王廣勝 王文輝 曹興強(qiáng) 王中青 楊光露

(河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽(yáng)卷煙廠(chǎng)，河南 南陽(yáng) 473007)

GDX2硬盒包裝機(jī)組是煙草行業(yè)的主力機(jī)型，具有工作平穩(wěn)、故障率低、調(diào)試方便、有效作業(yè)率高等特點(diǎn)，其輔機(jī)CH盒外透明包裝機(jī)、CT條盒包裝機(jī)和CV條外透明包裝機(jī)采用同一電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有良好的機(jī)械同步性能[1]。但由于CV機(jī)輸入軸與CH機(jī)輸出軸軸線(xiàn)不同心，且CV機(jī)與CH機(jī)距離較遠(yuǎn)，所以CV機(jī)需要通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)組件從CH機(jī)獲取動(dòng)力，萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)與軸頸采用錐銷(xiāo)聯(lián)接(圖1)[2]。在工作過(guò)程中，由于動(dòng)力傳遞的扭矩較大，所以萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)組件經(jīng)常損壞，而CV機(jī)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)組件所處的位置在機(jī)器里側(cè)，空間狹小，維保困難，可操作性差，傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)上一體化的特點(diǎn)決定了維修必須拆除很多相關(guān)零部件，需要多人分工協(xié)作才能進(jìn)行更換，同時(shí)在拆除和裝配的過(guò)程中也容易致使其它零件損壞，影響生產(chǎn)效率。目前意大利GD公司未對(duì)萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行改進(jìn)，本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)萬(wàn)向聯(lián)軸器組件的機(jī)械原理分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真試驗(yàn)分析，對(duì)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以期解決上述問(wèn)題。

1 問(wèn)題分析

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

CV條外透明包裝機(jī)是由CH盒外透明包裝機(jī)提供動(dòng)力，由于兩機(jī)之間距離較大，結(jié)構(gòu)上采用由十字萬(wàn)向聯(lián)軸器組成的傳動(dòng)軸傳遞動(dòng)力。傳動(dòng)軸由CH輸出軸、一對(duì)十字萬(wàn)向聯(lián)軸器、套筒、軸、鍵、CV輸入軸組成，零件之間采用錐銷(xiāo)和鍵連接[3]。傳動(dòng)軸向CV機(jī)傳遞動(dòng)力，如圖1所示[4]。

1.2 原因分析

從CH盒外透明包裝機(jī)與CV條外透明包裝機(jī)聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意圖(圖1)可以看出，傳動(dòng)軸在CH盒外透明包裝機(jī)和CV條外透明包裝機(jī)之間，它所承受的負(fù)荷較重且有周期性通過(guò)以上分析，產(chǎn)生故障和維修困難的主要原因有：① 磨損造成的損壞。由于萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)使用中產(chǎn)生的扭矩較大，且隨著兩軸的瞬時(shí)傳動(dòng)比在不斷變化，伴隨有振動(dòng)、沖擊等附加載荷，再加上潤(rùn)滑條件不夠理想，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)使萬(wàn)向聯(lián)軸器相對(duì)運(yùn)動(dòng)元件之間磨損加劇。② 斷裂造成的損壞，超過(guò)聯(lián)軸接元件的疲勞極限造成元件斷裂而損壞；③ 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)上一體化的特點(diǎn)決定了維修方式。在更換萬(wàn)向聯(lián)軸器的過(guò)程中，必須拆下CH盒外透明包裝機(jī)輸出端、CV條外透明包裝機(jī)輸入端上一系列的零件，需要多人分工協(xié)作來(lái)完成，而且十字萬(wàn)向聯(lián)軸器處于機(jī)器里側(cè)，操作維修空間小，在維修中拆除和配作銷(xiāo)孔的工作耗時(shí)長(zhǎng)，在拆除和裝配的過(guò)程中，容易致使其它零件損壞。短時(shí)間內(nèi)難以修復(fù)，每次更換需要3人協(xié)作，180 min左右方可更換完畢，影響了生產(chǎn)設(shè)備的有效作業(yè)率。

1. CH輸出軸 2. 錐銷(xiāo) 3、9. 十字萬(wàn)向聯(lián)軸器 4. 錐銷(xiāo) 5. 套筒 6. 長(zhǎng)鍵 7. 螺釘 8. 軸 10. CV輸入軸

圖1 原傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 The previous structure of transmission shaft

變化，這種運(yùn)行情況將使十字萬(wàn)向聯(lián)軸器承受較大的扭矩和交變負(fù)荷，造成十字萬(wàn)向聯(lián)軸器的損壞。其損壞形式主要是萬(wàn)向聯(lián)軸器十字軸軸頸與叉形板上孔或滾針軸承工作面產(chǎn)生壓痕與剝落(圖2)[5-7]。

1、3. 錐銷(xiāo) 2. 十字塊 圖2 十字萬(wàn)向聯(lián)軸器示意圖Figure 2 The schematic diagram of universal cross joints

2 改進(jìn)方法

2.1 設(shè)計(jì)方案

為了滿(mǎn)足生產(chǎn)和維修要求，在不改變傳動(dòng)原理的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將傳動(dòng)軸由原來(lái)的一體化結(jié)構(gòu)，改為可快速單獨(dú)拆卸的組件，實(shí)現(xiàn)快裝要求。通過(guò)在兩端分別增加自制的聯(lián)軸節(jié)，利用中間套筒與軸的滑動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)新的尺寸鏈(圖3)[8]。

設(shè)計(jì)方案：① 對(duì)原傳動(dòng)組件進(jìn)行分段，采用CH盒外透明包裝機(jī)輸出端、萬(wàn)向聯(lián)軸器組件、CV條外透明包裝機(jī)輸入

圖3 改進(jìn)前、后傳動(dòng)尺寸鏈?zhǔn)疽鈭D(單位：mm)

Figure 3 The diagrams before and after modification of dimensional chain for transmission

端，并利用原結(jié)構(gòu)兩機(jī)之間空間來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分的結(jié)合，組成快裝式傳動(dòng)組件。② 在CH盒外透明包裝機(jī)輸出端、CV條外透明包裝機(jī)輸入端兩端分別加裝固定聯(lián)軸節(jié)，用以與裝配好的萬(wàn)向聯(lián)軸器組件聯(lián)接。③ 為了不影響萬(wàn)向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)向，故在套筒與右端聯(lián)軸節(jié)之間留出45 mm空間。④ 將聯(lián)軸節(jié)的外形尺寸確定為φ75 mm×φ50 mm×113 mm。與聯(lián)軸節(jié)配合孔深度30 mm。滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)快速安裝萬(wàn)向聯(lián)軸器組件的要求。⑤ 聯(lián)軸節(jié)與軸的聯(lián)接方式仍采用錐銷(xiāo)聯(lián)接。⑥ 為了滿(mǎn)足動(dòng)力的傳遞和拆裝的方便性，聯(lián)軸節(jié)與萬(wàn)向聯(lián)軸器組件的聯(lián)接不再采用錐銷(xiāo)聯(lián)接，改為平鍵聯(lián)接，并加裝緊固螺釘固定。

2.2 快裝式萬(wàn)向聯(lián)軸器組件的設(shè)計(jì)和安裝

2.2.1 材料的選擇 零件材料采用45#優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。45#鋼中的硫、磷及非金屬夾雜物的含量比較少，表面質(zhì)量、組織結(jié)構(gòu)的均勻性較好。經(jīng)過(guò)熱處理調(diào)質(zhì)后，具有較好的綜合機(jī)械性能，主要用來(lái)制造齒輪、套筒、軸等零件，應(yīng)用非常廣泛，能夠滿(mǎn)足使用要求。

2.2.2 零件加工 依據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)加工聯(lián)軸節(jié)(圖4)。通過(guò)對(duì)萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行加工鍵槽的方式，滿(mǎn)足工藝要求，需將萬(wàn)向聯(lián)軸器的一端加工出8 mm×30 mm 的鍵槽。改造完成后成品見(jiàn)圖5。

圖4 聯(lián)軸節(jié)示意圖(單位：mm)Figure 4 The schematic diagram of universal joints

圖5 加工后的萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)(單位：mm)Figure 5 The assembly diagram of universal cross joints

2.2.3 快裝式萬(wàn)向聯(lián)軸器組件的組合安裝 將加工的聯(lián)軸節(jié)分別裝入CH盒外透明包裝機(jī)輸出端、CV條外透明包裝機(jī)輸入端，用φ8 mm錐銷(xiāo)連接固定。完成方案實(shí)施的CH輸出端、CV輸入端的獨(dú)立。松開(kāi)M8鎖緊螺栓。利用74 mm 的可調(diào)整范圍，縮短裝配完整的萬(wàn)向聯(lián)軸器組件的長(zhǎng)度。采用鍵聯(lián)接形式分別裝入聯(lián)軸節(jié)(2件)。并用2個(gè)M8的緊固螺釘加以固定(圖6、7)，改造部位改造前后對(duì)比圖見(jiàn)圖8。

1. CV輸入軸 2、10. 聯(lián)軸節(jié) 3、9. 緊固螺釘 4、8. 萬(wàn)向聯(lián)軸器 5. 軸 6. 鎖緊螺栓 7. 套筒 11. CH輸出軸

圖6 快裝式萬(wàn)向聯(lián)軸器組件裝配示意圖

Figure 6 The schematic diagram of universal cross joints

1、7. 萬(wàn)向聯(lián)軸器 2. 銷(xiāo) 3. 軸 4. 鍵 5. 套筒 6. 銷(xiāo) 圖7 萬(wàn)向聯(lián)軸器組件示意圖Figure 7 The schematic diagram of universal crosscomponents

圖8 改造部位改造前后對(duì)比圖Figure 8 Thecomparison diagram before and after transformation

3 新結(jié)構(gòu)的仿真試驗(yàn)

3.1 聯(lián)軸器的運(yùn)動(dòng)特性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[9]描述的單十字軸萬(wàn)向聯(lián)軸器連接時(shí)的傳動(dòng)關(guān)系圖，當(dāng)單萬(wàn)向聯(lián)軸器的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的軸間夾角α的取值不為零時(shí)，轉(zhuǎn)角之間存在式(1)的依賴(lài)關(guān)系：

(1)

式中：

φ1、φ2——分別為單萬(wàn)向節(jié)時(shí)聯(lián)軸器主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，(°)。

針對(duì)式(1)時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)，得到式(2)。

(2)

式中：

ω1、ω2——分別為主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的角速度，rad/s。

在主動(dòng)軸角速度φ1取值等于0°或者180°時(shí)，接管角速度的最大取值ω2max按式(3)計(jì)算：

(3)

在主動(dòng)軸角速度φ1取值等于90°或者270°時(shí)，接管角速度的最小取值ω2min按式(4)計(jì)算：

ω2min=ω1cosα。

(4)

針對(duì)式(2)進(jìn)一步按照時(shí)間t進(jìn)行求導(dǎo)，在主動(dòng)軸角加速度ε1的取值為0時(shí)，則：

(5)

同理，針對(duì)圖7、8描述的萬(wàn)向聯(lián)軸器雙十字軸連接結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行類(lèi)似推導(dǎo)，得出如式(6)、(7)的對(duì)比關(guān)系。

(6)

(7)

式中：

φ1、φ3——分別為雙萬(wàn)向節(jié)時(shí)聯(lián)軸器主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，(°)；

α1、α3——分別為接管與雙萬(wàn)向節(jié)時(shí)，聯(lián)軸器主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的軸間夾角，(°)；

ε1、ε3——分別為主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的角速度，rad/s。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

本試驗(yàn)采用有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行仿真試驗(yàn)，計(jì)算得到各個(gè)部件的應(yīng)力情況，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零部件——十字軸，是一個(gè)非常脆弱的構(gòu)件，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS上進(jìn)行多次仿真測(cè)試，分析測(cè)算十字軸的磨損壽命時(shí)長(zhǎng)。選擇Hertz理論的非線(xiàn)性等效彈簧阻尼模型作為耐磨性測(cè)試基準(zhǔn)，充分分析庫(kù)侖摩擦的影響情況，在仿真試驗(yàn)平臺(tái)ADAMS中，選定接近現(xiàn)實(shí)情況的接觸力參數(shù)去設(shè)置和初始化模型，構(gòu)件基于十字軸和中間軸等柔性構(gòu)件的剛?cè)狁詈戏抡嫦到y(tǒng)，分析在不同間隙情況下的變化狀況[10]。重點(diǎn)對(duì)十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器仿真系統(tǒng)的各種角速度、角加速度和接觸力的變化情況開(kāi)展研究分析，在不同參數(shù)設(shè)置情況下，將模擬模型的動(dòng)力學(xué)仿真分析的結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)仿真結(jié)果可以較好地反映萬(wàn)向聯(lián)軸器系統(tǒng)在不同間隙和柔性體情況下，動(dòng)力學(xué)性能所受到的影響[11-12]。下面是針對(duì)萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行仿真試驗(yàn)的具體實(shí)現(xiàn)步驟：

(1) 建立觀(guān)測(cè)點(diǎn)。先分別在接管和主動(dòng)軸表面各選取一個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，再測(cè)量所選取2個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的速度和加速度，可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊設(shè)立的觀(guān)測(cè)點(diǎn)獲取相關(guān)數(shù)值。

(2) 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在激活傳感器的素材清單，選擇主動(dòng)軸角速度和接管角速度這2個(gè)選項(xiàng)，模擬這2個(gè)傳感器隨時(shí)間而變化的曲線(xiàn)。在試驗(yàn)平臺(tái)仿真后，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)軸的角速度呈一條直線(xiàn)，接管的角速度變化趨勢(shì)為正弦函數(shù)曲線(xiàn)，ω1與ω2的對(duì)比變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖9。在仿真平臺(tái)上設(shè)定驅(qū)動(dòng)角速度取值為20°/s，此時(shí)，主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為18 s；并且，當(dāng)主動(dòng)軸回轉(zhuǎn)一周時(shí)，接管也伴隨回轉(zhuǎn)一周。從圖9中可得，在主動(dòng)軸按照等角速度回轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，接管的角速度并非勻速變化，而是呈現(xiàn)時(shí)快、時(shí)慢的交替性和周期性變化，在18 s一個(gè)間隔周期內(nèi)，快于和慢于主動(dòng)軸角速度的變化情況均出現(xiàn)了2次，仿真情況與式(2)描述原理基本吻合。

圖9 ω1與ω2的對(duì)比曲線(xiàn)Figure 9 Thecontrast curve diagram between ω1 and ω2

按照類(lèi)似仿真步驟分析主動(dòng)軸的角速度ω1和從動(dòng)軸角速度ω3的變化關(guān)系，2個(gè)角速度對(duì)比變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。當(dāng)僅接管與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的軸間夾角α1和α3取值相同時(shí)，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角同從動(dòng)軸轉(zhuǎn)角相同，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)軸和從動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，2條曲線(xiàn)關(guān)于時(shí)間的變化趨勢(shì)完全重合，驗(yàn)證了式(6)、(7)所描述的理論。為進(jìn)一步詳細(xì)分析ω1和ω3的對(duì)比情況，試驗(yàn)選取在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)的仿真結(jié)果做對(duì)比分析，它們的取值幾乎相同[13]。

圖10 ω1與ω3的對(duì)比曲線(xiàn)Figure 10 The contrast curve diagram between ω1 and ω3

當(dāng)仿真模型和理論模型的初始位置不相同時(shí)，運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(xiàn)更為復(fù)雜。此時(shí)，進(jìn)一步分析傳感器的聯(lián)合曲線(xiàn)，先選定激活清單中的主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角和接管角速度傳感器進(jìn)行分析，再計(jì)算接管角速度相對(duì)于主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角的變化情況見(jiàn)圖11。經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在α和ω1取確定數(shù)值時(shí)，ω2是依賴(lài)于主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角φ1的函數(shù)，且ω2隨著φ1的變化呈周期性改變。在這種情況下，由于初始位置不同，仿真曲線(xiàn)和理論計(jì)算相差90°，從側(cè)面驗(yàn)證仿真結(jié)果同式(2)描述的理論是一致的。同理進(jìn)行類(lèi)似仿真試驗(yàn)，接管角加速度相對(duì)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角傳感器的變化趨勢(shì)曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)α和ω1取確定數(shù)值時(shí)，ε2是關(guān)于主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角φ1的函數(shù)，并且ε2隨φ1呈周期性變化，同式(5)的理論描述的結(jié)果是一致的[14]。

針對(duì)新結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可以同傳感器檢查干涉一起進(jìn)行，可以動(dòng)態(tài)地檢查新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，對(duì)結(jié)構(gòu)中不完善的部件進(jìn)行修正[15]。同時(shí)，還可以對(duì)已經(jīng)裝配好的構(gòu)件進(jìn)行全面的空間分析，檢測(cè)出零部件之間可能存在的沖突之處，在樹(shù)形圖上直接實(shí)現(xiàn)對(duì)零件修改，消除干涉造成的影響。在本模型的仿真試驗(yàn)中，未發(fā)生模型的動(dòng)態(tài)干涉現(xiàn)象。

圖11 接管角速度相對(duì)于主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(xiàn)

Figure 11 The curve diagram of tube angular velocity which relative to corner of main driver shaft

圖12 接管角加速度相對(duì)于主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角的變化曲線(xiàn)

Figure 12 The curve diagram of tube angular acceleration which relative to corner of main driver shaft

4 結(jié)論

改進(jìn)后的快裝式萬(wàn)向聯(lián)軸器組件具有以下特點(diǎn)：① 新設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸既不改變?cè)瓊鲃?dòng)方式，又能實(shí)現(xiàn)快速拆卸和安裝，降低故障停機(jī)時(shí)間；② 摒棄了原有的傳動(dòng)軸一體化結(jié)構(gòu)，改進(jìn)為可快速單獨(dú)拆卸的組件形式，通過(guò)在兩端分別增加自制的聯(lián)軸節(jié)，利用中間套筒與軸的滑動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)新的尺寸鏈；③ 萬(wàn)向聯(lián)軸器組件提高了承載力，轉(zhuǎn)動(dòng)更加靈活，磨損小，能量傳遞損耗更小，使用壽命長(zhǎng)，不需購(gòu)置額外備件，穩(wěn)定性好，可靠性高； 簡(jiǎn)化維修過(guò)程，減少不必要的零件拆裝，降低維修勞動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)萬(wàn)向聯(lián)軸器損壞時(shí)，單人即可維修操作，簡(jiǎn)單高效。原有3人配合維修更換需180 min，現(xiàn)在單人40 min即可完成。

GDX2硬盒包裝機(jī)組CH與CV聯(lián)接傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，解決了更換萬(wàn)向聯(lián)軸器費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，有效地提高了設(shè)備的有效作業(yè)率，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。改進(jìn)后的快裝式萬(wàn)向聯(lián)軸器組件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，在GDX1軟盒包裝機(jī)組、GDX2硬盒包裝機(jī)組中具有很好的推廣價(jià)值，目前該項(xiàng)目已獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利，并在30多家卷煙廠(chǎng)推廣應(yīng)用。