印刷機(jī)械凸輪機(jī)構(gòu)失效分析

那東琦

（哈爾濱三環(huán)印刷包裝機(jī)械有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

1 凸輪受力分析

1.1 凸輪在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，在每一個(gè)循環(huán)周期中都會(huì)和相鄰的部件產(chǎn)生摩擦，這種荷載作用在凸輪上，對(duì)凸輪產(chǎn)生了很大的影響。期間作用在凸輪上的荷載力來(lái)自于不同的方向，其大小和作用點(diǎn)都是在不斷的變化的。

1.2 根據(jù)分析對(duì)象的特點(diǎn)，對(duì)于凸輪機(jī)構(gòu)所承受的載荷可看成是變的靜載荷。如果載荷方向與從動(dòng)件升程方向相反，則在加速段，此載荷與慣性力同向；而在減速段，此載荷則與慣性力反向。根據(jù)Hertz創(chuàng)立的金屬?gòu)椥越佑|理論，在印刷機(jī)械中凸輪和滾子的接觸屬于典型的赫茲接觸，即凸輪與滾子在接觸區(qū)域發(fā)生局部彈性變形，載荷作用在公法線上，變形區(qū)域?yàn)橐婚L(zhǎng)方形表面，其最大接觸應(yīng)力發(fā)生在接觸區(qū)域的中線上嗍。為簡(jiǎn)化分析，計(jì)算時(shí)凸輪機(jī)構(gòu)所承受的載荷采用一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)最大的瞬時(shí)載荷，認(rèn)為危險(xiǎn)部位失效時(shí)凸輪副失效。

2 有限元分析

2.1 以某型印刷機(jī)械中的凸輪摩擦副為研究對(duì)象，已知滾子從動(dòng)件的升程為85mm，凸輪基圓半徑為80mm，滾子半徑為25mm。根據(jù)分析對(duì)象的特點(diǎn)，實(shí)際凸輪滾子摩擦副的有限元模型如圖l所示。

圖1 凸輪副有限元計(jì)算模型

2.2 凸輪副材料的選配影響其摩擦學(xué)特性，應(yīng)選擇具有良好的抗點(diǎn)蝕、抗擦傷性和固態(tài)互溶性低的材料配對(duì)。本文所分析的某凸輪副材料性能如表l所示。其中凸輪材料為Cu—Cr-Mo耐磨鑄鐵。

表1 凸輪副材料性能

2.3 在MSC.MARC軟件中，選用四面體單元對(duì)凸輪副幾何模型劃分網(wǎng)格，在凸輪與滾子的接觸部分劃分的單元比較密集，其它部分較為稀疏。對(duì)凸輪施加約束限制其在空間的全部自由度，對(duì)滾子施加約束限制其除接觸法線方向外的全部自由度。并將二者設(shè)置為彈性可變形體，施加接觸約束。在滾子上施加載荷后提交任務(wù)，計(jì)算凸輪機(jī)構(gòu)的受力情況。結(jié)果如圖2所示。

圖2 VonMise$應(yīng)力分布云圖

3 失效分析及磨損機(jī)理

3.1 在實(shí)際的工作當(dāng)中，凸輪以及從動(dòng)件一般情況下是處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，無(wú)法形成流動(dòng)狀態(tài)的潤(rùn)滑油膜，所形成的油膜厚度還不及凸輪摩擦表面的粗糙度，那么這種狀態(tài)下，機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候就相當(dāng)于在半干摩擦的狀態(tài)下工作。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中，造成金屬表面磨損一個(gè)重要的因素就是在膜彈流潤(rùn)滑下，在金屬的表面會(huì)有凸起的峰點(diǎn)，他們的接觸直接造成機(jī)器的磨損。根據(jù)相關(guān)的理論依據(jù)，在機(jī)器運(yùn)行期間，在摩擦副界面之間，潤(rùn)滑油膜可以建立一個(gè)動(dòng)壓的承載壓力，所產(chǎn)生的動(dòng)壓值可以將赫茲接觸狀況下的接觸應(yīng)力擠壓表面分開。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，由于自身的旋轉(zhuǎn)，潤(rùn)滑介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生流體潤(rùn)滑油膜的承載力，這樣的話就可以在旋轉(zhuǎn)體和滑動(dòng)面之間制造一點(diǎn)空隙，使之隔開。在運(yùn)行，如果油膜的厚度不夠，不能夠?qū)蓚€(gè)接觸面之間的粗糙峰有效的隔離的話，那么摩擦副將會(huì)進(jìn)入到混合摩擦的狀態(tài)下，也就是說在膜潤(rùn)滑和微凸體接觸的時(shí)候，在他們之間同時(shí)存在部分膜潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑的狀態(tài)。在機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度很高的狀態(tài)下，就會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦熱，導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜破斷，摩擦的系數(shù)將會(huì)更大，嚴(yán)重的情況下可能會(huì)發(fā)生局部位置的燒結(jié)。通常情況下，機(jī)械的磨損事故都是在這種狀態(tài)下發(fā)生的，在凸輪和滾子的接觸表面上，是凸輪摩擦副產(chǎn)生最大法向應(yīng)力的位置，在據(jù)表層一定深度的材料內(nèi)部則會(huì)產(chǎn)生最大的剪切力，在這兩種力道的作用下，在機(jī)械的亞表層就極容易發(fā)生塑性的變形和形成裂紋的源頭。微裂紋擴(kuò)展與連接就形成磨屑。根據(jù)凸輪輪廓與滾子的受力狀況和摩擦副的磨損特征，可以看出其失效方式與齒輪傳動(dòng)類似，屬于疲勞磨損和粘著磨損失效。凸輪和其從動(dòng)機(jī)構(gòu)滾子是以滑動(dòng)摩擦為主的點(diǎn)接觸或線接觸摩擦副。在摩擦過程中，摩擦界面的接觸首先是占總表面百分之幾的微凸體的接觸，當(dāng)載荷作用時(shí)真實(shí)接觸點(diǎn)上的應(yīng)力超過其屈服極限，將會(huì)發(fā)生塑變流動(dòng)；接觸點(diǎn)受到反復(fù)的揉擦壓力，導(dǎo)致表層分子結(jié)構(gòu)歪變，在范德華力和靜電引力等的相互作用下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的粘附作用，使界面發(fā)生“冷焊”，出現(xiàn)金屬“轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象，物質(zhì)將從摩擦副的一方轉(zhuǎn)移到摩擦副的另一方。為減輕摩擦、磨損和防止機(jī)械損傷，可以在潤(rùn)滑油中加入少量潤(rùn)滑油極壓抗磨劑，以形成具有油性(低溫、輕載荷)或極壓性(高溫、重載荷)的潤(rùn)滑油。這種添加劑在摩擦過程中能牢固吸附在金屬表面上，使界面接觸點(diǎn)的凸部填平，減少滑動(dòng)阻力和防止擦傷，并利用摩擦化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)吸附膜和半流體的潤(rùn)滑膜，承受摩擦載荷，極壓化學(xué)反應(yīng)膜對(duì)抑制邊界摩擦磨損起重要作用。

結(jié)語(yǔ)

通過以上的敘述，對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)在印刷的過程中可能產(chǎn)生失效的原因進(jìn)行了分析，在分析的過程中，對(duì)各個(gè)因素都進(jìn)行了深入的剖析，為以后在印刷中出現(xiàn)故障做出了參考，可以對(duì)故障做出事先預(yù)防，出現(xiàn)故障可以及時(shí)的進(jìn)行診斷和解決，使機(jī)器可以得到及時(shí)的維修，盡量的減少損失。在印刷行業(yè)中，如果機(jī)器出現(xiàn)了故障，將會(huì)為生產(chǎn)帶來(lái)很大的損失，所以說要對(duì)這些進(jìn)行全面的分析，綜合各方面因素進(jìn)行考量，使印刷機(jī)械能夠更好的為印刷業(yè)服務(wù)。

[1]顧文彬.凸輪機(jī)構(gòu)的摩擦磨損失效分析.紡織機(jī)械，2005.

[2]史義軍.印鈔機(jī)械共軛盤形凸輪參數(shù)設(shè)計(jì)與數(shù)控加工研究.南京理工大學(xué)，2006.

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[4] 郭忠誠(chéng)，李天培，馮有盛.凸輪摩擦副失效分析及其改進(jìn)措施，機(jī)械工程材料.1996.