橡塑用單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸系結(jié)構(gòu)分析與改造

趙文瑜+彭超

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

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

中圖分類號：TH132文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產(chǎn)品制造行業(yè)，單螺桿擠出機設(shè)備使用較為普遍，其主要用途是對膠料進行反復(fù)的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學(xué)性能，故該過程對最終產(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，單螺桿擠出機設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，主要問題就是其中的螺桿與機筒易于發(fā)生刮擦現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常的噪音，此外螺桿與機筒刮擦產(chǎn)生的鐵銷直接進入膠料中，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，其維修過程中作業(yè)極其困難，給生產(chǎn)企業(yè)也帶來了直接的經(jīng)濟損失。經(jīng)分析研究，造成該類故障的主要原因有三個方面：螺桿變形、機筒制造精度不達(dá)標(biāo)、齒輪箱輸出軸運轉(zhuǎn)精度達(dá)不到要求或穩(wěn)定性低。其中螺桿與機筒所造成的故障可以通過改進材料與提高加工精度的方法進行控制，相對來說易于避免問題的產(chǎn)生。而目前單螺桿擠出機設(shè)備所出現(xiàn)的故障大多來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又受到來自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實際工作的過程中，難以達(dá)到較高的運轉(zhuǎn)精度，而造成螺桿的擺動旋轉(zhuǎn)。如何設(shè)計齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運轉(zhuǎn)精度，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)心的難題。

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

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

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

圖1單螺桿擠出機單機整體圖

其中，齒輪箱固定在設(shè)備的底座上，電機通過聯(lián)軸器與齒輪箱連接，機筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機筒內(nèi)，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內(nèi)孔中，但要求不能與機筒內(nèi)孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機筒正上方設(shè)有進料口，內(nèi)部的喂料齒輪副與進膠螺紋通過與齒輪箱輸出軸的連接進行動力的傳遞，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)運動下被吸入機筒，隨著螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)，膠料將沿著機筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開機筒。同時，膠料在擠壓過程中反復(fù)被機筒上所設(shè)置的銷釘切斷，與所添加的化學(xué)原料進行充分的混合。故不難分析，當(dāng)螺桿在工作過程中，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，徑向力為膠料進入螺桿螺旋槽受擠壓時所產(chǎn)生。

圖2單螺桿擠出機內(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，國內(nèi)外設(shè)計的單螺桿擠出機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軸承起到定位整個齒輪箱輸出軸系的作用，同時承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優(yōu)缺點分析

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)合實際情況，對其進行逐一分析：

型式1采用調(diào)心滾子軸承對齒輪箱輸出軸系進行定位，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：調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定時，其內(nèi)圈具有軸線自動調(diào)整的功能，對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：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個調(diào)心滾子軸承跨距較小，故對于整個輸出軸系定位的穩(wěn)定性不佳；調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定在軸承孔中時，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，其軸系中心線會有一定程度的偏離，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，對推力滾子軸承的預(yù)緊操作較為困難，且實際預(yù)緊效果并不理想；此外，在對推力滾子軸承的預(yù)緊操作過程中，其實是通過對調(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)外圈進行一定程度的預(yù)緊，與此同時，調(diào)心滾子軸承內(nèi)部處于一個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，國內(nèi)有較多單螺桿擠出機齒輪箱制造企業(yè)采用這種輸出軸軸承定位型式，其優(yōu)點是采用圓錐滾子軸承對推力滾子軸承預(yù)緊的操作較為簡單，因為只需要將位于軸承一位置處的圓錐滾子軸承進行軸向間隙的調(diào)整即可實現(xiàn)。但其缺點也存在于在預(yù)緊操作過程中的量化問題，若圓錐滾子軸承預(yù)緊不夠，便會出現(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)緊過度，在齒輪箱實際工作時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，故其將會在很短的時間內(nèi)

損毀。

型式3目前主要被國外齒輪箱制造企業(yè)所采用，由于采購非標(biāo)設(shè)計的國外齒輪箱價格昂貴，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產(chǎn)生的軸向推力。僅針對齒輪箱的使用性能而言，該結(jié)構(gòu)沒有任何優(yōu)點，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經(jīng)過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。

3.3軸承定位型式的改造設(shè)計

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現(xiàn)針對單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸系進行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結(jié)合圖3，參見表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：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強，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，故對推力滾子軸承進行預(yù)緊后，在螺桿工作的過程中不會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行；此外，相對而言，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不斷提高，產(chǎn)品的精細(xì)化也必定是機械產(chǎn)品制造業(yè)發(fā)展的趨勢。

4結(jié)語

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

參考文獻

[1]成大先．機械設(shè)計手冊（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．單螺桿擠出機擠出理論研究進展[J]．中國塑料，2009，（5）．

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

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

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

中圖分類號：TH132文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產(chǎn)品制造行業(yè)，單螺桿擠出機設(shè)備使用較為普遍，其主要用途是對膠料進行反復(fù)的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學(xué)性能，故該過程對最終產(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，單螺桿擠出機設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，主要問題就是其中的螺桿與機筒易于發(fā)生刮擦現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常的噪音，此外螺桿與機筒刮擦產(chǎn)生的鐵銷直接進入膠料中，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，其維修過程中作業(yè)極其困難，給生產(chǎn)企業(yè)也帶來了直接的經(jīng)濟損失。經(jīng)分析研究，造成該類故障的主要原因有三個方面：螺桿變形、機筒制造精度不達(dá)標(biāo)、齒輪箱輸出軸運轉(zhuǎn)精度達(dá)不到要求或穩(wěn)定性低。其中螺桿與機筒所造成的故障可以通過改進材料與提高加工精度的方法進行控制，相對來說易于避免問題的產(chǎn)生。而目前單螺桿擠出機設(shè)備所出現(xiàn)的故障大多來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又受到來自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實際工作的過程中，難以達(dá)到較高的運轉(zhuǎn)精度，而造成螺桿的擺動旋轉(zhuǎn)。如何設(shè)計齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運轉(zhuǎn)精度，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)心的難題。

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

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

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

圖1單螺桿擠出機單機整體圖

其中，齒輪箱固定在設(shè)備的底座上，電機通過聯(lián)軸器與齒輪箱連接，機筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機筒內(nèi)，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內(nèi)孔中，但要求不能與機筒內(nèi)孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機筒正上方設(shè)有進料口，內(nèi)部的喂料齒輪副與進膠螺紋通過與齒輪箱輸出軸的連接進行動力的傳遞，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)運動下被吸入機筒，隨著螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)，膠料將沿著機筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開機筒。同時，膠料在擠壓過程中反復(fù)被機筒上所設(shè)置的銷釘切斷，與所添加的化學(xué)原料進行充分的混合。故不難分析，當(dāng)螺桿在工作過程中，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，徑向力為膠料進入螺桿螺旋槽受擠壓時所產(chǎn)生。

圖2單螺桿擠出機內(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，國內(nèi)外設(shè)計的單螺桿擠出機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軸承起到定位整個齒輪箱輸出軸系的作用，同時承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優(yōu)缺點分析

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)合實際情況，對其進行逐一分析：

型式1采用調(diào)心滾子軸承對齒輪箱輸出軸系進行定位，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：調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定時，其內(nèi)圈具有軸線自動調(diào)整的功能，對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：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個調(diào)心滾子軸承跨距較小，故對于整個輸出軸系定位的穩(wěn)定性不佳；調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定在軸承孔中時，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，其軸系中心線會有一定程度的偏離，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，對推力滾子軸承的預(yù)緊操作較為困難，且實際預(yù)緊效果并不理想；此外，在對推力滾子軸承的預(yù)緊操作過程中，其實是通過對調(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)外圈進行一定程度的預(yù)緊，與此同時，調(diào)心滾子軸承內(nèi)部處于一個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，國內(nèi)有較多單螺桿擠出機齒輪箱制造企業(yè)采用這種輸出軸軸承定位型式，其優(yōu)點是采用圓錐滾子軸承對推力滾子軸承預(yù)緊的操作較為簡單，因為只需要將位于軸承一位置處的圓錐滾子軸承進行軸向間隙的調(diào)整即可實現(xiàn)。但其缺點也存在于在預(yù)緊操作過程中的量化問題，若圓錐滾子軸承預(yù)緊不夠，便會出現(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)緊過度，在齒輪箱實際工作時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，故其將會在很短的時間內(nèi)

損毀。

型式3目前主要被國外齒輪箱制造企業(yè)所采用，由于采購非標(biāo)設(shè)計的國外齒輪箱價格昂貴，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產(chǎn)生的軸向推力。僅針對齒輪箱的使用性能而言，該結(jié)構(gòu)沒有任何優(yōu)點，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經(jīng)過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。

3.3軸承定位型式的改造設(shè)計

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現(xiàn)針對單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸系進行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結(jié)合圖3，參見表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：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強，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，故對推力滾子軸承進行預(yù)緊后，在螺桿工作的過程中不會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行；此外，相對而言，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不斷提高，產(chǎn)品的精細(xì)化也必定是機械產(chǎn)品制造業(yè)發(fā)展的趨勢。

4結(jié)語

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

參考文獻

[1]成大先．機械設(shè)計手冊（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．單螺桿擠出機擠出理論研究進展[J]．中國塑料，2009，（5）．

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

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

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

中圖分類號：TH132文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）21-0006-03

1概述

在橡塑產(chǎn)品制造行業(yè)，單螺桿擠出機設(shè)備使用較為普遍，其主要用途是對膠料進行反復(fù)的擠壓與混合，使得膠料具有一定的物理與化學(xué)性能，故該過程對最終產(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，單螺桿擠出機設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障，主要問題就是其中的螺桿與機筒易于發(fā)生刮擦現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常的噪音，此外螺桿與機筒刮擦產(chǎn)生的鐵銷直接進入膠料中，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，其維修過程中作業(yè)極其困難，給生產(chǎn)企業(yè)也帶來了直接的經(jīng)濟損失。經(jīng)分析研究，造成該類故障的主要原因有三個方面：螺桿變形、機筒制造精度不達(dá)標(biāo)、齒輪箱輸出軸運轉(zhuǎn)精度達(dá)不到要求或穩(wěn)定性低。其中螺桿與機筒所造成的故障可以通過改進材料與提高加工精度的方法進行控制，相對來說易于避免問題的產(chǎn)生。而目前單螺桿擠出機設(shè)備所出現(xiàn)的故障大多來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又受到來自螺桿的軸向與徑向組合載荷，在實際工作的過程中，難以達(dá)到較高的運轉(zhuǎn)精度，而造成螺桿的擺動旋轉(zhuǎn)。如何設(shè)計齒輪箱輸出軸上的軸承布置型式及選取合適的軸承類型，以保證螺桿的運轉(zhuǎn)精度，一直是業(yè)內(nèi)關(guān)心的難題。

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

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

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

圖1單螺桿擠出機單機整體圖

其中，齒輪箱固定在設(shè)備的底座上，電機通過聯(lián)軸器與齒輪箱連接，機筒安裝在齒輪箱的箱體定位孔之中，螺桿位于機筒內(nèi)，以懸臂梁型式安裝在齒輪箱輸出軸的內(nèi)孔中，但要求不能與機筒內(nèi)孔接觸，之間的間隙一般為1mm左右。機筒正上方設(shè)有進料口，內(nèi)部的喂料齒輪副與進膠螺紋通過與齒輪箱輸出軸的連接進行動力的傳遞，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)運動下被吸入機筒，隨著螺桿的不斷旋轉(zhuǎn)，膠料將沿著機筒被螺桿一直往前擠壓，直到離開機筒。同時，膠料在擠壓過程中反復(fù)被機筒上所設(shè)置的銷釘切斷，與所添加的化學(xué)原料進行充分的混合。故不難分析，當(dāng)螺桿在工作過程中，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，徑向力為膠料進入螺桿螺旋槽受擠壓時所產(chǎn)生。

圖2單螺桿擠出機內(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，國內(nèi)外設(shè)計的單螺桿擠出機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軸承起到定位整個齒輪箱輸出軸系的作用，同時承受徑向力與彎矩。

3.2幾種軸承定位型式的優(yōu)缺點分析

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)合實際情況，對其進行逐一分析：

型式1采用調(diào)心滾子軸承對齒輪箱輸出軸系進行定位，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：調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定時，其內(nèi)圈具有軸線自動調(diào)整的功能，對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：從圖3可看出，參與軸系定位的兩個調(diào)心滾子軸承跨距較小，故對于整個輸出軸系定位的穩(wěn)定性不佳；調(diào)心滾子軸承當(dāng)外圈固定在軸承孔中時，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，其軸系中心線會有一定程度的偏離，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，對推力滾子軸承的預(yù)緊操作較為困難，且實際預(yù)緊效果并不理想；此外，在對推力滾子軸承的預(yù)緊操作過程中，其實是通過對調(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)外圈進行一定程度的預(yù)緊，與此同時，調(diào)心滾子軸承內(nèi)部處于一個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，國內(nèi)有較多單螺桿擠出機齒輪箱制造企業(yè)采用這種輸出軸軸承定位型式，其優(yōu)點是采用圓錐滾子軸承對推力滾子軸承預(yù)緊的操作較為簡單，因為只需要將位于軸承一位置處的圓錐滾子軸承進行軸向間隙的調(diào)整即可實現(xiàn)。但其缺點也存在于在預(yù)緊操作過程中的量化問題，若圓錐滾子軸承預(yù)緊不夠，便會出現(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)緊過度，在齒輪箱實際工作時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，故其將會在很短的時間內(nèi)

損毀。

型式3目前主要被國外齒輪箱制造企業(yè)所采用，由于采購非標(biāo)設(shè)計的國外齒輪箱價格昂貴，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產(chǎn)生的軸向推力。僅針對齒輪箱的使用性能而言，該結(jié)構(gòu)沒有任何優(yōu)點，原因是在受力方面存在諸多弊端：首先，軸向推力經(jīng)過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。

3.3軸承定位型式的改造設(shè)計

綜合以上幾種定位型式所存在的不足，現(xiàn)針對單螺桿擠出機齒輪箱輸出軸系進行全面改造，提供一種新的軸承定位型式，結(jié)合圖3，參見表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：選用的圓柱滾子軸承具有徑向承載能力強，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，故對推力滾子軸承進行預(yù)緊后，在螺桿工作的過程中不會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行；此外，相對而言，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不斷提高，產(chǎn)品的精細(xì)化也必定是機械產(chǎn)品制造業(yè)發(fā)展的趨勢。

4結(jié)語

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

參考文獻

[1]成大先．機械設(shè)計手冊（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．單螺桿擠出機擠出理論研究進展[J]．中國塑料，2009，（5）．

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