摘要：凸轮机构在印刷机械中是一种非常常见的部件，在印刷机械运行的过程中，凸轮机构不仅要承载传动功能，而且还要起到导向控制的作用。但是凸轮机构在经过长时间的运行后，就会对机械设备整体的机构产生一定的摩擦，从而导致凸轮机构出现损坏情况，对设备的正常运行会造成一定的影响。本文主要针对印刷机械凸轮机构的失效进行了分析，并根据检测对其失效的内因进行了了解，在此基础上就能让凸轮机构为印刷工作提供能加优良的服务。
关键词：印刷机械；凸轮机构；失效；机理
引言
在印刷包装机械的运行过程中凸轮机构发挥出了非常重要的作用，在整个印刷机械运行过程中起到了传动、导向、控制的作用，也是实现机械式信息储存、传递的基本元件。在其运行过程中，凸轮在与滚子的接触过程中经常会因为严重的磨损而出现失效现象，从而对整个机构的造成影响，导致机械出现严重的噪音，运行工况恶化等现象，而且连杆机构也非常容易出现断裂的现象，对产品的质量会造成严重的影响。因此，针对印刷机械的凸轮机构失效机理进行分析具有十分重要的现实意义。
1 凸轮受力分析
（1）凸轮机构在运行过程中，其内部的凸轮在循环运行过程中不可避免的会跟相邻的部件产生摩擦，这样就会在凸轮上产生一个额外的载荷，对凸轮的正常运转会造成严重的影响。在凸轮运转的过程中在其上作用的载荷力的方向不一、大小不一，载荷的作用点也在随时发生变化。
（2）充分结合凸轮机构的具体特点，可以将凸轮机构上面承受的载荷看成是可变的静载荷。当载荷实际的方向与从动件升程之间的方向相反，那么凸轮实际处于加速段，此时，载荷的方向与惯性力保持一致；而当凸轮处于减速段的时候，载荷实际的方向与惯性力正好相反。结合金属弹性接触理论可以知道，印刷机械在运行过程中，凸轮与滚子之间存在非常明显的赫兹接触，也就是说凸轮与滚子之间在接触的过程中会在局部产生明显的弹性变形，载荷会作用在两者接触的公法线上，发生弹性变形的区域呈现出长方形，在整个接触区域的中线上出现了最大接触应力。为了进一步实现受力分析的简化，本次分析中主要针对凸轮机构一个循环周期内的最大瞬时载荷，假设其危险部位出现实现状况的时候凸轮副就失效。
2 有限元分析
2.1 主要针对某印刷企业机械设备中凸轮副作为主要的研究对象，该印刷机械内部的滚子从动件的实际的升程达到了85mm，凸轮基圆半径达到了80mm，滚子半径达到了25mm。充分结合分析对象实际的特点后，建立起了该凸轮滚子摩擦副的有限元模型[1]。
2.2 凸轮副材料的不同会导致其在运行过程中的摩擦特性也产生一定的差异，因此，在实际进行凸轮副材料选配的时候，要尽量保证凸轮材料具备抗点蚀、抗擦伤特性以及固态互溶特性等材料。本文分析中选择的凸轮是材料为Cu-Cr-Mo耐磨铸铁。
2.3 在分析过程中主要使用的软件是MSC.MARC，针对凸轮副使用四面体单元来进行网格划分，而在凸轮以及滚子的基础部分网格的划分相对比较密集，而其他部分的网格相对比较疏松。针对整个凸轮的模型使用约束条件对其空间自由度进行约束，同时针对滚子也对其接触法线方向的自由度进行了限制。并将两者设置成弹性的可变形体，并施加了接触约束。针对滚子模型施加载荷后就可以将任务提交，这样就可以针对整个凸轮机构的受力情况进行计算。
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3 失效分析与磨损机理
印刷机械在实际运行过程中，其内部的凸轮以及从动件通常情况下是处在边界润滑状态的，不能真正形成流动状态下的润滑油膜，而实际形成的油膜厚度非常薄，甚至要比凸轮的粗糙度低，在这种情况下，机械在运转过程中就会经常出现干磨的现象。在印刷机械运行的时候，在膜弹流润滑作用下，金属的表面会出现凸起的峰点，这样就会导致其产生磨损现象，根据相关的理论可以发现，机器在运行过程中，摩擦副界面之间的润滑油膜可以建立起动压承载压力，油膜产生的动压值会在接触应力的作用下导致油膜表面分开。机械在运行的过程中，这样就会在表面上产生流体润滑油膜承载力，由此就会在旋转体以及滑动面之前产生一定的间隙，将两者有效隔开。如果在实际运行过程中润滑油膜的厚度不够，就会导致两个机构的粗糙峰进行直接接触，这样两个机构之间就会同时出现部分膜润滑以及边界润滑，接触过程中就会因为摩擦而产生热量，从而对油膜造成破坏，这样就进一步增加了两个机构之间的摩擦系数，如果在摩擦比较严重的情况下甚至会导致出现部件局部烧结的现象。通常情况下，这种状态非常容易导致出现机械磨损事故，在凸轮以及滚子接触的表面上，会产生最大的向应力，而在这一位置上，在其一定深度位置的材料上会出现最大的剪切力，这样在这两个作用力的共同作用下，机械亚表面非常容易出现裂纹等缺陷。一旦裂纹出现了扩展或者大量的微裂纹连接就会最终形成磨屑[2]。通过两者的受力情况可以知道其具体的摩擦特点，凸轮失效的方式在很大程度与齿轮的传动失效比较相似，都是因为在运行过程中发生了疲劳磨损或者黏着磨损从而导致失效。在两者接触过程中，首先进行接触的是两个机构的线接触或者点接触，接触点或者接触面仅仅占到了整个总表面的百分之几，载体接触的过程中，外界的载荷作用在真实接触点上而产生的应力就会出现超过材料本身屈服极限的现象，这样就会导致机构出现塑形流动现象；在应力的作用下导致接触点会受到反复的揉擦压力的作用，最终使得材料的表面的分子结构也产生一定的变化，而由于其还会受到范德华力以及静电引力的作用，从而使得两个机构之间还会出现较大的粘附作用，从而导致机构的接触截面上出现“冷焊”或者转移的现象，这样一个机构上的物质就会通过转移作用转移到另一个机构上。为了最大程度降低凸轮在运行过程中产生的摩擦、磨损等机械损伤问题，可以在润滑油中加入适量的极压抗磨剂，这样就能够进一步增加润滑油的油性以及极压性。抗磨剂在凸轮机构摩擦的过程中会牢牢的吸附在金属的表面，从而能够将金属表面上出现的凹凸部分填平，最大程度减少了凸轮机构在运行过程中产生的阻力，有效避免凸轮机构在运行过程中产生擦伤现象，而且还能够充分利用摩擦化学反应，在金属表面上形成化学吸附膜和润滑膜，从而能够承受凸轮在运行过程中产生的大部分摩擦载荷，在凸轮机构与滚子接触产生摩擦的过程中，因为极压化学反应膜的存在使得其摩擦磨损受到了有效的抑制，有效缓解了凸轮的磨损现象。
4 结束语
综上所述，在针对凸轮机构运行过程中失效的具体原因进行分析后，对影响凸轮失效的各种因素进行了全面的分析，为印刷机械故障的排除起到了很好的参考作用，而且能够对印刷机构凸轮的失效问题进行有效预防，进一步提升了凸轮的运行可靠性，避免给企业带来损失。充分保证了印刷机械的正常运行。
参考文献
[1]张晓玲,沈韶华. 高速胶印机递纸机构共轭凸轮设计[A].中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会.全国印刷、包装机械凸轮、连杆机构学术研讨会（第6届全国凸轮机构学术年会）论文集[C].中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会:,2005:3.
[2]常宗瑜,张彬,丁寿宾,杨咸启,刘贵杰,朱春涛,谭登山.分度凸轮机构虚拟原型系统的开发[A].中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会.全国印刷、包装机械凸轮、连杆机构学术研讨会（第6届全国凸轮机构学术年会）论文集[C].中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会:,2005:3.
论文作者:林国栋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/27
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