑情況，為減少由于加速度而導(dǎo)致的絲桿的磨損，從而獲得質(zhì)量穩(wěn)定且使用壽命長(zhǎng)的高速變螺距吹瓶機(jī)提供核心部件。

1 變螺距結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，變螺距絲桿吹塑機(jī)由伺服電機(jī)、減速機(jī)配合帶動(dòng)絲桿實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手組沿燕尾槽滑軌運(yùn)動(dòng)。由于伺服電機(jī)的正反旋轉(zhuǎn)，使絲桿驅(qū)動(dòng)機(jī)械手組往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由傳感器判斷機(jī)械手達(dá)到設(shè)計(jì)距離的要求，傳遞信號(hào)到控制器，并控制氣缸推動(dòng)手臂，使得機(jī)械手開合。變螺距機(jī)械手的工作原理就是通過電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使上述的運(yùn)動(dòng)連續(xù)進(jìn)行，達(dá)到在加溫鏈中的加溫節(jié)距和吹瓶節(jié)距兩者相互轉(zhuǎn)換的要求。

圖1 變螺距絲桿的吹塑機(jī)

1.1 變螺距絲桿的運(yùn)動(dòng)原理

變螺距螺旋線是一個(gè)動(dòng)點(diǎn)在一圓柱表面上繞軸線做勻速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)沿直線做勻加速運(yùn)動(dòng)所形成的軌跡，此時(shí)的軌跡為拋物線。根據(jù)變螺矩螺旋線切制形成的螺紋桿稱為變螺矩絲桿。將變螺距的絲桿運(yùn)用在吹瓶機(jī)械時(shí)，從結(jié)構(gòu)上可以將其分為3部分：第一部分為小螺距部分，實(shí)現(xiàn)瓶胚在緊湊環(huán)境下傳動(dòng)，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)；第二部分為過渡部分，實(shí)現(xiàn)小螺距變?yōu)榇舐菥嗟倪^渡，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)為加速運(yùn)動(dòng)；第三部分為大螺距部分，實(shí)現(xiàn)瓶胚間大距離傳動(dòng)，此時(shí)的運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)。

1.2 機(jī)械手組

機(jī)械手組由機(jī)械手、手臂、支架組成，機(jī)械手主要用于抓緊瓶坯，帶動(dòng)瓶坯向前運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手通過手臂與支架相連接，支架與燕尾槽相配合，使機(jī)械手沿水平方向起到導(dǎo)向作用?；瑒?dòng)塊安裝在機(jī)械支架下面，與絲桿的槽相連，驅(qū)動(dòng)瓶坯向前運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手抓緊瓶胚，通過滑動(dòng)桿與絲桿接觸。絲桿的牙型為矩型螺紋，在絲桿上均勻分布滾動(dòng)體，絲桿是變螺距，滑動(dòng)塊嵌入絲桿的牙槽中，絲桿的兩端用軸承支承。

1.3 絲桿結(jié)構(gòu)工藝

矩形螺紋的傳動(dòng)效率較高，主要用于傳力機(jī)構(gòu)中。文中絲桿主要是傳遞水平動(dòng)力，故將絲桿螺紋設(shè)計(jì)為矩形螺紋。螺距分為3部分，一部分由38 mm螺距構(gòu)成，一部分由76 mm螺距構(gòu)成，中間部分為過渡部分。實(shí)現(xiàn)方法是絲桿所有螺紋的槽寬都一致，只是改變不同螺紋的厚度，即通過加大絲桿的厚度，使絲桿螺距增加一倍，以提高絲桿的傳動(dòng)效率，增加吹塑機(jī)的吹塑速度。但加大絲桿厚度會(huì)增加絲桿自身的質(zhì)量。為了減少絲桿的質(zhì)量，可在不影響絲桿剛度和強(qiáng)度的前提下，在絲桿表面鉆工藝孔。

1.4 加工工藝及潤(rùn)滑

由于絲桿處于高速運(yùn)動(dòng)，而且要求噪聲小，故其加工質(zhì)量要求相當(dāng)高，其直線度、同軸度、圓度都要求較高，且要求有合適的潤(rùn)滑方法。在加工完成后，要對(duì)絲桿進(jìn)行直線度的校正，并在滑動(dòng)塊與螺紋之間增加潤(rùn)滑油，從而改善運(yùn)動(dòng)效果。

2 運(yùn)動(dòng)過程分析

2.1 效率分析

螺紋的效率按以下公式[9]計(jì)算：

(1)

ρ=arctanf

式中：ρ為螺旋當(dāng)量摩擦角(矩形螺紋)；f為螺紋副的靜摩擦因數(shù)；λ為螺紋升角。

伺服電機(jī)、減速機(jī)配合帶動(dòng)絲桿實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在絲桿的帶動(dòng)下，機(jī)械手組的速度由小變大。機(jī)械手組在絲桿的作用下，先是勻速運(yùn)動(dòng)，然后是加速運(yùn)動(dòng)，最后再變?yōu)閯蛩龠\(yùn)動(dòng)。加速過程是由小螺距變?yōu)榇舐菥嗟倪^渡過程，螺紋升角在減少，會(huì)產(chǎn)生瞬間阻力，使傳動(dòng)效率變低。

2.2 力學(xué)分析

機(jī)械手組通過滑動(dòng)塊與絲桿的螺紋槽相連接，實(shí)現(xiàn)力的傳輸，從而帶動(dòng)瓶坯運(yùn)動(dòng)。當(dāng)絲桿旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，絲桿槽驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)塊向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)螺距，但在小節(jié)距變?yōu)榇蠊?jié)距時(shí)，由一個(gè)螺距增加到一培的螺距，其生產(chǎn)效率提高一倍。

滑動(dòng)塊在絲桿槽上運(yùn)動(dòng)，螺距由L1變化L2，螺距變大一倍，使機(jī)械手之間間距增加一倍，便于抓取吹塑成型。機(jī)械手在螺距為L(zhǎng)1的位置時(shí)，其沿水平方向是勻速運(yùn)動(dòng)，速度為v1；當(dāng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到螺距為L(zhǎng)2的位置時(shí)，其速度為v2。由于節(jié)距增加，在螺距由L1變化到L2的過渡區(qū)域，其產(chǎn)生一定的加速度，則機(jī)械手由于加速度而引起對(duì)絲桿的水平壓力Fx。

根據(jù)牛頓第二定律：

FJ=ma

(2)

(3)

式中：FJ為機(jī)械手組所受加速度合外力(N)；m為機(jī)械手組的質(zhì)量(kg)；a為機(jī)械手組的加速度(m/s2)；t為絲桿旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間(s)。

由于機(jī)械手組所受加速度合外力全部由滑動(dòng)塊傳遞到絲桿的螺紋上，如圖2所示。

圖2 滑動(dòng)塊與螺紋的受力圖

故：

FJ=Fx

(4)

滑動(dòng)塊對(duì)絲桿的法向總合力

(5)

式中：β為水平分力Fx與合力Fn的夾角。

當(dāng)滑動(dòng)塊與絲桿的接觸長(zhǎng)度為s時(shí)，則：

(6)

式中：W為單位接觸長(zhǎng)度上最大載荷。

3 潤(rùn)滑分析

將吹塑瓶模具腔設(shè)定為18腔，瓶胚吹塑預(yù)算速度為1.8瓶/s時(shí)，即絲桿旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間t=0.1 s。絲桿第一部分螺距為38 mm，第二部分螺距為76 mm，此時(shí)β=10°，故v1=0.38 m/s，v2=0.76 m/s。

由式(3)可得，過渡部分的最大加速度為3.8 m/s2。機(jī)械手組的總質(zhì)量為m=65.4 kg，由式(2)、(4)可得過渡絲桿牙型部分所受沖擊壓力為248.52 N。此時(shí)機(jī)械手與絲桿之間產(chǎn)生較大的沖擊力，摩擦力較大，機(jī)械手與絲桿間需要良好的潤(rùn)滑。

基于道森-希金森公式[10]，楊沛然和溫詩鑄[11]對(duì)Roelands黏度公式進(jìn)行修正，獲得最小油膜厚度為

hmin=2.65[(α0.54·(η0·u)0.7·R0.43)/(E0.03·W0.33)]

(7)

式中：hmin為接觸表面間最小油膜厚度(m)；η0為潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度(Pa·s)；R為當(dāng)量柱體半徑(m)；E為綜合彈性模量(Pa)；W為單位接觸長(zhǎng)度上最大載荷(N/m)；u為平均攪油速度(m/s)；α為潤(rùn)滑油黏壓系數(shù)(m2/N)。

絲桿用調(diào)質(zhì)45鋼，選用黏壓系數(shù)較高的潤(rùn)滑油，根據(jù)滑動(dòng)塊的直徑，可計(jì)算出當(dāng)量圓柱直徑，從而獲得最小油膜厚度hmin的值。

4 實(shí)驗(yàn)分析

分別選擇46號(hào)壓縮機(jī)油、鈣基潤(rùn)滑脂、極壓復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂，對(duì)變螺距絲桿進(jìn)行潤(rùn)滑分析。根據(jù)各潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度和黏壓系數(shù)，利用公式(7)計(jì)算得到46號(hào)壓縮機(jī)油、鈣基潤(rùn)滑脂、極壓復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂的最小油膜厚度分別為：2.71×10-8、3.08×10-8、4.24×10-8m。

在完成連續(xù)10萬次疲勞實(shí)驗(yàn)后，觀察了形成的油模厚度及絲桿磨損程度。通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度越小，其流動(dòng)性越好，但容易造成邊界潤(rùn)滑，絲桿螺紋的表面磨損明顯，噪聲明顯加大；動(dòng)力黏度越大，對(duì)滑動(dòng)塊的阻力將增加，絲桿溫度明顯上升，絲桿螺紋的表面積碳明顯，無法達(dá)到最高運(yùn)動(dòng)速度。黏壓系數(shù)的大小與磨損關(guān)系比動(dòng)力黏度的影響力下降，絲桿速度越高，加速度越大，機(jī)械手組對(duì)絲桿的沖擊越大。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在某企業(yè)在選用高精密支承絲桿軸承的前提下,選擇極壓復(fù)合鋰基潤(rùn)滑脂對(duì)絲桿螺紋與滑動(dòng)塊進(jìn)行潤(rùn)滑，其動(dòng)力黏度和黏壓系數(shù)較高，且機(jī)械安定性、耐熱性，防銹性較好，容易形成一定厚度的油膜。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用該變螺距絲桿的吹塑機(jī)速度可達(dá)1.8瓶/s，速度處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，與國(guó)外的1.6瓶/s僅差0.2瓶/s。同時(shí)，該機(jī)型的工作速度快，過程穩(wěn)定，工作壽命長(zhǎng)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)瓶胚間距變化的機(jī)械手組結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了變螺距絲桿的工藝結(jié)構(gòu)，分析了其運(yùn)動(dòng)過程的效率和受力情況，獲得了絲桿單位接觸長(zhǎng)度上最大載荷的計(jì)算方法。

(2)通過分析滑動(dòng)塊與絲桿的潤(rùn)滑情況，借助道森-希金森公式，獲得了計(jì)算絲桿最小油膜的計(jì)算方法。

(3)通過確定絲桿的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同潤(rùn)滑油對(duì)絲桿表面磨損影響程度，選取了較優(yōu)的潤(rùn)滑方案，使吹瓶機(jī)的吹塑速度達(dá)1.8瓶/s，接近國(guó)際先進(jìn)水平。