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Jounal matenals的加工技術(shù)881-886 63(1997年) 關(guān)于焊接滾輪架軸向竄動的實驗研究 沈峰剛，希德潘，錦雪 焊接研究機(jī)構(gòu)所，西安交通大學(xué).西安.陜西省 710049.p.r.中國 摘要 文章引入焊接滾輪架軸向竄動的基本理論,并同時在焊接滾輪架的實驗?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行了試驗研究. 結(jié)果表明, 焊接滾輪架軸向竄動的主要原因在于工件的翻轉(zhuǎn)存在著螺旋夾角. 軸向相對運動產(chǎn)生螺旋運動,彈性滑動與摩擦滑動. 其中有與理論相符的內(nèi)容以及和理論不符合的內(nèi)容,文中了軸向運動滾筒. 他是相對于軸運動的圓筒形工件. 相對軸的運動包括滾輪與工件相互協(xié)調(diào)的彈性滑動和摩擦滑動。 關(guān)鍵詞:焊接滾輪架; 圓筒工件; 滾輪; 軸向運動; 螺旋角 1 介紹 在焊接生產(chǎn)中,常會遇到旋轉(zhuǎn)焊接圓形工件的情況。如焊接鍋爐、石油化工壓力容器等,就必須用到焊接滾輪架. 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)焊接時，由于制造、裝配公差 ，焊接滾輪和工件的表面平滑與否等因素(理想的旋轉(zhuǎn)工件表面是平滑的)，使焊接不可能理想化的進(jìn)行，工件必然會產(chǎn)生軸向竄動 。研究提供了當(dāng)圓形工件焊接時，軸向竄動的機(jī)制. 這項研究成果將有利于研究與設(shè)計反竄動焊接滾輪架. 尤其是應(yīng)用于滾輪架之上, 并確定了制造及滾輪架的裝配公差 ，為通過機(jī)械調(diào)節(jié)的方式，避免軸向竄動的方法供理論依據(jù)。調(diào)整模式采用閉環(huán)控制電路,并推選有價值的提案。 2理論分析 2.1焊接滾輪架一般由四個滾輪組成.由主動滾輪驅(qū)動,滾筒勻速繞軸旋轉(zhuǎn)(例1), 其間放圓形焊接工件（如圖1）,其中,s 為滾輪支架距離,L同列兩滾輪距離. Ve是圓形工件滾動的線速度,也被稱為焊接速度 圖1 焊接滾輪架 同行的滾輪的的軸并不平行, 從某個角度看,滾輪架的四輥所在的頂點組成一個簡單的四邊形 但如果四滾輪所在頂點不在同一平面 或因為制造及裝配滾輪的圓柱是不規(guī)則的圓形. 那么. 工件就會在軸轉(zhuǎn)動時竄動。滾輪架的滾輪與工件有一個接觸點. 假設(shè)P為這個接觸點. 工件的標(biāo)準(zhǔn)平面的定義是一個平滑的平面,平面A為圓柱母線與軸的切入點組成的平面,與工件相切點不在此平面內(nèi), 一平面垂直于平面A切線，過P和所在平面B 就是滾輪的切線過相同點P, 一般說來, θ被定義為滾輪軸和圓柱行工件的軸線的偏斜夾角! 定義螺旋夾角母線N和M'. 如圖2、圖3所示，其射影線取得的突出輥母線橫跨點P 。 B定義為N和M線的投影夾角。如例3其中三個角度關(guān)系tanβ = tan2θ * tan 2γ 軸向偏差位移矢量和射影位移矢量它們的關(guān)系是: 圖2 滾輪和工件幾何關(guān)系 圖3 個角度矢量和位移矢量的關(guān)系 2.2軸向相對關(guān)系 (1)螺旋運動 因為滾輪軸線與中線不平行, 在Vr和Vc之間就有一個螺旋角β存在,如圖 2. 當(dāng)輥筒圍繞自己的軸線轉(zhuǎn)動時,使在切線上產(chǎn)生摩擦力. 因為滾輪和工件各個線速度在不同的方向，由于螺旋效應(yīng)也就是竄動就會發(fā)生在點p-滾輪和工件的接觸點(圖4). 式中：VC是圓柱的線速. 是工件的軸向分量, 1.2.3.4, 分別代表四個滾輪. (2)彈性滑動 由于存在一種螺旋角,在工件上產(chǎn)生軸向力Faj. 當(dāng)力量小于最大軸向摩擦力fnj(其中f是摩擦系數(shù),單滾和工件正常的壓力) 工件會下滑超過滾輪軸 [2~3]mm 的下滑速度為： 式中e是金屬滾輪的彈性滑動系數(shù)：e= ool~0.005. (3)摩擦滑動時faj大于最高摩擦力fnj, 工件將在滾輪之上做摩擦滑動. 滑動阻力為fnj3. 工件的摩擦滑動速度的大小和方向可確定 由環(huán)球關(guān)系工件和四滾輪摩擦滑動導(dǎo)致滾輪表面的磨損. 這是意料之外的,在焊接進(jìn)行時,工件發(fā)生漂移。以上三種運動不同時發(fā)生 。工件的軸向漂移速度不是代數(shù)的三個組成部分的速度. 發(fā)生摩擦滑動的軸向速度 2.3工件滾輪的軸向運動 2.3.1與理論相符的部分 在理想的條件下, 工件和四滾輪之間的當(dāng)螺旋角j都是一樣時,即: 1=2=3=4工件的運動將與理論值相同. 可以將兩個范疇對比分析: (1)由于重力不存在軸向分量. 工件的軸向竄動速度: Va=Vc * tanβ (2)當(dāng)存在一個有重力Ga因素，軸向竄動速度存在一個軸力. 現(xiàn)在,四滾輪有相同的方向 與重力G等效的軸向竄動速度 是： 2.3.2.與理論不同的關(guān)于軸向竄動的內(nèi)容. 工件與四滾輪之間螺旋角j大小和方向不相等.工件和四滾輪的幾何關(guān)系也不相同時 ,工件和四滾輪之間的軸向竄動是個不相同的. 工件與滾輪軸向速度應(yīng)該是同樣的,因為工件被作為一個整視為一個剛體體,. 然而. 有些滾輪和工件的實際上軸向速度是不完全相同的, 所以軸向摩擦力幾乎肯定會出現(xiàn)這種滾輪和工件之間以下兩類分類討論不同與理論的摩擦力的大小 (一)當(dāng)軸向摩擦力確保每個滾輪和工件均低于最大軸向所需對摩擦力 滾輪和工件將產(chǎn)生彈性滑動單個滾輪和工件可以協(xié)調(diào)它們的彈性滑動 當(dāng)工件的軸向速度是常量, 如果忽略重力工件與四個滾輪的軸向竄動的總和將為0 四個滾輪并沒有什么差別因此他們大致是相同的 根據(jù)上述兩個方程,工件的軸向竄動為： 凡是0.25∑tant范圍內(nèi).使用滾輪架的情況下,工件只長生產(chǎn)生彈性滑動,這可能是所謂工件 螺旋率螺旋問題 (2)當(dāng)工件與滾輪的軸向摩擦力大于最大軸向摩擦力, 工件與滾輪的圓柱體之間將發(fā)生摩擦滑動,這滾那. 最大軸向力作用于滾輪軸承 Ffmax=fFNfmax 由于這種摩擦滑動的存在. 單個滾輪與工件之間軸向傳動并不協(xié)調(diào)， 現(xiàn)在，軸向竄動并不完全由滾輪與工件的相對關(guān)系所決定. 很難寫一個軸向傳動速度的普遍相容方程,因為這樣的條件 很復(fù)雜. 以下是進(jìn)一步的分析和討論這一問題時,首先,為便于分析問題, 螺旋角定義為 而相對螺旋角度 按由大到小的順序排列β表達(dá)為 β1≥β2≥β3≥β4 同樣的,滾輪與圓形工件的正常的相互作用力為n(j). 軸向力為 Fj≤fNj 一般 工件的軸向運動由螺旋角的平均值β決定 工件的軸向竄動,由相對螺旋角的定義竄動為不完全的組成部分, 當(dāng)圓柱體沿著軸向，恒定速度 ，其速度表示分析表明asVa\n是平衡狀態(tài)下的四滾輪軸力. 如果不考慮它的重力. 假設(shè)最大相對螺旋角對應(yīng)工件的最大竄動速度為： 四個軸向力不可能相等 F1-(F2+F3+F4) ≤0 因為四個常力之間沒有太大的區(qū)別, 四軸正常的力和摩擦所造成的竄動無疑高于其他三因素 否則,如果工件與滾輪之間螺旋角為最小相對螺旋β角時. 其速度. Va” = Vc * tanβ(4) 同樣. 四軸向力無法平衡,即: [F(l) + F(2) + F(3) J - F(4) > 0因此,工件只能視為不兼容的軸向竄動的第二代或第三螺旋角,即: If N(I) + N(2) > N(3) + N(4) 在上述意思的何種情況下. 有不完全平衡的軸向運動,有兩個比較大的力滾輪驅(qū)動，另外兩個較小的力阻礙滾輪的轉(zhuǎn)動。即 f(1)+f(2)=f(3)+f(4) 根據(jù)上述分析,因為負(fù)荷而產(chǎn)生的不穩(wěn)定的摩擦系數(shù)影響。材料，表面接觸條件不完全的組成了軸向速度. 當(dāng)工件作不完全的軸向運動時, 軸向速度是由一個協(xié)調(diào)因素va\0和一個非協(xié)調(diào)因素va\ni組成 Va=Va\0+Va\n 軸向竄動的最優(yōu)化調(diào)整是為了使非協(xié)調(diào)因素盡可能協(xié)調(diào)和穩(wěn)定從而減小小軸向竄動. 假設(shè)在某一特定滾輪架，軸向竄動的大小和方向是一定的.他對滾輪架將產(chǎn)生固定的影響 。 3. 實驗 3.1.實驗描述 在圖5中試驗表明,.初步的試驗研究了兩個因素:螺旋角和工件的線速度-影響軸向竄動的主要因素. 在實驗過程. 軸向位移SA和軸向竄動速度va測量方法如例 5 。而進(jìn)行的方法是將軸向位移傳感器安裝到的圓筒的一端.與傳感器相連的X-Y記錄器記錄工件的軸向位移,每5s記錄一次.,平均竄動速度va在每個角度可以計算出數(shù)據(jù). 在試驗階段. 實驗?zāi)Ｐ褪侨缦?一.調(diào)節(jié)四滾輪 高度在同一用水平線上, 并在四矩形的個頂點.那么滾輪使旋轉(zhuǎn)工件的相對平衡. 然后. 工件不竄動一段很長的時間. 或定期竄動一個很小的范圍 3.2實驗結(jié)果的討論 3.2.1螺旋角的影響 (一)例如圖六所示 。VA的變化檢測條件是: vc=35m/h L=422mm , α=60" va是與tanβ4成正比的.β4 是與(1~6c )相關(guān)的.坡度線為3. 06毫米/秒,va不再正比tanβ4時, 當(dāng)β4大于6c。軸向竄動是隨著β4逐漸減小。由于只有一個驅(qū)動滾輪(roller No. 4)的影響, β4 可以改變的,而其他的仍然是零,工件作出了協(xié)調(diào)的運動. 當(dāng)β4的比例較小,va也小. 圓柱體軸向摩擦力,滾輪最大軸向摩擦力,汽缸產(chǎn)生彈性滑針對滾輪. 軸向運動之間各滾輪和工件協(xié)調(diào)彈性滑動. 因此,va是: 在理論曲線的斜率k'可以按下列公式計算: k=3.06mm/s的實驗曲線. 因此,在考慮到各方面的實驗,兩個斜坡上可被認(rèn)為是大致相等. 當(dāng)β4 比較大, 滾輪與工件之間大于最大軸向摩擦力大于最大摩擦力, 工件產(chǎn)生摩擦滑動抵抗?jié)L輪存在滑動摩擦力由于竄動的存在. va不再隨著tanβ4 的增加而增加,而是逐漸減小 (2)以下三個實驗,工件的不協(xié)調(diào)軸向竄動隨之改變。由同一螺旋角度來衡量的一個主動滾輪及兩個，三個主動滾輪 。三曲線之間的SA和V顯示在 研究結(jié)果顯示,在圖7. 隨著滾輪數(shù)量的增加,va逐漸增大. Va 3 > Va 2 > Va1 當(dāng)驅(qū)動滾輪的數(shù)量變化時, 度氣缸的非兼容軸運動將會有所改變. 隨著同一螺旋角影響下滾輪數(shù)量的增加. 兼容的分量越來越大,但互不兼容的分量越來越小. 換句話說,工件的軸運動將轉(zhuǎn)化為兼容的問題. 因此,va越大,軸向竄動越由β角所決定. 四輥有相同的螺旋角. va為: 3.2.2 圓形速率的影響 螺旋角從平衡位置+2"對4號驅(qū)動滾輪的影響。, 工件將影響軸向竄動（例如圖 8）所顯示va-VC的曲線,后者表明va是與VC成正比的, 曲線的斜率大約是0.00708。因為β4=+2實在太小, 工件相對每一滾輪沒有形成軸向竄動. 因此,相對與軸滾輪和工件之間的運動是完全協(xié)調(diào)的彈性滑動va為 va正比于ve。理論曲線的斜率K*,可以按下列 方程K"=0.25tan4=0.25tan2'=0.00873wherek=0.00708mm/s. 因此,在考慮到各方的實驗,協(xié)調(diào)的兩個斜坡上可被認(rèn)為是大致相等. 4結(jié)論 1. 因為制造及裝配的偏差. 工件的中心線與滾輪軸線不平行. i. E。他們沒有在同一平面,在他們之間 有一種螺旋角β. 存在β是發(fā)生軸向竄動的主要原因. 重力的影響,工件的軸線方向,也是軸向竄動的一個原因. 2. 單個滾輪和工件的相對軸向竄動包括彈性滑動與摩擦滑動,當(dāng)軸向摩擦滑動沒有出現(xiàn)在工件和單滾之間, 工件和滾輪的軸向竄動被他們的彈性滑動完全抵消, 存在關(guān)系： 3.軸向竄動可以分為完全的和不完全的,有很大的竄動力在的軸承之上, 雖然不完全的竄動還沒有被定義，當(dāng)存在不完全的竄動時，將造成滾輪和工件之間的磨損. 軸向竄動常被定義在一個特定的滾輪架上而言的。它的竄動速度的大小和方向是固有的. 4.合理調(diào)整軸運動,使不兼容的分量盡可能小和 兼容分量盡可能大從而減小軸向竄動. 5.隨著滾輪數(shù)量的增加相同β角下的軸向竄動將增大,但不兼容的部分減少. 隨著兼容部分的增加工件的軸向竄動速度將增加 當(dāng)軸向滑動摩擦發(fā)生在滾輪和工件之間時. 軸向竄動將被彈性摩擦和滑動摩擦所協(xié)調(diào)，但Vc并不與βj成正比 。關(guān)系如下 參考資料： (1) Z Wang. 焊接機(jī)械設(shè)備教材，甘肅蘭州工業(yè)大學(xué)， 張培源(1992)pp85-98 (2)武漢材料技術(shù)研究所，南京化工研究所,與華南工學(xué)院，水泥生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備, 建筑工業(yè)出版社，中國北京,(1981)pp,184-187 (3) J . Halling(ed.)， 麥克米倫出版社,(1975)pp. 174-200