凹印机冷却辊的故障分析与局部改造设计

陈北荣

(福建三华彩印有限公司，福建龙岩364021)



凹印机冷却辊的故障分析与局部改造设计

陈北荣

(福建三华彩印有限公司，福建龙岩364021)

摘要：某凹印机在生产过程中发现冷却辊存在设计缺陷，运行超过1年以后，冷却辊传动侧位置陆续出现异常的振动现象，造成机器故障停机。经过对冷却辊的解体与分析，找到故障产生的原因，通过对局部结构的加固改造，使问题得到解决。

关键词：凹印机；冷却辊；局部改造

某凹印机是由世界知名印刷机供应商制造的，目前在本公司已投入使用4年时间，设备总体运行稳定，安全防护措施好，印刷套印精度和切大张裁切精度高，且操作简易可靠。

某凹印机采用的是卷筒纸进行印刷，在每组印刷单元，印版上的油墨经压印辊的施压，转移到承印纸张上，由于印刷速度较快，纸张表面印刷油墨没有干燥，必须在下一色印刷之前先经过高温烘干箱进行烘烤，一般烘干箱的加热温度在80～100 ℃[1]。由于物质都存在热胀冷缩的特性，纸张经过烘干箱以后表面温度提高而受热膨胀，如果此时进行印刷就会出现套印不准、图文变形等问题。因此，必须对烘烤后的高温纸张进行冷却降温，确保下一色印刷或送到下一道连线工序进行裁切、收卷之前纸张恢复至常温状态，此冷却降温任务由冷却辊完成[2]。

冷却辊，即通入冷却水的辊筒，安装在印刷单元烘干箱之后，是印刷单元不可或缺的重要组成部件[3]。某凹印机在生产运行1年以后，发现冷却辊传动侧位置有异常振动或甩动问题，以及辊筒表面与回水壳体之间直接刮碰摩擦，发出尖锐的异常响声，冷却辊漏水到纸张表面和油墨中等问题，这些问题不仅影响产品质量，而且导致机器非正常停机，影响了印刷生产运行的连续性。

1冷却辊故障分析

1.1凹印机冷却辊的工作原理

某凹印机的冷却辊如图1所示，主要由冷却辊筒、进水管、轴承座、回水壳体、回水管、支撑轴承、支撑轴颈、冷却辊筒支撑架、排气孔和密封圈等部件组成。冷却辊的工作原理为：首先，经过工艺空调制冷的冷却水(水温约12 ℃)从进水口接入进水管，无论凹印机开机或者停机状态，进水管都保持静止不动。进水管上有1排均匀分布的小孔，冷却水从小孔射到冷却辊筒的内腔，完成对冷却辊筒体的持续降温，吸收热量后的水从回水口收集到回水管，回流到工艺水池再经工艺空调制冷，至此完成热交换循环。其次,烘干后的高温纸张在冷却辊的外圆表面形成大包角的直接接触，让高温纸张得到充分冷却降温，高温纸张的冷却温度可以通过调节冷却水的水温和进水量开关来调整。

1，13-轴承座;2，12-轴承;3,11-支撑轴颈;4,10-冷却辊筒支撑架;5-回水壳体;6-排气孔;7-密封圈;8-冷却辊筒;9-进水管;14-回水口图1　冷却辊结构示意简图

1.2故障分析

冷却辊传动侧位置出现异常震动或甩动后，先把整根冷却辊拆卸下来，进行解体分解，经检查问题出在冷却辊筒传动侧的支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4部件，如图2所示。支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4是通过浇铸方式连接在一起的，靠内侧端在两部件结合处钻了3个螺纹孔，用紧定螺钉锁紧，防止相互之间的松动错位，支撑轴颈3采用钢质材料，需要安装轴承和密封圈等配件，受力点在轴承位置，与支撑轴颈11一起承受纸张张力及由温度变化引起冷却辊筒的内应力。冷却辊筒支撑架4采用铝合金材料，设计思想应该是出于满足受力要求、减轻整体重量和防生锈因素考虑的。

厂家的这种设计在短期内可以保证冷却辊正常运行，但是未充分考虑到冷却辊的工作条件和两端的受力情况。首先，冷却辊温度变化的范围大。工作时支撑轴颈与冷却辊筒支撑架被冷却水降到12 ℃左右，夏季停机时温度超过30 ℃，由于钢质材料和铝合金材料的受热膨胀系数不同，经常性膨胀和收缩有可能造成浇铸的结合面出现脱层和松动。其次，从图1可以看出，支撑轴颈3相对于支撑轴颈11受力的力臂更长。从理论力学的受力分析可知，支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4的浇铸结合面受到的剪切力比另一边的大。同时，支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4的浇铸结合面的厚度较薄，仅相当于支撑轴颈11与冷却辊筒支撑架10的浇铸结合面的厚度的1/3，既然该浇铸结合面自身薄弱，受力相对又大，在此处发生破坏性问题极大。前面提到多次出现的冷却辊故障，表现出同样的特征：支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4的结合面脱开松动，两者之间旋转了一定的角度，发生了错位，结合面的3颗紧定螺钉失效脱落。

图2　支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4结合面出现松动

2冷却辊局部改造设计

找到了冷却辊故障的原因，下一步关键就是如何解决这个问题。如果像以往发生设备故障就购买全新零件进行更换，故障仍会重复出现。因此，必须对冷却辊出现问题的部位进行改造，才能真正解决问题。

2.1冷却辊局部改造方案

为了避免冷却辊出现上述故障，经过分析和研究，提出了冷却辊的2种改造方案。

1)第1种方案是由厂家更改设计。把问题反馈给厂家，由厂家的工程师对支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4进行重新设计，满足凹印机长时间正常使用要求。该方案需要厂家技术力量的配合，包含重新设计、制造和效果测试，最后改进后的零部件才能定型生产，至少要半年以上才有可能完成设计更改，购买新零部件的费用总共要超过15万元。

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2)第2种方案是对现有支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4进行加固，使之在现有结构的基础上满足使用要求。该方案根据现有结构的损伤情况对设计的不足之处进行局部加固改造。通过设计1个圆盘零件把支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4连接起来，增强它们之间的连接强度，满足使用要求。圆盘零件的机械加工和装配在本地完成，所需改造时间和费用很少。

经比较，第2种方案优点在于：①花费少，所有冷却辊筒的改造费用仅需3千元左右；②改造需要的时间短，可以在1个星期左右完成，同时加工圆盘零件的过程也不影响生产；③改造不会破坏原有结构。因此，选择第2种方案作为冷却辊局部改造的方案。

2.2冷却辊局部改造步骤

冷却辊局部改造步骤如下说明。

①加工1个圆盘状的零件(结构见图3)，内孔比支撑轴颈3的孔略大，便于进水管从中穿过，外圆与冷却辊筒支撑架4的台阶面相同，厚度按经验数值选择10 mm，材料为不锈钢材料(也可以采用45#钢材料，表面需要电镀防锈处理)，圆盘上钻6个孔。

②在支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4与圆盘孔对应的位置分别钻3个孔并攻丝。

④对支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4进行同轴度误差控制的校验。

⑤安装圆盘。圆盘和螺钉可以把支撑轴颈3与冷却辊筒支撑架4紧固连接起来，螺钉也是不锈钢材质的，螺钉紧固时要上螺纹胶或者加弹簧垫圈，防止螺钉意外松脱。

图3为改造后的支撑轴颈3、冷却辊筒支撑架4及圆盘的组装图，其他没有出现故障的冷却辊，可以参照上述步骤进行加固处理，其中步骤③、④不需要进行。

图3　改造后的组装图

3改造效果

经过改造后的冷却辊顺利投入生产使用，目前运行已经超3年时间，冷却辊再也没有出现过类似故障。改造所增加的圆盘厚度较薄，对回水空间(冷却辊筒支撑架4的内部空间)的影响忽略不计，冷却水进水和回水畅通，冷却效果与改造前完全一样。2015年，曾经对改造后的冷却辊进行解体检查，发现改造部位仍然保持紧固连接状态，证明改造的效果良好，问题得到了彻底解决。

4结语

本次改造是针对厂家不合理的设计进行了局部的更改，大大提高了某凹印机冷却辊的工作可靠性，可供出现相似问题的印刷用户借鉴。同时，也提醒工程师们在设计时应充分考虑机器零部件使用工况和受力因素，尽量避免出现设计瑕疵。

[参考文献]

[1]裴梦扬.机组式凹版印刷机冷却辊性能分析与结构优化[D].西安:西安理工大学,2013.

[2]陈允春.机组式凹版印刷机冷却辊结构改进和性能分析[D].西安:西安理工大学,2011.

[3]汪维力,陈文革.凹版印刷机干燥系统探析[J].包装工程,2008,29(6):98-100.

责任编辑：陈亮

Fault Analysis and Partial Innovation Design of the Cooling Roll of Gravure Press

CHEN Beirong

(Sanhua Colour Printing Co.Ltd Fujian,Longyan 364021)

Abstract：A design flaw in cooling roll of gravure press was discovered in the production process.After running for more than a year,the cooling roll was found to have abnormal vibration at the drive side,which caused machine downtime.After disassembling the cooling roll and with careful analysis,the cause of failure was discovered and the problem was solved by local structure reinforcement.

Key words：gravure press;cooling roll;partial innovation

中图分类号：TS803

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)01- 0031- 03

作者简介：陈北荣(1971—)，男，工程师。

收稿日期：2015-12-20

doi:10.3969/j.issn.1671-0436.2016.01.007