減小托輥外圓徑向圓跳動的制造工藝分析和研究

李棟梁， 熊有文

（河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司，河北秦皇島066002）

減小托輥外圓徑向圓跳動的制造工藝分析和研究

李棟梁， 熊有文

（河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司，河北秦皇島066002）

介紹了減小托輥外圓徑向圓跳動新的制造工藝，并采用統(tǒng)計學(xué)相關(guān)系數(shù)方法對影響托輥外圓徑向圓跳動的因素進(jìn)行相關(guān)分析，驗證并優(yōu)化了新的制造工藝。

托輥；外圓徑向圓跳動；制造工藝；相關(guān)分析

0 引言

托輥是帶式輸送機(jī)重要的組成部件，GB/T10595-2009《帶式輸送機(jī)》國家標(biāo)準(zhǔn)對托輥各項參數(shù)提出了明確的質(zhì)量要求，其中托輥外圓徑向圓跳動參數(shù)是影響托輥質(zhì)量好壞的重要參數(shù)之一。

隨著帶式輸送機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)需求的擴(kuò)大，皮帶機(jī)的帶速和運量越來越大，特別是帶速≥3.15 m/s的高速皮帶機(jī)，如果托輥外圓徑向圓跳動過大，皮帶機(jī)在高速運轉(zhuǎn)過程中，就會產(chǎn)生振動，增加噪聲。振動會造成托輥及機(jī)架等部件產(chǎn)生疲勞破壞，減少托輥及部件使用壽命，過大的噪聲也會危害從業(yè)者的職業(yè)健康。因此，為了確保皮帶機(jī)平穩(wěn)運行，延長使用壽命，降低職業(yè)健康危害，越來越多的用戶對托輥外圓徑向圓跳動參數(shù)提出了高于國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 問題的提出

河北港口集團(tuán)港口機(jī)械有限公司承攬了某項目十萬余根重型托輥的制造任務(wù)，托輥直徑為φ194 mm，長度有600 mm、800 mm、1 100 mm、2 200 mm四個系列。用戶對于托輥的各項關(guān)鍵指標(biāo)的精度要求采用的是日本JIS標(biāo)準(zhǔn)，對外圓徑向圓跳動等技術(shù)指標(biāo)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國標(biāo)要求，同時要求產(chǎn)品合格率≥95%。表1為托輥外圓徑向圓跳動參數(shù)GB/T10595-2009《帶式輸送機(jī)》國家標(biāo)準(zhǔn)與用戶要求對照。

表1 托輥外圓徑向圓跳動參數(shù)GB/T10595-2009與用戶要求對照 mm

由于公司目前所用的制造工藝是基于GB/T10595-2009標(biāo)準(zhǔn)制定的，在工程初期制造出的托輥雖然能夠滿足國標(biāo)要求，但是距離用戶的要求還有一定差距，尤其是外圓徑向圓跳動超差問題比較多，產(chǎn)品合格率達(dá)不到要求。

為了滿足用戶需求，同時提升自身產(chǎn)品質(zhì)量，需要從制造工藝上入手，找出原因并改進(jìn)加工工藝，同時加強(qiáng)質(zhì)量管理，最終生產(chǎn)出符合用戶要求的托輥產(chǎn)品。

2 原因分析

經(jīng)對原有工藝進(jìn)行詳細(xì)分析，找出了影響托輥外圓徑向圓跳動的幾個重要因素。

2.1 托輥管

托輥管的精度直接影響了托輥的外圓徑向圓跳動，如果鋼管的橢圓度、彎曲度和壁厚差不符合要求（圖1），生產(chǎn)出的托輥外圓徑向圓跳動就會超差。因此公司在原材料上選擇上一直嚴(yán)格按照按《GB/T13793-2008直縫電焊鋼管》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定高精度執(zhí)行。但此標(biāo)準(zhǔn)只能滿足國標(biāo)對外圓徑向圓跳動的要求。為了減小管子的因素對外圓徑向圓跳動產(chǎn)生的影響，應(yīng)該對托輥管各項參數(shù)制定一個合理的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 鋼管主要指標(biāo)示意圖

2.2 軸承座

沖壓軸承座外圓與內(nèi)孔的同心度也是影響托輥外圓徑向圓跳動的主要因素。由于軸承是成品，而托輥軸的加工精度又很容易保證，因此與之相配合的軸承座的精度就成了影響托輥外圓徑向圓跳動的關(guān)鍵。如果軸承座的同心度達(dá)不到要求，軸承座壓入筒皮焊接組裝成托輥后，托輥軸與筒皮外圓不同心，就會產(chǎn)生外圓徑向圓跳動超差。因此需要在軸承座加工過程中控制好軸承座的同心度。

2.3 制造工藝

制造工藝是影響產(chǎn)品質(zhì)量最重要因素之一。原托輥使用的工藝是將筒皮下料后，在雙頭車上利用胎具將筒皮定位，然后車止口，再將軸承座壓入筒皮定位后焊接，如圖2所示。

圖2 原工藝托輥結(jié)構(gòu)示意圖

車止口就是在筒皮內(nèi)圈車出一個1.5 mm左右的定位臺，這是原工藝中最重要的一步，也是最難控制的一步。由于軸承座外圓與止口配合有間隙，軸承座壓入筒皮后有晃動量，使軸承座內(nèi)孔與筒皮不同心，造成外圓徑向圓跳動超差。其次筒皮在加工過程中，由于胎具定位和管子本身的誤差，可能會造成止口位置的筒皮厚度不均勻，這樣在裝入軸承座后，軸承座內(nèi)孔與筒皮外圓同時產(chǎn)生偏心，累積誤差進(jìn)一步增加。我們通過對原材料的質(zhì)量控制和加工過程中的工藝控制，將累積誤差控制在合理范圍之內(nèi)，現(xiàn)有工藝能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是無法滿足用戶對產(chǎn)品更高的質(zhì)量要求。

3 解決方案

3.1 工藝改進(jìn)

通過上述分析，要想減小托輥的外圓徑向圓跳動值，就必須減小加工過程中的累積誤差。由于原材料的誤差不可避免，只能從加工工藝上入手，而車止口這一步是產(chǎn)生累積誤差最大的地方，故需要改進(jìn)。如果省去車止口這個步驟，直接用壓裝機(jī)將軸承座壓入筒皮，就可以減少這部分造成的誤差，同時軸承座外圓還可以將管子撐圓，進(jìn)一步減小管子造成的誤差，從而最大限度地減小托輥的外圓徑向圓跳動。

新工藝的關(guān)鍵點在于軸承座與筒皮配合的公差，要想用軸承座將筒皮撐圓，就必須有一定的過盈量，如圖3所示。但是過盈量過大，軸承座就容易壓偏，還會損傷筒皮，過盈量過小，軸承座定位就會不準(zhǔn)確，也不能將管子撐圓。經(jīng)過反復(fù)試驗，過盈量定在0.7 mm可以滿足要求。

圖3 新工藝托輥結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 管材和軸承座的改進(jìn)

在對工藝改進(jìn)的同時，還需要提高托輥管和軸承座各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)要求。采用壓裝工藝以后，雖然可以降低托輥兩端的外圓徑向圓跳動，但是托輥中間外圓徑向圓跳動則需要靠管子自身質(zhì)量來保證，尤其是管子的橢圓度和彎曲度。因此我們和管材生產(chǎn)廠家溝通后，制定了管材的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 直縫電焊鋼管內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn) mm

同時我們對軸承座的加工質(zhì)量也提出更高的要求，嚴(yán)格控制內(nèi)孔與外圓的同軸度和0.7 mm的過盈量，如圖4所示。

圖4 軸承座加工尺寸

4 方案驗證及數(shù)據(jù)分析

4.1 檢測標(biāo)準(zhǔn)和項目

為了測試新工藝的效果，我們試制了100根托輥，從原材料到加工過程按表3和表4要求實施全程監(jiān)控和記錄，并對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析。

4.2 托輥管精度與外圓徑向圓跳動的關(guān)系

隨機(jī)抽取14根6.5 m長托輥管，由切管機(jī)下料，然后對筒皮進(jìn)行編號，并對筒皮兩端的內(nèi)徑公差、壁厚和整體直線度進(jìn)行測量并記錄，將超差的筒皮也進(jìn)行加工。隨機(jī)選取軸承座進(jìn)行編號，并測量同軸度、外圓直徑和內(nèi)圓直徑公差。加工過程中，為了模擬實際生產(chǎn)情況，軸承座與筒皮隨機(jī)壓裝。壓裝完的成品托輥對外圓徑向圓跳動和端跳進(jìn)行測量，并記錄數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析托輥外圓徑向圓跳動與各數(shù)據(jù)的關(guān)系，并印證之前的理論分析。

通過筒皮的檢測數(shù)據(jù)來看，壁厚差比較均勻，都能符合±0.25 mm的公差范圍，可以排除壁厚的影響。內(nèi)徑公差和直線度合格率也較高，超差的點不多，但是有個別超差較大的點都出現(xiàn)在管子的頭尾兩端，分析是由于吊裝不當(dāng)造成的管口變形。

通過EXCEL統(tǒng)計學(xué)相關(guān)系數(shù)公式對托輥管內(nèi)徑公差，直線度、兩端外圓徑向圓跳動和中間外圓徑向圓跳動等幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。

相關(guān)系數(shù)又稱線性相關(guān)系數(shù)，它是衡量變量之間線性相關(guān)程度的指標(biāo)。相關(guān)系數(shù)的取值范圍為［-1，1］，相關(guān)系數(shù)值越接近0，變量之間的線性相關(guān)程度越低，相關(guān)系數(shù)絕對值越大，相關(guān)程度越高。由表5統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

表3 托輥型號及檢測標(biāo)準(zhǔn)

表4 檢測項目

表5 托輥管精度與外圓徑向圓跳動的相關(guān)系數(shù)

1）內(nèi)徑公差與托輥兩端外圓徑向圓跳動的相關(guān)系數(shù)較小，說明當(dāng)筒皮內(nèi)徑超差在允許范圍內(nèi)的時候，已經(jīng)不是影響托輥外圓徑向圓跳動的主要因素，壓裝過程中能夠?qū)⒐茏訐螆A，從而使外圓徑向圓跳動合格。但是個別超差較大的點已經(jīng)發(fā)生塑性變形，雖然被撐圓，但外圓徑向圓跳動仍然不合格。

2）中間外圓徑向圓跳動與內(nèi)徑公差和直線度有關(guān)。筒皮直線度與中間外圓徑向圓跳動的相關(guān)性比較小，說明管子直線度控制得比較好，對中間外圓徑向圓跳動的影響就比較小。管的內(nèi)徑公差（即橢圓度）與中間外圓徑向圓跳動的相關(guān)性比較大，說明在直線度符合要求的情況下，管子自身的橢圓度就成為影響中間外圓徑向圓跳動的主要因素，雖然管子兩端被撐圓，但是中間無法被撐圓，如果管子自身橢圓度較大，就會造成中間外圓徑向圓跳動超差。

4.3 軸承座精度與外圓徑向圓跳動和端跳的關(guān)系

為了保證軸承座同軸度測量的精確性，制作了同軸度測量工裝，如圖5所示。

圖5 軸承座同軸度測量工裝

通過EXCEL數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，統(tǒng)計出了軸承座同軸度與托輥外圓徑向圓跳動、托輥端跳與托輥外圓徑向圓跳動的相關(guān)系數(shù)，如表6所示。

由軸承座同軸度和外圓徑向圓跳動的相關(guān)系數(shù)可看出，托輥的軸承座同軸度與外圓徑向圓跳動的相關(guān)性是較大的，通過檢測數(shù)據(jù)可以看出，外圓徑向圓跳動基本是隨著同軸度呈上升趨勢的。

表6 軸承座同軸度、托輥端跳與外圓徑向圓跳動的相關(guān)系數(shù)

從相關(guān)系數(shù)來看，托輥的端跳與外圓徑向圓跳動也有一定的相關(guān)性，但并不是主要影響，外圓徑向圓跳動的影響主要還是來自于軸承座的同軸度。結(jié)合檢測數(shù)據(jù)看，當(dāng)軸承座同軸度公差較小時，外圓徑向圓跳動和端跳超差的都比較少，即使端跳較大，外圓徑向圓跳動值也能合格，而在同軸度較大的區(qū)間內(nèi)，托輥的外圓徑向圓跳動和端跳超差的概率也增加，進(jìn)一步說明影響比較大的是軸承座同軸度。

無論軸承座壓正或者壓偏，其偏差都是直接累加到托輥外徑上的，由于軸承座同軸度公差較大，與筒皮壓裝的時候兩邊軸承座外圓不同心，容易造成壓偏，使得端跳過大。此外，壓裝機(jī)的穩(wěn)定性不夠，也是造成壓偏的主要原因。

通過試驗和數(shù)據(jù)分析，驗證了影響托輥外圓徑向圓跳動的幾個主要因素：

1）制造工藝的影響：原先車止口工藝?yán)鄯e誤差大，加工過程不易控制，改為壓裝后，省去了累積誤差最大的步驟，同時通過過盈量將筒皮撐圓，減小了累積誤差，使托輥外圓徑向圓跳動值大幅降低。

2）中間外圓徑向圓跳動的影響因素：管子的直線度和橢圓度。

3）兩端外圓徑向圓跳動的影響因素：軸承座的同軸度。

4）端跳的影響因素：壓裝過程的影響。

通過對新工藝的分析驗證，我們又進(jìn)行了如下改進(jìn)措施：

1）嚴(yán)格按照內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，控制托輥管的直線度和橢圓度，在運輸和吊裝過程中注意對管子的保護(hù)，設(shè)計了托輥管專用吊梁。

2）嚴(yán)格控制軸承座同軸度標(biāo)準(zhǔn)，提高加工精度，并在運輸過程中注意保護(hù)，避免野蠻裝卸等。

3）對現(xiàn)有壓裝設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，對設(shè)備進(jìn)行加固，提高壓裝穩(wěn)定性，控制托輥的端跳。

5 結(jié) 語

采用新的制造工藝后，托輥的兩端外圓徑向圓跳動抽檢滿足日本JIS標(biāo)準(zhǔn)且合格率達(dá)到100%，中間外圓徑向圓跳動滿足日本JIS標(biāo)準(zhǔn)且合格率達(dá)95%以上，不僅滿足了用戶要求，更使托輥產(chǎn)品質(zhì)量有了新的提高。

［1］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T10595-2009帶式輸送機(jī)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

（編輯立 明）

TH 223

B

1002－2333（2014）05－0269－03

李棟梁（1980—），男，工程師，主要從事帶式輸送機(jī)產(chǎn)品及部件質(zhì)量管控工作。

2014-03-07