王小棟

大連重工·起重集團(tuán)，遼寧大連 116000

門座螺桿變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王小棟

大連重工·起重集團(tuán)，遼寧大連 116000

門座起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)通常采用擺動(dòng)臂架的角度來(lái)改變起重機(jī)的幅度。常見(jiàn)的變幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：螺桿式驅(qū)動(dòng)，齒條式驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)，繩索滑輪式驅(qū)動(dòng)等數(shù)種。本文對(duì)門座螺桿變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

門座起重機(jī)；變幅機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)分析

1 概述

門座起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)通常采用擺動(dòng)臂架的角度來(lái)改變起重機(jī)的幅度。常見(jiàn)的變幅機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：螺桿式驅(qū)動(dòng)，齒條式驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)，繩索滑輪式驅(qū)動(dòng)等數(shù)種。其中螺桿變幅機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器、齒輪箱和螺母帶動(dòng)螺桿作直線和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)臂架，使臂架繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成變幅動(dòng)作。其組成如圖1。

螺桿總成和電動(dòng)機(jī)裝配等安裝在能繞水平和垂直軸線擺動(dòng)的十字軸支架上，以適應(yīng)變幅過(guò)程中螺桿擺動(dòng)、補(bǔ)償間隙、補(bǔ)償變形和安裝誤差等需要，使螺桿與螺母嚙合良好，螺桿免受額外彎曲。

與其他機(jī)械式驅(qū)動(dòng)相比，螺桿驅(qū)動(dòng)不僅結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪音，而且體積最小，重量輕，因而多用于大型的動(dòng)臂起重機(jī)中。但由于它的傳動(dòng)效率較低，不易充分潤(rùn)滑，磨損較大，并且價(jià)格昂貴，維修不便，進(jìn)而降低機(jī)構(gòu)工作的可靠性。為了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，螺桿通常都制作成二頭至四頭。

2 螺桿變幅機(jī)構(gòu)的計(jì)算

變幅機(jī)構(gòu)計(jì)算的主要內(nèi)容是：計(jì)算變幅阻力，確定計(jì)算載荷；確定驅(qū)動(dòng)功率，選擇和驗(yàn)算電動(dòng)機(jī)；確定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇和設(shè)計(jì)制動(dòng)器；確定傳動(dòng)比，選擇和設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置。

變幅機(jī)構(gòu)計(jì)算的關(guān)鍵是：掌握變幅機(jī)構(gòu)的載荷特點(diǎn)；正確分析和求取各種工況下的變幅阻力。

2.1 變幅機(jī)構(gòu)的載荷特點(diǎn)

1）不論臂架是收幅還是伸幅，變幅過(guò)程中作用在平衡式變幅機(jī)構(gòu)上的阻轉(zhuǎn)矩方向是變化的，呈雙向作用載荷特點(diǎn)；作用在非平衡式變幅機(jī)構(gòu)上的阻轉(zhuǎn)矩方向是不變的，呈單向作用載荷特點(diǎn)；

2）起重機(jī)在規(guī)定的幅度范圍內(nèi)工作時(shí)，不同幅度位置上的變幅阻轉(zhuǎn)矩是變化的（變載荷特點(diǎn)），變幅電動(dòng)機(jī)應(yīng)按等效阻轉(zhuǎn)矩來(lái)選擇；

3）變幅機(jī)構(gòu)的不同傳動(dòng)零件承受不同的慣性載荷（動(dòng)載荷特點(diǎn)），其疲勞強(qiáng)度和靜強(qiáng)度計(jì)算載荷應(yīng)取不同的值。

2.2 變幅阻力的計(jì)算

1）直臂架變幅機(jī)構(gòu)的阻力計(jì)算；

2）組合臂架的變幅機(jī)構(gòu)的阻力計(jì)算。

2.3 機(jī)構(gòu)的計(jì)算中采用以下兩種計(jì)算載荷組合方式

工作狀態(tài)下的正常載荷組合（I類載荷）和工作狀態(tài)下最大載荷組合（II類載荷）相應(yīng)的變幅阻力可通過(guò)組合不同的變幅阻力項(xiàng)求得。

2.4 電動(dòng)機(jī)的選擇和驗(yàn)算

電動(dòng)機(jī)功率的確定和電動(dòng)機(jī)的驗(yàn)算，需要注意的是，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)保證變幅啟動(dòng)時(shí)間不宜過(guò)快，否則會(huì)導(dǎo)致臂架系統(tǒng)過(guò)大的動(dòng)載荷，并應(yīng)在變幅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采取相應(yīng)措施。

2.5 制動(dòng)器的選擇和驗(yàn)算

變幅制動(dòng)器應(yīng)工作可靠，保證制動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)性并具有足夠的制動(dòng)安全系數(shù)。一般選用壓推桿制動(dòng)器。

2.6 減速器的選擇

變幅機(jī)構(gòu)通常采用標(biāo)準(zhǔn)系列減速器。例如QJ系列減速器。QJ系列減速器具有安裝方便、中心矩大、傳動(dòng)比范圍寬和承載能力高等特點(diǎn)。非平衡變幅機(jī)構(gòu)的減速器可按與起升機(jī)構(gòu)相同的方法來(lái)選擇。

3 螺桿變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1 設(shè)法提高螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)效率

螺桿變幅機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率較低，因而一般采用多頭滑動(dòng)螺桿（2～4頭）或滾珠螺桿傳動(dòng)。在選用時(shí)，必須考慮制造條件、生產(chǎn)成本等現(xiàn)實(shí)情況。

3.2 螺桿變幅機(jī)構(gòu)的合理支撐方式

螺桿長(zhǎng)度較大，加工和裝配精度較難保證。為了保證螺桿正常工作，需要把螺桿變幅機(jī)構(gòu)安裝在能繞水平和垂直軸線擺動(dòng)的十字軸支架上（見(jiàn)圖2）。十字軸的軸線必須通過(guò)螺母中心。

3.3 伸縮套筒的合理選型與安裝角度

伸縮套筒用于防塵、防雨和防漏油，避免螺桿磨損。伸縮套筒有密封式（強(qiáng)制稀油潤(rùn)滑的場(chǎng)合）和非密封式（非強(qiáng)制稀油潤(rùn)滑的場(chǎng)合）兩種。如果要防止?jié)櫥托孤┬栌们罢?，僅防塵防雨，則用后者，門座螺桿變幅機(jī)構(gòu)中主要使用密封式。

伸縮套筒（見(jiàn)圖3）根據(jù)螺桿伸縮長(zhǎng)短和結(jié)構(gòu)布置情況分成幾段。每段由2mm的不銹鋼板卷成的筒體和法蘭組焊而成，其外圓需要精加工，精度H6，表面粗超度1.6，以保證套筒伸縮自如。在內(nèi)外套筒之間裝有橡膠密封圈，防止漏油及灰塵和雜物的侵入。

起重機(jī)總體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使螺桿始終處于仰角或俯角狀態(tài)，以便螺桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)帶出的油，能夠由小套筒逐段流入大套筒，最后通過(guò)潤(rùn)滑管路流回油箱。

3.4 螺桿變幅機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑

螺桿變幅機(jī)構(gòu)的齒輪副和螺桿螺母副必須具有良好的潤(rùn)滑。一般分為自帶式潤(rùn)滑和強(qiáng)制式潤(rùn)滑兩種。門座螺桿變幅機(jī)構(gòu)中主要使用后一種。

1）自帶式潤(rùn)滑

自帶式潤(rùn)滑是將仰角式螺桿后部浸入油池中，螺桿伸縮將油帶上螺母進(jìn)行潤(rùn)滑。潤(rùn)滑后，前端通過(guò)潤(rùn)滑管路流回油箱，后端直接流回油箱。

2）強(qiáng)制式潤(rùn)滑

強(qiáng)制式潤(rùn)滑則是通過(guò)泵站將潤(rùn)滑油直接注入齒輪副和螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)副中。

3.5 螺桿螺母的材料和加工

螺桿通常選用Y40Mn、35、45等鋼材。Y40Mn鋼切削加工性能好，但耐磨性能差；35、45號(hào)鋼需采取正火或調(diào)質(zhì)處理。

螺母通常選用鑄造青銅ZQSn10-1、ZQAl9-4。對(duì)于大尺寸的螺母應(yīng)采用35、45鋼作外套，內(nèi)外套之間過(guò)盈配合，且用緊固螺釘鎖定。

螺桿和螺母的螺紋表面粗超度1.6。矩形螺紋常用底徑定心，其公差配合H8/e8，粗超度1.6，外徑粗超度6.3～3.2。螺桿副的軸向配合間隙取為：外徑150mm～200mm時(shí)，采用0.8mm～1.0mm，磨損后允許最大間隙為6mm；外徑200mm～250mm時(shí)，采用1mm～1.2mm，磨損后允許最大間隙為8mm。

3.6 螺桿變幅機(jī)構(gòu)的安全保護(hù)

為防止臂架墜落，往往需要在變幅驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置離心式限速器或載荷自制制動(dòng)器，或者驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用可以自鎖的蝸輪減速器。為了保證螺桿變幅機(jī)構(gòu)正常工作，必須設(shè)置可靠的安全保護(hù)裝置。

1）變幅機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)有幅度指示器、終點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)；

2）臂架上應(yīng)裝有彈簧或橡膠緩沖裝置；

3）螺桿總成中應(yīng)設(shè)有安全螺母，防止螺桿磨損后發(fā)生滑絲和沖擊；

4）還應(yīng)設(shè)置各機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)。

在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，要求實(shí)現(xiàn)工作性帶載變幅，為了盡可能降低變幅機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)功率和提高機(jī)構(gòu)的操作性能，進(jìn)而提高生產(chǎn)率，目前門座起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)普遍采用載重水平位移和臂架自重平衡兩項(xiàng)措施，以達(dá)到平衡式變幅要求。

圖1

圖2

圖3

[1]黃海.基于工業(yè)設(shè)計(jì)中功能法的門座起重機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)，2002-06-01.

[2]戴啟玲.雙頭單螺桿泵短幅內(nèi)擺線螺桿[D].襯套副嚙合特性研究 大慶石油學(xué)院，2008-03-25.

[3]柳大勇，李華，左連春.變幅機(jī)構(gòu)螺桿及螺母的加工[J].重技術(shù)，1998(4).

TH21

A

1674-6708（2011）48-0048-02