凹印机冷却辊的故障分析与局部改造设计

凹印机冷却辊的故障分析与局部改造设计

陈春华

（深圳市科彩印务有限公司广东深圳518000）

摘要：本文对某台存在设计缺陷的凹印机进行了全面的分析，发现该设备的问题出现于冷却辊上，经过为期1年的使用后，冷却辊传动侧位稳定性下降，存在异常振动问题，陆续出现了一些故障停机事故。本次研究对造成故障的原因进行了全面的分析，以加固改造的方式对局部进行调整，进而解决当前问题。

关键词：局部改造；冷却辊；凹印机

某凹印机在经历1年使用的过程中，由于安全防护措施到位，设备总体运行稳定，切大张裁切精度高，印刷套印精度大，并且操作简易可靠。

该凹印机所使用的印刷纸张为卷筒纸，印版在每组印刷单元中会受到压印辊的压力作用，使油墨转移并附着在纸上，由于印刷油墨的干燥速度慢于印刷速度，需要在印刷下一色之前对其进行烘干处理，烘干箱温度能够在80~100℃之间。[1]纸张在烘干的过程中会存在热胀冷缩效应，造成受热膨胀，若在完成烘干处理后立即进行印刷，将会出现图文变形以及套印不准等方面的问题。因此，还需要对经过烘干处理纸张进行降温冷却处理，要求在下一色印刷之前恢复纸张至常温状态，而冷却辊就是负责对纸张进行温度处理的重要器件。

1.冷却辊概述

冷却辊指的是通入冷却水的辊筒，是印刷单元最为重要的组成部分，该器件设置于印刷单元烘干箱后侧。在经过1年的使用后，发现该凹印机存在以下三个方面的问题：（1）冷却辊传动侧位置异常甩动或振动的现象；（2）回水壳体与辊筒表面相互摩擦刮碰并发出异常响声；（3）冷却辊漏水稀释油墨并污染纸张表面。[2]以上问题一方面会造成机器无预警停机，同时也会对产品的最终质量造成严重的影响。

2.冷却辊故障分析

2.1冷却辊运行原理分析

该凹印机采用如图1-1所示的冷却辊，由密封圈、排气孔、冷却辊筒支撑架、支撑轴颈、支撑轴承、回水管、回水壳体、轴承座、进水管、冷却辊筒等部件所组成。该元件的运行原理具体如下：冷却水由进水口进入进水管，进水管无论处于停机或开机状态均维持静止。[3]进水管上均匀分布着一排小孔，冷却水借由这些小孔进入冷却辊筒，进而实现针对冷却辊筒体的降低，冷却水在只收热量后经由回水口进行回水管，进入工艺水池后再进行制冷处理，形成一个完整的热交换循环。高温纸张在完成烘干处理后下拉以大包角的形态全面接触冷却辊外圆表面，实现最为充分的冷却降温，同时也可以通过对于进水量和冷却水水温的调节来控制纸张的冷却温度。

14-回水口；9-进水管；8-冷却辊筒；7-密封圈；6-排气孔；5-回水壳体；

4，10-冷却辊筒支撑架；3，11-支撑轴颈；2，12-轴承；1，13-轴承座

图21冷却辊结构示意图

2.2故障分析

在发现冷却辊传动侧存在异常甩动或震动问题后，大都立即拆卸整个冷却辊，在经过分解诊断后，发现问题出现在冷却辊筒支撑架4和冷却辊筒伟动侧支撑轴颈3两个部件，如图2-2所示。冷却辊筒支撑架4与支撑轴颈3以浇铸造连接在一起，两部件结合处靠内侧端均匀分布有3个螺纹孔，以螺钉紧锁，避免出现错位松动问题，支撑轴颈3所使用的材料为纯钢质，与支撑轴颈11共计承受冷却辊筒内应力以及纸张张力。冷却辊洞支架4所采用的材料为要铝合金材质，采用这各材质的原因在于要尽量降低整体重量并满足受力要求，同时也能够避免出现生锈的问题。

该凹印机冷却辊采用这种设计方法能够保证在短期内正常运行，然而对冷却辊两端受力以及工作条件情况则没有考虑充分。冷却辊在投入运行的过程中会经历较大的温度变化，这方面的缺陷主要体现在以下两个方面：（1）在运行状态下，冷却辊筒支撑架与支撑轴颈在冷却水的使用的温度会降低至12℃左右，而在夏季停机状态下将达到30℃，由于铝合金材料与钢质材料分别有着不同的受热膨胀系统，反复的收缩与膨胀将导致浇铸结合面产生松动和脱层；（2）根据图2-1可知，相比于支撑轴颈11来说，支撑轴颈3有着更长的受力臂。根据力学理论可知，冷却辊筒支撑架4秘支撑贺颈3的浇铸结合面并未受到相关的剪切力作用；（3）冷却辊筒支撑架4与支撑轴颈3的浇铸结合面厚度不大，仅为冷却辊筒支撑架10与支撑轴颈11浇铸结合面厚度的1/3，由于该浇铸结合面受力相对较大，自身相对薄弱，很有可能在该位置出现问题。以上内容对造成冷却辊故障的相关机理进行了阐述，可以发现该故障具有以下几方面的特征：冷却辊筒支撑架4与支撑轴颈3之间的结合面出现松动脱开，并出现错位，原来处于结合面的3颗螺钉脱落失效。

图22冷却辊筒支撑架4与支撑轴颈3结合面出现松动

3.局部改造设计

根据以上分析内容，我们已经了解了造成冷却辊故障的有关原因，接下来就要重点阐述如何解决相关问题。若仅仅是对出现故障的设备整个进行更换，不仅无法从根源上解决问题，相同型号的新设备在经过一段时间的使用后仍然会出现同样的问题。[4]因此，本次研究将考虑采用局部改造的方案对故障进行处理，其根本目的在于从根本上解决凹印机冷却辊部门所存在的问题。

3.1局部改造方案

3.1.1由厂家更改设计

向厂家反馈问题，由厂家工程师重新设计冷却辊筒支撑架4与支撑轴颈3，提升凹印机的运行稳定性。然而这种做法所需要的时间较长，厂家制定一套新的设计方案，需要经历整体设计、工艺制造以及效果测试等多个环节，并且还需要进行多次改进才能够投入批量化生产，所需要投入的时间至少为半年以上，同时还需要购置将的部件，整体费用投入保守估计不低于15万元。

3.1.2本地改造

对冷却辊筒支撑架4与支撑轴颈3进行加固处理，在不对当前结构进行改变的情况下进行修复。采用1个圆盘零件将冷却辊筒支撑架4与支撑轴颈3连接起来，使二者之间的强度得以适当提升。采用该做法能够在本地完成机械的装配和加工，不需要过多的费用和时间。另外，本地改造在技术上的难度也相对较低，本次研究最大的困难在于对故障的诊断，而针对问题的处理只需要额外设置一个圆盘零件并进行开孔处理即可，对于技术工艺并没有过高的要求，但在对相关材料进行选择的过程中需要重点注意所选材料的材质。

经对比发现，第二种方案明显优于第一种方案，具体优势体现在以下三个方面：（1）冷却辊筒的整体改造只需要投入3000元左右的费用，费用投入明显较低，技术门槛也相对较低；（2）整个改造过程不需要过多的时间，工期大概在1星期左右，即使需要额外设置圆盘零件也不会对冷却辊内部结构产生过大的影响；（3）这种改造方法不会对原有结构造成破坏。综合以上优势分析后，本次研究准备采取第二种改造方案，即冷却辊局部改造方案。

3.2局部改造步骤

（1）取如图3-1所示的圆盘状零件1个，内孔略大于支撑轴颈3的孔，冷却辊洞支撑架4与外圆保持相同阶面，根据经验数值将厚度设定为10mm，采用不锈刚材料（部分情况下也可以采用经电镀防锈处理的45#钢材料），于圆盘表面钻6个孔；

（2）在圆盘孔与冷却辊筒支撑架4和支撑轴颈3相对应的位置上分别钻3个孔并攻丝；

（3）若螺钉纹孔出现滑丝损坏，则需要对其进行修复处理，对螺钉进行重新安装；

（4）校验冷却辊筒支撑架4与支撑轴颈3的同轴度误差；

（5）安装圆盘。螺钉与圆盘能够将冷却辊筒支撑架4和支撑轴颈3连接起来，同样采用不锈钢材质的螺钉。在坚固螺钉的过程中需要加弹簧垫圈或上螺纹胶，避免出现意外松脱。

4.改造效果

冷却螺经过改造后顺利投入生产，未出现类似故障，已经达到3年稳定运行。由于圆盘的厚度只有10mm不会挤占回水空间，对于冷却效果的影响可以忽略不计，回水与冷水的通畅性不受影响。2017年重新检查了一次冷却辊，经解体检查未发现改造部位存在松动情况，整个改造作业取得了良好的改造效果，彻底解决了有关问题。

5.结束语

本次研究更改了原装滚动辊中的不合理设计，该凹印机的运行可靠性得到了大幅度的提升，所采用的改造方法切实可知，具有一定的参考价值。另外，工程师位在对冷却辊进行设计的过程中，也要进一步考虑到零部件的受力因素与工况，避免出现设计上的瑕疵。

参考文献：

[1]刘琳琳，由磊，孙正成，武吉梅.凹印机热风干燥箱射流场数值计算与分析[J].包装工程，2015，36（17）：187-194.

[2]张永芳，畅亚利，高阳阳，张海燕，侯和平.模糊自抗扰控制在凹印机放卷张力中的应用[J].西安理工大学学报，2015，31（02）：144-149.

[3]金琳，李艳，王仪明，刘淼，刘宁.基于传热介质的蒸汽加热凹印机能耗测试方法研究[J].包装工程，2015，36（05）：105-111.

[4]刘建，张海燕，刘琳琳，孙佑才.凹印机喷风嘴风速损失问题的流体动力学分析[J].轻工机械，2017，29（03）：111-114.