凹印機(jī)冷卻輥的故障分析與局部改造設(shè)計(jì)

陳北榮

(福建三華彩印有限公司，福建龍巖364021)

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凹印機(jī)冷卻輥的故障分析與局部改造設(shè)計(jì)

陳北榮

(福建三華彩印有限公司，福建龍巖364021)

摘要：某凹印機(jī)在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)冷卻輥存在設(shè)計(jì)缺陷，運(yùn)行超過1年以后，冷卻輥傳動(dòng)側(cè)位置陸續(xù)出現(xiàn)異常的振動(dòng)現(xiàn)象，造成機(jī)器故障停機(jī)。經(jīng)過對(duì)冷卻輥的解體與分析，找到故障產(chǎn)生的原因，通過對(duì)局部結(jié)構(gòu)的加固改造，使問題得到解決。

關(guān)鍵詞：凹印機(jī)；冷卻輥；局部改造

某凹印機(jī)是由世界知名印刷機(jī)供應(yīng)商制造的，目前在本公司已投入使用4年時(shí)間，設(shè)備總體運(yùn)行穩(wěn)定，安全防護(hù)措施好，印刷套印精度和切大張裁切精度高，且操作簡(jiǎn)易可靠。

某凹印機(jī)采用的是卷筒紙進(jìn)行印刷，在每組印刷單元，印版上的油墨經(jīng)壓印輥的施壓，轉(zhuǎn)移到承印紙張上，由于印刷速度較快，紙張表面印刷油墨沒有干燥，必須在下一色印刷之前先經(jīng)過高溫烘干箱進(jìn)行烘烤，一般烘干箱的加熱溫度在80～100 ℃[1]。由于物質(zhì)都存在熱脹冷縮的特性，紙張經(jīng)過烘干箱以后表面溫度提高而受熱膨脹，如果此時(shí)進(jìn)行印刷就會(huì)出現(xiàn)套印不準(zhǔn)、圖文變形等問題。因此，必須對(duì)烘烤后的高溫紙張進(jìn)行冷卻降溫，確保下一色印刷或送到下一道連線工序進(jìn)行裁切、收卷之前紙張恢復(fù)至常溫狀態(tài)，此冷卻降溫任務(wù)由冷卻輥完成[2]。

冷卻輥，即通入冷卻水的輥筒，安裝在印刷單元烘干箱之后，是印刷單元不可或缺的重要組成部件[3]。某凹印機(jī)在生產(chǎn)運(yùn)行1年以后，發(fā)現(xiàn)冷卻輥傳動(dòng)側(cè)位置有異常振動(dòng)或甩動(dòng)問題，以及輥筒表面與回水殼體之間直接刮碰摩擦，發(fā)出尖銳的異常響聲，冷卻輥漏水到紙張表面和油墨中等問題，這些問題不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量，而且導(dǎo)致機(jī)器非正常停機(jī)，影響了印刷生產(chǎn)運(yùn)行的連續(xù)性。

1冷卻輥故障分析

1.1凹印機(jī)冷卻輥的工作原理

某凹印機(jī)的冷卻輥如圖1所示，主要由冷卻輥筒、進(jìn)水管、軸承座、回水殼體、回水管、支撐軸承、支撐軸頸、冷卻輥筒支撐架、排氣孔和密封圈等部件組成。冷卻輥的工作原理為：首先，經(jīng)過工藝空調(diào)制冷的冷卻水(水溫約12 ℃)從進(jìn)水口接入進(jìn)水管，無論凹印機(jī)開機(jī)或者停機(jī)狀態(tài)，進(jìn)水管都保持靜止不動(dòng)。進(jìn)水管上有1排均勻分布的小孔，冷卻水從小孔射到冷卻輥筒的內(nèi)腔，完成對(duì)冷卻輥筒體的持續(xù)降溫，吸收熱量后的水從回水口收集到回水管，回流到工藝水池再經(jīng)工藝空調(diào)制冷，至此完成熱交換循環(huán)。其次,烘干后的高溫紙張?jiān)诶鋮s輥的外圓表面形成大包角的直接接觸，讓高溫紙張得到充分冷卻降溫，高溫紙張的冷卻溫度可以通過調(diào)節(jié)冷卻水的水溫和進(jìn)水量開關(guān)來調(diào)整。

1，13-軸承座;2，12-軸承;3,11-支撐軸頸;4,10-冷卻輥筒支撐架;5-回水殼體;6-排氣孔;7-密封圈;8-冷卻輥筒;9-進(jìn)水管;14-回水口圖1　冷卻輥結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

1.2故障分析

冷卻輥傳動(dòng)側(cè)位置出現(xiàn)異常震動(dòng)或甩動(dòng)后，先把整根冷卻輥拆卸下來，進(jìn)行解體分解，經(jīng)檢查問題出在冷卻輥筒傳動(dòng)側(cè)的支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4部件，如圖2所示。支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4是通過澆鑄方式連接在一起的，靠?jī)?nèi)側(cè)端在兩部件結(jié)合處鉆了3個(gè)螺紋孔，用緊定螺釘鎖緊，防止相互之間的松動(dòng)錯(cuò)位，支撐軸頸3采用鋼質(zhì)材料，需要安裝軸承和密封圈等配件，受力點(diǎn)在軸承位置，與支撐軸頸11一起承受紙張張力及由溫度變化引起冷卻輥筒的內(nèi)應(yīng)力。冷卻輥筒支撐架4采用鋁合金材料，設(shè)計(jì)思想應(yīng)該是出于滿足受力要求、減輕整體重量和防生銹因素考慮的。

廠家的這種設(shè)計(jì)在短期內(nèi)可以保證冷卻輥正常運(yùn)行，但是未充分考慮到冷卻輥的工作條件和兩端的受力情況。首先，冷卻輥溫度變化的范圍大。工作時(shí)支撐軸頸與冷卻輥筒支撐架被冷卻水降到12 ℃左右，夏季停機(jī)時(shí)溫度超過30 ℃，由于鋼質(zhì)材料和鋁合金材料的受熱膨脹系數(shù)不同，經(jīng)常性膨脹和收縮有可能造成澆鑄的結(jié)合面出現(xiàn)脫層和松動(dòng)。其次，從圖1可以看出，支撐軸頸3相對(duì)于支撐軸頸11受力的力臂更長(zhǎng)。從理論力學(xué)的受力分析可知，支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4的澆鑄結(jié)合面受到的剪切力比另一邊的大。同時(shí)，支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4的澆鑄結(jié)合面的厚度較薄，僅相當(dāng)于支撐軸頸11與冷卻輥筒支撐架10的澆鑄結(jié)合面的厚度的1/3，既然該澆鑄結(jié)合面自身薄弱，受力相對(duì)又大，在此處發(fā)生破壞性問題極大。前面提到多次出現(xiàn)的冷卻輥故障，表現(xiàn)出同樣的特征：支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4的結(jié)合面脫開松動(dòng)，兩者之間旋轉(zhuǎn)了一定的角度，發(fā)生了錯(cuò)位，結(jié)合面的3顆緊定螺釘失效脫落。

圖2　支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4結(jié)合面出現(xiàn)松動(dòng)

2冷卻輥局部改造設(shè)計(jì)

找到了冷卻輥故障的原因，下一步關(guān)鍵就是如何解決這個(gè)問題。如果像以往發(fā)生設(shè)備故障就購(gòu)買全新零件進(jìn)行更換，故障仍會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。因此，必須對(duì)冷卻輥出現(xiàn)問題的部位進(jìn)行改造，才能真正解決問題。

2.1冷卻輥局部改造方案

為了避免冷卻輥出現(xiàn)上述故障，經(jīng)過分析和研究，提出了冷卻輥的2種改造方案。

1)第1種方案是由廠家更改設(shè)計(jì)。把問題反饋給廠家，由廠家的工程師對(duì)支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，滿足凹印機(jī)長(zhǎng)時(shí)間正常使用要求。該方案需要廠家技術(shù)力量的配合，包含重新設(shè)計(jì)、制造和效果測(cè)試，最后改進(jìn)后的零部件才能定型生產(chǎn)，至少要半年以上才有可能完成設(shè)計(jì)更改，購(gòu)買新零部件的費(fèi)用總共要超過15萬元。

BIM技術(shù)是以建筑全生命周期的各項(xiàng)有關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，包括建筑、結(jié)構(gòu)、MEP等相關(guān)專業(yè)，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模仿性、優(yōu)化性和出圖性五大特點(diǎn)。我國(guó)建筑業(yè)屬于勞動(dòng)密集型的傳統(tǒng)行業(yè)，一直保留著粗放型的建造模式，由于現(xiàn)實(shí)原因，信息化一直較低，工程的表達(dá)方式為圖紙，大多數(shù)信息都以紙質(zhì)形式流通，很難有完整信息的保存。同時(shí)，各參與方不能有效地進(jìn)行共享和互通，更不能協(xié)同運(yùn)作。所以經(jīng)常由于信息不對(duì)稱出現(xiàn)返工和窩工現(xiàn)象，造成極大的人力、物力等損失。

2)第2種方案是對(duì)現(xiàn)有支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4進(jìn)行加固，使之在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上滿足使用要求。該方案根據(jù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的損傷情況對(duì)設(shè)計(jì)的不足之處進(jìn)行局部加固改造。通過設(shè)計(jì)1個(gè)圓盤零件把支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4連接起來，增強(qiáng)它們之間的連接強(qiáng)度，滿足使用要求。圓盤零件的機(jī)械加工和裝配在本地完成，所需改造時(shí)間和費(fèi)用很少。

經(jīng)比較，第2種方案優(yōu)點(diǎn)在于：①花費(fèi)少，所有冷卻輥筒的改造費(fèi)用僅需3千元左右；②改造需要的時(shí)間短，可以在1個(gè)星期左右完成，同時(shí)加工圓盤零件的過程也不影響生產(chǎn)；③改造不會(huì)破壞原有結(jié)構(gòu)。因此，選擇第2種方案作為冷卻輥局部改造的方案。

2.2冷卻輥局部改造步驟

冷卻輥局部改造步驟如下說明。

①加工1個(gè)圓盤狀的零件(結(jié)構(gòu)見圖3)，內(nèi)孔比支撐軸頸3的孔略大，便于進(jìn)水管從中穿過，外圓與冷卻輥筒支撐架4的臺(tái)階面相同，厚度按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選擇10 mm，材料為不銹鋼材料(也可以采用45#鋼材料，表面需要電鍍防銹處理)，圓盤上鉆6個(gè)孔。

②在支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4與圓盤孔對(duì)應(yīng)的位置分別鉆3個(gè)孔并攻絲。

④對(duì)支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4進(jìn)行同軸度誤差控制的校驗(yàn)。

⑤安裝圓盤。圓盤和螺釘可以把支撐軸頸3與冷卻輥筒支撐架4緊固連接起來，螺釘也是不銹鋼材質(zhì)的，螺釘緊固時(shí)要上螺紋膠或者加彈簧墊圈，防止螺釘意外松脫。

圖3為改造后的支撐軸頸3、冷卻輥筒支撐架4及圓盤的組裝圖，其他沒有出現(xiàn)故障的冷卻輥，可以參照上述步驟進(jìn)行加固處理，其中步驟③、④不需要進(jìn)行。

圖3　改造后的組裝圖

3改造效果

經(jīng)過改造后的冷卻輥順利投入生產(chǎn)使用，目前運(yùn)行已經(jīng)超3年時(shí)間，冷卻輥再也沒有出現(xiàn)過類似故障。改造所增加的圓盤厚度較薄，對(duì)回水空間(冷卻輥筒支撐架4的內(nèi)部空間)的影響忽略不計(jì)，冷卻水進(jìn)水和回水暢通，冷卻效果與改造前完全一樣。2015年，曾經(jīng)對(duì)改造后的冷卻輥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)改造部位仍然保持緊固連接狀態(tài)，證明改造的效果良好，問題得到了徹底解決。

4結(jié)語

本次改造是針對(duì)廠家不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行了局部的更改，大大提高了某凹印機(jī)冷卻輥的工作可靠性，可供出現(xiàn)相似問題的印刷用戶借鑒。同時(shí)，也提醒工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮機(jī)器零部件使用工況和受力因素，盡量避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)瑕疵。

[參考文獻(xiàn)]

[1]裴夢(mèng)揚(yáng).機(jī)組式凹版印刷機(jī)冷卻輥性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].西安:西安理工大學(xué),2013.

[2]陳允春.機(jī)組式凹版印刷機(jī)冷卻輥結(jié)構(gòu)改進(jìn)和性能分析[D].西安:西安理工大學(xué),2011.

[3]汪維力,陳文革.凹版印刷機(jī)干燥系統(tǒng)探析[J].包裝工程,2008,29(6):98-100.

責(zé)任編輯：陳亮

Fault Analysis and Partial Innovation Design of the Cooling Roll of Gravure Press

CHEN Beirong

(Sanhua Colour Printing Co.Ltd Fujian,Longyan 364021)

Abstract：A design flaw in cooling roll of gravure press was discovered in the production process.After running for more than a year,the cooling roll was found to have abnormal vibration at the drive side,which caused machine downtime.After disassembling the cooling roll and with careful analysis,the cause of failure was discovered and the problem was solved by local structure reinforcement.

Key words：gravure press;cooling roll;partial innovation

中圖分類號(hào)：TS803

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)01- 0031- 03

作者簡(jiǎn)介：陳北榮(1971—)，男，工程師。

收稿日期：2015-12-20

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.01.007