高速吹瓶机变螺距丝杆力学及润滑分析*

(广州铁路职业技术学院 广东广州 510430)

随着吹塑瓶的广泛应用，吹塑机的生产效率及稳定性备受关注，其中二步法直线式电动高速PET吹瓶机的生产速度和模腔数量是衡量设备性能的关键参数。目前国外先进的二步法吹塑机生产商有法国的Sidel公司，加拿大的Husky公司等[1]，其中Sidel公司最新研发的无缝结合一体机Combi34xs,通过改良输送机构,使0.2～0.7 L的小型瓶的生产效率达到17瓶/s。其工艺流程为：理瓶胚-插瓶胚-预热-调整瓶胚间距-吹塑-冷却[2]。在预热时，为了节约设备空间，需要将瓶胚在紧凑的环境下传动。但是预热完成后，在吹塑前，由于瓶子的大小会变大，需要在第中间螺距上开始变螺距。完成变螺距后，又开始等螺距工作，这样就可以调整瓶胚的间距。但这样的丝杆加工困难[3-4]，在调节螺距时，与丝杆螺纹接触的滑动件会产生高的速度和加速度，对丝杆表面产生冲突力，破坏丝杆螺纹表面的油膜，致使螺纹磨损加剧。滑动块与丝杆螺纹之间的润滑油膜厚度对丝杆传动速度和耐用度有密切的关系，而丝杆传动速度决定了瓶坯吹塑成型的速度。

研究表明，速度越高，越难形成油膜。1997年，陈国定等[5]通过建立弹性动力润滑方程，获得了轴承滚子外圈形成油膜厚度的数学方程，通过改善润滑提高了轴承的旋转速度。2018年，韩传军等[6]通过螺杆泵的实验分析，研究了摩擦因数的变化规律，发现相同转速和载荷下，随着法向载荷的增大，定子橡胶的摩擦因数先减小后增大。史冬岩等[7]结合滑动轴承，分析了油膜压力作用下轴瓦合金层的应力分布情况，通过建立扰动压力方程，获得滑动轴承的特性系数，发现油膜压力呈三维抛物面分布的规律。油膜厚度的计算与摩擦因数密切相关，较为成熟的有CPE4R的网格单元[8]对模块进行网格化，同时利用Mooney-Rivlin模型[9]建立受力关系。

为了提高吹瓶机的生产效率，节约吹瓶机的空间尺寸，本文作者将变螺距丝杆应用到吹瓶设备中，通过设计吹瓶机机械手组的结构，探索变螺距丝杆工艺要求，分析瓶坯抓取部分的滑动块与丝杆间的受力及润滑情况，为减少由于加速度而导致的丝杆的磨损，从而获得质量稳定且使用寿命长的高速变螺距吹瓶机提供核心部件。

1 变螺距结构设计

如图1所示，变螺距丝杆吹塑机由伺服电机、减速机配合带动丝杆实现旋转运动，使机械手组沿燕尾槽滑轨运动。由于伺服电机的正反旋转，使丝杆驱动机械手组往复运动，由传感器判断机械手达到设计距离的要求，传递信号到控制器，并控制气缸推动手臂，使得机械手开合。变螺距机械手的工作原理就是通过电机的往复运动，使上述的运动连续进行，达到在加温链中的加温节距和吹瓶节距两者相互转换的要求。

图1 变螺距丝杆的吹塑机

1.1 变螺距丝杆的运动原理

变螺距螺旋线是一个动点在一圆柱表面上绕轴线做匀速旋转运动，同时沿直线做匀加速运动所形成的轨迹，此时的轨迹为抛物线。根据变螺矩螺旋线切制形成的螺纹杆称为变螺矩丝杆。将变螺距的丝杆运用在吹瓶机械时，从结构上可以将其分为3部分：第一部分为小螺距部分，实现瓶胚在紧凑环境下传动，此时的运动为匀速运动；第二部分为过渡部分，实现小螺距变为大螺距的过渡，此时的运动为加速运动；第三部分为大螺距部分，实现瓶胚间大距离传动，此时的运动为匀速运动。

1.2 机械手组

机械手组由机械手、手臂、支架组成，机械手主要用于抓紧瓶坯，带动瓶坯向前运动。机械手通过手臂与支架相连接，支架与燕尾槽相配合，使机械手沿水平方向起到导向作用。滑动块安装在机械支架下面，与丝杆的槽相连，驱动瓶坯向前运动。机械手抓紧瓶胚，通过滑动杆与丝杆接触。丝杆的牙型为矩型螺纹，在丝杆上均匀分布滚动体，丝杆是变螺距，滑动块嵌入丝杆的牙槽中，丝杆的两端用轴承支承。

1.3 丝杆结构工艺

矩形螺纹的传动效率较高，主要用于传力机构中。文中丝杆主要是传递水平动力，故将丝杆螺纹设计为矩形螺纹。螺距分为3部分，一部分由38 mm螺距构成，一部分由76 mm螺距构成，中间部分为过渡部分。实现方法是丝杆所有螺纹的槽宽都一致，只是改变不同螺纹的厚度，即通过加大丝杆的厚度，使丝杆螺距增加一倍，以提高丝杆的传动效率，增加吹塑机的吹塑速度。但加大丝杆厚度会增加丝杆自身的质量。为了减少丝杆的质量，可在不影响丝杆刚度和强度的前提下，在丝杆表面钻工艺孔。

1.4 加工工艺及润滑

由于丝杆处于高速运动，而且要求噪声小，故其加工质量要求相当高，其直线度、同轴度、圆度都要求较高，且要求有合适的润滑方法。在加工完成后，要对丝杆进行直线度的校正，并在滑动块与螺纹之间增加润滑油，从而改善运动效果。

2 运动过程分析

2.1 效率分析

螺纹的效率按以下公式[9]计算：

(1)

ρ=arctanf

式中：ρ为螺旋当量摩擦角(矩形螺纹)；f为螺纹副的静摩擦因数；λ为螺纹升角。

伺服电机、减速机配合带动丝杆实现旋转运动，在丝杆的带动下，机械手组的速度由小变大。机械手组在丝杆的作用下，先是匀速运动，然后是加速运动，最后再变为匀速运动。加速过程是由小螺距变为大螺距的过渡过程，螺纹升角在减少，会产生瞬间阻力，使传动效率变低。

2.2 力学分析

机械手组通过滑动块与丝杆的螺纹槽相连接，实现力的传输，从而带动瓶坯运动。当丝杆旋转一圈时，丝杆槽驱动滑动块向前运动一个螺距，但在小节距变为大节距时，由一个螺距增加到一培的螺距，其生产效率提高一倍。

滑动块在丝杆槽上运动，螺距由L1变化L2，螺距变大一倍，使机械手之间间距增加一倍，便于抓取吹塑成型。机械手在螺距为L1的位置时，其沿水平方向是匀速运动，速度为v1；当机械手运动到螺距为L2的位置时，其速度为v2。由于节距增加，在螺距由L1变化到L2的过渡区域，其产生一定的加速度，则机械手由于加速度而引起对丝杆的水平压力Fx。

根据牛顿第二定律：

FJ=ma

(2)

(3)

式中：FJ为机械手组所受加速度合外力(N)；m为机械手组的质量(kg)；a为机械手组的加速度(m/s2)；t为丝杆旋转一圈的时间(s)。

由于机械手组所受加速度合外力全部由滑动块传递到丝杆的螺纹上，如图2所示。

图2 滑动块与螺纹的受力图

故：

FJ=Fx

(4)

滑动块对丝杆的法向总合力

(5)

式中：β为水平分力Fx与合力Fn的夹角。

当滑动块与丝杆的接触长度为s时，则：

(6)

式中：W为单位接触长度上最大载荷。

3 润滑分析

将吹塑瓶模具腔设定为18腔，瓶胚吹塑预算速度为1.8瓶/s时，即丝杆旋转一圈的时间t=0.1 s。丝杆第一部分螺距为38 mm，第二部分螺距为76 mm，此时β=10°，故v1=0.38 m/s，v2=0.76 m/s。

由式(3)可得，过渡部分的最大加速度为3.8 m/s2。机械手组的总质量为m=65.4 kg，由式(2)、(4)可得过渡丝杆牙型部分所受冲击压力为248.52 N。此时机械手与丝杆之间产生较大的冲击力，摩擦力较大，机械手与丝杆间需要良好的润滑。

基于道森-希金森公式[10]，杨沛然和温诗铸[11]对Roelands黏度公式进行修正，获得最小油膜厚度为

hmin=2.65[(α0.54·(η0·u)0.7·R0.43)/(E0.03·W0.33)]

(7)

式中：hmin为接触表面间最小油膜厚度(m)；η0为润滑油动力黏度(Pa·s)；R为当量柱体半径(m)；E为综合弹性模量(Pa)；W为单位接触长度上最大载荷(N/m)；u为平均搅油速度(m/s)；α为润滑油黏压系数(m2/N)。

丝杆用调质45钢，选用黏压系数较高的润滑油，根据滑动块的直径，可计算出当量圆柱直径，从而获得最小油膜厚度hmin的值。

4 实验分析

分别选择46号压缩机油、钙基润滑脂、极压复合锂基润滑脂，对变螺距丝杆进行润滑分析。根据各润滑油的动力黏度和黏压系数，利用公式(7)计算得到46号压缩机油、钙基润滑脂、极压复合锂基润滑脂的最小油膜厚度分别为：2.71×10-8、3.08×10-8、4.24×10-8m。

在完成连续10万次疲劳实验后，观察了形成的油模厚度及丝杆磨损程度。通过实验分析发现，润滑油动力黏度越小，其流动性越好，但容易造成边界润滑，丝杆螺纹的表面磨损明显，噪声明显加大；动力黏度越大，对滑动块的阻力将增加，丝杆温度明显上升，丝杆螺纹的表面积碳明显，无法达到最高运动速度。黏压系数的大小与磨损关系比动力黏度的影响力下降，丝杆速度越高，加速度越大，机械手组对丝杆的冲击越大。

根据上述实验结果，在某企业在选用高精密支承丝杆轴承的前提下,选择极压复合锂基润滑脂对丝杆螺纹与滑动块进行润滑，其动力黏度和黏压系数较高，且机械安定性、耐热性，防锈性较好，容易形成一定厚度的油膜。通过实验发现，采用该变螺距丝杆的吹塑机速度可达1.8瓶/s，速度处于国内领先水平，与国外的1.6瓶/s仅差0.2瓶/s。同时，该机型的工作速度快，过程稳定，工作寿命长。

5 结论

(1)设计了实现瓶胚间距变化的机械手组结构，优化了变螺距丝杆的工艺结构，分析了其运动过程的效率和受力情况，获得了丝杆单位接触长度上最大载荷的计算方法。

(2)通过分析滑动块与丝杆的润滑情况，借助道森-希金森公式，获得了计算丝杆最小油膜的计算方法。

(3)通过确定丝杆的结构数据，对比分析不同润滑油对丝杆表面磨损影响程度，选取了较优的润滑方案，使吹瓶机的吹塑速度达1.8瓶/s，接近国际先进水平。