秦亞軍

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443000)

0 引言

當(dāng)前軍民品領(lǐng)域中收放纜過(guò)程常常需要用到收放纜絞車，為了使纜繩在收放纜過(guò)程中能整齊排列在卷筒上，提高容纜量并增加纜繩使用壽命，在絞車上需要設(shè)置帶絲杠的排纜裝置。

目前使用的絲杠有兩種，一種是單向螺紋的絲杠，其通過(guò)絲杠端部的微型電機(jī)控制，在絲杠行程兩端各有一個(gè)行程開(kāi)關(guān)，控制絲杠正反轉(zhuǎn)；另一種是往復(fù)絲杠，驅(qū)動(dòng)力一般由卷筒軸通過(guò)鏈傳動(dòng)提供，由于其特殊的螺紋槽設(shè)計(jì)，當(dāng)排纜器從一端到達(dá)另一端后無(wú)需變換絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)方向即可使排纜器自動(dòng)返回，從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)微電機(jī)驅(qū)動(dòng)單向絲杠的排纜器優(yōu)點(diǎn)是使用方便，可通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)在同一絞車上完成不同直徑的纜繩收放，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不高，在水中使用難度較大。而采用往復(fù)絲杠的排纜器，無(wú)需額外提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，在水下使用時(shí)無(wú)需考慮電器部分的密封問(wèn)題，缺點(diǎn)是纜徑變化時(shí)需要更換傳動(dòng)齒輪減速比。相比電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單向絲杠排纜器，采用往復(fù)絲杠的機(jī)械傳動(dòng)在水下環(huán)境使用時(shí)優(yōu)勢(shì)更明顯。

但是往復(fù)絲杠的設(shè)計(jì)目前無(wú)可靠的標(biāo)準(zhǔn)可查，相關(guān)文獻(xiàn)較少，亦無(wú)有效的設(shè)計(jì)方法說(shuō)明，多采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，這對(duì)多數(shù)初次設(shè)計(jì)的人員很難掌握，其傳動(dòng)能力也無(wú)法校核。因此有必要對(duì)其原理和設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行討論說(shuō)明，并完善此方面的一些設(shè)計(jì)空白，同時(shí)也對(duì)往復(fù)絲杠排纜器的標(biāo)準(zhǔn)化具有十分重要意義。

1 往復(fù)絲杠的基本原理

常見(jiàn)的往復(fù)絲杠結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，絲杠具有一條左旋和一條右旋的導(dǎo)程相同的矩形螺紋槽，兩條螺紋在絲杠兩端首尾對(duì)接，形成一條閉合的螺旋槽。轉(zhuǎn)向塊有一個(gè)滑舌，使用時(shí)與螺旋槽組成滑動(dòng)副，當(dāng)絲杠主動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)向塊左右移動(dòng)，當(dāng)滑塊移動(dòng)到絲杠螺旋槽端部時(shí)，滑塊自動(dòng)進(jìn)入另一個(gè)旋向的螺紋槽，向另一邊移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在此過(guò)程中纜將對(duì)轉(zhuǎn)向塊的移動(dòng)產(chǎn)生阻力，當(dāng)該力大于往復(fù)絲杠和轉(zhuǎn)向塊滑舌的傳動(dòng)能力時(shí)，螺旋槽或滑舌的滑動(dòng)副就會(huì)變形失效，從而發(fā)生故障。因此排纜器上滑動(dòng)副的傳動(dòng)能力決定了排纜能力大小。由于往復(fù)絲杠的螺旋槽是帶缺口的，在缺口兩側(cè)的尖部強(qiáng)度很弱，與轉(zhuǎn)向塊滑舌的嚙合狀態(tài)優(yōu)劣也隨時(shí)間變化而不同，所以研究滑動(dòng)副的結(jié)構(gòu)參數(shù)很有必要。

圖1 常見(jiàn)的往復(fù)絲杠結(jié)構(gòu)

2 參數(shù)分析

往復(fù)絲杠的尺寸參數(shù)如圖2所示，影響往復(fù)絲杠傳動(dòng)能力的主要參數(shù)包括螺紋槽大徑D、螺距P、槽寬B、槽深H以及轉(zhuǎn)向塊滑舌的厚度t、長(zhǎng)度L和高度h。過(guò)渡圓弧半徑R決定滑塊的換向性能。

圖2 往復(fù)絲杠的尺寸參數(shù)

圖3為轉(zhuǎn)向塊滑舌與螺紋槽嚙合的平面示意圖，可以看出滑舌與螺紋槽滑動(dòng)副面的實(shí)際接觸為線接觸和點(diǎn)接觸，同時(shí)轉(zhuǎn)向塊滑舌與螺紋槽尖端嚙合時(shí)由于壁厚較薄且與轉(zhuǎn)向塊滑舌的重合長(zhǎng)度短而受力狀態(tài)很差，下面據(jù)此分析轉(zhuǎn)向塊滑舌和絲杠尺寸對(duì)滑動(dòng)副的影響。

2.1 轉(zhuǎn)向塊滑舌尺寸的影響

轉(zhuǎn)向塊滑舌工作時(shí)主要承受橫向剪切力和表面擠壓力，所以滑塊滑舌的長(zhǎng)度L、厚度t和高度h決定了其傳動(dòng)能力。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先依據(jù)排纜器運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向塊滑舌所承受的最大阻力確定滑舌尺寸大小。

2.2 絲杠尺寸的影響

由圖3可以得出，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)增大絲杠的直徑D，則距離l會(huì)明顯減小，雖然此時(shí)尖角的角度將會(huì)變小，但是螺紋的連續(xù)性提高，對(duì)比原直徑絲杠的同位置點(diǎn)尖角的厚度是增加的，這有利于提高絲杠的強(qiáng)度和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。

圖3 滑舌和螺紋槽的嚙合示意圖

當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，增加螺紋的螺距P，距離l減小而尖部厚度會(huì)明顯增大，此時(shí)螺紋槽的強(qiáng)度明顯增大，但螺距增大的同時(shí)螺紋傳動(dòng)的摩擦角也明顯增大，效率會(huì)降低，且會(huì)導(dǎo)致滑舌移動(dòng)到端部時(shí)換向較困難，因此螺距P不能太大;同樣螺紋升角也不宜過(guò)小，以避免強(qiáng)度不足，一般推薦使用的螺紋升角為(15±5)°。

螺旋槽的寬度B一般與滑舌的寬度t匹配，略微大于滑舌寬度即可。螺紋槽的深度H亦與滑舌高度h匹配，略微大于其高度h即可。

因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該合理匹配螺旋槽的直徑D、螺距P兩個(gè)主要參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)步驟

3.1 確定轉(zhuǎn)向塊滑舌基本尺寸L、h及t

轉(zhuǎn)向塊滑舌的材質(zhì)可選擇鑄造黃銅或鋁青銅，該類材質(zhì)適合于低速滑動(dòng)的摩擦副，且耐腐蝕性較好。由于摩擦副的接觸狀況可通過(guò)適當(dāng)?shù)呐芎霞右愿纳疲栽O(shè)計(jì)時(shí)可首先根據(jù)材料的許用應(yīng)力，參考經(jīng)驗(yàn)公式(1)滑塊長(zhǎng)度L和厚度t關(guān)系式，通過(guò)剪切強(qiáng)度計(jì)算式(2)確定轉(zhuǎn)向塊滑舌的長(zhǎng)度L和厚度t：

L=λ1·t.

(1)

(2)

其中：λ1為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，一般取λ1=5～6;στ為滑舌剪切應(yīng)力；[S]為許用安全系數(shù)；F為排纜時(shí)的工作阻力。

隨后根據(jù)滑舌的擠壓強(qiáng)度公式(3)計(jì)算滑舌的高度h，因?yàn)榻z杠和轉(zhuǎn)向塊滑舌很難做到良好嚙合，因此引入了修正參數(shù)λ2。

(3)

其中：[p]為許用擠壓強(qiáng)度；取修正系數(shù)λ2=1.5～2。

計(jì)算實(shí)際壓強(qiáng)得到該轉(zhuǎn)向塊滑舌的接觸面高度h，然后向上取整數(shù)。

3.2 確定絲杠基本尺寸D、H、B、P

為保證絲杠螺旋槽具備足夠強(qiáng)度，絲杠直徑不能過(guò)小，過(guò)小會(huì)引起螺旋槽的連續(xù)性變差，尖部厚度變小，其整體強(qiáng)度降低，且端部換向能力變差。一般要求：

D≥(1.5～1.8)L.

(4)

依此確定初始絲杠的直徑為D。

螺紋槽深H可根據(jù)轉(zhuǎn)向塊滑舌作用高度h確定，即H≥h。

根據(jù)推薦螺旋角θ，通過(guò)下式計(jì)算得螺距為P：

(5)

其中:d為螺紋槽中徑，d=D-H。

根據(jù)轉(zhuǎn)向塊滑舌厚度t確定螺紋槽寬度：

B≈t+0.5.

(6)

根據(jù)以上參數(shù)建立往復(fù)絲杠三維模型，從而測(cè)量絲杠尖部距離L，一般情況下需滿足滑塊長(zhǎng)度l≥1.5l。

如圖4(a)所示，滑塊長(zhǎng)度L與螺旋槽尖部距離l配合良好；圖4(b)L較小則在轉(zhuǎn)向塊滑舌進(jìn)入螺紋缺口時(shí)，嚙合長(zhǎng)度過(guò)小強(qiáng)度較弱，只適用于輕載場(chǎng)合；圖4(c)滑塊與絲杠配合長(zhǎng)度過(guò)小發(fā)生錯(cuò)誤轉(zhuǎn)向而卡死。如不滿足該條件則增大絲杠直徑D直至滿足。

圖4 滑舌長(zhǎng)度與絲杠結(jié)構(gòu)的匹配

3.3 確定轉(zhuǎn)向塊滑舌的截面形狀

由于實(shí)際工作中，轉(zhuǎn)向塊滑舌與螺紋槽接觸，為了改善其受力狀況，因此轉(zhuǎn)向塊滑舌的形狀也十分重要。

因?yàn)榛瑝K的兩側(cè)螺旋面既要配合左旋螺旋槽又要配合右旋螺旋槽，因此轉(zhuǎn)向塊滑舌在槽中工作時(shí)與螺旋槽無(wú)法做到全部接觸為面接觸。據(jù)此分析其外形成形過(guò)程，其形狀應(yīng)為如圖5所示，一個(gè)左旋形狀的滑舌1與一個(gè)右旋形狀的滑舌2，相交后生成的具有四個(gè)半螺旋面的滑舌3，即為理想的結(jié)構(gòu)形狀，螺旋面的螺距等參數(shù)與螺紋槽一致。由于該形狀加工困難，因此實(shí)際加工成為此形狀的近似結(jié)構(gòu)。

圖5 轉(zhuǎn)向塊滑舌相交形成的螺旋面

4 設(shè)計(jì)示例和仿真

海洋工程中使用的一款水下鋼絲繩收放絞車，排纜器的阻力較大，經(jīng)受力分析最大約為1 000 N，為增加其防腐性，絲杠采用316 L不銹鋼制造，屈服強(qiáng)度約175 MPa，轉(zhuǎn)向塊采用黃銅制造，屈服強(qiáng)度約33 MPa，此類海洋工程設(shè)備中安全系數(shù)取3～5，對(duì)于黃銅材質(zhì)的摩擦副其允許的抗壓強(qiáng)度約10 MPa。

首先根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算其轉(zhuǎn)向塊滑舌的長(zhǎng)度和寬度，計(jì)算得到L=30 mm、t=5 mm；再根據(jù)式(3)計(jì)算得h=5。根據(jù)轉(zhuǎn)向塊滑舌的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)式(4)、式(5)、式(6)計(jì)算得絲杠的尺寸為D=50 mm，H=6 mm，B=5.5 mm，取螺旋角18°，計(jì)算得P=42 mm。

依此建立往復(fù)絲杠的三維模型,假設(shè)絲杠向下轉(zhuǎn)動(dòng)，利用ANSYS對(duì)絲杠受力狀況較差的行程分3個(gè)位置進(jìn)行仿真。圖6(a)為滑舌將進(jìn)入絲杠槽上尖部位，此時(shí)載荷全部由左側(cè)螺旋面承受；圖6(b)為滑舌完全進(jìn)入上尖端即將離開(kāi)下尖端部位，此時(shí)上尖位置將承受較大載荷；圖6(c)為滑舌完全離開(kāi)下尖端，離開(kāi)左側(cè)槽支撐，載荷全部由上尖承受。圖7為圖6對(duì)應(yīng)各個(gè)位置的應(yīng)力云圖，據(jù)此可知雙向絲杠的最大應(yīng)

力出現(xiàn)在圖6(b)所示位置，最大應(yīng)力為29.879 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，雙向絲杠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 導(dǎo)向滑塊運(yùn)動(dòng)受力較差階段示意圖

5 總結(jié)

本文介紹了雙向絲杠傳動(dòng)的特點(diǎn)，分析了其強(qiáng)度影響因素，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)明確了絲杠的設(shè)計(jì)公式，得到了往復(fù)絲杠的設(shè)計(jì)步驟，最后根據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)了一款往復(fù)絲杠，并使用ANSYS對(duì)絲杠關(guān)鍵位置點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。結(jié)果證明該詳細(xì)設(shè)計(jì)方法滿足工程使用需要，可以指導(dǎo)往復(fù)絲杠的工程設(shè)計(jì)。

圖7 導(dǎo)向滑塊運(yùn)動(dòng)受力較差階段的絲杠應(yīng)力圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 毛曙宇，田貞.排線裝置中的雙向絲杠加工工藝研究[J].機(jī)械工程師，2012(9)：30-40.

[2] 王智，張來(lái)杰，李濤.雙向絲杠在農(nóng)業(yè)排管機(jī)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)[J].紡織機(jī)械，2014(3)：183.

[3] 于紅莉，王弘.往復(fù)絲杠的加工[J].紡織機(jī)械，2002(4):40-42.

[4] 朱磊，李衛(wèi)衛(wèi).雙向絲杠排線機(jī)構(gòu)的應(yīng)用與設(shè)計(jì)[J].金屬制品，1998(3)：49-50.