王寶超，劉紅旗，南光熙，石獻金，楊 超

（機械科學研究總院 中機生產力促進中心，北京 100044）

0 引言

自鎖現象在機械工程中具有十分重要的意義。一方面，當設計機械時，為使機械能夠實現預期的運動，要避免在運動方向上發(fā)生自鎖；另一方面，有些工程機械的動作又需要具有自鎖的特性[1]。螺旋傳動副是一種常用的自鎖機構。例如，螺旋傳動副自鎖裝置在礦井提升中的應用[2]。在升船機安全機構中，采用由螺桿螺母組成的螺旋傳動副的自鎖裝置，用以升船機的安全保障。當出現意外事故和過載時，液氣彈簧動作，螺桿螺母牙齒接觸并自鎖，從而將船廂鎖定在螺母柱和塔柱上。

安全有效確保螺桿螺母的自鎖條件對保證升船機構的安全性將非常重要。螺旋傳動的自鎖失效與機構摩擦角[3]有直接的關系，而摩擦角由表面摩擦系數決定。摩擦系數的確定是一個比較復雜的問題，特別是在工程應用中，它和多方面的因素有關：材料、表面粗糙度、表面潤滑情況等。為了有效評估設計單位設計的螺桿螺母自鎖裝置，需要借助試驗研究的方式對其自鎖特性進行驗證。

1 試驗目的

為了有效評估所設計的螺桿螺母自鎖裝置，考慮系統(tǒng)的安全可靠性，選擇合適的摩擦系數，保證螺桿螺母的自鎖可靠性，是設計單位重點考慮的問題。理論上，螺桿螺母螺旋副的自鎖條件是tanλ≤fv（λ—螺紋副的螺旋升角和fv—螺旋副的摩擦系數）。

設計單位設計的螺旋副參數為：取f=0.1 作為自鎖設計條件，螺桿螺母的螺旋升角為5.64°，并要求加大螺桿螺母表面粗糙度（粗糙度Rz100），以保證摩擦系數不小于0.12。設計的自鎖條件在理論上是正確的，滿足自鎖的條件。但是，據材料手冊中所查，鋼—鋼的干摩擦系數f 一般為0.1～0.17，有潤滑時的摩擦系數會有所降低，為0.05～0.1[4]。在工程實踐中，安全機構的螺母柱出現水、冰、油、潤滑脂等污染是不可避免的，材料表面的摩擦系數肯定會有所下降，機構的自鎖性能需要通過試驗加以驗證。

2 試驗方案的制定

為了簡化試驗裝置，節(jié)約試驗成本。整個試驗可分為兩部分：一是利用摩擦學原理，進行螺桿螺母材料的摩擦系數試驗；二是利用相似原理，進行螺桿螺母的自鎖性能和自鎖深度試驗。

為了驗證升船機螺桿螺母材料的摩擦系數，分別選用與螺桿螺母相同的材料進行試驗測定；為了驗證升船機螺桿螺母設計參數的合理性和自鎖的可靠性，根據相似性原理，選用與螺桿螺母相同的材質，制造1:10的實物模型，在不同的表面粗糙度、潤滑介質、載荷工況下，進行螺桿螺母的自鎖性能試驗。

2.1 材料的摩擦系數測定試驗原理

根據摩擦學原理，設計了如下試驗裝置：兩個摩擦板中間包夾一個摩擦塊。在摩擦板上施加正壓力并通過保持架保持摩擦板不動，通過一根絲杠推動摩擦塊在摩擦板之間滑動，使其產生相對運動，摩擦板和摩擦塊的接觸面上產生摩擦阻力。試驗中，在絲杠和摩擦塊之間設置一個力傳感器，通過力傳感器記錄摩擦阻力值，并最終通過計算摩擦阻力與正壓力的比值求取摩擦系數,其結構原理和實物圖見圖1。

圖1 螺桿螺母材料摩擦系數試驗原理圖和實物圖Fig.1 Screw nut material friction coefficient test principle and test device

為了測量螺桿螺母材料的摩擦系數，摩擦試件選擇與螺桿螺母相同的材質進行制作。

2.2 實物模型自鎖性能試驗原理

理論上，驗證升船機螺桿螺母的自鎖性，最直接的辦法是按照各項設計參數，制造出實物模型，然后模擬實際的工況條件進行試驗。然而，如此制作的試驗模型，不但外形尺寸巨大，費用昂貴，而且加載的試驗裝置也要求龐大（最大載荷3075 噸，至少需要一臺3500 噸的壓力機加載），試驗成本昂貴。因此，根據相似原理，制作與三峽升船機螺桿螺母相似的1∶10 實物模型。

模型的螺旋升角、牙型角、牙高系數等參數與升船機螺桿螺母設計參數相同，線性參數按照相似性原理等比例縮放。試驗技術參數如表1所示。牙面加工方法采用車削，牙面粗糙度模擬升船機螺桿螺母的粗糙度，按不同的粗糙度制造，分別進行試驗，驗證在不同的工況條件下，模型的自鎖性和自鎖深度，同時根據自鎖深度估算螺桿螺母之間的摩擦系數。

為了避免試驗過程中直接加載螺桿螺母會在加載壓頭處產生的回轉阻力矩，采用 “雙螺母—左右旋復合螺桿”的方案。如圖2（a）所示，整個裝置沿軸向垂直放置，利用萬能試驗機施加軸向載荷。采用多套不同升角的螺桿螺母，在不同的工況條件下多次進行試驗，每個升角間隔 1°，若試驗條件下某個 λ=λ0 自鎖，而λ0+1°不自鎖， 說明自鎖臨界條件約為 λ0+0.5°，λ0-1°應具有較好的自鎖可靠性。本次試驗采用螺旋升角分別為5.64°和6.64°的試驗裝置。

表1 螺桿螺母原型和模型的參數對比表Tab. 1 Screw nut original parameters and model parameters

圖2 螺桿螺母模型自鎖試驗原理圖和試驗實物圖Fig.2 Screw nut model self-locking test principle and test device

3 數據分析及試驗驗證

3.1 材料摩擦系數試驗驗證

圖3為不同粗糙度在不同工況時的摩擦系數對比圖表。

圖3 不同粗糙度不同工況摩擦系數Fig.3 Friction coefficient under different roughness and working conditions

3.2 自鎖性能相似模型驗證

圖4為不同工況下的自鎖深度曲線圖。

圖4 不同工況下的自鎖深度曲線Fig.4 Self-locking depth curve under different working conditions

4 結論

通過上述的螺桿螺母材料摩擦試驗和螺桿螺母1∶10 等比例模型自鎖試驗，可以得到如下結論：

（1）表面潤滑介質對自鎖性能的影響：螺桿螺母之間的介質對摩擦系數影響較大。干摩擦時摩擦系數達到0.115～0.125， 有1.6°～2.1°以上的自鎖深度， 能夠可靠地實現自鎖。當存在水、油時，摩擦系數減低到0.106～0.12， 仍有0.8°～1.6°的自鎖深度， 也可以較可靠地自鎖。在有潤滑脂時，摩擦系數減低到0.102～0.113，只有0.55°～1.2°的自鎖深度， 自鎖可靠性不高。

（2）設計參數對自鎖性能的影響：隨著螺旋升角的增加，自鎖性能也隨之降低；隨著螺桿螺母表面粗糙度的增加，自鎖性能也隨之增加。螺旋升角為6.64°，表面粗糙度為Ra6.3的螺桿螺母機構，可以實現自鎖，但是自鎖深度不高；螺旋升角為5.64°，表面粗糙度為Ra3.2的螺桿螺母機構，自鎖深度次之；而螺旋升角為5.64°，表面粗糙度為Ra6.3的螺桿螺母機構具有較大的自鎖深度。

（3）軸向載荷對自鎖性能的影響：同等試驗工況條件下，自鎖深度與軸向載荷基本無關，所以只要螺旋升角、表面粗糙度等主要參數與潤滑介質確定后，其在特定工況下的自鎖性能也隨之確定。

（4）自鎖性能可靠性評估：當螺桿螺母表面出現水、油、潤滑脂等潤滑介質時，會降低自鎖的安全可靠系數，但在與試驗相同的工況條件下，仍然可以保證自鎖條件；當螺桿螺母表面出現冰時，自鎖條件不一定能保證，升船機存在運行風險，應該停止運行，清除冰塊。可以推斷，按照螺旋升角5.64°，表面粗糙度Rz100（≈Ra25），設計的升船機螺桿螺母自鎖裝置，在與試驗相同的工況條件下，滿足自鎖性能要求。

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]付艷，宋利芬.螺旋傳動的自鎖與傳動效率在礦井提升機中的應用[J].煤炭技術，2013，4.

[3]左愛武.螺旋傳動機構自鎖失效分析[J].武鋼技術，2009，4.

[4]成大先.機械設計手冊第五版 [M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.