任曉偉，連青林，邵穎慧，方世源，毛利民

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 北京特種工程設(shè)計研究院，北京，100028；3. 航天系統(tǒng)部裝備部軍事代表局駐北京地區(qū)第二軍代室，北京，100841）

0 引 言

螺旋傳動是實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動、移動的有效模式。螺旋傳動主要通過螺桿以及螺母構(gòu)成，合理的螺旋傳動設(shè)計能夠有效提升螺桿螺母的配合精度，提高傳動效率，進(jìn)而降低傳動過程中的阻力及振動噪聲。

運(yùn)載火箭活動發(fā)射平臺的支承臂和轉(zhuǎn)換裝置是支承火箭或臺體，并實(shí)現(xiàn)承載、升降發(fā)射平臺功能的重要組成部分，均進(jìn)入發(fā)射或轉(zhuǎn)場流程，是關(guān)系發(fā)射成敗的關(guān)鍵部件，其功能實(shí)現(xiàn)主要為大型重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)。

在發(fā)射平臺支承臂或轉(zhuǎn)換裝置的使用過程中，出現(xiàn)阻力大或卡滯的故障，本文分析了造成螺旋傳動機(jī)構(gòu)阻力增大的影響因素及其產(chǎn)生機(jī)理。根據(jù)重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力特性，設(shè)計相關(guān)試驗(yàn)，研究各因素對機(jī)構(gòu)傳動阻力特性的影響。

1 重載螺旋機(jī)構(gòu)傳動阻力特性分析

1.1 螺旋傳動機(jī)構(gòu)組成及功能原理

轉(zhuǎn)換裝置及支承臂的螺旋傳動模塊均使用螺桿螺母作為傳動部件，其功能原理如圖1所示，液壓馬達(dá)輸入扭矩，通過減速器放大傳動比，將扭矩輸入至螺桿。螺紋副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為升降運(yùn)動，螺母與內(nèi)套筒一體隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而上下運(yùn)動。

圖1 螺旋傳動機(jī)構(gòu)功能原理Fig.1 Functional Mechanism of Spiral Transmission Machine

1.2 螺旋傳動阻力增大的影響因素分析

以螺旋機(jī)構(gòu)傳動阻力增大作為結(jié)果事件，建立其影響因素分析模型，如圖2所示。主要包含以下幾項(xiàng)影響因素：軸承銹蝕、多余物、減速器無潤滑、螺紋副無潤滑、螺紋磨損、圓螺母生銹、圓螺母限位失效以及過約束。

圖2 旋轉(zhuǎn)傳動阻力增大故障模式分析Fig.2 Failure Mode Analysis on Resistance Increase of Spiral Transmission

1.2.1 軸承銹蝕

軸承是保證螺旋傳動機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要部件，若軸承滾子發(fā)生破碎，則轉(zhuǎn)換裝置會發(fā)生卡滯現(xiàn)象；若軸承滾子銹蝕嚴(yán)重，則軸承滾動摩擦系數(shù)增大，甚至變滾動摩擦為滾-滑動摩擦，使得摩擦阻力上升。

由于軸承按照3～4倍的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計，因此設(shè)計上保證滾子不會發(fā)生破碎現(xiàn)象。但軸承在長期使用過程中，由于重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)很難拆分檢查，內(nèi)部若發(fā)生銹蝕狀況，則可能影響傳動阻力矩。

1.2.2 螺旋副無潤滑

現(xiàn)重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)所用的潤滑脂為7403寬溫潤滑脂，具有承壓能力高，使用溫度寬，不易流失等優(yōu)點(diǎn)，但同時由于粘度系數(shù)大，無法通過油槍等工具補(bǔ)加，只能將重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)全部分解、清洗后重新涂敷。但重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)在發(fā)射、噴水、自然存放等條件下，螺紋副間潤滑脂存在逐漸損耗、流失、變質(zhì)的可能性。潤滑脂一旦損耗、流失、變質(zhì)，螺紋副間的摩擦系數(shù)將增大，導(dǎo)致螺紋副摩擦阻力增大，進(jìn)一步表現(xiàn)為重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力增大。

1.2.3 螺旋副磨損

重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)的螺紋副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為升降運(yùn)動，螺紋副間的摩擦阻力為重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)阻力的主要來源。螺紋副由螺桿、螺母構(gòu)成，設(shè)計中螺桿材料為38CrMoAl或40Cr，螺母材料為ZCuAl10Fe3，螺母為損耗件。隨著使用次數(shù)的增加，螺母的螺紋會逐漸磨損，螺紋表面磨損后，其相應(yīng)的粗糙度上升、接觸面不均勻等現(xiàn)象會導(dǎo)致螺紋副阻力矩上升，進(jìn)而表現(xiàn)為重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力增大。

1.2.4 圓螺母銹蝕

圓螺母安裝在螺桿底部，通過止動墊圈/止動塊與上座襯套接觸，用于對螺桿軸向限位、調(diào)整軸承軸向安裝間隙，并承受支承臂所受的拉載荷。

若圓螺母/止動墊圈銹蝕，其與襯套間的摩擦系數(shù)上升，當(dāng)圓螺母隨螺桿轉(zhuǎn)動時，其與上座襯套接觸面間的阻力上升，進(jìn)而表現(xiàn)為重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)阻力增大。

1.2.5 圓螺母限位失效

圓螺母安裝在螺桿底部，通過止動墊圈/止動塊與上座襯套接觸，用于對螺桿軸向限位、調(diào)整軸承軸向安裝間隙，并承受支承臂所受的拉載荷。

若圓螺母限位失效，則在接觸面摩擦力作用下，產(chǎn)生自鎖死動作，端面摩擦阻力逐漸增大。同時，在自鎖緊過程中，對螺紋副、軸承產(chǎn)生軸向載荷，螺紋副、軸承的阻力也隨之增大，進(jìn)而表現(xiàn)為重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)阻力增大。

1.2.6 過約束

重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)中，螺桿旋轉(zhuǎn)，螺母與內(nèi)套筒一體隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而上下運(yùn)動，因此內(nèi)套筒受螺紋副配合關(guān)系的徑向定位，同時，在重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)中，內(nèi)套筒還受導(dǎo)向零件（銅套、上座襯套）的徑向定位，理論上，導(dǎo)向零件不受徑向力。但在內(nèi)套筒升降過程中，載荷作用方向與螺旋副軸心并非同軸，主要由于：

a）加工誤差內(nèi)套筒軸心與螺旋副的軸心不同軸；

b）載荷點(diǎn)并非能夠準(zhǔn)確的落在軸心上；

c）受螺紋承載變形影響，載荷并非均勻的分布在各個螺紋面上；

d）隨著升降運(yùn)動，螺旋副有一定的加工誤差導(dǎo)致的晃動量，因此螺旋副給予的軸向支撐力與載荷也并非時刻同軸。

根據(jù)以上分析可知，重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)受結(jié)構(gòu)所限必然有一定的偏載，偏載出現(xiàn)導(dǎo)致內(nèi)套筒在軸向力、方鍵周向力、螺紋副軸向力、螺紋副的周向力作用下，產(chǎn)生一個沿徑向翻轉(zhuǎn)的作用力，導(dǎo)致內(nèi)套筒與導(dǎo)向零件（銅套、上座襯套）相互徑向擠壓力，造成了過約束現(xiàn)象，增加了升降過程中與導(dǎo)向零件間的摩擦阻力，進(jìn)而表現(xiàn)為重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力增大。

1.2.7 減速器無潤滑

螺旋傳動機(jī)構(gòu)由馬達(dá)產(chǎn)生動力，扭矩通過減速器傳遞至減速器，進(jìn)而帶動螺桿、螺母運(yùn)動，減速器運(yùn)轉(zhuǎn)是否良好直接關(guān)系到傳動機(jī)構(gòu)阻力的大小，其中減速器潤滑油一旦出現(xiàn)粘稠、滲漏、氧化等失效形式，不能對減速器內(nèi)齒輪、軸、軸承等旋轉(zhuǎn)嚙合零部件進(jìn)行有效得潤滑、降溫，加速減速器零件的磨損，從而引起減速器傳動效率的降低，表現(xiàn)為螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力增大。

1.2.8 多余物

螺桿、螺母是傳動機(jī)構(gòu)的主要零件，嚙合面為螺紋牙，由于螺桿材料為38CrMoAl，而螺母的材料為ZCuAl10Fe3，較為薄弱的為螺母的螺紋，若嚙合面出現(xiàn)硬度較高的多余物，在高比壓下必然會造成螺母螺紋牙面的損傷，從而降低粗糙度，出現(xiàn)嚙合面摩擦力上升的現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能造成螺紋牙的斷裂，必然會影響到傳動阻力的上升。

2 重載螺旋機(jī)構(gòu)傳動阻力特性的試驗(yàn)研究

針對影響重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力特性，設(shè)計了潤滑脂影響試驗(yàn)、導(dǎo)向面影響試驗(yàn)、軸承銹蝕影響試驗(yàn)、低中高轉(zhuǎn)速影響試驗(yàn)、低載荷影響試驗(yàn)、螺旋傳動次數(shù)影響試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析。對照試驗(yàn)進(jìn)行3次升降，傳動次數(shù)影響試驗(yàn)進(jìn)行60次。

2.1 潤滑脂對傳動的影響試驗(yàn)

螺紋副摩擦面間潤滑情況是影響摩擦系數(shù)的重要因素，潤滑與非潤滑狀態(tài)摩擦系數(shù)相差很大，潤滑狀態(tài)下，不同潤滑脂的選擇，也會帶來一定差異。同時，由于潤滑脂類型不同，其承受面壓的能力也不同，因此，不能單一從潤滑脂粘度及摩擦系數(shù)上來篩選，需要考慮在重載情況下，低粘度的潤滑脂是否有被擠出風(fēng)險。若潤滑脂被擠出，運(yùn)動過程中的螺紋面則會干磨，導(dǎo)致阻力增大，甚至燒死現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析，選用兩種潤滑脂（GB/T491-2008鈣基潤滑脂、7403高低溫潤滑脂）的對比試驗(yàn)，測試不同粘度潤滑脂對摩擦阻力的影響，同時觀察低粘度的鈣基潤滑脂在最高載荷下是否有被擠出現(xiàn)象，為以后潤滑脂的選擇提供試驗(yàn)支撐，試驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示，共進(jìn)行3次升降。

表1 潤滑脂影響試驗(yàn)Tab.1 Test on Lubrication Grease

試驗(yàn)獲得了兩種潤滑脂的對比數(shù)據(jù)，如圖3所示。從數(shù)據(jù)判斷，在各載荷工況下，鈣基潤滑脂相對于7403高低溫潤滑脂的阻力數(shù)據(jù)更小，潤滑效果更好。拆分檢查后發(fā)現(xiàn)，涂覆鈣基潤滑脂的螺桿螺母表面油膜更加均勻。

圖3 潤滑脂對比試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Comparison Test Results of Different Lubrication Grease

對比各載荷下阻力矩的差異，7403寬溫潤滑脂潤滑下螺旋傳動機(jī)構(gòu)阻力矩相對于鈣基潤滑脂潤滑時分別增加約18%（負(fù)載50 t）、21%（負(fù)載100 t）、12%（負(fù)載150 t）、8%（負(fù)載180 t）。數(shù)據(jù)表明，在50 t、100 t、150 t下鈣基潤滑脂降阻力效果明顯，180 t時兩者阻力特性趨于接近，表明由于鈣基潤滑脂承壓性低于7403潤滑脂，隨著螺紋面壓的升高，鈣基潤滑脂的潤滑效果開始降低。

2.2 定位與導(dǎo)向的影響試驗(yàn)

根據(jù)重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析，內(nèi)套筒隨螺母升降，受到來自于螺桿及導(dǎo)向零件（銅套、上螺筒）的徑向定位。導(dǎo)向零件銅套、上螺筒安裝于上座內(nèi)部，為間隙配合，最大單邊間隙約為0.07 mm。因此，內(nèi)套筒受3處徑向?qū)?，這些徑向?qū)蛄慵鶠檠b配件，導(dǎo)向面非一刀加工面，因此無法保證運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的同心度，同時由于載荷落點(diǎn)也很難準(zhǔn)確的落在軸線上，因此內(nèi)套筒在升降過程中不可避免的受到螺桿、銅套、上螺筒共同施加的徑向力，產(chǎn)生過約束現(xiàn)象，使得升降的阻力增大。

受加工誤差及裝配誤差限制，螺桿與螺母、內(nèi)套筒、上座襯套、銅套的軸心很難保證在一條直線上，同時由于載荷落點(diǎn)也很難準(zhǔn)確的落在軸線上，因此內(nèi)套筒在升降過程中不可避免的受到螺桿、銅套、上螺筒共同施加的徑向力，產(chǎn)生過約束現(xiàn)象，使得升降的阻力增大。因此，設(shè)計試驗(yàn)驗(yàn)證內(nèi)套筒與上螺筒、銅套間的配合關(guān)系對螺旋傳動阻力矩的影響，如表2所示。

表2 定位與導(dǎo)向影響試驗(yàn)Tab.2 Test on Positioning and Guidance

試驗(yàn)結(jié)果表明，增大上螺筒內(nèi)徑0.3～0.5 mm對傳動阻力據(jù)基本無影響。不安裝銅套或上螺筒對傳動阻力矩影響較大，傳動阻力矩比原裝配關(guān)系明顯減小，傳動數(shù)據(jù)平穩(wěn)性無明顯變化，如圖4所示。

圖4 公差配合試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test Results of Tolerance Matching

由圖4可見，改進(jìn)銅套、襯套與內(nèi)套筒間的配合結(jié)構(gòu)，可有效降低傳動阻力矩。其中，去除上襯套對阻力矩降低的效果比去除銅套更明顯，且隨著載荷的增大，效果更好。由此可知，定位導(dǎo)向面的合理設(shè)計可減少額外阻力的增加，優(yōu)化螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力特性。

2.3 軸承銹蝕的影響試驗(yàn)

銹蝕后的軸承在運(yùn)動過程中，滾動摩擦系數(shù)增大，甚至變滾動摩擦為滾-滑動摩擦，使得摩擦阻力上升。因此，利用現(xiàn)有的銹蝕軸承和新購軸承進(jìn)行對比試驗(yàn)，驗(yàn)證軸承銹蝕影響程度。軸承銹蝕情況結(jié)果見圖5。

圖5 銹蝕軸承Fig.5 Bearing Corrosion

采用表2的試驗(yàn)方法，將試驗(yàn)變量分別選擇為銹蝕軸承和新軸承狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 新舊軸承試驗(yàn)對比結(jié)果Fig.6 Comparison Test Results of New and Old Bearings

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比可見，軸承銹蝕狀態(tài)對支承臂傳動阻力矩影響極大。且隨載荷增加，影響越明顯。在180 t載荷下，嚴(yán)重銹蝕的軸承可使得螺旋傳動機(jī)構(gòu)阻力矩上升約50%。因此，控制軸承銹蝕程度，做好潤滑措施，是保證螺旋傳動機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行、阻力矩保持正常范圍的關(guān)鍵措施。

2.4 傳動轉(zhuǎn)速的影響試驗(yàn)

螺桿轉(zhuǎn)速需以減速比604進(jìn)行換算，在馬達(dá)轉(zhuǎn)速為40 轉(zhuǎn)/min、60轉(zhuǎn)/min、80轉(zhuǎn)/min下，螺桿轉(zhuǎn)速為0.067 轉(zhuǎn)/min、0.099轉(zhuǎn)/min、0.13轉(zhuǎn)/min，速度較緩慢。理論分析，低中高轉(zhuǎn)速下，螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力矩應(yīng)一致、無變化。但在現(xiàn)場使用時，發(fā)現(xiàn)速度越高，需要的馬達(dá)驅(qū)動壓差越高。分析初步認(rèn)為，隨著轉(zhuǎn)速的升高，馬達(dá)、減速器效率有所降低，功率損耗增大，導(dǎo)致馬達(dá)驅(qū)動壓差升高。因此，設(shè)計低、中、高轉(zhuǎn)速影響試驗(yàn)，確認(rèn)螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力與轉(zhuǎn)速無關(guān)，馬達(dá)驅(qū)動壓力升高是由于馬達(dá)及減速器的功率損耗導(dǎo)致，試驗(yàn)項(xiàng)目如下。

表3 轉(zhuǎn)速影響試驗(yàn)Tab.3 Test on Transmission Speed

試驗(yàn)獲得了低中高轉(zhuǎn)速下螺旋傳動機(jī)構(gòu)的阻力數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，不同轉(zhuǎn)速下馬達(dá)至減速器輸出端的效率無明顯變化，螺旋傳動機(jī)構(gòu)傳動阻力卻受速度影響，傳動阻力隨著速度的升高而增大，80 轉(zhuǎn)/min下阻力矩較40 轉(zhuǎn)/min下阻力矩升高約8%（負(fù)載180 t）、11%（負(fù)載150 t）、16%（負(fù)載100 t）、10%（負(fù)載50 t），見圖7。

圖7 不同轉(zhuǎn)速與減速器扭矩的關(guān)系Fig.7 Relationship between Different Revs and Reducer Torque

在低速重載下螺旋傳動機(jī)構(gòu)載荷不均勻，造成馬達(dá)、減速器在低速下會產(chǎn)生波動，導(dǎo)致出現(xiàn)升降抖動現(xiàn)象。通過上述低中高轉(zhuǎn)速加載試驗(yàn)，驗(yàn)證低速下重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性。

2.5 螺旋傳動次數(shù)的影響試驗(yàn)

隨著螺旋傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動次數(shù)的增加，螺紋副間的磨損也必然增大，從而導(dǎo)致阻力矩上升。因此，對重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行螺旋傳動次數(shù)影響試驗(yàn)，研究螺紋傳動次數(shù)增加對傳動阻力的影響，并通過螺旋傳動次數(shù)影響試驗(yàn)對重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)的壽命進(jìn)行測試，螺旋傳動試驗(yàn)進(jìn)行60次。

由圖8可見，在60次試驗(yàn)過程中，傳動阻力逐漸上升，上升趨勢較平緩。試驗(yàn)后，拆分螺旋傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，各零部件均無損壞現(xiàn)象，螺母表面溝槽情況較試驗(yàn)前明顯，螺母第1道螺牙上可見累積的銅屑。 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及拆分檢查情況分析，螺桿、螺母多次升降后，螺紋表面逐漸磨損，表面粗糙度上升，使得摩擦阻力逐漸上升。在60次試驗(yàn)后，傳動阻力矩較試驗(yàn)之初升高約16%，且未超過系統(tǒng)驅(qū)動能力，因此認(rèn)為該結(jié)構(gòu)仍可繼續(xù)使用。

圖8 螺旋傳動次數(shù)與減速器扭矩的關(guān)系Fig.8 Relationship between Transmission Times and Reducer Torque

2.6 其余影響因素探討

多余物的存在勢必影響傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行效率，視為造成阻力增大及卡滯的故障因素之一，而零件的過約束為安裝工藝過程中造成故障隱患，二者應(yīng)通過前期設(shè)計及加工工藝環(huán)節(jié)盡力避免，故本文中未對其影響設(shè)計試驗(yàn)分析。

3 結(jié) 論

本文以運(yùn)載火箭活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)換裝置重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)作為研究對象，分析其阻力增大的影響因素，設(shè)計對照試驗(yàn)分析不同因素對螺旋傳動機(jī)構(gòu)阻力特性的影響，獲得以下結(jié)論：

a）重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)的潤滑應(yīng)選用粘度低、承壓能力高且使用溫度范圍寬的潤滑脂，使其具有更佳的傳動效率；

b）對螺旋傳動機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，避免過約束情況，減少額外阻力；

c）螺旋傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)部零部件銹蝕對傳動阻力有至關(guān)重要的影響。在沿海濕熱環(huán)境，特別是鹽霧環(huán)境下，對螺旋傳動機(jī)構(gòu)內(nèi)的零部件，應(yīng)采取有效的防腐措施；

d）同一載荷下，馬達(dá)的驅(qū)動壓差可以反映螺旋傳動機(jī)構(gòu)的內(nèi)部阻力變化，通過試驗(yàn)測試得到的馬達(dá)-減速器效率可為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐；

e）螺旋傳動機(jī)構(gòu)經(jīng)過多次升降測試，傳動阻力矩升高約16%，依然小于系統(tǒng)驅(qū)動能力，據(jù)此可預(yù)估支承臂和轉(zhuǎn)換裝置的服役使用壽命。

本文針對重載螺旋傳動機(jī)構(gòu)所設(shè)計的阻力特性分析及試驗(yàn)研究方法可為運(yùn)載型號活動發(fā)射平臺的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計、試驗(yàn)及維護(hù)提供方法性指導(dǎo)，同時為重型運(yùn)載火箭活動發(fā)射平臺的研制提供設(shè)計借鑒。