周文浩,趙西韓,馬強(qiáng),沈少華,倪偉民
(.中國(guó)重型機(jī)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)
許多機(jī)械設(shè)備在使用過(guò)程中采用絲桿螺母機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)一些關(guān)鍵部位的行程。由于制造過(guò)程中加工精度不高造成的誤差,以及設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作后發(fā)生的機(jī)械磨損等原因,導(dǎo)致螺紋副配合間隙量過(guò)大。它們不僅會(huì)降低設(shè)備的調(diào)整精度和工作效率,還會(huì)造成振動(dòng)沖擊,從而影響整個(gè)設(shè)備的使用壽命。
本文針對(duì)幾種典型的絲桿螺母機(jī)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(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命的目的。
圖1 是最簡(jiǎn)單的一種消除螺紋間隙的方法,它通過(guò)螺栓的預(yù)緊力來(lái)平衡絲桿的重量,從而將螺紋間隙消除。采用這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(jī)構(gòu)
圖2 機(jī)構(gòu)和圖1 第一種機(jī)構(gòu)原理基本相同,兩個(gè)工件通過(guò)螺紋副做相對(duì)運(yùn)動(dòng),螺母固定不動(dòng),絲桿旋轉(zhuǎn)送進(jìn)。所不同的是,絲桿前進(jìn)過(guò)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(lái)平衡絲桿重量,使得螺紋副的運(yùn)動(dòng)更加精確。對(duì)于重載機(jī)構(gòu),彈簧3 可以更換為碟簧。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行,而且也便于拆裝維護(hù)。
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(xì)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(dòng)墊片嵌入輔螺母3 的止動(dòng)槽內(nèi)將其固定。這種機(jī)構(gòu)巧妙地利用了螺紋螺距的不同從而將主螺母制動(dòng)的原理,在滾珠絲桿機(jī)構(gòu)中,得到了廣泛應(yīng)用。
圖2 第二種機(jī)構(gòu)
圖3 第三種機(jī)構(gòu)
圖4 第四種機(jī)構(gòu)
在重型機(jī)械行業(yè)中,許多絲桿需要承受重載,彈簧機(jī)構(gòu)一是承載能力有限,二是由于載荷的增加,調(diào)整起來(lái)非常不易,因此考慮使用液壓缸來(lái)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(xiàn)旋轉(zhuǎn),絲桿沿著軸線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)但是不能旋轉(zhuǎn)。在絲桿上方液壓缸活塞桿向上拉動(dòng)拉桿,拉桿再拉動(dòng)絲桿,從而消除螺紋絲桿之間的間隙。當(dāng)絲桿進(jìn)行調(diào)整時(shí),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(dá)到平衡狀態(tài)時(shí),絲桿與銅螺母之間的阻力將會(huì)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(dāng)絲桿受到向上的沖擊時(shí),沖擊直接通過(guò)螺紋的剛性接觸傳遞給銅螺母,并最終傳遞到機(jī)架。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)帶負(fù)荷調(diào)整,從而降低電機(jī)的負(fù)載,缺點(diǎn)也很明顯,由于機(jī)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。
如圖5,這種結(jié)構(gòu)中,螺母固定不動(dòng),絲桿沿著軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)送進(jìn),活塞桿內(nèi)部和絲桿也組成螺紋副。采用這種機(jī)構(gòu)時(shí),液壓系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)至關(guān)重要。調(diào)整過(guò)程中,如果液壓系統(tǒng)采用平衡壓力進(jìn)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(jī)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(guò)程中,液壓系統(tǒng)需要卸荷,使得絲桿在調(diào)整過(guò)程中受力均勻分布從而減小磨損。當(dāng)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(duì)設(shè)備的沖擊。采用這種機(jī)構(gòu)時(shí),活塞桿的材料必須采用銅或者其他耐磨金屬,防止絲桿長(zhǎng)時(shí)間磨損發(fā)生剛性粘連損壞絲桿;另外,這種機(jī)構(gòu)的調(diào)整當(dāng)量與最終平衡后的當(dāng)量誤差較大,因此設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量不要采用這種機(jī)構(gòu)。
圖5 第五種機(jī)構(gòu)
圖6 第六種機(jī)構(gòu)
如圖6,這種機(jī)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(gè)機(jī)構(gòu)機(jī)械配合之間的間隙量。采用這種機(jī)構(gòu)時(shí),設(shè)計(jì)師可以靈活地調(diào)整液壓缸的位置,使整個(gè)機(jī)構(gòu)受力達(dá)到平衡。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)液壓缸作用時(shí),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(shí),當(dāng)液壓缸的壓力調(diào)整合適時(shí),它還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙調(diào)整。這種機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)中,尤其是各種軋機(jī)設(shè)備中。
如圖7,這種機(jī)構(gòu)采用液壓缸來(lái)平衡絲桿的重量。由于絲桿在調(diào)整過(guò)程中一邊旋轉(zhuǎn),一邊前進(jìn),因此在液壓缸頂部布置有推力軸承,使用推力軸承來(lái)承受平衡力,同時(shí)液壓缸活塞桿隨著絲桿的前進(jìn)一起隨動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:
1)可以進(jìn)行無(wú)間隙調(diào)整,保障了設(shè)備的調(diào)整精度。采用這種機(jī)構(gòu)時(shí),調(diào)整過(guò)程中,液壓缸活塞桿始終伴隨著絲桿動(dòng)作,并且通過(guò)推力軸承機(jī)構(gòu)給絲桿一個(gè)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(jī)構(gòu)在調(diào)整過(guò)程中,對(duì)于液壓系統(tǒng)的要求沒(méi)有第五種機(jī)構(gòu)要求的那么嚴(yán)格,不需要頻繁進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。液壓缸的推力通過(guò)推力軸承傳遞給絲桿,整個(gè)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(gè)螺紋副的使用壽命。4)通過(guò)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(gè)平衡壓力,從而實(shí)現(xiàn)絲桿行程的精密調(diào)節(jié)。
這種機(jī)構(gòu)整合了圖4 和圖6 的優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)絲桿旋轉(zhuǎn)前進(jìn)過(guò)程中的同步平衡。但是由于它結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)機(jī)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(chǎng)合。
圖7 第七種機(jī)構(gòu)
圖8 為某國(guó)產(chǎn)4 200厚板軋機(jī)上的上軋輥平衡裝置簡(jiǎn)圖,上軋輥通過(guò)安裝在壓下螺絲兩端的4 個(gè)柱塞缸進(jìn)行平衡,4個(gè)柱塞缸向上的作用力作用在平衡機(jī)構(gòu)上,平衡機(jī)構(gòu)通過(guò)4 個(gè)拉桿拉緊上軋輥的軸承座。該機(jī)構(gòu)中,蝸輪旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)絲桿上下移動(dòng)以調(diào)節(jié)軋輥輥縫,該機(jī)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(dá)到軋輥平穩(wěn)工作的目的。
圖8 四缸式液壓平衡裝置
通過(guò)上面幾種機(jī)構(gòu)我們可以看出,對(duì)于不同的螺紋配合方式,應(yīng)當(dāng)采用合適的方法來(lái)減小并消除螺紋間隙,以消除工作過(guò)程中間隙量造成的危害。在許多設(shè)備中,對(duì)于設(shè)備間隙量的消除,往往幾種辦法一起實(shí)施,使得間隙量對(duì)設(shè)備使用性能的影響最小化。靈活運(yùn)用各種方法來(lái)調(diào)整不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的間隙量,在重型機(jī)械和一些特種機(jī)械設(shè)備中,具有舉足輕重的作用,甚至有時(shí)會(huì)關(guān)系到整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。
[1]黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.
[2](美)Sclater N.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊(cè)[M].北京:機(jī)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(guó),CN201220200223[P].2012-12-19.