□ 姜 培 □ 李 毅 □ 楊 陽(yáng) □ 烏海坤 □ 李劍敏

1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院 杭州 3100192.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院 杭州 310018

1 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)概述

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械工程中常見的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),具有傳動(dòng)速比大、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低等特點(diǎn)。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)與齒輪傳動(dòng)相比,傳動(dòng)嚙合方式不同,蝸輪齒的嚙合面滑動(dòng)影響因素較多,發(fā)熱量較大,容易發(fā)生過(guò)熱導(dǎo)致的膠合故障。盡管在制造時(shí)采用青銅等材料以利于傳熱,但是在設(shè)計(jì)工況及運(yùn)行維護(hù)不利時(shí),仍然可能產(chǎn)生過(guò)熱膠合,引起故障。某蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的提升質(zhì)量較大,行程較長(zhǎng),導(dǎo)致蝸輪咬死,蝸桿失穩(wěn)彎曲,在更換蝸桿后再次發(fā)生失穩(wěn)彎曲現(xiàn)象。對(duì)此,蝸桿為何發(fā)生彎曲成為研究重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面,陳慶為等[1]對(duì)蝸輪系統(tǒng)的軸承進(jìn)行了設(shè)計(jì),并提出優(yōu)化方案。雷萍等[2]對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,提出了一種L形支撐結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)方面,李梅等[3]針對(duì)蝸輪蝸桿系統(tǒng)嚙合力所引起的變載作用,建立系統(tǒng)的ADAMS多體動(dòng)力學(xué)模型,得到嚙合面上的變幅嚙合力。苗玉剛等[4]進(jìn)行了蝸輪蝸桿系統(tǒng)的ADAMS多體動(dòng)力學(xué)建模與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。在結(jié)構(gòu)失效分析方面,張家興[5]對(duì)失效蝸輪蝸桿系統(tǒng)進(jìn)行分析,認(rèn)為輪齒制造、維護(hù)等原因造成的齒面磨損及斷齒是故障的主要原因,進(jìn)而提出運(yùn)行維護(hù)中需要注意潤(rùn)滑油脂問(wèn)題。于善坤[6]針對(duì)某衛(wèi)生紙機(jī)卷取機(jī)構(gòu)中蝸輪提升機(jī)的失效進(jìn)行分析,基于失效蝸輪的磨損提出潤(rùn)滑油脂缺少和黏性不足導(dǎo)致蝸輪磨損失效。劉磊等[7]對(duì)蝸輪蝸桿系統(tǒng)的相對(duì)速度進(jìn)行分析,認(rèn)為超速將導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)熱,同時(shí)提出蝸輪蝸桿上行提升時(shí)的限速裝置。徐進(jìn)[8]針對(duì)絲桿傳動(dòng)的失效機(jī)理及可靠性進(jìn)行研究。上述失效分析的研究集中在蝸輪內(nèi)部,對(duì)蝸桿的彎曲變形沒有涉及。筆者從蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的受力、蝸輪失效、蝸桿失穩(wěn)等方面進(jìn)行研究,進(jìn)而確定失效的原因。

2 蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)配置與結(jié)構(gòu)

筆者研究的蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)采用三組SWL-25型蝸輪蝸桿,呈一字排列,安裝于三層平臺(tái)上。蝸桿底部與鋼梁轎廂連接,頂部安裝蝸輪箱帶動(dòng)蝸桿。其中兩臺(tái)蝸輪箱中間設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī),三臺(tái)蝸輪箱均采用軸傳動(dòng),以實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。轎廂兩側(cè)設(shè)置升降導(dǎo)軌,導(dǎo)軌兩側(cè)安裝對(duì)向?qū)л?導(dǎo)輪與轎廂固定,以控制運(yùn)行中轎廂的擺動(dòng)。

蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)工作時(shí),電機(jī)通過(guò)半軸、萬(wàn)向節(jié)調(diào)節(jié)傳動(dòng)方向,分別輸入功率至三臺(tái)蝸輪箱,并帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸桿連接在轎廂上,由蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轎廂上下移動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)酵池上下輸送。

蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的功能是將一層的滿載發(fā)酵池提升至二層發(fā)酵倉(cāng),待發(fā)酵完成后,再將二層的滿載發(fā)酵池輸送至一層,每次運(yùn)行均為單邊負(fù)載。轎廂提升狀態(tài)、下降狀態(tài)分別如圖1、圖2所示。

設(shè)備運(yùn)行初期,使用效果良好,隨著時(shí)間的推移,三根蝸桿均發(fā)生不同程度的彎曲變形,其中蝸桿2變形最為嚴(yán)重。蝸桿2彎曲變形如圖3所示。

3 實(shí)物勘驗(yàn)

經(jīng)實(shí)物勘驗(yàn),發(fā)現(xiàn)蝸輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油脂有起泡,顏色變深,油脂量減少,蝸輪齒有咬死痕跡。轎廂大梁未見變形,但轎廂相對(duì)升降導(dǎo)軌有整體偏斜。

4 材質(zhì)分析

對(duì)三根蝸桿分別取樣,進(jìn)行材質(zhì)分析。蝸桿2尾部取兩塊試樣,蝸桿1、蝸桿3尾部各取一塊試樣。蝸桿材質(zhì)元素含量見表1。

表1 蝸桿材質(zhì)元素含量

根據(jù)蝸桿材質(zhì)的分析結(jié)果,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[9]第6.1.1條表1,三根蝸桿材質(zhì)均符合25號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的要求。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)要求[10],需傳遞力的軸類零件常規(guī)采用中碳調(diào)質(zhì)鋼,即45號(hào)鋼、40Cr鋼、40CrMnTi鋼等,較少采用25號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

5 蝸桿強(qiáng)度計(jì)算

蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的右側(cè)發(fā)酵池滿載上升時(shí),左側(cè)空載。當(dāng)左側(cè)發(fā)酵池滿載下降時(shí),右側(cè)空載。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),滿載上升受力相對(duì)較大,因此,以發(fā)酵池滿載上升為分析工況。

蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)主要參數(shù)中,電機(jī)功率為18.5 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min,蝸輪傳動(dòng)速比為24∶1;蝸桿外徑為89.82 mm,螺紋內(nèi)徑d為70 mm,蝸桿長(zhǎng)h為5 550 mm,蝸桿之間距離為4 900 mm,發(fā)酵池寬為4 320 mm,發(fā)酵池深為2 320 mm。

三根蝸桿所受到的拉力分別為F1、F2、F3。轎廂自重Q2為29.4 kN,作用在轎廂中間位置,轎廂設(shè)計(jì)左右對(duì)稱。假設(shè)發(fā)酵池內(nèi)發(fā)酵物料堆積均勻,滿載發(fā)酵池重力Q3為186.2 kN,作用于轎廂右側(cè)發(fā)酵池中間。轎廂受力簡(jiǎn)圖如圖4所示。

根據(jù)轎廂受力情況,有:

Q=Q2+Q3

(1)

QL=Q2g+3Q3g/2

(2)

式中:Q為提升機(jī)構(gòu)總載荷;L為總載荷的作用力臂。

根據(jù)材料力學(xué)理論[11],蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)為拉升靜不定系統(tǒng),可以建立平衡方程:

F1+F2+F3=Q2+Q3

(3)

F2g+2F3g=QL

(4)

(5)

式中:E為蝸桿彈性模量;A為蝸桿截面積。

通過(guò)計(jì)算得到F1為25.3 kN,F2為71.9 kN,F3為118.4 kN。

根據(jù)蝸桿3滿載時(shí)的受力情況,可以得到蝸桿的最大拉伸應(yīng)力δ為:

(6)

計(jì)算得到δ為30.8 MPa。

蝸桿采用的材料為25號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,根據(jù)文獻(xiàn)[9],熱處理后抗拉強(qiáng)度為450 MPa,屈服強(qiáng)度為275 MPa。對(duì)于蝸桿,考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)提升的重要性,安全因數(shù)取2,即許用應(yīng)力可以達(dá)到137.5 MPa。因此,蝸桿在正常運(yùn)行狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度符合要求。

6 蝸桿穩(wěn)定性分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知,三根蝸桿均受拉,但在某些不利工況下需要考慮蝸桿受壓狀態(tài)的穩(wěn)定性問(wèn)題,如蝸輪蝸桿膠合停止轉(zhuǎn)動(dòng),在慣性作用下蝸桿受到巨大壓力。細(xì)長(zhǎng)桿由于受到壓力作用而失穩(wěn)彎曲是失效破壞的常見形式。筆者分析的蝸桿結(jié)構(gòu)為下部卡在框架軸承座內(nèi),上部與蝸輪曲面接觸獲得支撐,因此轉(zhuǎn)動(dòng)方向約束較為薄弱。由此,蝸桿可以看作下部固定約束、上部簡(jiǎn)支約束的桿件。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)桿件,由于穩(wěn)定性過(guò)小而引起失穩(wěn),可能導(dǎo)致桿件彎曲變形。穩(wěn)定性受桿件的柔度、材料性質(zhì)等影響。

筆者分析的蝸桿約束較為松泛。上端螺紋與蝸輪齒面嚙合,可以視為簡(jiǎn)支。蝸桿的下部通過(guò)軸承座連接在轎廂上,軸承座與轎廂的連接較為牢固,視為固定約束。由此,約束因數(shù)μ取0.7,柔度λ為:

λ=μh/γ=4μh/d

(7)

式中:γ為慣性半徑。

計(jì)算得到λ為220。

25號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的特征柔度為92.6,小于λ。因此,蝸桿為大柔度桿,即蝸桿存在由于受壓失穩(wěn)而彎曲的可能。

蝸桿臨界應(yīng)力δer和臨界壓力Fer分別為:

δer=π2E/λ2

(8)

Fer=Aδer

(9)

計(jì)算得到δer為40.78 MPa,Fer為156.9 kN。由此可得蝸桿允許承受的壓應(yīng)力為40.78 MPa,最大壓力為156.9 kN。當(dāng)蝸桿受到的壓力大于156.9 kN時(shí),蝸桿將失穩(wěn)而彎曲。

從靜力學(xué)角度分析,三根蝸桿均受拉伸作用,因此,正常情況下不存在受壓工況。但是,靜力學(xué)計(jì)算的前提是頂部的蝸輪蝸桿系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)蝸輪潤(rùn)滑不良時(shí),由于摩擦產(chǎn)生高溫,將導(dǎo)致蝸輪蝸桿被卡死,蝸桿瞬間不能轉(zhuǎn)動(dòng),上端靜止,下端的轎廂在慣性作用下向上頂升,進(jìn)而使蝸桿受到較大壓應(yīng)力。按照類似電梯安全鉗動(dòng)作取動(dòng)載因數(shù)為3～5,蝸桿受到的最大壓力最小值為355.2 kN,遠(yuǎn)大于臨界壓力156.9 kN,蝸桿將失穩(wěn)而發(fā)生彎曲變形。

典型的一端固定、一端簡(jiǎn)支桿件的失穩(wěn)彎曲如圖5所示[11],與現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)到的蝸桿彎曲形狀極為相似,因此可以判定,蝸桿由于失穩(wěn)而發(fā)生彎曲變形。根據(jù)現(xiàn)有蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析,一旦頂端卡死,將會(huì)造成蝸桿失穩(wěn)。

7 傳動(dòng)速比分析

根據(jù)SWL-25型蝸輪蝸桿產(chǎn)品說(shuō)明書,可知其最大提升力為245 kN,則蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)一共可以提供735 kN提升力。計(jì)算得到蝸桿最大拉力為118 kN,確認(rèn)蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)能夠滿足輸送轎廂的要求。

SWL-25型蝸輪蝸桿要求的輸入功率為4.8 kW,則蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)需要的輸入功率為14.4 kW?，F(xiàn)場(chǎng)配置電機(jī)功率為18.5 kW,輸出轉(zhuǎn)速為1 470 r/min,電機(jī)功率滿足蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的輸入功率需求。按照產(chǎn)品說(shuō)明書,SWL-25蝸輪蝸桿的標(biāo)配減速器傳動(dòng)速比為32∶1?，F(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)減速器傳動(dòng)速比為24∶1,這一傳動(dòng)速比的減速器標(biāo)配應(yīng)為SWL-20或SWL-15型蝸輪蝸桿。若SWL-25型蝸輪蝸桿要達(dá)到傳動(dòng)速比32∶1,應(yīng)當(dāng)在傳動(dòng)速比24∶1標(biāo)準(zhǔn)減速器后再接一個(gè)傳動(dòng)速比1.5∶1變速箱,從而接近傳動(dòng)速比32∶1。顯然現(xiàn)場(chǎng)未按照產(chǎn)品說(shuō)明書進(jìn)行配置。

針對(duì)不同傳動(dòng)速比,蝸輪的轉(zhuǎn)速及蝸桿的提升速度對(duì)傳動(dòng)影響較大。當(dāng)轎廂和發(fā)酵池滿載時(shí),分別對(duì)傳動(dòng)速比32∶1和24∶1進(jìn)行比較分析。傳動(dòng)速比為32∶1時(shí),轉(zhuǎn)速為45.9 r/min。傳動(dòng)速比為24∶1時(shí),轉(zhuǎn)速為61.3 r/min。兩者對(duì)比,蝸輪轉(zhuǎn)速?gòu)?5.9 r/min提高到61.3 r/min,轉(zhuǎn)速提高了33.6%。

對(duì)于蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu),嚙合處存在比較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此摩擦損耗大,發(fā)熱量多[12]。嚙合傳動(dòng)時(shí),嚙合表面由于摩擦阻力作用而產(chǎn)生熱量,會(huì)導(dǎo)致高溫,使?jié)櫥椭ざ冉档?潤(rùn)滑失效,進(jìn)而使蝸輪與蝸桿齒面磨損加劇,甚至發(fā)生膠合[13]。分析現(xiàn)場(chǎng)蝸輪箱中的潤(rùn)滑油脂,量少,顏色深,有氣泡,由此確認(rèn)在傳動(dòng)過(guò)程中存在傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)熱導(dǎo)致潤(rùn)滑油脂熔化、滴落。顏色深表明蝸輪蝸桿存在磨損嚴(yán)重,或者油脂未及時(shí)更換。潤(rùn)滑油脂不僅起潤(rùn)滑作用,可降低摩擦因數(shù),而且起散熱作用。潤(rùn)滑油脂異常會(huì)使摩擦因數(shù)增大,進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)熱量增大,形成惡性循環(huán)。因此,蝸輪轉(zhuǎn)速提高會(huì)給蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的正常使用帶來(lái)不利影響。工程中需要在蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)中加入特定油脂進(jìn)行潤(rùn)滑以避免膠合、卡死等現(xiàn)象發(fā)生。發(fā)熱膠合與摩擦因數(shù)及系統(tǒng)轉(zhuǎn)速成正相關(guān),因此在產(chǎn)品說(shuō)明書中,明確蝸輪轉(zhuǎn)速不應(yīng)高于系統(tǒng)規(guī)定的轉(zhuǎn)速,以避免蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)在傳動(dòng)中發(fā)生高溫膠合、卡死等現(xiàn)象。

綜合以上分析,結(jié)合蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況,蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)存在膠合卡死的現(xiàn)象。

8 分析小結(jié)

8.1 蝸輪蝸桿傳動(dòng)速比

筆者分析的蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu),原設(shè)計(jì)中標(biāo)配的傳動(dòng)速比為32∶1,轉(zhuǎn)速為45.9 r/min。而在工程中,為了更快提升貨物,承包企業(yè)更改了配套傳動(dòng)速比,安裝的傳動(dòng)速比為24∶1,實(shí)際轉(zhuǎn)速為61.3 r/min。對(duì)于蝸輪蝸桿傳動(dòng)而言,在重載、大行程下發(fā)熱量較大,轉(zhuǎn)速提高更加劇了熱量產(chǎn)生。因此,傳動(dòng)速比配套不合理是造成蝸桿彎曲變形的主要原因。

8.2 潤(rùn)滑油脂

一般對(duì)蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu),都注入特定油脂進(jìn)行潤(rùn)滑,以改善和降低嚙合區(qū)溫度。在使用中,需要定期進(jìn)行維護(hù),添加或更換潤(rùn)滑油脂。如果在使用中沒有及時(shí)、正確維護(hù)與保養(yǎng),沒有及時(shí)添加或更換潤(rùn)滑油脂,或添加的油脂不符合要求,都可能導(dǎo)致膠合卡死。故障蝸輪的油脂顏色變深,有氣泡,且有工人反映該蝸輪在運(yùn)行中有油脂熔化滴至地面,這些現(xiàn)象表明內(nèi)部有高溫產(chǎn)生,潤(rùn)滑油脂量已經(jīng)減少,但工程使用中對(duì)以上現(xiàn)象未及時(shí)應(yīng)對(duì),最終導(dǎo)致蝸輪膠合卡死,蝸桿失穩(wěn)彎曲。

8.3 蝸桿材質(zhì)

蝸桿采用25號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,強(qiáng)度、硬度較低,塑性和韌性較好。由于低碳鋼的特性,導(dǎo)致蝸桿容易產(chǎn)生摩擦損耗,更容易產(chǎn)生膠合現(xiàn)象。蝸桿材質(zhì)的選擇直接影響使用過(guò)程中蝸輪蝸桿的傳動(dòng)和摩擦性能,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)要求,需傳遞力的軸類零件常規(guī)采用中碳調(diào)質(zhì)鋼,包括45號(hào)鋼、40Cr鋼、40CrMnTi鋼等,避免采用25號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

9 結(jié)束語(yǔ)

綜合分析,在蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要充分注意傳動(dòng)速比的合理選擇,同時(shí)在運(yùn)行中,蝸輪內(nèi)部需要及時(shí)添加或更換潤(rùn)滑油脂,這樣才能保證安全。雖然25號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼滿足力學(xué)設(shè)計(jì)要求,但是選用更優(yōu)材質(zhì)鋼材,可降低蝸桿失穩(wěn)彎曲的風(fēng)險(xiǎn)。