內(nèi)襯層擠出機(jī)輸出軸安全銷折斷的原因分析及改進(jìn)方法

符式貴

摘 要：根據(jù)內(nèi)襯層壓延線橡膠擠出機(jī)主減速箱輸出軸與齒套之間的結(jié)構(gòu)，本文對輸出端中間盤安全銷頻繁折斷的原因進(jìn)行分析，明確其折斷的原因，然后通過多次試驗(yàn)，確定采取在輸出軸與齒套之間增加雙平鍵、重配安全銷孔等措施進(jìn)行改造，并通過計(jì)算有效地論證該改造的可靠性。經(jīng)過多年的使用跟蹤，電氣過載有效保護(hù)，扭矩傳遞正常，較好地解決了輸出軸安全銷頻繁折斷的設(shè)備故障，為企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益，此工藝可為類似設(shè)備設(shè)計(jì)和改造提供有效的技術(shù)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：減速箱;輸出軸;安全銷;平鍵

中圖分類號：TH132.46;TD40文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）06-0056-04

Cause Analysis and Improvement Method of the Breaking of

the Safety Pin of the Output Shaft of the Inner Liner Extruder

FU Shigui

（Guofang Science and Technology Technician Institute of Guangdong Province，Guangzhou Guangdong 510515）

Abstract： According to the structure between the output shaft and the gear sleeve of the main reduction box of the lined laminated rubber extruder， this paper analyzed the reason for the frequent breaking of the safety pin of the intermediate disc at the output end， and clarified the reason for the breaking， then determined to take measures such as adding a double flat key between the output shaft and the gear sleeve and reconfiguring the safety pin hole for transformation through many experiments， and effectively demonstrated the reliability of the transformation through calculations. After years of tracking， the electrical overload is effectively protected， and the torque transmission is normal， which solves the problem of frequent breakage of the output shaft safety pin， and creates certain economic benefits for the enterprise. This process can provide effective technical parameters for the design and transformation of similar equipment.

Keywords： gearbox;output shaft;safety pin;flat key

橡膠擠出機(jī)廣泛應(yīng)用于橡膠工業(yè)中，功能是采用加熱、加壓和剪切等方式，將帶狀的膠片轉(zhuǎn)變成均勻一致的膠料，然后將膠料送到下一個(gè)工序[1-2]。內(nèi)襯層壓延線橡膠擠出機(jī)（下稱內(nèi)襯層擠出機(jī)）主減速箱的輸出軸與齒套之間有一個(gè)中間盤，中間盤由16根[Ф]25 mm安全銷傳遞扭矩，進(jìn)行防過載保護(hù)。其中，每個(gè)安全銷均由一顆M14內(nèi)六角螺釘固定，安全銷及中間盤被固定在輸出軸上。在實(shí)際生產(chǎn)中，安全銷頻繁折斷，給生產(chǎn)和維修帶來很多的不便，搶修難度大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，斷銷大多發(fā)生在中夜班，造成搶修人員連續(xù)、疲勞作戰(zhàn)，生產(chǎn)計(jì)劃也受到一定的影響[3-4]。隨著設(shè)備的不斷更新?lián)Q代和安全保護(hù)措施的完善，一些復(fù)雜且故障率高的機(jī)構(gòu)逐步得到改進(jìn)[5]。內(nèi)襯層擠出機(jī)的主減速箱輸出軸將存在諸多不穩(wěn)定因素的安全銷作為動(dòng)力傳遞途徑，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，因此本文通過雙平鍵改造及重配銷孔來解決頻繁斷銷問題。

1 內(nèi)襯層擠出機(jī)主減速箱概述

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

內(nèi)襯層擠出機(jī)主減速箱主要由電機(jī)、減速箱、喂料段、料斗、螺桿及溫度控制裝置等部分組成。其采用帶狀雙片供膠，單片膠規(guī)格為700 mm×10 mm，內(nèi)襯層擠出機(jī)的主要組成部分如圖1所示。

1.2 主要性能及技術(shù)參數(shù)

內(nèi)襯層擠出機(jī)的喂料形式為冷喂料，其呈帶狀。內(nèi)襯層擠出機(jī)的主要性能及技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.3 工作原理

在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，內(nèi)襯層擠出機(jī)主減速箱利用聯(lián)軸器將電機(jī)軸與減速箱輸入軸連接，經(jīng)三級減速，由輸出軸通過16根[Ф]25 mm安全銷與中間盤連接，驅(qū)動(dòng)螺桿，齒套與中間盤由若干定位銷及螺釘連接后驅(qū)動(dòng)旁壓輥。內(nèi)襯層擠出機(jī)主減速箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過分析內(nèi)襯層擠出機(jī)主減速箱結(jié)構(gòu)及動(dòng)力傳遞途徑可知，中間盤上的安全銷在動(dòng)力傳遞時(shí)承受全部負(fù)載。主減速箱輸出軸與中間盤的連接形式如圖3所示。

2 內(nèi)襯層擠出機(jī)主減速箱輸出軸安全銷頻繁折斷的原因

2.1 輸出軸安全銷頻繁折斷的處理難度

輸出軸安全銷出現(xiàn)折斷，內(nèi)襯層擠出機(jī)輸出扭矩失效，更換時(shí)需要將機(jī)筒、螺桿與主減速箱分離，拆出齒套，松開中間盤。由于斷銷的突發(fā)性，斷銷后，機(jī)筒內(nèi)擠滿膠料，同時(shí)現(xiàn)場作業(yè)空間受限，叉車不能直接進(jìn)入，人們需要焊接、搭建龍門架，給吊裝和搶修帶來一定的難度。每次搶修人員安排11人，其中起重人員有4人。隨著折斷次數(shù)的增加，處理時(shí)間也由第一次的16 h逐漸遞增至36 h，原因是安全銷經(jīng)多次折斷后處理難度增加。斷銷后固定在軸上的銷套部分?jǐn)嗔言谳S孔內(nèi)，而且深淺不一，若其軸上固定的M14 mm×1.5 mm加強(qiáng)螺釘斷裂，銷套取出困難，特別是固定螺孔深度達(dá)40 mm，斷裂螺絲取出更是困難。另外，斷銷存在時(shí)間差，造成銷孔磨損不規(guī)則，如果配合間隙相差較大，還要進(jìn)行單個(gè)適配[6-7]。個(gè)別銷孔磨損后呈橢圓狀，適配后，其受力的均勻性卻不能得到有效保障，隨著折斷次數(shù)的增加，使用壽命逐漸下降[8]。

2.2 安全銷頻繁折斷的原因分析

由于供膠量大，內(nèi)襯層擠出機(jī)斷銷現(xiàn)象突出。為深入探討、分析斷銷的根本原因，本研究根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備負(fù)載對安全銷的強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)，驗(yàn)證其是否滿足實(shí)際使用需求。減速箱輸出扭矩的計(jì)算公式為：

[Tmax=9 550×P×I×ηn]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[P]為電機(jī)功率，kW;[I]為速比;[η]為使用效率，%;[n]為電機(jī)輸入轉(zhuǎn)數(shù)，r/min。

電機(jī)功率為250 kW，速比為59.193，使用效率為71.99%，電機(jī)輸入轉(zhuǎn)數(shù)1 500 r/min。經(jīng)計(jì)算，減速箱輸出扭矩為：

[Tmax=9 550×250×59.193×0.719 91 500=67 825.756 Ν·m] （2）

安全銷材料為45#鋼，許用應(yīng)力[σ=σ0.2/s]，屈服強(qiáng)度[σ0.2]=355 MPa，安全系數(shù)[s]選3.5，[σ]=355/3.5=101.4 MPa。許用剪切應(yīng)力[τ]=[0.8σ]=0.8×101.4=81.12 MPa。安全銷最大剪切應(yīng)力的計(jì)算公式為：

[τmax=8TmaxZD0πd2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中，[Tmax]為最大扭矩，N·m;[Z]為銷的數(shù)量，個(gè);[D0]為銷的中心圓直徑，mm;[d]為銷的直徑，mm。

減速箱最大輸出扭矩為67 825.756 N·m，銷的數(shù)量為16個(gè)，銷的中心圓直徑為[Ф]250 mm，銷的直徑為[Ф]25 mm。安全銷最大剪切應(yīng)力為：

[τmax=8×67 825.756×10316×250×3.14×252=69.12 MPa<τ]? ? ? ?（4）

以上數(shù)據(jù)表明，安全銷的剪切應(yīng)力設(shè)計(jì)勉強(qiáng)可以達(dá)到使用需求。使用期間對電機(jī)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，即使在起動(dòng)或突然加速時(shí)，減速機(jī)的實(shí)際輸出扭矩均不超過額定輸出扭矩的80%，但安全銷出現(xiàn)異常的頻繁折斷現(xiàn)象。經(jīng)分析，其主要原因如下：安全銷的強(qiáng)度設(shè)計(jì)欠佳;安全銷安裝后，其與銷孔配合存在一定的間隙;部分安全銷折斷后，傳遞扭矩能力削弱;安全銷折斷過程中，銷孔磨損不規(guī)則，造成修復(fù)后同時(shí)傳遞扭矩的安全銷個(gè)數(shù)減少，導(dǎo)致安全銷受力不均勻甚至個(gè)別沒有受力，在起動(dòng)或突然加速情況下出現(xiàn)依次斷裂的可能性增大，最終造成減速箱動(dòng)力輸出失效[9-10]。

3 故障排除與改進(jìn)措施

在搶修過程中，維修人員曾嘗試將12.9級的高強(qiáng)度螺栓加工成實(shí)心銷棒代替部分銷套，但使用壽命沒能得到明顯的提高。通過借鑒其他橡膠擠出機(jī)減速箱的輸出軸結(jié)構(gòu)，起初方案重新加工輸出軸，將中間盤與輸出軸加工成一個(gè)整體，但由于內(nèi)花鍵承受負(fù)載大，很多加工制造廠家不能滿足要求，改造成本大[11]。經(jīng)過反復(fù)深入的方案比對和成本綜合分析，維修人員最終采取以下措施對其進(jìn)行改造。

3.1 改造方案及實(shí)施

首先解決原銷孔的磨損及孔的不規(guī)則問題，輸出軸及其中間盤上的16個(gè)銷孔擴(kuò)大至[Ф]40 mm，采用12.9級的高強(qiáng)度螺栓加工，與銷孔緊配，并預(yù)留10×45°坡口，焊接牢固后對配合端面再進(jìn)行加工，確保其端面平整且垂直于外圓。

兩端面加工完畢且精度得到保證后，在輸出軸及其中間盤上呈180°位置對稱加工兩條寬70 mm、長100 mm的B型鍵槽，鍵槽與平鍵配合采用一般鍵連接公差，依照《平鍵 鍵槽的剖面尺寸》（GB/T 1095—2003）、《普通型 平鍵》（GB/T 1096—1979）。平鍵安裝后，確保輸出軸與中間盤外圓同心是關(guān)鍵，由于輸出軸與中間盤原止口位配合較緊，兩端面按精度要求加工好鍵槽后，輸出軸端面鍵槽上各加工兩個(gè)M10螺孔對平鍵進(jìn)行固定。安裝時(shí)，鍵槽加工及止口定中精度高，裝配后輸出軸與中間盤端面完全緊貼，同軸度得到保證[12]。

平鍵加裝完成后配鉆14個(gè)[Ф]25 mm銷孔及M14 mm×1.5 mm的固定螺孔，配鉆的銷孔經(jīng)鉸孔后達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)尺寸，配合公差為H6/m5，安全銷材質(zhì)為45#鋼，熱處理硬度為34～38 HRC。

本次改造借鑒重載減速箱軸頸輕度磨損修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，使用可賽新1680圓柱零件固持劑，消除鍵、銷孔的配合間隙[13]?？少愋?680圓柱零件固持劑的特點(diǎn)是中黏度/高強(qiáng)度，最大徑向填充間隙為0.2 mm，在厭氧條件下能夠快速固化。使用前，先用1755高效清洗劑將配合面清洗干凈，在鍵及銷套配合面均勻涂抹一層可賽新1680圓柱零件固持劑，逐一進(jìn)行裝配，輸出軸雙平鍵改造，重配銷孔，如圖4所示。

3.2 雙平鍵的強(qiáng)度校核

為檢驗(yàn)輸出軸雙平鍵改造、重配銷孔的效果，下面進(jìn)行強(qiáng)度校核。如圖5所示，當(dāng)平鍵連接用于傳遞扭矩時(shí)，鍵的側(cè)面受擠壓，可能的失效形式是較弱零件工作面的壓潰或磨損和鍵的剪斷[14]。對于實(shí)際采用的材料和按標(biāo)準(zhǔn)選用的鍵連接尺寸來說，工作表面的壓潰或磨損是主要的失效形式。因此，為了確保改造所選用的平鍵有足夠的強(qiáng)度，避免壓潰、剪斷，有必要對連接鍵的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算。

假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，平鍵連接的強(qiáng)度條件為：

[σP=2Tmax×103kld≤σp]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，[σP]為平鍵連接工作表面的擠壓應(yīng)力，MPa;[Tmax]為扭矩，N·mm;[d]為軸的直徑，mm;[l]為平鍵的接觸長度，mm;[k]為鍵與輪轂的接觸高度，一般[k]≈0.5[h]，[h]為平鍵的高度，mm。

對于B型平鍵來說，[l]=[L]=100 mm，扭矩為67 825.756 N·m，軸的直徑為[Ф]400 mm。[k]=0.5[h]=0.5×36 mm=18 mm。平鍵連接的強(qiáng)度為：

[σp=2×67 825.756×10318×100×400=188.4 MPa]? ? ? ? ? ?（6）

鍵處于輕微沖擊荷載的環(huán)境時(shí)，材料許用應(yīng)力為[σP]=150 MPa。由于雙鍵按180°布置，考慮荷載分布的不均勻性，雙鍵連接的強(qiáng)度按1.5個(gè)鍵計(jì)算，則雙平鍵連接工作表面的許用擠壓應(yīng)力為：

[σ2=σp1.5=188.41.5=125.6 MPa<σp]? ? ? ? ?（7）

因此，鍵連接強(qiáng)度能滿足內(nèi)襯層擠出機(jī)的負(fù)載要求。鍵進(jìn)行改造裝配后再對銷孔進(jìn)行配鉆及精加工，可賽新1680圓柱零件固持劑的作用消除了鍵和銷的加工精度造成的裝配間隙，因此其能夠共同承受減速箱的輸出扭矩，所以輸出軸雙平鍵改造及重配安全銷后強(qiáng)度完全可以滿足使用需求。

4 輸出軸改造后校驗(yàn)及安裝過程中的注意事項(xiàng)

改造后，檢驗(yàn)輸出軸與中間盤端面跳動(dòng)及徑向圓跳動(dòng)均應(yīng)滿足使用要求，跳動(dòng)量要小于0.1 mm。人們要檢驗(yàn)鍵與鍵槽的配合精度，鍵安裝后，使輸出軸與中間盤配合端面貼緊，自由狀態(tài)下無虛位存在，確認(rèn)鍵的裝配精度后，再對安全銷進(jìn)行安裝。輸出軸連接裝配完成后，要校驗(yàn)齒套配合段的徑向圓跳動(dòng)及端面跳動(dòng)，二者均應(yīng)小于0.15 mm。

5 輸出軸改造后的效果

內(nèi)襯層擠出機(jī)輸出軸成功進(jìn)行改造后，使用正常，無斷銷故障發(fā)生，改造工藝簡便，成本低，效率高，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

6 結(jié)論

內(nèi)襯層擠出機(jī)輸出軸改造后，設(shè)備已正常投入使用，安全銷頻繁斷裂的原因得到查明，根源得到解決。通過完善電氣過載保護(hù)、雙平鍵改造及重配安全銷，動(dòng)力得到有效、正常傳遞，較好地杜絕了此類故障，降低了設(shè)備故障停機(jī)率，保障了企業(yè)的正常生產(chǎn)。

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