(陜西理工學(xué)院陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西漢中 723000)

(陜西理工學(xué)院陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西漢中 723000)

滾珠絲桿升降機(jī)是一種利用蝸桿副帶動(dòng)滾珠絲杠副進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的精密升降部件，在工作過(guò)程中主要依靠蝸桿副的自鎖實(shí)現(xiàn)鎖定，但是在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)過(guò)鎖定失效的狀況，說(shuō)明蝸輪蝸桿自鎖性并不十分可靠。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單靈活的制動(dòng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)制動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦力矩進(jìn)行了計(jì)算校核，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;然后利用Solidworks軟件完成了相關(guān)零部件的三維設(shè)計(jì)及整體裝配，最后利用Simulation模塊完成了摩擦片支架的有限元分析，分析結(jié)果滿(mǎn)足工程要求。

滾珠絲桿升降機(jī);制動(dòng)結(jié)構(gòu);Solidworks;三維設(shè)計(jì);有限元分析

0 前言

滾珠絲桿升降機(jī)是一種利用蝸桿副帶動(dòng)滾珠絲杠副進(jìn)行升降的精密起重部件，具有傳動(dòng)效率高、體積小、控制方便、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于舞臺(tái)升降、雷達(dá)天線(xiàn)座升降機(jī)構(gòu)、火箭、火炮發(fā)射裝置以及建筑醫(yī)療等領(lǐng)域。滾珠絲桿升降機(jī)在工作過(guò)程中主要利用滾珠絲杠副進(jìn)行升降，滾珠絲杠副不具備自鎖功能，用于垂直升降傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，一旦失去動(dòng)力源，就會(huì)產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)動(dòng)，所以滾珠絲桿升降機(jī)利用具有自鎖性的蝸桿副實(shí)現(xiàn)鎖定，以防止升降物品時(shí)絲杠下落。

蝸輪蝸桿傳動(dòng)，當(dāng)蝸桿的螺旋升角γ小于摩擦角Ψ時(shí)(γ＜Ψ)，該機(jī)構(gòu)具有很好的自鎖性［1-2］，但是在實(shí)際例子中，也出現(xiàn)過(guò)因自鎖失效而導(dǎo)致事故發(fā)生的例子［3-4］，由此可見(jiàn)，蝸輪蝸桿自鎖性并不十分可靠，在對(duì)安全性、可靠性要求較高的使用場(chǎng)合，滾珠絲桿升降機(jī)必須外加制動(dòng)裝置，以確保安全，因此對(duì)滾珠絲桿升降機(jī)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉的制動(dòng)結(jié)構(gòu)很有必要。文中選用JWB005型號(hào)的升降機(jī)進(jìn)行制動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 制動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 滾珠絲桿升降機(jī)的組成及工作原理

如圖1所示，滾珠絲桿升降機(jī)主要有蝸輪蝸桿減速器、滾珠絲杠副、推力球軸承、防旋轉(zhuǎn)罩及底座等零部件組成。其工作原理為伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸桿8旋轉(zhuǎn)，蝸桿8帶動(dòng)蝸輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪3通過(guò)蝸輪軸帶動(dòng)絲杠螺母9旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母9帶動(dòng)滾珠絲杠10上下運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠10通過(guò)法蘭1實(shí)現(xiàn)物體的升降。為了防止?jié)L珠絲杠10在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，在其最下端裝有方形塊6，方形塊6與防旋轉(zhuǎn)罩5之間間隙配合，從而實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠只能上下運(yùn)動(dòng)而不能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 滾珠絲桿升降機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1The sketch map of structure of ball screw lifter

1.2 制動(dòng)結(jié)構(gòu)的組成及工作原理

滾珠絲桿升降機(jī)制動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。整個(gè)制動(dòng)結(jié)構(gòu)主要有梯形絲桿、梯形絲桿螺母、摩擦片支架、角接觸球軸承、組合蝶形彈簧及摩擦片等組成。其工作原理為減速電機(jī)帶動(dòng)梯形絲桿1、1-1做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，梯形絲桿帶動(dòng)梯形絲桿螺母3、3-1做上下移動(dòng)，梯形絲桿螺母和摩擦片支架6之間用銷(xiāo)軸連接，當(dāng)螺母3、3-1向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們向下推摩擦片支架，組合碟形彈簧7被壓縮，摩擦片8和9分開(kāi)，制動(dòng)松閘;當(dāng)螺母3、3-1向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，它們和摩擦片支架分開(kāi)，摩擦片支架在組合碟形彈簧的作用下向上運(yùn)動(dòng)，摩擦片8和9接觸壓緊，蝸輪和絲杠螺母被制動(dòng)，即絲杠螺母不能逆旋轉(zhuǎn)，從而滾珠絲杠不能上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滾珠絲桿升降機(jī)制動(dòng)。

圖2 滾珠絲桿升降機(jī)制動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2The sketch map of brake structure of ball screw lifter

當(dāng)摩擦片8將制動(dòng)力矩傳給摩擦片支架時(shí)，摩擦片支架的兩個(gè)臂和底座切槽4、4-1接觸，阻止摩擦片8的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。滾珠絲桿升降機(jī)用于精密升降場(chǎng)合，當(dāng)物體快接近預(yù)定位置時(shí)，接近開(kāi)關(guān)燈亮，伺服電機(jī)迅速減速，此時(shí)蝸輪轉(zhuǎn)速極低，物體緩慢逼近預(yù)定位置，當(dāng)物體到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，蝸輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，故制動(dòng)時(shí)兩摩擦片之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速很低，對(duì)摩擦片支架的沖擊也就很小，不需要加緩沖彈簧，如果沖擊很大，則需要在摩擦片支架的側(cè)面加緩沖彈簧，以減少對(duì)底座的沖擊。

1.3 摩擦力矩計(jì)算校核

(1)由參考文獻(xiàn)［5］可知，當(dāng)滾珠絲杠副受軸向載荷Fa作用時(shí)，在滾珠絲杠公稱(chēng)直徑d0處產(chǎn)生螺紋力矩Mt，在絲杠螺母無(wú)預(yù)緊及忽略軸承的摩擦力矩情況下，螺紋力矩Mt等于其驅(qū)動(dòng)力矩M，即

式中，F(xiàn)a為軸向外載荷，N;L為絲杠導(dǎo)程，mm;φ為螺紋升角，(°)，φ=tan-1;ρd為當(dāng)量摩擦角，一般取ρd=8.6';η為傳動(dòng)效率，η

(2)當(dāng)摩擦片8和9之間產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接觸面間將產(chǎn)生摩擦力，摩擦力對(duì)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的力矩即為摩擦力矩Mf。如圖3所示，在摩擦片接觸面上取環(huán)形微面積ds=2πρdρ，則環(huán)形微面積上所受的正壓力為dFN=pds(p為環(huán)形微面積上的壓強(qiáng))，摩擦力為dFf=fdFN=fpds(f為摩擦片摩擦系數(shù))，對(duì)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的摩擦力矩dMf=ρdFf=ρfpds，故摩擦片端面所受的總摩擦力矩為

圖3 摩擦片的摩擦力矩計(jì)算示意圖Fig.3The calculation sketch map of friction moment of friction plate

對(duì)式(2)的解可分為以下兩種情況來(lái)計(jì)算［6］:

1)對(duì)于新的摩擦片或很少相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦片，可假設(shè)p為常數(shù)，則

其中，F(xiàn)為摩擦片所受的軸向力，聯(lián)立(3)、(4)兩式，可得

2)摩擦片經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的工作后，會(huì)產(chǎn)生磨損，此時(shí)摩擦片接觸面各處的壓強(qiáng)不能再假設(shè)為處處相等，較為符合實(shí)際的假設(shè)是接觸面間的磨損處處相等，即pρ為常數(shù)，設(shè)pρ= k，則

JWB005型號(hào)的升降機(jī)最大載荷為5 kN，絲杠公稱(chēng)直徑為16 mm，導(dǎo)程為5 mm，摩擦片r= 15 mm，R=25 mm，f=0.5，當(dāng)Mf≥M時(shí)，可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，為了保證安全，可以乘一個(gè)安全系數(shù)，提高升降機(jī)制動(dòng)的可靠性，即Mf≥3M，將數(shù)據(jù)帶入公式(1)、(8)可得，M=4.08 N·m，F(xiàn)≥1 224 N，則一根梯形絲桿所承受的推力為F'==612 N。參照表1所示的選型參數(shù)，選取外徑為9 mm，導(dǎo)程R'為24 mm的梯形絲桿，則絲桿的驅(qū)動(dòng)扭矩為T(mén)'==2.41 N·m小于梯形絲桿的動(dòng)態(tài)容許扭矩3.24 N·m，故所選絲桿滿(mǎn)足使用要求。梯形絲桿動(dòng)力源可選取60JX300K47G12型號(hào)永磁直流行星減速電機(jī)，行星減速電機(jī)具有功率低、體積小、轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。

表1 梯形絲桿選型參數(shù)Tab.1Selection and parameters of trapezoidal screw

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及分析

2.1 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

零件設(shè)計(jì)是三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是整體裝配和仿真分析的前提，Solidworks軟件采用基于特征的、參數(shù)化的三維建模技術(shù)［7］，可以快速準(zhǔn)確地建立零件實(shí)體模型。

利用Solidworks的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、筋、陣列、圓角等命令，可以生成底座、摩擦片支架等零部件的三維實(shí)體模型，如圖4、5所示。最后，將各個(gè)零部件裝配起來(lái)，從裝配的角度進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不僅能檢測(cè)出設(shè)備各種工況時(shí)是否干涉，提高設(shè)備設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，同時(shí)可以縮短機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本［8-10］，最終升降機(jī)整體裝配圖如圖6所示。

2.2 摩擦片支架有限元分析

Simulation模塊是基于有限元法技術(shù)的分析模塊，與Solidworks無(wú)縫集成，提供了單一屏幕解決方案來(lái)進(jìn)行靜態(tài)、頻率、扭曲、熱力、疲勞、非線(xiàn)性分析等［11］，一般的工程技術(shù)人員就可以使用它對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，并快速得到相應(yīng)的計(jì)算、分析結(jié)果，從而極大地縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低試驗(yàn)成本［12］。首先調(diào)用Simulation有限元分析模塊，然后添加夾具、載荷、材料類(lèi)型及劃分網(wǎng)格，最后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，分析結(jié)果如圖7、8所示。

摩擦片支架的材料為合金鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度約為620 MPa，質(zhì)量密度為7 700 kg/m3。從圖7的應(yīng)力分析云圖中可以看出支架的最大應(yīng)力發(fā)生在支架臂與支架環(huán)的連接處，最大值為8 233 559.5 N/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明所選材料性能滿(mǎn)足使用要求，并且存在很大的優(yōu)化空間;從圖8的變形分析云圖中可以看出最大變形發(fā)生在支架環(huán)的前后兩側(cè)，最大變形量為0.4594 μm，變形在所選材料的彈性變形范圍內(nèi)，說(shuō)明支架在12.24 N·m扭矩下，只發(fā)生彈性變形，沒(méi)發(fā)生塑性變形，故扭矩去除后，材料能夠回復(fù)初始狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有JWB型滾珠絲桿升降機(jī)鎖定不可靠問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種制動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，操作方便，安全可靠;

(2)對(duì)制動(dòng)結(jié)構(gòu)的摩擦力矩進(jìn)行了計(jì)算校核，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;

(3)利用Solidworks軟件的三維建模功能，完成了相關(guān)零部件的3D設(shè)計(jì)及整體裝配，并利用Simulation模塊對(duì)摩擦片支架進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果滿(mǎn)足工程要求，并且存在很大的優(yōu)化空間;

(4)基于滾珠絲桿升降機(jī)在工程機(jī)械中的實(shí)際應(yīng)用狀況，設(shè)計(jì)了一種制動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高了滾珠絲桿升降機(jī)的安全可靠性，為滾珠絲桿升降機(jī)今后的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種可行性方案;

(5)如何保證兩個(gè)梯形絲桿運(yùn)動(dòng)的同步性，本文沒(méi)有具體研究，說(shuō)明滾珠絲杠升降機(jī)的制動(dòng)方法還有待于進(jìn)一步深入研究。

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滾珠絲桿升降機(jī)的一種制動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

苗玉剛，趙峰

Design and analysis of a brake structure of ball screw lifter

MIAO Yu-gang，ZHAO Feng
(Shannxi Key Laboratory of Industrial Automation，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China)

Ball screw lifter is a precision lifting part by worm gear pair drives ball screw pair lift and lower.It mainly depends on the self-locking of the worm gear pair to lock in the course of its work.But it appeared some failure state that happened because of failure of the self-locking of the worm gear pair in a practical application，which shows that the self-locking of the worm gear pair is not very reliable.For this problem，this paper designs a simple and flexible brake structure.The friction moment of brake structure is calculated，and the calculation meets the design requirements.Then the paper achieves the design of related parts and the whole assembly by Solidworks software，and completes the finite element analysis of friction plate holder by Simulation module，the analysis results meet the project requirements.

ball screw lifter;brake structure;Solidworks;3D design;finite element analysis

TH122

A

1001-196X(2014)05-0072-05

2014-03-29;

2014-05-18

陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(13JS026);陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者項(xiàng)目(12JS035)。

苗玉剛(1988-)，男，陜西理工學(xué)院碩士研究生。