构件的变形对机器承载特征的影响

机器人

机构是由刚体或有承载能力的物体连接而成的组合，连接时应使它们在运动中彼此具有确定的相对运动。     机构是形成许多机械设备的基本几何单元，它主要为了使一刚体相对于某一参考构件具有所需要的相对运动而设计的。机构设计常常是设计机器的第一步，当机构承受力的作用时，另外还得考虑动力学、轴承负荷、应力、润滑、温度场等问题，这样便成为一个机器设计问题。因此，机构的运动分析与综合是基于刚性构件假设，以实现要求的运动规律为目的，这样获得的结果对刚性构件是正确的。但实际上任何一部机器均要完成一定的功能，并承受相应的工作载荷，由组成机器的各机构中的构件来完成运动、载荷的传递、转化。刚体是相对变形体而言的，现实世界中不存在绝对的刚体，因而以刚性构件假设完成的设计用于可变形体组成的机构，就会引发许多意外的问题。一般而论，在中、低载荷下，构件的刚性相对较大，设计时作为刚体考虑所获得的结果是令人满意的，实际机构设计都以此为前提。但在一些重载机构或构件刚性相对较小的机构中，构件的变形将显著影响机器的运行行为。因此，设计这类机构时，必须纳入构件变形的影响，以使所设计的机构在负载状态仍能保持刚性构件假设下所具有的运动、承载特征。具有调心功能的各种球面轴承即是在这种背景下诞生的，应用于受大的横向载荷的细长轴系的支撑，应自动适应轴弯曲变形引起的轴颈倾斜。     举简单的例子，一个承受横向载荷的一端固定、另一端游动的采用双列短圆柱滚子轴承支撑的轴系，轴在横向载荷作用下弯曲引起轴颈倾斜，由于轴承的外盈固定在轴承座中，而其内圈固定在轴颈上随轴颈一起倾斜，滚动体夹在中间，必然会出现图所示的情形，使轴承列间偏载，严重降低轴承的使用寿命和工作可靠性。所以实际中这样的结构人多采用球面调心轴承作为支撑，由于该轴承的内外圈允许存在一定量（球面球轴承2°—3°，球面滚子轴承0.5°～2°）的相对倾斜，从而保证轴承列间均载。这种支撑的机构简图如图所示，自由状态下该机构具有两个活动构件、2个转动剐和1个移动副轴发生弯曲。     由于A处的弹性铰链是虚拟的，具有很大的刚度，不会影响机构原有的运动规律和位置关系，但却可以改善轴承中的载荷分布。     重载机构中转动副的转动元件只能采用多列滚子轴承，如四辊轧机的工作辊轴承采用四列圆柱滚子轴承、四列圆锥滚子轴承、圆柱和圆锥组合轴承等，由于轧辊为弹性体，受载弯曲是不可避免的，因而传统四辊轧机的工作辊轴承中存在严重的偏载行为。这一问题长期以来一直没有引起人们的足够重视，对由此引发的轴承低寿命、异常烧损和疲劳剥落等均归结为轴承材料、结构、润滑、密封或装配等影响。为此，国内外各大轴承制造商、设备制造商投入了大量人力、物力进行相关研究，寻找可行的延寿技术和方法，并开发出各种高质量的轴承及先进的润滑方法，但轧辊轴承的使用寿命仍没有获得预期的改善。