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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(dòng)的實(shí)驗(yàn)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(guó)
摘要
文章引入焊接滾輪架軸向竄動(dòng)的基本理論,并同時(shí)在焊接滾輪架的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕线M(jìn)行了試驗(yàn)研究. 結(jié)果表明, 焊接滾輪架軸向竄動(dòng)的主要原因在于工件的翻轉(zhuǎn)存在著螺旋夾角. 軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng),彈性滑動(dòng)與摩擦滑動(dòng). 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(yùn)動(dòng)滾筒. 他是相對(duì)于軸運(yùn)動(dòng)的圓筒形工件. 相對(duì)軸的運(yùn)動(dòng)包括滾輪與工件相互協(xié)調(diào)的彈性滑動(dòng)和摩擦滑動(dòng)。
關(guān)鍵詞:焊接滾輪架; 圓筒工件; 滾輪; 軸向運(yùn)動(dòng); 螺旋角
1 介紹
在焊接生產(chǎn)中,常會(huì)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生軸向竄動(dòng) 。研究提供了當(dāng)圓形工件焊接時(shí)，軸向竄動(dòng)的機(jī)制. 這項(xiàng)研究成果將有利于研究與設(shè)計(jì)反竄動(dòng)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(guò)機(jī)械調(diào)節(jié)的方式，避免軸向竄動(dòng)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(jià)值的提案。
2理論分析
2.1焊接滾輪架一般由四個(gè)滾輪組成.由主動(dòng)滾輪驅(qū)動(dòng),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(dòng)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(gè)角度看,滾輪架的四輥所在的頂點(diǎn)組成一個(gè)簡(jiǎn)單的四邊形 但如果四滾輪所在頂點(diǎn)不在同一平面 或因?yàn)橹圃旒把b配滾輪的圓柱是不規(guī)則的圓形. 那么. 工件就會(huì)在軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)竄動(dòng)。滾輪架的滾輪與工件有一個(gè)接觸點(diǎn). 假設(shè)P為這個(gè)接觸點(diǎn). 工件的標(biāo)準(zhǔn)平面的定義是一個(gè)平滑的平面,平面A為圓柱母線與軸的切入點(diǎn)組成的平面,與工件相切點(diǎn)不在此平面內(nèi), 一平面垂直于平面A切線，過(guò)P和所在平面B 就是滾輪的切線過(guò)相同點(diǎn)P, 一般說(shuō)來(lái), 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(diǎn)P 。 B定義為N和M線的投影夾角。如例3其中三個(gè)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(gè)角度矢量和位移矢量的關(guān)系
2.2軸向相對(duì)關(guān)系
(1)螺旋運(yùn)動(dòng)
因?yàn)闈L輪軸線與中線不平行, 在Vr和Vc之間就有一個(gè)螺旋角β存在,如圖 2. 當(dāng)輥筒圍繞自己的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),使在切線上產(chǎn)生摩擦力. 因?yàn)闈L輪和工件各個(gè)線速度在不同的方向，由于螺旋效應(yīng)也就是竄動(dòng)就會(huì)發(fā)生在點(diǎn)p-滾輪和工件的接觸點(diǎn)(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(gè)滾輪.
(2)彈性滑動(dòng)
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(huì)下滑超過(guò)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(dòng)系數(shù)：e= ool~0.005.
(3)摩擦滑動(dòng)時(shí)faj大于最高摩擦力fnj, 工件將在滾輪之上做摩擦滑動(dòng). 滑動(dòng)阻力為fnj3. 工件的摩擦滑動(dòng)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(dòng)導(dǎo)致滾輪表面的磨損. 這是意料之外的,在焊接進(jìn)行時(shí),工件發(fā)生漂移。以上三種運(yùn)動(dòng)不同時(shí)發(fā)生 。工件的軸向漂移速度不是代數(shù)的三個(gè)組成部分的速度.
發(fā)生摩擦滑動(dòng)的軸向速度
2.3工件滾輪的軸向運(yùn)動(dòng)
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(shí),即: 1=2=3=4工件的運(yùn)動(dòng)將與理論值相同. 可以將兩個(gè)范疇對(duì)比分析:
(1)由于重力不存在軸向分量. 工件的軸向竄動(dòng)速度:
Va=Vc * tanβ
(2)當(dāng)存在一個(gè)有重力Ga因素，軸向竄動(dòng)速度存在一個(gè)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(dòng)速度 是：
2.3.2.與理論不同的關(guān)于軸向竄動(dòng)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(shí) ,工件和四滾輪之間的軸向竄動(dòng)是個(gè)不相同的. 工件與滾輪軸向速度應(yīng)該是同樣的,因?yàn)楣ぜ蛔鳛橐粋€(gè)整視為一個(gè)剛體體,. 然而. 有些滾輪和工件的實(shí)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(huì)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(gè)滾輪和工件均低于最大軸向所需對(duì)摩擦力 滾輪和工件將產(chǎn)生彈性滑動(dòng)單個(gè)滾輪和工件可以協(xié)調(diào)它們的彈性滑動(dòng)
當(dāng)工件的軸向速度是常量, 如果忽略重力工件與四個(gè)滾輪的軸向竄動(dòng)的總和將為0
四個(gè)滾輪并沒(méi)有什么差別因此他們大致是相同的
根據(jù)上述兩個(gè)方程,工件的軸向竄動(dòng)為：
凡是0.25∑tant范圍內(nèi).使用滾輪架的情況下,工件只長(zhǎng)生產(chǎn)生彈性滑動(dòng),這可能是所謂工件 螺旋率螺旋問(wèn)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(dòng),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(dòng)的存在. 單個(gè)滾輪與工件之間軸向傳動(dòng)并不協(xié)調(diào)， 現(xiàn)在，軸向竄動(dòng)并不完全由滾輪與工件的相對(duì)關(guān)系所決定. 很難寫(xiě)一個(gè)軸向傳動(dòng)速度的普遍相容方程,因?yàn)檫@樣的條件 很復(fù)雜. 以下是進(jìn)一步的分析和討論這一問(wèn)題時(shí),首先,為便于分析問(wèn)題, 螺旋角定義為
而相對(duì)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(yùn)動(dòng)由螺旋角的平均值β決定
工件的軸向竄動(dòng),由相對(duì)螺旋角的定義竄動(dòng)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(duì)螺旋角對(duì)應(yīng)工件的最大竄動(dòng)速度為：
四個(gè)軸向力不可能相等
F1-(F2+F3+F4) ≤0
因?yàn)樗膫€(gè)常力之間沒(méi)有太大的區(qū)別, 四軸正常的力和摩擦所造成的竄動(dòng)無(wú)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(duì)螺旋β角時(shí). 其速度. Va” = Vc * tanβ(4)
同樣. 四軸向力無(wú)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(dòng)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(yùn)動(dòng),有兩個(gè)比較大的力滾輪驅(qū)動(dòng)，另外兩個(gè)較小的力阻礙滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。即
f(1)+f(2)=f(3)+f(4)
根據(jù)上述分析,因?yàn)樨?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(yùn)動(dòng)時(shí), 軸向速度是由一個(gè)協(xié)調(diào)因素va\0和一個(gè)非協(xié)調(diào)因素va\ni組成
Va=Va\0+Va\n
軸向竄動(dòng)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(dòng). 假設(shè)在某一特定滾輪架，軸向竄動(dòng)的大小和方向是一定的.他對(duì)滾輪架將產(chǎn)生固定的影響 。
3. 實(shí)驗(yàn)
3.1.實(shí)驗(yàn)描述
在圖5中試驗(yàn)表明,.初步的試驗(yàn)研究了兩個(gè)因素:螺旋角和工件的線速度-影響軸向竄動(dòng)的主要因素. 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程. 軸向位移SA和軸向竄動(dòng)速度va測(cè)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(dòng)速度va在每個(gè)角度可以計(jì)算出數(shù)據(jù). 在試驗(yàn)階段. 實(shí)驗(yàn)?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(gè)頂點(diǎn).那么滾輪使旋轉(zhuǎn)工件的相對(duì)平衡. 然后. 工件不竄動(dòng)一段很長(zhǎng)的時(shí)間. 或定期竄動(dòng)一個(gè)很小的范圍
3.2實(shí)驗(yàn)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(cè)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(shí), 當(dāng)β4大于6c。軸向竄動(dòng)是隨著β4逐漸減小。由于只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng). 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(duì)滾輪. 軸向運(yùn)動(dòng)之間各滾輪和工件協(xié)調(diào)彈性滑動(dòng). 因此,va是:
在理論曲線的斜率k'可以按下列公式計(jì)算:
k=3.06mm/s的實(shí)驗(yàn)曲線. 因此,在考慮到各方面的實(shí)驗(yàn),兩個(gè)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(dòng)抵抗?jié)L輪存在滑動(dòng)摩擦力由于竄動(dòng)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(gè)實(shí)驗(yàn),工件的不協(xié)調(diào)軸向竄動(dòng)隨之改變。由同一螺旋角度來(lái)衡量的一個(gè)主動(dòng)滾輪及兩個(gè)，三個(gè)主動(dòng)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(dòng)滾輪的數(shù)量變化時(shí), 度氣缸的非兼容軸運(yùn)動(dòng)將會(huì)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(lái)越大,但互不兼容的分量越來(lái)越小. 換句話說(shuō),工件的軸運(yùn)動(dòng)將轉(zhuǎn)化為兼容的問(wèn)題. 因此,va越大,軸向竄動(dòng)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(duì)4號(hào)驅(qū)動(dòng)滾輪的影響。, 工件將影響軸向竄動(dòng)（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?yàn)棣?=+2實(shí)在太小, 工件相對(duì)每一滾輪沒(méi)有形成軸向竄動(dòng). 因此,相對(duì)與軸滾輪和工件之間的運(yùn)動(dòng)是完全協(xié)調(diào)的彈性滑動(dòng)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(shí)驗(yàn),協(xié)調(diào)的兩個(gè)斜坡上可被認(rèn)為是大致相等.
4結(jié)論
1. 因?yàn)橹圃旒把b配的偏差. 工件的中心線與滾輪軸線不平行. i. E。他們沒(méi)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(dòng)的主要原因. 重力的影響,工件的軸線方向,也是軸向竄動(dòng)的一個(gè)原因.
2. 單個(gè)滾輪和工件的相對(duì)軸向竄動(dòng)包括彈性滑動(dòng)與摩擦滑動(dòng),當(dāng)軸向摩擦滑動(dòng)沒(méi)有出現(xiàn)在工件和單滾之間, 工件和滾輪的軸向竄動(dòng)被他們的彈性滑動(dòng)完全抵消, 存在關(guān)系：
3.軸向竄動(dòng)可以分為完全的和不完全的,有很大的竄動(dòng)力在的軸承之上, 雖然不完全的竄動(dòng)還沒(méi)有被定義，當(dāng)存在不完全的竄動(dòng)時(shí)，將造成滾輪和工件之間的磨損. 軸向竄動(dòng)常被定義在一個(gè)特定的滾輪架上而言的。它的竄動(dòng)速度的大小和方向是固有的.
4.合理調(diào)整軸運(yùn)動(dòng),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(dòng).
5.隨著滾輪數(shù)量的增加相同β角下的軸向竄動(dòng)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(dòng)速度將增加
當(dāng)軸向滑動(dòng)摩擦發(fā)生在滾輪和工件之間時(shí). 軸向竄動(dòng)將被彈性摩擦和滑動(dòng)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(guó)北京,(1981)pp,184-187
(3) J . Halling(ed.)， 麥克米倫出版社,(1975)pp. 174-200