1電機2帶傳動3齒輪傳動4主軸5主動膠筒

6塑鋼型材7從動膠筒8絲杆傳動9蝸杆傳動

圖1進給機構傳動原理圖

塑料門窗型材包裝機的作用是將軋製好的門窗 型材表麵包裹一層紙帶，以防止型材損傷，進給機 構是該設備的核心部分，其工作原理如圖L主動 膠筒安裝在蝸輪蝸杆減速機(WP040-1/60-B)的 輸出軸上，它與從動膠筒通過絲杠裝置夾緊塑料門 窗型材後以21.5r/mi的速度轉動，帶動塑料門窗 型材向前作進給運動，以實現對型材進行紙帶纏繞 包裝。在傳動鏈中，蝸輪蝸杆減速機的作用有二個: 一是按照1： 60的減速比減速，二是運動方向的改 變。在工作中，固定於機架上的電機通過三角膠 帶將運動傳遞至齒輪軸Z” Z],再與安裝在減速 機輸入軸上的為齧合，將4=1291 r/min的運動傳入減速機。絲杠轉動時，為隨減速機一同移動並與齒輪軸W相對滑動。筆者最近了解，某企業塑料門窗型材包裝機多次出現主軸斷裂現象，給企業造成較大的經濟損失。造成門窗型材包裝機主軸斷裂的因素很多，除了一些使用和維護不當的因素造成的之外，設計方麵是否存在欠缺也是一個值得探討的問題。傳統的軸類零件設計方法是將應力、強度等參數都視為確定量並按一定的強度條件進行設計或校核，而實際情況並非如此。 由於受各種因素的影響，這些參數均存在許多不確定的因素。另外，軸的許多失效形式，都是由於損傷累積引起的性能下降而最終導致故障的過程，係統從完好狀態到故障狀態是由一係列的中介狀態相互聯係、相互滲透、相互轉化的。可見，機械係統中隨機性與模糊性是密 切相關同時存在，其主要表現為設計參數取值的隨機性和許用應力邊界的模糊性。對於前者我們可以釆用統計學的方法即可靠性的方法來處理，對於後者，可以采用模糊集合的隸屬函數來表示。集模糊數學和可靠性設計理論於一體的模糊可靠性設計方法正是在這種背景下誕 生的，它彌補了常規設計方法的不足⑴。本文運用模糊可靠性設計理論解析塑料門窗型材包裝機主軸失效問題，為其故障預報和検測維修提供理論依據。

彎曲應力標準差為：

C_a = J 席 +3C； = 7o.1²+3xO.O1² =0.1

Sb =京=0.1 X 69.75=6.98

主軸危險截麵扭轉應力均值為：

C_T =杞 + 3C； = Jo.F+3x0.01 =0.1

主軸危險截麵複合權艶迎勞應力均值為：

M = J&2 +4(膈屍=J69.752 +4x(0.6x22.94)2 =74.98Mpa

複合對稱循環疲勞應力標準差為：  

   _ 忖2$* +4。諾專~ _ ,69.752 乂6.98? +4(0.6x22.94)2 X2.3?

歹2+*邳)2    V 69.75² +22.94²

零件對稱循環疲勞強度極限均值為：查得£ = 0.6, " = 0.85,如=1.55

一 £§一

(J-1K = (7 0.6x0.85x280L55=92.13 Mpa

對稱循環疲勞強度極限標準差為：

查得Ce=C§= 0.045, C_ka = C_ai = 0.05

C_{a >k} =+ CM = V0.045² +0.045² +0.05² =0.05² =0.114

S” =Cc ct-iat =92.13x0.114 = 10.05

^a~lK ^a-\K

主軸疲勞強度可靠度計算參數為：

a_x = (Xtk - 92.13

*(J_x =0■一ik -<7c = 92.13-74.89 = 17.24

S_x = Js 二 +明=710.05² +10.88² = 14.81

將可靠度參數代入式 ⑷ 得可靠度R=0.88762,失效概率F=0.11238。

一般機械零件要求設計的可靠度RA0.99,可見，主軸疲勞強度可靠度嚴重不足，門窗 型材包裝機主軸斷裂並非偶然，是由於疲勞強度可靠性不足造成的，分析結果與實際情況完 全一致。

3改進措施

門窗型材包裝機主軸的可靠性與許多因素有關，如軸的尺寸參數、材料和製造工藝、載 荷情況等。雖然增大軸危險截麵的直徑是提高軸可靠度最直接和有效的方法，但門窗型材包 裝機主軸尺寸本身就比較大，若再增大，將會使設備的體積和重量更大，造成製造和安裝困 難；且軸的直徑增加後，相應的軸承、聯軸器等都要隨之進行更改，那樣，對原設計的改動 過大，維修周期長，工作量大，既不方便又不經濟。對舊設備由於受工藝、結構、安裝等條 件的限製，應以對原設計修改最小取得的效果最大為原則，所以增大軸的直徑是不可取的。 鑒於此本文采取從兩方麵改進的措施，它簡單易行，修改量小。

1. 改進軸材料和製造工藝。主軸的的可靠度與材料的強度和製造水平密切相關，材料強 度越高，其可靠度越高，軸的製造精度和工藝水平越高，其可靠度越高也越高。因此，可通 過提高主軸材料強度和製造工藝水平來達到提高軸的可靠度的目的。即將門窗型材包裝機主 軸的材料從45鋼調質改為40Cr調質，軸的加工工藝從粗車-半精車-磨削改為粗車-半精車- 粗磨-精磨。這樣，通過提高材料的疲勞強度極限和表麵質量，從而提高軸的可靠度。
2. 改善軸的受力狀況。門窗型材包裝機主軸與同步電機傳動軸不對中是導致軸斷裂的一 個不可忽視的因素。由於兩軸不同心，運轉時會產生了一個擺動的力，又由於同步機軸比門 窗型材包裝機主軸直徑大，所以這個擺動的力產生的附加彎曲會造成門窗型材包裝機主軸發 生疲勞斷裂。所以改善軸的受力狀況，是提高軸的疲勞可靠度的一個重要途徑。通過提高帶 式聯軸器的安裝精度，重新調整電機的位置，保證門窗型材包裝機主軸與電機軸的對中，使 軸的附加彎矩減小，可間接提高軸的可靠度。

改進後門窗型材包裝機主軸的可靠度計算如下：

零件對稱循環疲勞強度極限均值為：

查得J =35()Mpa, " = 0.91"/L58

^— eB — 0.6x0.91x350 _A

(y-iK =— = 120.95 Mpa

k_a 1.58

對稱循環疲勞強度極限標準差為：

查得C_e=C_p= 0.04, C_ka = C心=0.045

C 心K = Jc； + C： + C；。+ C 二 =7o.O4² +0.04² +0.045² =0.045² =0.091

S" = Cjk b-以=120.95x0.091 = 11.01

主軸疲勞強度可靠度計算參數為：

a_x -(T-ik = 120.95

、a_x = - &c = 120 95-74.98 = 45.97

S_x = Js** +S； = 711.01² +10.88² =15.48

將可靠度參數代入式(4)得可靠度R=0.99864_o

可見，改進的效果顯著，門窗型材包裝機主軸疲勞可靠性足夠。以改進的軸替代原軸進 行生產，使

用狀態一直良好，再未發生主軸段裂現象。

4結論

1. 常規設計，沒有體現機械零部件的可靠度指標，由於設計過程中將各種參數按靜態 性能處理，未能考慮它們隨機性及模糊性，雖然理論上滿足強度條件，但難以符合客觀實際 情況，往往引起零部因不可靠而失效，可靠性設計將機械零件的質量定量化，這樣不僅能將 零件在指定的運行時間內的失效概率限製在預先給定的一個較小的範圍內，而且能為零件的 定期批量檢修提供必要的依據，給設備故障診斷和維修工作提供保證。
2. 模糊可靠性設計方法充分考慮了載荷、零件尺寸和材料強度性能數據的隨機性和模 糊性，將影響齒輪強度的各種參數看成具有某種概率分布的統計量和模糊數，通過概率理論 和模糊數學計算求解齒輪強度的可靠性，克服了常規設計中將設計變量一律視為確定量的缺 陷，它比常規的強度設計更接近客觀實際，更科學合理。
3. 通過利用模糊可靠性設計理論對塑料門窗型材包裝機主軸強度進行了分析，解答了 主軸失效的原因，並提岀了相應的改進措施，對提高模木機主軸運行的安全性和可靠性具有 現實意義。
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