周文浩，趙西韓，馬強，沈少華，倪偉民

（.中國重型機械研究院股份公司，西安 710032；2.浙江久立特材科技股份有限公司 吳興分公司，浙江 湖州 313008）

0 引言

許多機械設(shè)備在使用過程中采用絲桿螺母機構(gòu)來調(diào)節(jié)一些關(guān)鍵部位的行程。由于制造過程中加工精度不高造成的誤差，以及設(shè)備長時間工作后發(fā)生的機械磨損等原因，導致螺紋副配合間隙量過大。它們不僅會降低設(shè)備的調(diào)整精度和工作效率，還會造成振動沖擊，從而影響整個設(shè)備的使用壽命。

本文針對幾種典型的絲桿螺母機構(gòu)，提出了不同的消除螺紋間隙的結(jié)構(gòu)和方法，以減小絲桿螺母之間的沖擊，從而達到延長設(shè)備的使用壽命的目的。

1 幾種典型機構(gòu)

1.1 第一種機構(gòu)

圖1 是最簡單的一種消除螺紋間隙的方法，它通過螺栓的預緊力來平衡絲桿的重量，從而將螺紋間隙消除。采用這種機構(gòu)的優(yōu)點是螺栓不僅起到了消除螺紋間隙的作用，還起到了軸向定位的作用。缺點也很明顯，每次絲桿調(diào)整完成之后，必須重新調(diào)整鎖緊螺釘3 才能重新消除間隙量。

圖1 第一種機構(gòu)

1.2 第二種機構(gòu)

圖2 機構(gòu)和圖1 第一種機構(gòu)原理基本相同，兩個工件通過螺紋副做相對運動，螺母固定不動，絲桿旋轉(zhuǎn)送進。所不同的是，絲桿前進過程中，鎖緊螺母6 可以持續(xù)為螺母提供平衡力。本結(jié)構(gòu)采用彈簧裝置來平衡絲桿重量，使得螺紋副的運動更加精確。對于重載機構(gòu)，彈簧3 可以更換為碟簧。這種結(jié)構(gòu)簡單易行，而且也便于拆裝維護。

1.3 第三種機構(gòu)

圖3 中，主螺母2 和輔螺母3 均與絲桿1 組成螺旋副，輔螺母3 還和主螺母2 使用細牙螺紋配合。裝配完成之后，將輔螺母3 向外旋，從而拉緊主螺母2 和絲桿1，直至消除他們之間的間隙，然后再使用止動墊片嵌入輔螺母3 的止動槽內(nèi)將其固定。這種機構(gòu)巧妙地利用了螺紋螺距的不同從而將主螺母制動的原理，在滾珠絲桿機構(gòu)中，得到了廣泛應(yīng)用。

圖2 第二種機構(gòu)

圖3 第三種機構(gòu)

1.4 第四種機構(gòu)

圖4 第四種機構(gòu)

在重型機械行業(yè)中，許多絲桿需要承受重載，彈簧機構(gòu)一是承載能力有限，二是由于載荷的增加，調(diào)整起來非常不易，因此考慮使用液壓缸來代替彈簧裝置。圖4 就是一種典型的結(jié)構(gòu)，圖中，銅螺母軸向固定，在蝸桿的作用下沿著軸線旋轉(zhuǎn)，絲桿沿著軸線往復運動但是不能旋轉(zhuǎn)。在絲桿上方液壓缸活塞桿向上拉動拉桿，拉桿再拉動絲桿，從而消除螺紋絲桿之間的間隙。當絲桿進行調(diào)整時，液壓缸壓力調(diào)整到活塞桿向上的作用力恰好與絲桿及絲桿下方零部件重力達到平衡狀態(tài)時，絲桿與銅螺母之間的阻力將會變小，從而降低磨損。調(diào)整完成之后，調(diào)整液壓缸的壓力，使得絲桿向上緊密貼合銅螺母，當絲桿受到向上的沖擊時，沖擊直接通過螺紋的剛性接觸傳遞給銅螺母，并最終傳遞到機架。這種機構(gòu)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)帶負荷調(diào)整，從而降低電機的負載，缺點也很明顯，由于機械結(jié)構(gòu)的局限性它只能應(yīng)用于絲桿不能旋轉(zhuǎn)的部位。

1.5 第五種機構(gòu)

如圖5，這種結(jié)構(gòu)中，螺母固定不動，絲桿沿著軸線旋轉(zhuǎn)送進，活塞桿內(nèi)部和絲桿也組成螺紋副。采用這種機構(gòu)時，液壓系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)至關(guān)重要。調(diào)整過程中，如果液壓系統(tǒng)采用平衡壓力進行調(diào)節(jié)，全部載荷都將集中在活塞桿這一小段，使得局部機械磨損急劇增加，并且容易發(fā)生螺紋副抱死事故。因此在調(diào)整過程中，液壓系統(tǒng)需要卸荷，使得絲桿在調(diào)整過程中受力均勻分布從而減小磨損。當絲桿調(diào)節(jié)到工作位置后，再將液壓系統(tǒng)壓力升高，活塞桿拉緊絲桿從而消除螺紋間隙造成的對設(shè)備的沖擊。采用這種機構(gòu)時，活塞桿的材料必須采用銅或者其他耐磨金屬，防止絲桿長時間磨損發(fā)生剛性粘連損壞絲桿；另外，這種機構(gòu)的調(diào)整當量與最終平衡后的當量誤差較大，因此設(shè)計過程中盡量不要采用這種機構(gòu)。

圖5 第五種機構(gòu)

圖6 第六種機構(gòu)

1.6 第六種機構(gòu)

如圖6，這種機構(gòu)采用液壓平衡缸將絲桿下方的設(shè)備提起，從而消除整個機構(gòu)機械配合之間的間隙量。采用這種機構(gòu)時，設(shè)計師可以靈活地調(diào)整液壓缸的位置，使整個機構(gòu)受力達到平衡。這種機構(gòu)的優(yōu)點是當液壓缸作用時，不僅將螺紋絲桿間隙全部拉緊消除，而且還將設(shè)備其它軸向配合間隙尺寸也一并消除，同時，當液壓缸的壓力調(diào)整合適時，它還可以實現(xiàn)無間隙調(diào)整。這種機構(gòu)廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)中，尤其是各種軋機設(shè)備中。

1.7 第七種機構(gòu)

如圖7，這種機構(gòu)采用液壓缸來平衡絲桿的重量。由于絲桿在調(diào)整過程中一邊旋轉(zhuǎn)，一邊前進，因此在液壓缸頂部布置有推力軸承，使用推力軸承來承受平衡力，同時液壓缸活塞桿隨著絲桿的前進一起隨動。這種機構(gòu)的優(yōu)點是：

1）可以進行無間隙調(diào)整，保障了設(shè)備的調(diào)整精度。采用這種機構(gòu)時，調(diào)整過程中，液壓缸活塞桿始終伴隨著絲桿動作，并且通過推力軸承機構(gòu)給絲桿一個向上的推力，使得絲桿始終向上緊緊貼合螺母，因而其調(diào)整精度較高。2）這種機構(gòu)在調(diào)整過程中，對于液壓系統(tǒng)的要求沒有第五種機構(gòu)要求的那么嚴格，不需要頻繁進行壓力調(diào)節(jié)。液壓缸的推力通過推力軸承傳遞給絲桿，整個螺紋副的受力較為均衡。3）由于平衡力的存在，絲桿螺母之間的摩擦力減小，從而減小磨損，提高了整個螺紋副的使用壽命。4）通過調(diào)整液壓系統(tǒng)卸荷壓力到合適的大小，使得絲桿不管是向上還是向下調(diào)整，都能夠自始至終得到一個平衡壓力，從而實現(xiàn)絲桿行程的精密調(diào)節(jié)。

這種機構(gòu)整合了圖4 和圖6 的優(yōu)點，可以實現(xiàn)絲桿旋轉(zhuǎn)前進過程中的同步平衡。但是由于它結(jié)構(gòu)較為復雜，對機械加工和裝配的要求較高，因此一般應(yīng)用于調(diào)整精度要求較高的場合。

圖7 第七種機構(gòu)

2 平衡機構(gòu)應(yīng)用示例

圖8 為某國產(chǎn)4 200厚板軋機上的上軋輥平衡裝置簡圖，上軋輥通過安裝在壓下螺絲兩端的4 個柱塞缸進行平衡，4個柱塞缸向上的作用力作用在平衡機構(gòu)上，平衡機構(gòu)通過4 個拉桿拉緊上軋輥的軸承座。該機構(gòu)中，蝸輪旋轉(zhuǎn)，帶動絲桿上下移動以調(diào)節(jié)軋輥輥縫，該機構(gòu)與圖6 原理本質(zhì)上是一致的，都是直接拉緊軸承座以消除壓下絲桿與螺母、以及軋輥軸承座與絲桿之間等各部位之間的間隙量，最終達到軋輥平穩(wěn)工作的目的。

圖8 四缸式液壓平衡裝置

3 結(jié)語

通過上面幾種機構(gòu)我們可以看出，對于不同的螺紋配合方式，應(yīng)當采用合適的方法來減小并消除螺紋間隙，以消除工作過程中間隙量造成的危害。在許多設(shè)備中，對于設(shè)備間隙量的消除，往往幾種辦法一起實施，使得間隙量對設(shè)備使用性能的影響最小化。靈活運用各種方法來調(diào)整不同的機械結(jié)構(gòu)之間的間隙量，在重型機械和一些特種機械設(shè)備中，具有舉足輕重的作用，甚至有時會關(guān)系到整個設(shè)計的成敗。

［1］黃慶學.軋鋼機械設(shè)計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］（美）Sclater N.機械設(shè)計實用機構(gòu)與裝置圖冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［3］周文浩.一種消除螺紋間隙的系統(tǒng)：中國，CN201220200223［P］.2012-12-19.