吳來(lái)友， 陳 濤

（山東勝利鋼管有限公司， 山東 淄博255082）

從德國(guó)進(jìn)口的螺旋埋弧焊管預(yù)精焊機(jī)組主機(jī)全套設(shè)備， 可生產(chǎn)規(guī)格為Φ610 mm～Φ1 626 mm的鋼管。 在焊接不同規(guī)格的鋼管時(shí)， 外焊機(jī)構(gòu)需要升降定位。 外焊升降系統(tǒng)主要由滾珠絲杠、 直線滑軌、 抱閘裝置組成， 電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)升降。 滾珠絲杠具有傳動(dòng)效率高、 低速無(wú)爬行、運(yùn)動(dòng)可逆性、 壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)際使用過(guò)程中，由于所受阻力較大， 經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)絲杠脫落故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。 通過(guò)對(duì)升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析， 找出了絲杠脫落的原因， 并設(shè)計(jì)了一套支承裝置， 對(duì)升降裝置進(jìn)行了改進(jìn)。

1 改造前外焊升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 改造前外焊升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

改造前外焊升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 由圖1可見(jiàn)， 外焊機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓連接固定在外焊連接板上。 外焊連接板分別與滾珠絲杠絲母、 4 個(gè)直線導(dǎo)軌滑塊和4 個(gè)鎖緊滑塊相連。 直線導(dǎo)軌滑塊沿直線滑軌做直線運(yùn)動(dòng)， 當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)時(shí)， 鎖緊滑塊收到信號(hào)松開(kāi)， 升降電機(jī)得電帶動(dòng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 在直線滑軌約束下， 絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為外焊裝置的直線升降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滾珠絲杠停止運(yùn)動(dòng)時(shí)， 鎖緊滑塊抱緊直線滑軌成鎖緊狀態(tài)， 從而使外焊機(jī)構(gòu)穩(wěn)定在工作位置。 電機(jī)和滾珠絲杠通過(guò)錐形聯(lián)軸器連接， 錐形聯(lián)軸器和絲杠通過(guò)摩擦傳遞扭矩， 間隙小，屬于無(wú)撓性連接， 具有高剛性， 同時(shí)軸向長(zhǎng)度短， 節(jié)省安裝空間。 但是與傳統(tǒng)的鍵槽連接方式相比， 當(dāng)受到較大的阻力時(shí)， 聯(lián)軸器與軸容易脫開(kāi)。

2 改進(jìn)方案

針對(duì)聯(lián)軸器容易脫開(kāi)的問(wèn)題， 筆者對(duì)升降裝置進(jìn)行了改進(jìn)。 改造遵循結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 占用空間小、 節(jié)約成本、 安裝方便的原則。 最初的改造方案有2 種。

方案1： 改變聯(lián)軸器與滾珠絲杠的連接方式， 將現(xiàn)有的錐形摩擦傳動(dòng)改成鍵連接的形式。這種方式需要重新設(shè)計(jì)滾珠絲杠， 改動(dòng)較大， 成本較高， 并且缺乏過(guò)載保護(hù)。

方案2： 設(shè)計(jì)一種承重裝置， 減輕聯(lián)軸器軸向負(fù)載， 同時(shí)能與滾珠絲杠一起旋轉(zhuǎn)， 減小滾珠絲杠底部的摩擦。

比較2 種改造方案， 從安裝空間、 所需費(fèi)用、后期維護(hù)等多方面考慮， 顯然方案2 更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

3 支承裝置的具體結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的絲杠支承形式有4 種， 如圖2 所示。本研究所述的支承方式是立式的， 絲杠上端固定， 下端自由 （見(jiàn)圖2 （a））。 滾珠絲杠的直徑為32 mm， 長(zhǎng)度為2 400 mm， 轉(zhuǎn)速為60 r/min，屬于中低轉(zhuǎn)速。 絲杠的長(zhǎng)徑比較大， 剛度小， 撓性大， 可以嘗試改進(jìn)成為一端固定， 一端游動(dòng)的方式 （見(jiàn)圖2 （c））。

圖2 絲杠支承的4 種方式

新設(shè)計(jì)的支承裝置剖面結(jié)構(gòu)如圖3 所示， 由隨動(dòng)塊、 圓錐滾子軸承、 底板、 壓蓋組成。 滾珠絲杠下端插入到隨動(dòng)塊上方的孔中， 隨動(dòng)塊下端插入到軸承的內(nèi)圈， 同時(shí)軸肩起到給軸承內(nèi)圈定位作用， 軸承外圈和底板配合， 外圈靠壓蓋定位， 壓蓋與底板用螺栓連接， 支承裝置在豎直方向的調(diào)整余量可以通過(guò)擰緊螺栓實(shí)現(xiàn)。 底板用螺栓固定在絲杠導(dǎo)向裝置的殼體上， 當(dāng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 隨動(dòng)塊跟著絲杠旋轉(zhuǎn)， 軸承的內(nèi)圈跟著旋轉(zhuǎn)， 外圈不動(dòng)。

圖3 新設(shè)計(jì)的支承裝置剖面結(jié)構(gòu)示意圖

4 支承裝置的軸承選用及校核

滾珠絲杠安裝軸承常采用推力球軸承和角接觸球軸承的組合。 這種方式使軸向的剛度大幅提高， 但也增大了摩擦阻力， 同時(shí)軸承支架結(jié)構(gòu)較大， 占用空間較大。 考慮到工作中滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速不高， 盡量選用一個(gè)既能承受軸向載荷又能承受徑向載荷的軸承實(shí)現(xiàn)支承功能。 與角接觸球軸承相比較， 圓錐滾子軸承承受的軸向力更大。 結(jié)合絲杠的尺寸以及設(shè)備的安裝空間， 本次設(shè)計(jì)選用圓錐滾子軸承32908。

校核所選軸承受軸向力Fa=5 000 N， 徑向力Fr=500 N， 查表得出， 基本額定載荷Cr=31.5 kN，Cor=46 kN。

當(dāng)量動(dòng)載荷P=XFr+YF， 根據(jù) 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》有關(guān)圓錐滾子軸承選型 （7-2-91）， Fa/Fr＞e=0.29，X=0.4， Y=2.1， 則P=0.4Fr+2.1Fa=0.4×500+2.1×5 000=10.7 kN， 所需額定動(dòng)載荷

由于滾珠絲杠升降的頻率不高， 大多數(shù)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)， 軸承的使用壽命可選300 h， 查表得： 壽命因數(shù)fh=0.858； 旋轉(zhuǎn)速度60 r/min 時(shí)，速度因數(shù)fn=0.838； 力矩載荷因數(shù)fm=2； 沖擊因數(shù)fd=1.2； 溫度因數(shù)fT=1.0。

因此， 根據(jù)公式 （1） 可得到額定動(dòng)載荷C=26.29 kN＜Cr， 可見(jiàn)所選軸承能滿足要求。

5 主要受力部件的有限元分析

借助有限元分析軟件對(duì)主要受力部件隨動(dòng)塊做靜應(yīng)力分析。 首先對(duì)隨動(dòng)塊做靜應(yīng)力分析建模， 由圖3 可知， 隨動(dòng)塊與軸承內(nèi)圈軸徑接觸的是固定面， 然后沿豎直方向添加5 000 N 的作用力， 沿徑向添加500 N 的水平作用力。 對(duì)隨動(dòng)塊做網(wǎng)格劃分， 最后進(jìn)行運(yùn)算。 隨動(dòng)塊的靜應(yīng)力分析云圖如圖4 所示。

在所加載荷作用下， 最大應(yīng)力σ=6.054 MPa,最大位移D=0.053 mm， 最小的安全系數(shù)為49.551，由第一強(qiáng)度理論可知隨動(dòng)塊所受最大應(yīng)力小于45鋼許用應(yīng)力300 MPa， 說(shuō)明設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度要求。

圖4 隨動(dòng)塊靜應(yīng)力分析云圖

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種螺旋埋弧焊管預(yù)精焊精焊外焊升降系統(tǒng)的支承裝置， 并通過(guò)有限元分析軟件對(duì)主要受力部件進(jìn)行了分析校核， 自2018 年進(jìn)行改造之后使用至今運(yùn)行良好， 有效解決了滾珠絲杠的脫落故障， 提高了設(shè)備的作業(yè)率， 減少了維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度， 經(jīng)濟(jì)效益好， 達(dá)到了預(yù)期的效果。