基于一體化點焊機轉環構件的應用分析

鮑維霜，仲巖，左安邦

天津七所高科技有限公司，天津，300400

0 引言

一體化點焊機常應用在一些機械設備的生產線中，其點焊機主要由轉環構件、阻焊變壓器、氣缸、吊桿、焊臂以及一些配套設備組成，上述結構件均與轉環結構相連接，即整臺電焊機可圍繞中軸轉環構件進行轉動，其轉環是否流暢且靈活會直接影響到設備的使用和工作效率。為此，本文將從幾種常見的軸承結構角度入手，分析各種可用在一體化點焊機軸承結構設計的利弊，并基于此提出一種四點接觸轉盤球軸承結構的優化方法。該方法可解決負游隙與摩擦力間比值關系的問題，找出轉環軸承的最佳摩擦力矩，以此優化一體化點焊機轉環結構的操作流暢性。

1 常見軸承結構分析

1.1 深溝球軸承組件結構

深溝球軸承是現階段市面上最常見的滾動軸承，所受載荷力主要包括徑向載荷和少量的軸向載荷，該類軸承非常耐用，可適用于各種復雜環境[1]。應用在點焊機轉環上的深溝球軸承以單列深溝球軸承為主，該類軸承主要由轉環內外環、深溝球軸承以及軸承內外圈壓板等結構組成，一體化點焊機使用深溝球軸承的主要優勢在于該軸承技術相對成熟，具有成本低、質量可靠和環境抗性強等特性，并且轉環內、外環的加工要求相對較低，在有充足潤滑的條件下轉動較為靈活且在特殊環境下不會對低速轉動產生影響[2]。但該軸承制成的轉環構件尺寸相對較大，導致對應的轉環組件尺寸也需要隨之增加，這種大直徑轉環制成的一體化點焊機不具有人體工學性質，實際操作效果和適用性相對較差[3]。

1.2 無內外圈單鋼球滾動體類軸承結構

該類軸承與深溝球軸承的結構設計相似，同樣是將點焊機的轉環組件作為軸承的外圈和內圈結構，而內部鋼球則作為滾動體在轉環內轉動，以此形成無內外圈結構的單鋼球滾動體類軸承[4]。從裝有該軸承的一體化點焊機角度來看，該軸承主要由轉環外內環和鋼球結構組成，該設計方式具有結構簡單緊湊和輕量化的特點，雖然可以在一定程度上縮小點焊機轉環尺寸，但因轉環內外環作為轉動軸承的一部分，其尺寸的公差和加工精度會存在差異問題，并且在軸承受損之后無法通過簡單的拆卸更換進行維修[5]。

1.3 四點接觸薄壁軸承結構

四點接觸薄壁軸承屬于薄壁定截面軸承的一種，此軸承的徑向截面不會隨軸承內徑的變化而發生變化，因此該類軸承也被稱為“等截面軸承”。因該軸承使用四點接觸形式設計，因此可承受一體化點焊機轉環結構的徑向載荷、傾覆力矩以及雙向軸向載荷等承載力，符合現階段機械設備生產線對一體化點焊機轉環構件的需求。四點接觸薄壁軸承制成的點焊機轉環結構包括轉環內外環、四點接觸薄壁軸承以及軸承內外圈壓板。該類軸承與深溝球軸承相比可實現小型化和輕量化的點焊機轉環結構設計，并且該軸承等截面的設計特點使得轉環外環可以在不同徑向尺寸條件下實現軸向尺寸相同的設計[6]。但是該類軸承因軸壁十分輕薄，導致機械化生產難度較大，并且不同批次的加工質量難以保證統一。

2 摩擦力矩模型

基于上述分析，本文將對四點接觸薄壁軸承制成一體化點焊機轉環結構進行分析，進一步探究其摩擦力矩與負游隙間的關系。該軸承的摩擦來源主要有鋼球——滾道滾動摩擦、滑動摩擦組成以及潤滑劑的黏性摩擦。從一體化點焊機的實際應用可知，一般操作動作對點焊機四點接觸轉盤軸承要求的轉速很低，因此可不計保持架、鋼球與潤滑劑等相互摩擦帶來的阻力，只對鋼球與溝道相互摩擦產生的彈性滯后摩擦、鋼球與滾道相互摩擦產生的差動滑動摩擦以及鋼球自旋產生的滑動摩擦進行分析。

2.1 彈性滯后引起的摩擦力矩

一體化點焊機轉環的四點接觸薄壁軸承因材料彈性滯后性質，導致鋼球在溝道上運動時產生的摩擦力矩為：

式中，DW表示軸承內鋼球的直徑；α0表示初始接觸角；β表示彈性滯后系數，本文取0.007；dm表示軸承節圓的直徑；V表示過渡變量；Z表示軸承內鋼球個數；μ表示初始游隙；ai(e)表示接觸橢圓長半軸；bi(e)表示接觸橢圓短半軸；F表示第一類橢圓的積分；E表示第二類橢圓的積分；∑ρi(e)表示兩接觸面曲率的和；E'表示綜合彈性模量；Eb表示鋼球彈性模量；Ei(e)表示套圈彈性模量；v表示泊松比；Qi(e)表示接觸載荷。其中下標i表示內滾道，e代表外滾道。

2.2 差動滑動引起的摩擦力矩

式中，fs表示滑動摩擦因數，本文取0.08；fi(e)表示溝曲率系數；U表示過渡變量；dm表示軸承節圓直徑；

2.3 自旋滑動引起的摩擦力矩

式中，ai(e)表示軸承工作接觸角。

由上述分析可得到整套軸承在轉環下的摩擦力矩，即：

3 結果與分析

本文將以HKA020X四點接觸球轉盤軸承為例進行研究，詳細參數如表1所示[7]。該軸承可用于一體化點焊機轉環結構設計，是一種兼具輕量化、小型化、高硬度和抗磨損的軸承。若設該軸承在點焊機轉環下所承受的徑向載荷、軸向載荷和傾覆力矩均為0，則在式（1）-（13）中可通過改變游隙值的大小獲得不同游隙值時的軸承摩擦力矩。

表1 HKA020X四點接觸球轉盤軸承的詳細參數

3.1 理論分析結果

以DN2-25XT一體化點焊機為例驗證HKA020X四點接觸球轉盤軸承在轉環結構中的摩擦力矩。由式（13）可得出點焊機負游隙值與啟動力矩關系，如圖1所示。從圖中曲線變化可看出，隨著游隙值的不斷減少其摩擦力矩處于不斷上升狀態，并且上升幅度不斷增大。造成該現象的主要原因是，隨著游隙的減小軸承內鋼球與滾道間的接觸形變和接觸面積會不斷增大，進而導致摩擦力也會隨之增大，因此該軸承的摩擦力矩會隨著游隙變化而增大。

圖1 負游隙值與啟動摩擦力矩間的關系

3.2 試驗驗證

通常情況下此軸承的游隙值無法通過儀器或人工的方式直接獲得，但可通過測量軸承內、外圈滾道尺寸以及鋼球直徑的方式計算出負游隙值。為得到更加精準的測量值，測量人員一般會在測量之前對軸承施加一定量的測量載荷，采用SWF小型轉盤軸承摩擦力矩測量機（下稱SWF）實現對測試軸承摩擦力矩的測量。測量步驟如下：首先需要固定軸承的外圈結構，利用SWF帶動HKA020X四點接觸球轉盤軸承的內圈進行勻速旋轉，此時SWF的顯示面板上便會顯示出軸承轉動瞬時力矩值和最大力矩值。將SWF測得的測量值與理論值進行對比，對比數據如圖2所示，其中啟動力矩的數值為軸承啟動力矩的平均值。

圖2 理論與試驗結果的對比圖

由圖2數據可知，試驗值與理論值的漲幅趨勢基本一致，對兩者的變化曲線進行觀察可發現，實際測量值與理論值之間存在一定的誤差，即當測試軸承負游隙值處于-50～-130μm之間時，點焊機轉環構件啟動力矩的誤差基本吻合，當測試軸承負游隙值在-145～-185μm之間時，點焊機轉環構件啟動力矩的誤差稍大，造成該問題的主要原因是，測量軸承啟動力矩時存在較多不定因素，例如在實際測量中，能夠測量游隙的測量工具只有千分尺，測量溝道橢圓和溝型等誤差都會在一定程度上影響力矩，由此會出現同一游隙對應不同啟動力矩的情況[8]。

4 結語

結合上述分析可知，現階段一體化點焊機的常用轉環軸承結構為四點接觸球轉盤軸承，該軸承可以基本滿足一體化點焊機在生產線上的應用。從游隙與摩擦力關系分析中可看出四點接觸球轉盤軸承的負游隙越大，其軸承所產生的摩擦力矩便會越大，同時增幅強度也會隨之增強。由試驗參數繪制曲線可知，為使一體化點焊機能夠達到最佳使用的摩擦力，需要控制負游隙處在-100～-50μm之間，以此才能在每次啟動點焊機轉環時達到最低磨損。