吳陽佑

引言：吹（吹瓶機）灌（灌裝機）旋（旋蓋機）是將3臺設(shè)備采用星輪傳動作為過渡傳輸裝置將，將PET（Polyethylene Terephthalate）瓶封裝的產(chǎn)品在組合設(shè)備內(nèi)一次性完成吹瓶-灌裝-旋蓋的一體機。由廣州達意隆公司生產(chǎn)的吹灌旋設(shè)備一般為兩軸聯(lián)動，主動軸為吹瓶機主電動機，從動軸為灌裝機主電動機，兩臺電動機均采用丹佛斯伺服器控制運行速度，旋蓋機和灌裝機以及過渡星輪之間通過齒輪傳動實現(xiàn)同步。該設(shè)備在印度Parle公司運行期間，頻繁出現(xiàn)同步異常的問題，導(dǎo)致PET瓶與星輪接觸部分出現(xiàn)嚴重刮痕甚至發(fā)生過PET瓶在星輪和其護板之間堆積，引起型板支柱變形，客戶對此故障反映強烈，要求公司解決此問題。

1.現(xiàn)場診斷

1.1 機械傳動診斷

公司派遣的機械工程師和電氣工程師達到現(xiàn)場后停機對設(shè)備的機械傳動部分和齒輪間隙進行了觀測和調(diào)整，并對可能出現(xiàn)松動的齒輪鎖緊螺桿復(fù)檢其鎖緊扭矩后將設(shè)備分別單軸運行約30分鐘左右，未發(fā)現(xiàn)任何由齒輪或者其他機械問題所導(dǎo)致的整機同步異常，初步判斷此故障非機械傳動誤差所導(dǎo)致。

1.2 試運行

單機運行后兩軸聯(lián)動空載運行，采用高速相機拍攝吹瓶機與灌裝機之間的兩個過渡星輪交接位置，連續(xù)運行15分鐘，未出現(xiàn)同步異?，F(xiàn)場。進而開始15分鐘的模擬生產(chǎn)運行，在設(shè)備出口處可發(fā)現(xiàn)在與星輪接觸的位置有被刮傷的瓶子，故初步判斷為兩軸同步誤差造成瓶子刮傷。

1.3伺服器參數(shù)排查

恢復(fù)所有伺服器參數(shù)為出廠設(shè)置后，重新設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再次試生產(chǎn)期間仍然會出現(xiàn)同步異?，F(xiàn)象，初步判斷此同步異常與伺服器參數(shù)設(shè)置無關(guān)。但在參數(shù)設(shè)置后的運行期間，發(fā)現(xiàn)灌裝機的運行頻率為58.7Hz，此電動機銘牌標注的額定電壓和頻率為380V/50Hz，實際運行頻率超出額定頻率8.7Hz。

表1 灌裝機伺服器參數(shù)

2.電動機特性分析

2.1 電網(wǎng)電壓對電動機輸出扭矩的影響

根據(jù)電動機的最大輸出扭矩和電壓的關(guān)系公式：

式中：U為輸入電壓；R2是轉(zhuǎn)子繞組每項的電阻；X20是電動機禁止不動時轉(zhuǎn)子繞組每相的感抗；K是電機結(jié)構(gòu)常數(shù)；s是轉(zhuǎn)差率。

2.2 電動機最大輸出功率對輸出扭矩的影響

現(xiàn)場工程師排除多種可能影響吹灌旋同步的因素后，考慮到電動機在設(shè)計轉(zhuǎn)速下超頻運行，故須對電動機在該使用環(huán)境的特性進行分析。

圖1 電動機機械特性曲線

根據(jù)電動機的機械特性曲線可知，其電磁轉(zhuǎn)矩隨負載的變化而自動調(diào)節(jié)，此過程為TL（負載轉(zhuǎn)矩）↑→n（轉(zhuǎn)速）↓→ s（轉(zhuǎn)差率）↑→I（電流）↑→T（輸出轉(zhuǎn)矩）↑, 即負載增大時，轉(zhuǎn)速下降，也即轉(zhuǎn)差率上升，此時，電流增大，使得電動機輸出功率上升，系統(tǒng)達到新的平衡。但當灌裝機負載阻力矩達到電動機的最大輸出扭矩時，電動機就可能降速，如果此負載不能自動降低至電動機最大輸出扭矩，電動機將被迫停轉(zhuǎn)。

圖2 灌裝機主電機銘牌

圖3 灌裝機傳動路徑

根據(jù)旋轉(zhuǎn)體機械功率公式：

式中：T為轉(zhuǎn)矩；P為輸出功率；ω為轉(zhuǎn)子角速度；n為轉(zhuǎn)速，

由式1可知，電動機輸出功率一定的電動機，其轉(zhuǎn)速越高則輸出轉(zhuǎn)矩越小。根據(jù)計算，灌裝機選用的減速電機，在額定頻率下運行時，減速器輸出轉(zhuǎn)速為18r/Min，對應(yīng)產(chǎn)能為25920BPH（Bottles Per Hour），但該設(shè)備的合同產(chǎn)能為26400BPH，為實現(xiàn)此產(chǎn)能，理論上，變頻器必須超頻22%，也就是61Hz才能達到設(shè)備的合同產(chǎn)量，但通過增加伺服器輸出頻率來提升灌裝機運轉(zhuǎn)速度后，對應(yīng)的電動機輸出轉(zhuǎn)矩會降低，故超頻運行情況下極有可能由于灌裝機主傳動電機的輸出扭矩不夠而導(dǎo)致其無法精準跟隨吹瓶機的速度，從而引起同步異常。

核算額定頻率下電動機額定輸出扭矩：

其中：TN為額定轉(zhuǎn)矩(產(chǎn)能為25920BPH的輸出扭矩)；PN為額定功率；nN為減速電機額定輸出轉(zhuǎn)速。

乘以減速機的機械效率（87.4%）和灌裝一級機齒輪傳動效率（90%）可知灌裝機實際獲得的扭矩為：

測量模型經(jīng)驗證性因子分析先導(dǎo)研究發(fā)現(xiàn)語碼混雜原因的2個維度、混雜偏好的2個維度以及混雜態(tài)度的4個維度構(gòu)成合理，共計得出8個觀測變量。依據(jù)表2模型適配度檢驗結(jié)果，筆者認為測量模型構(gòu)成合理。進一步構(gòu)建語碼混雜原因、混雜偏好和混雜態(tài)度結(jié)構(gòu)模型，運用極大似然估計法（Maximum Likelihood Estimation）得到觀察變量、潛變量的因子載荷和誤差項方差參數(shù)估計結(jié)果，經(jīng)修正得到最終模型及其標準化路徑的參數(shù)值如下：

由于該機設(shè)計產(chǎn)能為26400BPH，根據(jù)機械固有結(jié)構(gòu)，減速電機輸出需要達到22r/Min, 此時，電機額定轉(zhuǎn)矩為：

式中，Tr和nr分別對應(yīng)設(shè)備產(chǎn)能為26400BPH時的電動機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，同理，灌裝機實際獲得的扭矩為：

根據(jù)灌裝機機械結(jié)構(gòu)，其灌裝閥為50個，灌裝機轉(zhuǎn)速為8.8圈/分鐘，旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量約為2620Kg，旋轉(zhuǎn)體直徑1900mm，產(chǎn)量為26400BPH時。

式中：ω為角速度；T為周期。

式中：v為線速度；r為灌裝機旋轉(zhuǎn)體半徑。

式中:F為旋轉(zhuǎn)體所受的向心力；a為加速度，v為線速度。

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量，m為旋轉(zhuǎn)體（灌裝機）質(zhì)量，r為灌裝機半徑。

故可得出灌裝機的轉(zhuǎn)矩：

TN ＞ T ＞Tr, 機械所需驅(qū)動扭矩處于26400BPH和25920BPH電動機所生的扭矩之間，故有可能由于驅(qū)動扭矩過小而導(dǎo)致設(shè)備同步異常。

3.結(jié)論

根據(jù)以上現(xiàn)場排查結(jié)果和對電動機特性的分析，最后，與客戶基本達成此次故障的初步解決方案為：第一，安裝穩(wěn)壓器，確保電網(wǎng)電壓穩(wěn)定在380V±10%以內(nèi)；第二，作為備選方案，如果電壓穩(wěn)定的情況下仍然出現(xiàn)同步異常，將更換減速電機，增大其輸出功率。