非織造設備托輥動平衡優化措施研究

周 晶，白秋林，周 禮，李西德

（1.四川化工職業技術學院機械工程學院，四川瀘州 646300；2.中海瀝青四川有限責任公司，四川瀘州 646300）

0 引言

托輥是非織造設備的重要支撐部分，工作時被動旋轉，由產品摩擦帶動[1]，其主要作用是減少產品的運行阻力，使產品的垂度不超過允許范圍，保證產品的平穩運行。隨著市場對非織造產品需求的急劇增大，用戶對非織造設備的要求越來越高，非織造設備的托輥幅寬和轉速都不斷提高[2]，對托輥動平衡提出更高要求。只有控制托輥的圓跳動量才能提高其動平衡質量[3]。為此，針對現有非織造設備托輥在高速旋轉過程中存在的圓跳動超差現象，通過原因排查，提出相應的優化措施。

1 圓跳動超差原因排查

某公司承攬了一批非織造設備的托輥加工任務，其設計要求如圖1 所示，要求加工完成后圓跳動≤0.08 mm、托輥加工后返修率低于8%。

由圖1 可知，該產品托輥輥體屬于細長管件，長度和直徑比例大于20∶1，加工中易變形，直線度和圓跳動均難以保證；輥體薄壁結構局部加工余量小、加工難度大。基于上述加工難點，產品托輥加工后因圓跳動超差導致動不平衡，致使返修率較高。經統計，全年多輥牽伸機輥筒結合件的平均返修率為28%（表1）。

表1 全年多輥牽伸機輥筒結合件返修率

圖1 托輥設計

為排查圓跳動超差較高的原因，從“人、機、料、法、環”5 個環節進行了全面分析，其可能涉及的因素如圖2 所示。造成托輥返修率高的主要原因有加工人員缺乏培訓、技術水平不能滿足加工要求、設備精度不滿足加工需求、材料不符合標準、配平衡方法不合理、車間照明不符合要求等。

圖2 圓跳動超差關聯

對加工人員進行考核，成績都在90 分以上（80 分為合格），均持證上崗且技術水平高、工作時間長、經驗豐富；對加工托輥零件的機床設備的維護、檢修記錄和設備精度進行了調查、檢測，機床按規定進行檢修、維護，設備精度滿足加工需求；對生產部及下料工段進行了解，確定料坯按國家標準購買，質保書、購料憑據齊全，與來料一致，現場檢測圓度滿足要求；根據建筑照明設計標準GB 50034—2004 的規定，機加工車間的照明亮度推薦強度為500 lx，經檢測，加工牽伸機區域的平均照明亮度為548 lx，滿足要求。

對配平前后圓跳動進行抽樣檢測，其檢查數據見表2。工件在配平前不合格率為20%（圓跳動合格量≤0.08 mm）；按照焊接工藝配平方法對托輥配平后，圓跳動相對于配平前有9 件樣品增大，不合格樣品為4 件，不合格率由20%增大到40%。究其原因在于托輥的輥筒是薄壁結構，采用焊接工藝配平時，輥筒被焊接時受到瞬態劇烈的熱作用，內部溫度分布差別巨大，金屬組織變化極不均勻，材料的膨脹和收縮使得內部產生復雜的殘余應力。在殘余應力的變化和作用下，導致輥筒被焊接處因升溫而引起的熱變形[4]，形成一個相對于其他位置的質量集中。在勻速旋轉時，輥筒體內任一質量集中點都將產生離心力，無數個離心力組成一個慣性力系作用在軸承上，形成托輥對軸承的動壓力。如果托輥的質量對轉軸對稱分布，則動壓力為零，即托輥不平衡量為零；否則將產生動壓力，即托輥有不平衡量[5]。綜上分析可判斷，焊接平衡塊配平方式是造成托輥圓跳動超差的原因之一。

表2 零件配平前后圓跳動抽查檢測記錄 mm

托輥輥筒現有加工工藝流程如圖3 所示。輥筒經粗車后，現場隨機抽取5 件產品進行筒體直線度及不平衡合格量檢測，檢測結果見表3，直線度不合格率為100%（直線度合格量≤0.20 mm/m），動平衡不合格率為40%（不平衡量合格量≤90 g），其原因是在粗車外圓與精車中心架外圓之間少了一道校直工藝，修正不平衡量，加工中產生的變形和跳動會造成其壁厚不均勻。因此，托輥輥筒現有工藝流程不合理，也是造成圓跳動超差的原因之一。

表3 輥筒經粗車后直線度、不平衡量檢測記錄

圖3 托輥輥筒現有工藝流程

托輥結合件現有工藝流程如圖4 所示，結合件采用粗精磨外圓成形后再校動平衡，其圓跳動、直線度檢測記錄如表4 所示，圓跳動不合格率為40%（圓跳動合格量≤0.08 mm），直線度不合格率為40%（直線度合格量≤0.20 mm/m），究其原因是動平衡校正補焊的平衡塊引起輥體變形。因此，托輥結合件現有工藝流程不合理，也是造成托輥圓跳動超差的原因之一。

表4 托輥結合件圓跳動、直線度檢測記錄

圖4 托輥結合件現有工藝流程

2 改進措施

2.1 利用螺釘固定平衡塊

將焊接平衡塊配平方式調整為螺紋連接平衡塊配平方式[6]。在原有設計圖的基礎上，外幅板增加8 個平衡孔，用于校平衡后配平，結構改進如圖5 所示。托輥加工完成后，在長軸動平衡機上測出托輥的不平衡點及不平衡量，找到對應的平衡螺孔，增加相應質量的平衡塊，利用螺釘進行固定即可完成配平。結合件加工完成后，增加兩塊封板遮擋平衡塊，防止雜物進入，保證外形美觀。

圖5 輥軸結構改進

如圖6 所示，假設在輥軸任一處有一質心A 導致輥軸動不平衡，做長軸動平衡機檢測，測量出質心A 的不平衡力Fa的大小、方向。要使托輥旋轉時處于動平衡狀態，需一力與Fa平衡。設需要的力為Fb，則平衡力Fb與Fa等值、反向。通過圓心O，以Fb左右兩邊的平衡塊安裝孔C、D 為基準，做出輔助線OC、OD，利用力的平行四邊形公理，將Fb分解到輔助線OC、OD 上，即可算出平衡孔C、D 處所需要的平衡分力Fb1和Fb2的大小，則平衡孔C、D 處所加配重質量（式中F 為C、D 處計算出的平衡力）。

圖6 調平原理

2.2 制定合適的輥筒加工工藝

調整輥筒加工工藝，增加了一道校直工藝和一道車平衡孔工藝，工藝流程如圖7 所示。工件校直可以減小加工變形量，保證坯件的質量，提高下一步加工工序的精度；車工件兩端平衡孔再次去除工件的不平衡量，進一步來減小工件的不平衡量、跳動。經過粗車調整，筒體不圓度及軸孔同軸度超差引起壁厚不均勻問題得到控制。

圖7 調整后的輥筒加工工藝

2.3 調整結合件加工工藝

調整后結合件加工工藝流程如圖8 所示，在結合件進行磨削加工時要把粗、精磨分開，粗磨加工后進行校動平衡、配平衡、復平衡工藝，然后再進行精磨加工，減小配平衡后產生的平衡誤差。

圖8 調整后結合件加工工藝

3 改進成效

將焊接配平方式改為螺紋連接平衡塊增重方式、調整加工工藝后，對托輥結合件進行檢測，檢測結果見表5，返修率從平均28%下降至4%，實現改進目標。

表5 托輥結合件檢測記錄

4 結束語

針對托輥圓跳動超差現象，從“人、機、料、法、環”5 個環節進行全面分析，尋其質量原因，并以質量原因為切入點，從產品設計和工藝調整兩個方面實施改進。生產實踐證明，將熱加重配平的方式改進為螺紋連接冷加重配平，優化加工工藝流程，能有效提高非織造設備的托輥的動平衡質量，可為類似長軸薄壁管狀零部件的動平衡提供參考。