橡塑用單螺桿擠出機(jī)齒輪箱輸出軸系結(jié)構(gòu)分析與改造

趙文瑜+彭超

摘要：?jiǎn)温輻U擠出機(jī)齒輪箱是橡塑行業(yè)的一種生產(chǎn)設(shè)備，由于單螺桿擠出機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性，且其在工作過(guò)程中所受的外部組合載荷作用下，經(jīng)常出現(xiàn)螺桿與機(jī)筒刮擦的現(xiàn)象，致使設(shè)備出現(xiàn)故障，且嚴(yán)重影響膠料的質(zhì)量。文章著重對(duì)齒輪箱內(nèi)部的輸出軸系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析改造，以提高齒輪箱輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度與穩(wěn)定性，同時(shí)與螺桿相連，從而保證螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，避免螺桿與機(jī)筒發(fā)生刮擦。

關(guān)鍵詞：橡塑；單螺桿擠出機(jī)齒輪箱；輸出軸系；單螺桿擠出機(jī)；結(jié)構(gòu)改造

中圖分類號(hào)：TH132文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產(chǎn)品制造行業(yè)，單螺桿擠出機(jī)設(shè)備使用較為普遍，其主要用途是對(duì)膠料進(jìn)行反復(fù)的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學(xué)性能，故該過(guò)程對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。目前，在橡塑產(chǎn)品制造企業(yè)中，單螺桿擠出機(jī)設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，主要問(wèn)題就是其中的螺桿與機(jī)筒易于發(fā)生刮擦現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常的噪音，此外螺桿與機(jī)筒刮擦產(chǎn)生的鐵銷直接進(jìn)入膠料中，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。由于該類型設(shè)備安裝緊湊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在操作空間極受限制的條件下，其維修過(guò)程中作業(yè)極其困難，給生產(chǎn)企業(yè)也帶來(lái)了直接的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)分析研究，造成該類故障的主要原因有三個(gè)方面：螺桿變形、機(jī)筒制造精度不達(dá)標(biāo)、齒輪箱輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度達(dá)不到要求或穩(wěn)定性低。其中螺桿與機(jī)筒所造成的故障可以通過(guò)改進(jìn)材料與提高加工精度的方法進(jìn)行控制，相對(duì)來(lái)說(shuō)易于避免問(wèn)題的產(chǎn)生。而目前單螺桿擠出機(jī)設(shè)備所出現(xiàn)的故障大多來(lái)自與其配套的齒輪箱，原因是齒輪箱中的輸出軸作為螺桿定位裝置的同時(shí)又受到來(lái)自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實(shí)際工作的過(guò)程中，難以達(dá)到較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，而造成螺桿的擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)。如何設(shè)計(jì)齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)心的難題。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外單螺桿齒輪箱的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，改造新型的輸出軸系定位結(jié)構(gòu)，提供運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高、工作更穩(wěn)定的單螺桿擠出機(jī)設(shè)備已迫在眉睫。文章著重對(duì)單螺桿擠出機(jī)齒輪箱的輸出軸系軸承的選取及布置型式進(jìn)行分析與改造。

2單螺桿擠出機(jī)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)及齒輪箱輸出軸受力分析

單螺桿擠出機(jī)設(shè)備通常分為兩種布置形式，即單機(jī)與復(fù)合機(jī)，單機(jī)主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪箱、螺桿、機(jī)筒等組成，復(fù)合機(jī)是由數(shù)套單機(jī)在豎直平面內(nèi)呈一定的角度組合而成，安裝極為緊湊。其中，單機(jī)的整體裝置如圖1所示：

圖1單螺桿擠出機(jī)單機(jī)整體圖

其中，齒輪箱固定在設(shè)備的底座上，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與齒輪箱連接，機(jī)筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機(jī)筒內(nèi)，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內(nèi)孔中，但要求不能與機(jī)筒內(nèi)孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機(jī)筒正上方設(shè)有進(jìn)料口，內(nèi)部的喂料齒輪副與進(jìn)膠螺紋通過(guò)與齒輪箱輸出軸的連接進(jìn)行動(dòng)力的傳遞，完成膠料的吸入。其內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)如圖2所示：

從圖2可以看出，膠料在螺桿與喂料齒輪副的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下被吸入機(jī)筒，隨著螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)，膠料將沿著機(jī)筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開(kāi)機(jī)筒。同時(shí)，膠料在擠壓過(guò)程中反復(fù)被機(jī)筒上所設(shè)置的銷釘切斷，與所添加的化學(xué)原料進(jìn)行充分的混合。故不難分析，當(dāng)螺桿在工作過(guò)程中，齒輪箱輸出軸所承受的載荷主要有：扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產(chǎn)生的彎矩。其中扭矩主要由銷釘切割膠料所產(chǎn)生，軸向推力由螺桿擠壓膠料所產(chǎn)生，徑向力為膠料進(jìn)入螺桿螺旋槽受擠壓時(shí)所產(chǎn)生。

圖2單螺桿擠出機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3齒輪箱輸出軸系結(jié)構(gòu)分析與改造

3.1軸承定位型式及其受力簡(jiǎn)析

由于單螺桿齒輪箱輸出軸所承受的載荷為扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產(chǎn)生的彎矩，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的單螺桿擠出機(jī)齒輪箱輸出軸軸承主要采用以下布置型式，如圖3、表1所示：

圖3單螺桿齒輪箱輸出軸軸承布置簡(jiǎn)圖

表1單螺桿齒輪箱輸出軸軸承幾種類型選取典例

型式 軸承一 軸承二 軸承三

1 調(diào)心軸承 調(diào)心軸承 推力軸承

2 圓錐軸承 圓錐軸承 推力軸承

3 推力軸承 調(diào)心軸承 調(diào)心軸承

說(shuō)明：Fr與Fa分別表示輸出軸所受的徑向載荷與軸向載荷；以上軸承均為滾子軸承。從表中可以看出，齒輪箱輸出軸當(dāng)前的幾種軸承布置型式均選取了推力滾子軸承，由于推力滾子軸承內(nèi)外圈為分體結(jié)構(gòu)，無(wú)法起定位作用，故其僅能承受螺桿所受的軸向力，不參與軸系的定位。結(jié)合圖2可以看出，除推力滾子軸承之外的兩個(gè)軸承起到定位整個(gè)齒輪箱輸出軸系的作用，同時(shí)承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

根據(jù)圖3與表1中所列的目前幾種常用的軸承定位型式，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行逐一分析：

型式1采用調(diào)心滾子軸承對(duì)齒輪箱輸出軸系進(jìn)行定位，推力滾子軸承置于外側(cè)，靠近輸出軸所受載荷的位置。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定時(shí)，其內(nèi)圈具有軸線自動(dòng)調(diào)整的功能，對(duì)齒輪箱箱體軸承孔的同軸度誤差敏感度較低，有利于輸出軸系中齒輪副的嚙合。缺點(diǎn)：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個(gè)調(diào)心滾子軸承跨距較小，故對(duì)于整個(gè)輸出軸系定位的穩(wěn)定性不佳；調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定在軸承孔中時(shí)，由于其內(nèi)圈具有自調(diào)心功能，故在齒輪箱輸出軸承受徑向力時(shí)，其軸系中心線會(huì)有一定程度的偏離，從而導(dǎo)致螺桿軸線的偏離；由于推力滾子軸承在裝配中需要預(yù)緊，若圖3中的軸承二為調(diào)心滾子軸承，對(duì)推力滾子軸承的預(yù)緊操作較為困難，且實(shí)際預(yù)緊效果并不理想；此外，在對(duì)推力滾子軸承的預(yù)緊操作過(guò)程中，其實(shí)是通過(guò)對(duì)調(diào)整調(diào)心滾子軸承的軸向游隙的調(diào)整迫使推力滾子軸承內(nèi)外圈進(jìn)行一定程度的預(yù)緊，與此同時(shí)，調(diào)心滾子軸承內(nèi)部處于一個(gè)單列滾子受力的狀態(tài)，另一列滾子則處于放松狀態(tài)，故不利于其承受徑向力，長(zhǎng)此以往，該調(diào)心滾子軸承容易損毀。

型式2相比型式1將調(diào)心滾子軸承換成了圓錐滾子軸承。目前，國(guó)內(nèi)有較多單螺桿擠出機(jī)齒輪箱制造企業(yè)采用這種輸出軸軸承定位型式，其優(yōu)點(diǎn)是采用圓錐滾子軸承對(duì)推力滾子軸承預(yù)緊的操作較為簡(jiǎn)單，因?yàn)橹恍枰獙⑽挥谳S承一位置處的圓錐滾子軸承進(jìn)行軸向間隙的調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)。但其缺點(diǎn)也存在于在預(yù)緊操作過(guò)程中的量化問(wèn)題，若圓錐滾子軸承預(yù)緊不夠，便會(huì)出現(xiàn)軸系徑向游隙超差，從而導(dǎo)致螺桿軸線偏離；若圓錐滾子軸承預(yù)緊過(guò)度，在齒輪箱實(shí)際工作時(shí)該圓錐滾子軸承極有可能率先承受軸向推力，由于該軸向推力遠(yuǎn)超出了該圓錐滾子軸承軸向力的承受范圍，故其將會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)

損毀。

型式3目前主要被國(guó)外齒輪箱制造企業(yè)所采用，由于采購(gòu)非標(biāo)設(shè)計(jì)的國(guó)外齒輪箱價(jià)格昂貴，故齒輪箱制造企業(yè)往往在通用標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，如型式3，即在齒輪箱外側(cè)增加一處推力軸承裝置，便可承受螺桿工作時(shí)產(chǎn)生的軸向推力。僅針對(duì)齒輪箱的使用性能而言，該結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何優(yōu)點(diǎn)，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經(jīng)過(guò)齒輪箱后作用在推力軸承上，推力軸承再將軸向推力傳遞在齒輪箱外側(cè)，該力可能會(huì)導(dǎo)致箱體產(chǎn)生變形；其次，由于推力軸承距載荷位置較遠(yuǎn)，容易導(dǎo)致輸出軸產(chǎn)生彎曲變形；最后，該定位型式同樣具有型式1中所存在的缺點(diǎn)。

3.3軸承定位型式的改造設(shè)計(jì)

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現(xiàn)針對(duì)單螺桿擠出機(jī)齒輪箱輸出軸系進(jìn)行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結(jié)合圖3，參見(jiàn)表2：

表2單螺桿齒輪箱輸出軸軸承類型選取

軸承一 軸承二 軸承三

圓柱軸承 推力軸承 圓柱軸承

該新軸承定位型式選用了圓柱滾子軸承，并將兩個(gè)圓柱滾子軸承置于輸出軸兩側(cè)，推力滾子軸承置于之間。該定位型式具有以下優(yōu)點(diǎn)：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強(qiáng)，徑向定位精度高且穩(wěn)定可靠；圓柱滾子軸承位于輸出軸的兩側(cè)加大了定位跨距，提升了整個(gè)軸系定位的穩(wěn)定性；由于選定的圓柱滾子軸承不承受軸向力，故對(duì)推力滾子軸承進(jìn)行預(yù)緊后，在螺桿工作的過(guò)程中不會(huì)存在圓柱滾子軸承承受軸向推力的情況，故保證了定位軸承的正常受力與運(yùn)行；此外，相對(duì)而言，該類型齒輪箱中輸出軸圓柱滾子軸承的壽命比推力滾子軸承的壽命要短，將圓柱滾子軸承置于齒輪箱輸出軸的兩側(cè)，便于其安裝與更換，可節(jié)省維修的時(shí)間，縮小設(shè)備故障造成的損失。但另一方面，由于圓柱滾子軸承對(duì)安裝其箱體的軸承孔同軸度偏差十分敏感，若同軸系的定位軸承孔出現(xiàn)超差，該類型軸承容易出現(xiàn)應(yīng)力集中及邊界磨損，致使其滾子與滾道損壞。但隨著當(dāng)前齒輪箱加工設(shè)備的不斷革新?lián)Q代，其相關(guān)零部件的制造精度也會(huì)不斷提高，產(chǎn)品的精細(xì)化也必定是機(jī)械產(chǎn)品制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

4結(jié)語(yǔ)

目前，我公司單螺桿齒輪箱部分產(chǎn)品已實(shí)施輸出軸系定位結(jié)構(gòu)的改造，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)對(duì)比其輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度大有提高，相信在實(shí)際使用的過(guò)程中螺桿運(yùn)行的精度與穩(wěn)定性會(huì)有良好的表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2卷）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

[2]潘龍，張玉霞，金志明，薛平．單螺桿擠出機(jī)擠出理論研究進(jìn)展[J]．中國(guó)塑料，2009，（5）．

作者簡(jiǎn)介：趙文瑜（1984-），男，江蘇南京人，南京寧嘉機(jī)電有限公司工程師，研究方向：齒輪箱的研發(fā)設(shè)計(jì)。

摘要：?jiǎn)温輻U擠出機(jī)齒輪箱是橡塑行業(yè)的一種生產(chǎn)設(shè)備，由于單螺桿擠出機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性，且其在工作過(guò)程中所受的外部組合載荷作用下，經(jīng)常出現(xiàn)螺桿與機(jī)筒刮擦的現(xiàn)象，致使設(shè)備出現(xiàn)故障，且嚴(yán)重影響膠料的質(zhì)量。文章著重對(duì)齒輪箱內(nèi)部的輸出軸系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析改造，以提高齒輪箱輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度與穩(wěn)定性，同時(shí)與螺桿相連，從而保證螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，避免螺桿與機(jī)筒發(fā)生刮擦。

關(guān)鍵詞：橡塑；單螺桿擠出機(jī)齒輪箱；輸出軸系；單螺桿擠出機(jī)；結(jié)構(gòu)改造

中圖分類號(hào)：TH132文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產(chǎn)品制造行業(yè)，單螺桿擠出機(jī)設(shè)備使用較為普遍，其主要用途是對(duì)膠料進(jìn)行反復(fù)的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學(xué)性能，故該過(guò)程對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。目前，在橡塑產(chǎn)品制造企業(yè)中，單螺桿擠出機(jī)設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，主要問(wèn)題就是其中的螺桿與機(jī)筒易于發(fā)生刮擦現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常的噪音，此外螺桿與機(jī)筒刮擦產(chǎn)生的鐵銷直接進(jìn)入膠料中，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。由于該類型設(shè)備安裝緊湊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在操作空間極受限制的條件下，其維修過(guò)程中作業(yè)極其困難，給生產(chǎn)企業(yè)也帶來(lái)了直接的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)分析研究，造成該類故障的主要原因有三個(gè)方面：螺桿變形、機(jī)筒制造精度不達(dá)標(biāo)、齒輪箱輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度達(dá)不到要求或穩(wěn)定性低。其中螺桿與機(jī)筒所造成的故障可以通過(guò)改進(jìn)材料與提高加工精度的方法進(jìn)行控制，相對(duì)來(lái)說(shuō)易于避免問(wèn)題的產(chǎn)生。而目前單螺桿擠出機(jī)設(shè)備所出現(xiàn)的故障大多來(lái)自與其配套的齒輪箱，原因是齒輪箱中的輸出軸作為螺桿定位裝置的同時(shí)又受到來(lái)自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實(shí)際工作的過(guò)程中，難以達(dá)到較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，而造成螺桿的擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)。如何設(shè)計(jì)齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)心的難題。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外單螺桿齒輪箱的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，改造新型的輸出軸系定位結(jié)構(gòu)，提供運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高、工作更穩(wěn)定的單螺桿擠出機(jī)設(shè)備已迫在眉睫。文章著重對(duì)單螺桿擠出機(jī)齒輪箱的輸出軸系軸承的選取及布置型式進(jìn)行分析與改造。

2單螺桿擠出機(jī)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)及齒輪箱輸出軸受力分析

單螺桿擠出機(jī)設(shè)備通常分為兩種布置形式，即單機(jī)與復(fù)合機(jī)，單機(jī)主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪箱、螺桿、機(jī)筒等組成，復(fù)合機(jī)是由數(shù)套單機(jī)在豎直平面內(nèi)呈一定的角度組合而成，安裝極為緊湊。其中，單機(jī)的整體裝置如圖1所示：

圖1單螺桿擠出機(jī)單機(jī)整體圖

其中，齒輪箱固定在設(shè)備的底座上，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與齒輪箱連接，機(jī)筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機(jī)筒內(nèi)，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內(nèi)孔中，但要求不能與機(jī)筒內(nèi)孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機(jī)筒正上方設(shè)有進(jìn)料口，內(nèi)部的喂料齒輪副與進(jìn)膠螺紋通過(guò)與齒輪箱輸出軸的連接進(jìn)行動(dòng)力的傳遞，完成膠料的吸入。其內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)如圖2所示：

從圖2可以看出，膠料在螺桿與喂料齒輪副的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下被吸入機(jī)筒，隨著螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)，膠料將沿著機(jī)筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開(kāi)機(jī)筒。同時(shí)，膠料在擠壓過(guò)程中反復(fù)被機(jī)筒上所設(shè)置的銷釘切斷，與所添加的化學(xué)原料進(jìn)行充分的混合。故不難分析，當(dāng)螺桿在工作過(guò)程中，齒輪箱輸出軸所承受的載荷主要有：扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產(chǎn)生的彎矩。其中扭矩主要由銷釘切割膠料所產(chǎn)生，軸向推力由螺桿擠壓膠料所產(chǎn)生，徑向力為膠料進(jìn)入螺桿螺旋槽受擠壓時(shí)所產(chǎn)生。

圖2單螺桿擠出機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3齒輪箱輸出軸系結(jié)構(gòu)分析與改造

3.1軸承定位型式及其受力簡(jiǎn)析

由于單螺桿齒輪箱輸出軸所承受的載荷為扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產(chǎn)生的彎矩，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的單螺桿擠出機(jī)齒輪箱輸出軸軸承主要采用以下布置型式，如圖3、表1所示：

圖3單螺桿齒輪箱輸出軸軸承布置簡(jiǎn)圖

表1單螺桿齒輪箱輸出軸軸承幾種類型選取典例

型式 軸承一 軸承二 軸承三

1 調(diào)心軸承 調(diào)心軸承 推力軸承

2 圓錐軸承 圓錐軸承 推力軸承

3 推力軸承 調(diào)心軸承 調(diào)心軸承

說(shuō)明：Fr與Fa分別表示輸出軸所受的徑向載荷與軸向載荷；以上軸承均為滾子軸承。從表中可以看出，齒輪箱輸出軸當(dāng)前的幾種軸承布置型式均選取了推力滾子軸承，由于推力滾子軸承內(nèi)外圈為分體結(jié)構(gòu)，無(wú)法起定位作用，故其僅能承受螺桿所受的軸向力，不參與軸系的定位。結(jié)合圖2可以看出，除推力滾子軸承之外的兩個(gè)軸承起到定位整個(gè)齒輪箱輸出軸系的作用，同時(shí)承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

根據(jù)圖3與表1中所列的目前幾種常用的軸承定位型式，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行逐一分析：

型式1采用調(diào)心滾子軸承對(duì)齒輪箱輸出軸系進(jìn)行定位，推力滾子軸承置于外側(cè)，靠近輸出軸所受載荷的位置。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定時(shí)，其內(nèi)圈具有軸線自動(dòng)調(diào)整的功能，對(duì)齒輪箱箱體軸承孔的同軸度誤差敏感度較低，有利于輸出軸系中齒輪副的嚙合。缺點(diǎn)：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個(gè)調(diào)心滾子軸承跨距較小，故對(duì)于整個(gè)輸出軸系定位的穩(wěn)定性不佳；調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定在軸承孔中時(shí)，由于其內(nèi)圈具有自調(diào)心功能，故在齒輪箱輸出軸承受徑向力時(shí)，其軸系中心線會(huì)有一定程度的偏離，從而導(dǎo)致螺桿軸線的偏離；由于推力滾子軸承在裝配中需要預(yù)緊，若圖3中的軸承二為調(diào)心滾子軸承，對(duì)推力滾子軸承的預(yù)緊操作較為困難，且實(shí)際預(yù)緊效果并不理想；此外，在對(duì)推力滾子軸承的預(yù)緊操作過(guò)程中，其實(shí)是通過(guò)對(duì)調(diào)整調(diào)心滾子軸承的軸向游隙的調(diào)整迫使推力滾子軸承內(nèi)外圈進(jìn)行一定程度的預(yù)緊，與此同時(shí)，調(diào)心滾子軸承內(nèi)部處于一個(gè)單列滾子受力的狀態(tài)，另一列滾子則處于放松狀態(tài)，故不利于其承受徑向力，長(zhǎng)此以往，該調(diào)心滾子軸承容易損毀。

型式2相比型式1將調(diào)心滾子軸承換成了圓錐滾子軸承。目前，國(guó)內(nèi)有較多單螺桿擠出機(jī)齒輪箱制造企業(yè)采用這種輸出軸軸承定位型式，其優(yōu)點(diǎn)是采用圓錐滾子軸承對(duì)推力滾子軸承預(yù)緊的操作較為簡(jiǎn)單，因?yàn)橹恍枰獙⑽挥谳S承一位置處的圓錐滾子軸承進(jìn)行軸向間隙的調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)。但其缺點(diǎn)也存在于在預(yù)緊操作過(guò)程中的量化問(wèn)題，若圓錐滾子軸承預(yù)緊不夠，便會(huì)出現(xiàn)軸系徑向游隙超差，從而導(dǎo)致螺桿軸線偏離；若圓錐滾子軸承預(yù)緊過(guò)度，在齒輪箱實(shí)際工作時(shí)該圓錐滾子軸承極有可能率先承受軸向推力，由于該軸向推力遠(yuǎn)超出了該圓錐滾子軸承軸向力的承受范圍，故其將會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)

損毀。

型式3目前主要被國(guó)外齒輪箱制造企業(yè)所采用，由于采購(gòu)非標(biāo)設(shè)計(jì)的國(guó)外齒輪箱價(jià)格昂貴，故齒輪箱制造企業(yè)往往在通用標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，如型式3，即在齒輪箱外側(cè)增加一處推力軸承裝置，便可承受螺桿工作時(shí)產(chǎn)生的軸向推力。僅針對(duì)齒輪箱的使用性能而言，該結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何優(yōu)點(diǎn)，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經(jīng)過(guò)齒輪箱后作用在推力軸承上，推力軸承再將軸向推力傳遞在齒輪箱外側(cè)，該力可能會(huì)導(dǎo)致箱體產(chǎn)生變形；其次，由于推力軸承距載荷位置較遠(yuǎn)，容易導(dǎo)致輸出軸產(chǎn)生彎曲變形；最后，該定位型式同樣具有型式1中所存在的缺點(diǎn)。

3.3軸承定位型式的改造設(shè)計(jì)

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現(xiàn)針對(duì)單螺桿擠出機(jī)齒輪箱輸出軸系進(jìn)行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結(jié)合圖3，參見(jiàn)表2：

表2單螺桿齒輪箱輸出軸軸承類型選取

軸承一 軸承二 軸承三

圓柱軸承 推力軸承 圓柱軸承

該新軸承定位型式選用了圓柱滾子軸承，并將兩個(gè)圓柱滾子軸承置于輸出軸兩側(cè)，推力滾子軸承置于之間。該定位型式具有以下優(yōu)點(diǎn)：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強(qiáng)，徑向定位精度高且穩(wěn)定可靠；圓柱滾子軸承位于輸出軸的兩側(cè)加大了定位跨距，提升了整個(gè)軸系定位的穩(wěn)定性；由于選定的圓柱滾子軸承不承受軸向力，故對(duì)推力滾子軸承進(jìn)行預(yù)緊后，在螺桿工作的過(guò)程中不會(huì)存在圓柱滾子軸承承受軸向推力的情況，故保證了定位軸承的正常受力與運(yùn)行；此外，相對(duì)而言，該類型齒輪箱中輸出軸圓柱滾子軸承的壽命比推力滾子軸承的壽命要短，將圓柱滾子軸承置于齒輪箱輸出軸的兩側(cè)，便于其安裝與更換，可節(jié)省維修的時(shí)間，縮小設(shè)備故障造成的損失。但另一方面，由于圓柱滾子軸承對(duì)安裝其箱體的軸承孔同軸度偏差十分敏感，若同軸系的定位軸承孔出現(xiàn)超差，該類型軸承容易出現(xiàn)應(yīng)力集中及邊界磨損，致使其滾子與滾道損壞。但隨著當(dāng)前齒輪箱加工設(shè)備的不斷革新?lián)Q代，其相關(guān)零部件的制造精度也會(huì)不斷提高，產(chǎn)品的精細(xì)化也必定是機(jī)械產(chǎn)品制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

4結(jié)語(yǔ)

目前，我公司單螺桿齒輪箱部分產(chǎn)品已實(shí)施輸出軸系定位結(jié)構(gòu)的改造，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)對(duì)比其輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度大有提高，相信在實(shí)際使用的過(guò)程中螺桿運(yùn)行的精度與穩(wěn)定性會(huì)有良好的表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2卷）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

[2]潘龍，張玉霞，金志明，薛平．單螺桿擠出機(jī)擠出理論研究進(jìn)展[J]．中國(guó)塑料，2009，（5）．

作者簡(jiǎn)介：趙文瑜（1984-），男，江蘇南京人，南京寧嘉機(jī)電有限公司工程師，研究方向：齒輪箱的研發(fā)設(shè)計(jì)。

摘要：?jiǎn)温輻U擠出機(jī)齒輪箱是橡塑行業(yè)的一種生產(chǎn)設(shè)備，由于單螺桿擠出機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性，且其在工作過(guò)程中所受的外部組合載荷作用下，經(jīng)常出現(xiàn)螺桿與機(jī)筒刮擦的現(xiàn)象，致使設(shè)備出現(xiàn)故障，且嚴(yán)重影響膠料的質(zhì)量。文章著重對(duì)齒輪箱內(nèi)部的輸出軸系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析改造，以提高齒輪箱輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度與穩(wěn)定性，同時(shí)與螺桿相連，從而保證螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，避免螺桿與機(jī)筒發(fā)生刮擦。

關(guān)鍵詞：橡塑；單螺桿擠出機(jī)齒輪箱；輸出軸系；單螺桿擠出機(jī)；結(jié)構(gòu)改造

中圖分類號(hào)：TH132文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產(chǎn)品制造行業(yè)，單螺桿擠出機(jī)設(shè)備使用較為普遍，其主要用途是對(duì)膠料進(jìn)行反復(fù)的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學(xué)性能，故該過(guò)程對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量起著關(guān)鍵性的作用。目前，在橡塑產(chǎn)品制造企業(yè)中，單螺桿擠出機(jī)設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，主要問(wèn)題就是其中的螺桿與機(jī)筒易于發(fā)生刮擦現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常的噪音，此外螺桿與機(jī)筒刮擦產(chǎn)生的鐵銷直接進(jìn)入膠料中，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。由于該類型設(shè)備安裝緊湊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在操作空間極受限制的條件下，其維修過(guò)程中作業(yè)極其困難，給生產(chǎn)企業(yè)也帶來(lái)了直接的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)分析研究，造成該類故障的主要原因有三個(gè)方面：螺桿變形、機(jī)筒制造精度不達(dá)標(biāo)、齒輪箱輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度達(dá)不到要求或穩(wěn)定性低。其中螺桿與機(jī)筒所造成的故障可以通過(guò)改進(jìn)材料與提高加工精度的方法進(jìn)行控制，相對(duì)來(lái)說(shuō)易于避免問(wèn)題的產(chǎn)生。而目前單螺桿擠出機(jī)設(shè)備所出現(xiàn)的故障大多來(lái)自與其配套的齒輪箱，原因是齒輪箱中的輸出軸作為螺桿定位裝置的同時(shí)又受到來(lái)自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實(shí)際工作的過(guò)程中，難以達(dá)到較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，而造成螺桿的擺動(dòng)旋轉(zhuǎn)。如何設(shè)計(jì)齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)心的難題。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外單螺桿齒輪箱的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，改造新型的輸出軸系定位結(jié)構(gòu)，提供運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高、工作更穩(wěn)定的單螺桿擠出機(jī)設(shè)備已迫在眉睫。文章著重對(duì)單螺桿擠出機(jī)齒輪箱的輸出軸系軸承的選取及布置型式進(jìn)行分析與改造。

2單螺桿擠出機(jī)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)及齒輪箱輸出軸受力分析

單螺桿擠出機(jī)設(shè)備通常分為兩種布置形式，即單機(jī)與復(fù)合機(jī)，單機(jī)主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、齒輪箱、螺桿、機(jī)筒等組成，復(fù)合機(jī)是由數(shù)套單機(jī)在豎直平面內(nèi)呈一定的角度組合而成，安裝極為緊湊。其中，單機(jī)的整體裝置如圖1所示：

圖1單螺桿擠出機(jī)單機(jī)整體圖

其中，齒輪箱固定在設(shè)備的底座上，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與齒輪箱連接，機(jī)筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機(jī)筒內(nèi)，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內(nèi)孔中，但要求不能與機(jī)筒內(nèi)孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機(jī)筒正上方設(shè)有進(jìn)料口，內(nèi)部的喂料齒輪副與進(jìn)膠螺紋通過(guò)與齒輪箱輸出軸的連接進(jìn)行動(dòng)力的傳遞，完成膠料的吸入。其內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)如圖2所示：

從圖2可以看出，膠料在螺桿與喂料齒輪副的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下被吸入機(jī)筒，隨著螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)，膠料將沿著機(jī)筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開(kāi)機(jī)筒。同時(shí)，膠料在擠壓過(guò)程中反復(fù)被機(jī)筒上所設(shè)置的銷釘切斷，與所添加的化學(xué)原料進(jìn)行充分的混合。故不難分析，當(dāng)螺桿在工作過(guò)程中，齒輪箱輸出軸所承受的載荷主要有：扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產(chǎn)生的彎矩。其中扭矩主要由銷釘切割膠料所產(chǎn)生，軸向推力由螺桿擠壓膠料所產(chǎn)生，徑向力為膠料進(jìn)入螺桿螺旋槽受擠壓時(shí)所產(chǎn)生。

圖2單螺桿擠出機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

3齒輪箱輸出軸系結(jié)構(gòu)分析與改造

3.1軸承定位型式及其受力簡(jiǎn)析

由于單螺桿齒輪箱輸出軸所承受的載荷為扭矩、軸向推力、徑向力及徑向力所產(chǎn)生的彎矩，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的單螺桿擠出機(jī)齒輪箱輸出軸軸承主要采用以下布置型式，如圖3、表1所示：

圖3單螺桿齒輪箱輸出軸軸承布置簡(jiǎn)圖

表1單螺桿齒輪箱輸出軸軸承幾種類型選取典例

型式 軸承一 軸承二 軸承三

1 調(diào)心軸承 調(diào)心軸承 推力軸承

2 圓錐軸承 圓錐軸承 推力軸承

3 推力軸承 調(diào)心軸承 調(diào)心軸承

說(shuō)明：Fr與Fa分別表示輸出軸所受的徑向載荷與軸向載荷；以上軸承均為滾子軸承。從表中可以看出，齒輪箱輸出軸當(dāng)前的幾種軸承布置型式均選取了推力滾子軸承，由于推力滾子軸承內(nèi)外圈為分體結(jié)構(gòu)，無(wú)法起定位作用，故其僅能承受螺桿所受的軸向力，不參與軸系的定位。結(jié)合圖2可以看出，除推力滾子軸承之外的兩個(gè)軸承起到定位整個(gè)齒輪箱輸出軸系的作用，同時(shí)承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優(yōu)缺點(diǎn)分析

根據(jù)圖3與表1中所列的目前幾種常用的軸承定位型式，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)其進(jìn)行逐一分析：

型式1采用調(diào)心滾子軸承對(duì)齒輪箱輸出軸系進(jìn)行定位，推力滾子軸承置于外側(cè)，靠近輸出軸所受載荷的位置。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定時(shí)，其內(nèi)圈具有軸線自動(dòng)調(diào)整的功能，對(duì)齒輪箱箱體軸承孔的同軸度誤差敏感度較低，有利于輸出軸系中齒輪副的嚙合。缺點(diǎn)：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個(gè)調(diào)心滾子軸承跨距較小，故對(duì)于整個(gè)輸出軸系定位的穩(wěn)定性不佳；調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定在軸承孔中時(shí)，由于其內(nèi)圈具有自調(diào)心功能，故在齒輪箱輸出軸承受徑向力時(shí)，其軸系中心線會(huì)有一定程度的偏離，從而導(dǎo)致螺桿軸線的偏離；由于推力滾子軸承在裝配中需要預(yù)緊，若圖3中的軸承二為調(diào)心滾子軸承，對(duì)推力滾子軸承的預(yù)緊操作較為困難，且實(shí)際預(yù)緊效果并不理想；此外，在對(duì)推力滾子軸承的預(yù)緊操作過(guò)程中，其實(shí)是通過(guò)對(duì)調(diào)整調(diào)心滾子軸承的軸向游隙的調(diào)整迫使推力滾子軸承內(nèi)外圈進(jìn)行一定程度的預(yù)緊，與此同時(shí)，調(diào)心滾子軸承內(nèi)部處于一個(gè)單列滾子受力的狀態(tài)，另一列滾子則處于放松狀態(tài)，故不利于其承受徑向力，長(zhǎng)此以往，該調(diào)心滾子軸承容易損毀。

型式2相比型式1將調(diào)心滾子軸承換成了圓錐滾子軸承。目前，國(guó)內(nèi)有較多單螺桿擠出機(jī)齒輪箱制造企業(yè)采用這種輸出軸軸承定位型式，其優(yōu)點(diǎn)是采用圓錐滾子軸承對(duì)推力滾子軸承預(yù)緊的操作較為簡(jiǎn)單，因?yàn)橹恍枰獙⑽挥谳S承一位置處的圓錐滾子軸承進(jìn)行軸向間隙的調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)。但其缺點(diǎn)也存在于在預(yù)緊操作過(guò)程中的量化問(wèn)題，若圓錐滾子軸承預(yù)緊不夠，便會(huì)出現(xiàn)軸系徑向游隙超差，從而導(dǎo)致螺桿軸線偏離；若圓錐滾子軸承預(yù)緊過(guò)度，在齒輪箱實(shí)際工作時(shí)該圓錐滾子軸承極有可能率先承受軸向推力，由于該軸向推力遠(yuǎn)超出了該圓錐滾子軸承軸向力的承受范圍，故其將會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)

損毀。

型式3目前主要被國(guó)外齒輪箱制造企業(yè)所采用，由于采購(gòu)非標(biāo)設(shè)計(jì)的國(guó)外齒輪箱價(jià)格昂貴，故齒輪箱制造企業(yè)往往在通用標(biāo)準(zhǔn)齒輪箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，如型式3，即在齒輪箱外側(cè)增加一處推力軸承裝置，便可承受螺桿工作時(shí)產(chǎn)生的軸向推力。僅針對(duì)齒輪箱的使用性能而言，該結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何優(yōu)點(diǎn)，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經(jīng)過(guò)齒輪箱后作用在推力軸承上，推力軸承再將軸向推力傳遞在齒輪箱外側(cè)，該力可能會(huì)導(dǎo)致箱體產(chǎn)生變形；其次，由于推力軸承距載荷位置較遠(yuǎn)，容易導(dǎo)致輸出軸產(chǎn)生彎曲變形；最后，該定位型式同樣具有型式1中所存在的缺點(diǎn)。

3.3軸承定位型式的改造設(shè)計(jì)

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現(xiàn)針對(duì)單螺桿擠出機(jī)齒輪箱輸出軸系進(jìn)行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結(jié)合圖3，參見(jiàn)表2：

表2單螺桿齒輪箱輸出軸軸承類型選取

軸承一 軸承二 軸承三

圓柱軸承 推力軸承 圓柱軸承

該新軸承定位型式選用了圓柱滾子軸承，并將兩個(gè)圓柱滾子軸承置于輸出軸兩側(cè)，推力滾子軸承置于之間。該定位型式具有以下優(yōu)點(diǎn)：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強(qiáng)，徑向定位精度高且穩(wěn)定可靠；圓柱滾子軸承位于輸出軸的兩側(cè)加大了定位跨距，提升了整個(gè)軸系定位的穩(wěn)定性；由于選定的圓柱滾子軸承不承受軸向力，故對(duì)推力滾子軸承進(jìn)行預(yù)緊后，在螺桿工作的過(guò)程中不會(huì)存在圓柱滾子軸承承受軸向推力的情況，故保證了定位軸承的正常受力與運(yùn)行；此外，相對(duì)而言，該類型齒輪箱中輸出軸圓柱滾子軸承的壽命比推力滾子軸承的壽命要短，將圓柱滾子軸承置于齒輪箱輸出軸的兩側(cè)，便于其安裝與更換，可節(jié)省維修的時(shí)間，縮小設(shè)備故障造成的損失。但另一方面，由于圓柱滾子軸承對(duì)安裝其箱體的軸承孔同軸度偏差十分敏感，若同軸系的定位軸承孔出現(xiàn)超差，該類型軸承容易出現(xiàn)應(yīng)力集中及邊界磨損，致使其滾子與滾道損壞。但隨著當(dāng)前齒輪箱加工設(shè)備的不斷革新?lián)Q代，其相關(guān)零部件的制造精度也會(huì)不斷提高，產(chǎn)品的精細(xì)化也必定是機(jī)械產(chǎn)品制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

4結(jié)語(yǔ)

目前，我公司單螺桿齒輪箱部分產(chǎn)品已實(shí)施輸出軸系定位結(jié)構(gòu)的改造，經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)對(duì)比其輸出軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度大有提高，相信在實(shí)際使用的過(guò)程中螺桿運(yùn)行的精度與穩(wěn)定性會(huì)有良好的表現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2卷）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

[2]潘龍，張玉霞，金志明，薛平．單螺桿擠出機(jī)擠出理論研究進(jìn)展[J]．中國(guó)塑料，2009，（5）．

作者簡(jiǎn)介：趙文瑜（1984-），男，江蘇南京人，南京寧嘉機(jī)電有限公司工程師，研究方向：齒輪箱的研發(fā)設(shè)計(jì)。