开箱机滚珠丝杠锁紧装置故障分析与改进
2019-12-20
李伟 徐明
（山东中烟工业有限责任公司青岛卷烟厂，山东青岛 266011）
摘 要：片烟开箱是烟草制丝生产的道工序，开箱机中的滚珠丝杠用于烟箱的夹紧与松开。在运行过程中，经常发生滚珠丝杠锁紧螺母的松动，造成滚珠丝杠运行卡滞。经过现场勘查，发现锁紧螺母的止动垫圈发生了损坏。通过对滚珠丝杠锁紧装置的受力分析以及有限元仿真模拟，找到了造成止动垫圈损坏的原因。并采取增加垫片的方式来改善止动垫圈的受力情况，取做到了良好的效果，故障率做到以大幅度降低。
关键词：滚珠丝杠；故障分析；受力分析；有限元
制丝生产线上，拆开箱机烟箱夹紧滚珠丝杠在夹紧烟箱垂直输送过程中，经常出现滚珠丝杠运行缓慢、卡滞，甚至造成伺服电机过流触发自动保护停止输出，影响生产的正常进行。跟踪设备安装三年以来的运行情况，历史同类故障频次呈逐年上升趋势。
1 故障分析
滚珠丝杠和滚动轴承其装配精度与装配质量在很大程度上决定于丝杠副系统的刚性和定位精度以及轴承的旋转精度和刚度，并直接影响设备的运行精度。滚动轴承采用角接触型轴承，在使用时必须对其施加合适的预加负荷消除轴承间隙。
[1]如果预加负荷过低，主轴的旋转精度低、刚度差，易发热和产生振动、噪声，甚至无法正常运转。预加负荷过高，不但刚度增加不了，而且由于轴承的磨损力矩增大，容易发热，直接导致轴承的寿命降低。因此选择合适的预加负荷是十分重要的。
对滚珠丝杠组件进行拆卸检修，发现滚珠丝杠锁紧螺母止动垫圈内耳均出现不同程度的损坏现象。止动垫圈内耳损坏导致螺母锁紧失效，无法保证对轴承施加合适的预加负荷。
（1）止动垫圈安装方法及原理分析。
圆螺母用止动垫圈又称止退垫圈，俗名王八垫，是一种防止圆螺母松动的垫圈，用于对滚动轴承进行预紧，防止松动。
（2）螺纹开槽分析。
滚动轴承用的圆形螺母止动垫圈在螺纹上开槽是有要求的，首先圆形螺母和圆形螺母止动垫圈，开槽要根据止动垫圈的尺寸要求来开。如果开深了，圆形止动垫圈与圆形螺母连接就不牢靠，容易造成连接不牢靠易滑落，如果开浅了，圆形止动垫圈易滑出螺纹上的槽。对于圆形止动垫圈和圆形螺母及螺纹上槽的固定后产生的滑落，会造成轴承不能正常平稳运行和间隙过大。
（3）滚珠丝杠安装尺寸分析。
对滚珠丝杠总成拆卸发现：轴头螺纹退刀槽过长，底座轴承安装到位后，螺纹与轴承内圈距离L1等于3.8mm，而止动垫圈内耳高度L2等于5mm；故插入螺纹槽内长度：△L等于L2-L1等于1.2mm。
2 受力分析
（1）止动垫圈内耳受力计算。
止动垫圈起到防止锁紧圆螺母松动的作用，以便保持滚珠丝杠有一定的预紧力。止动垫圈内耳受到滚珠丝杠转矩以及轴向力产生的冲击载荷作用。
滚珠丝杠采用富士电机。额定功率7500瓦，额定转速3000r/min。因此，电机额定转矩：
Ta等于9550*P/n等于9550*7.5/3000N·m等于23.9N·m
作用在内耳上的力：F1等于Ta/r等于1591.7N
式中：r：丝杠轴头半径，r等于15mm
滚珠丝杠轴向负载：Fa等于Ta*2*3.14*n1/l等于28517.5N
式中：n1：滚珠丝杠的传动效率，取0.95
L：滚珠丝杠导程，l等于5mm；
因此，作用在内耳上的力：F等于F1+μFa等于10147N
式中：μ：摩擦系数，μ等于0.3
（2）止动垫圈内耳受力云图。
我们对止动垫圈的三维模型进行有限元分析，使用Solid Works软件中的simulation插件进行静应力分析。止动垫圈材料选择为不锈钢，将止动垫圈与滚动轴承的接触面设为固定表面，外部载荷施F：10147N施加在止动垫圈内耳上，做到到止动垫圈内耳的应力云图，
[2]如下所示：
其中，Z大变形量达到了1.383mm，而止动垫圈内耳插入沟槽长度仅为1.2mm，已经脱开了轴头螺纹槽，不能保证可靠连接。在升降运动载荷作用下产生变形，造成损坏，导致螺母松动，轴承间隙增大，丝杠副系统刚性和定位精度及轴承的旋转精度和刚度做到不到保障。
3 改进措施
加工制作补偿垫片（如图2），内孔直径Φ等于35mm（与轴承内圈尺寸相等）；外圆直径Φ等于45mm；厚度D等于4mm（D>L1）；将补偿垫片安装于止动垫圈下部，使做到止动垫圈止动内耳在螺母紧固后能完全插入螺纹槽内，满足止动垫圈安装使用要求，保证轴承锁紧可靠。
通过仿真，止动垫圈的Z大变形量为0.5469mm。不会造成止动垫圈从螺纹槽内脱出。能够保持圆螺母紧固，保证丝杠的预紧力。
4 结果
本文对开箱机滚珠丝杠的锁紧
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