□ 姜 培 □ 李 毅 □ 楊 陽 □ 烏海坤 □ 李劍敏

1.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院 杭州 3100192.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院 杭州 310018

1 蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)概述

蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械工程中常見的傳動機(jī)構(gòu),具有傳動速比大、運行平穩(wěn)、噪聲低等特點。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)與齒輪傳動相比,傳動嚙合方式不同,蝸輪齒的嚙合面滑動影響因素較多,發(fā)熱量較大,容易發(fā)生過熱導(dǎo)致的膠合故障。盡管在制造時采用青銅等材料以利于傳熱,但是在設(shè)計工況及運行維護(hù)不利時,仍然可能產(chǎn)生過熱膠合,引起故障。某蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的提升質(zhì)量較大,行程較長,導(dǎo)致蝸輪咬死,蝸桿失穩(wěn)彎曲,在更換蝸桿后再次發(fā)生失穩(wěn)彎曲現(xiàn)象。對此,蝸桿為何發(fā)生彎曲成為研究重點。

國內(nèi)諸多學(xué)者對蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。在傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)方面,陳慶為等[1]對蝸輪系統(tǒng)的軸承進(jìn)行了設(shè)計,并提出優(yōu)化方案。雷萍等[2]對蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,提出了一種L形支撐結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)方面,李梅等[3]針對蝸輪蝸桿系統(tǒng)嚙合力所引起的變載作用,建立系統(tǒng)的ADAMS多體動力學(xué)模型,得到嚙合面上的變幅嚙合力。苗玉剛等[4]進(jìn)行了蝸輪蝸桿系統(tǒng)的ADAMS多體動力學(xué)建模與運動學(xué)仿真。在結(jié)構(gòu)失效分析方面,張家興[5]對失效蝸輪蝸桿系統(tǒng)進(jìn)行分析,認(rèn)為輪齒制造、維護(hù)等原因造成的齒面磨損及斷齒是故障的主要原因,進(jìn)而提出運行維護(hù)中需要注意潤滑油脂問題。于善坤[6]針對某衛(wèi)生紙機(jī)卷取機(jī)構(gòu)中蝸輪提升機(jī)的失效進(jìn)行分析,基于失效蝸輪的磨損提出潤滑油脂缺少和黏性不足導(dǎo)致蝸輪磨損失效。劉磊等[7]對蝸輪蝸桿系統(tǒng)的相對速度進(jìn)行分析,認(rèn)為超速將導(dǎo)致系統(tǒng)過熱,同時提出蝸輪蝸桿上行提升時的限速裝置。徐進(jìn)[8]針對絲桿傳動的失效機(jī)理及可靠性進(jìn)行研究。上述失效分析的研究集中在蝸輪內(nèi)部,對蝸桿的彎曲變形沒有涉及。筆者從蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的受力、蝸輪失效、蝸桿失穩(wěn)等方面進(jìn)行研究,進(jìn)而確定失效的原因。

2 蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)配置與結(jié)構(gòu)

筆者研究的蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)采用三組SWL-25型蝸輪蝸桿,呈一字排列,安裝于三層平臺上。蝸桿底部與鋼梁轎廂連接,頂部安裝蝸輪箱帶動蝸桿。其中兩臺蝸輪箱中間設(shè)置驅(qū)動電機(jī),三臺蝸輪箱均采用軸傳動,以實現(xiàn)同步運轉(zhuǎn)。轎廂兩側(cè)設(shè)置升降導(dǎo)軌,導(dǎo)軌兩側(cè)安裝對向?qū)л?導(dǎo)輪與轎廂固定,以控制運行中轎廂的擺動。

蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)工作時,電機(jī)通過半軸、萬向節(jié)調(diào)節(jié)傳動方向,分別輸入功率至三臺蝸輪箱,并帶動蝸桿轉(zhuǎn)動。蝸桿連接在轎廂上,由蝸桿的轉(zhuǎn)動帶動轎廂上下移動,進(jìn)而實現(xiàn)發(fā)酵池上下輸送。

蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的功能是將一層的滿載發(fā)酵池提升至二層發(fā)酵倉,待發(fā)酵完成后,再將二層的滿載發(fā)酵池輸送至一層,每次運行均為單邊負(fù)載。轎廂提升狀態(tài)、下降狀態(tài)分別如圖1、圖2所示。

設(shè)備運行初期,使用效果良好,隨著時間的推移,三根蝸桿均發(fā)生不同程度的彎曲變形,其中蝸桿2變形最為嚴(yán)重。蝸桿2彎曲變形如圖3所示。

3 實物勘驗

經(jīng)實物勘驗,發(fā)現(xiàn)蝸輪箱內(nèi)潤滑油脂有起泡,顏色變深,油脂量減少,蝸輪齒有咬死痕跡。轎廂大梁未見變形,但轎廂相對升降導(dǎo)軌有整體偏斜。

4 材質(zhì)分析

對三根蝸桿分別取樣,進(jìn)行材質(zhì)分析。蝸桿2尾部取兩塊試樣,蝸桿1、蝸桿3尾部各取一塊試樣。蝸桿材質(zhì)元素含量見表1。

表1 蝸桿材質(zhì)元素含量

根據(jù)蝸桿材質(zhì)的分析結(jié)果,對照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》[9]第6.1.1條表1,三根蝸桿材質(zhì)均符合25號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的要求。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計要求[10],需傳遞力的軸類零件常規(guī)采用中碳調(diào)質(zhì)鋼,即45號鋼、40Cr鋼、40CrMnTi鋼等,較少采用25號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

5 蝸桿強(qiáng)度計算

蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的右側(cè)發(fā)酵池滿載上升時,左側(cè)空載。當(dāng)左側(cè)發(fā)酵池滿載下降時,右側(cè)空載。機(jī)構(gòu)運動時,滿載上升受力相對較大,因此,以發(fā)酵池滿載上升為分析工況。

蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)主要參數(shù)中,電機(jī)功率為18.5 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min,蝸輪傳動速比為24∶1;蝸桿外徑為89.82 mm,螺紋內(nèi)徑d為70 mm,蝸桿長h為5 550 mm,蝸桿之間距離為4 900 mm,發(fā)酵池寬為4 320 mm,發(fā)酵池深為2 320 mm。

三根蝸桿所受到的拉力分別為F1、F2、F3。轎廂自重Q2為29.4 kN,作用在轎廂中間位置,轎廂設(shè)計左右對稱。假設(shè)發(fā)酵池內(nèi)發(fā)酵物料堆積均勻,滿載發(fā)酵池重力Q3為186.2 kN,作用于轎廂右側(cè)發(fā)酵池中間。轎廂受力簡圖如圖4所示。

根據(jù)轎廂受力情況,有:

Q=Q2+Q3

(1)

QL=Q2g+3Q3g/2

(2)

式中:Q為提升機(jī)構(gòu)總載荷;L為總載荷的作用力臂。

根據(jù)材料力學(xué)理論[11],蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)為拉升靜不定系統(tǒng),可以建立平衡方程:

F1+F2+F3=Q2+Q3

(3)

F2g+2F3g=QL

(4)

(5)

式中:E為蝸桿彈性模量;A為蝸桿截面積。

通過計算得到F1為25.3 kN,F2為71.9 kN,F3為118.4 kN。

根據(jù)蝸桿3滿載時的受力情況,可以得到蝸桿的最大拉伸應(yīng)力δ為:

(6)

計算得到δ為30.8 MPa。

蝸桿采用的材料為25號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,根據(jù)文獻(xiàn)[9],熱處理后抗拉強(qiáng)度為450 MPa,屈服強(qiáng)度為275 MPa。對于蝸桿,考慮其對結(jié)構(gòu)提升的重要性,安全因數(shù)取2,即許用應(yīng)力可以達(dá)到137.5 MPa。因此,蝸桿在正常運行狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度符合要求。

6 蝸桿穩(wěn)定性分析

由上述計算結(jié)果可知,三根蝸桿均受拉,但在某些不利工況下需要考慮蝸桿受壓狀態(tài)的穩(wěn)定性問題,如蝸輪蝸桿膠合停止轉(zhuǎn)動,在慣性作用下蝸桿受到巨大壓力。細(xì)長桿由于受到壓力作用而失穩(wěn)彎曲是失效破壞的常見形式。筆者分析的蝸桿結(jié)構(gòu)為下部卡在框架軸承座內(nèi),上部與蝸輪曲面接觸獲得支撐,因此轉(zhuǎn)動方向約束較為薄弱。由此,蝸桿可以看作下部固定約束、上部簡支約束的桿件。對于細(xì)長桿件,由于穩(wěn)定性過小而引起失穩(wěn),可能導(dǎo)致桿件彎曲變形。穩(wěn)定性受桿件的柔度、材料性質(zhì)等影響。

筆者分析的蝸桿約束較為松泛。上端螺紋與蝸輪齒面嚙合,可以視為簡支。蝸桿的下部通過軸承座連接在轎廂上,軸承座與轎廂的連接較為牢固,視為固定約束。由此,約束因數(shù)μ取0.7,柔度λ為:

λ=μh/γ=4μh/d

(7)

式中:γ為慣性半徑。

計算得到λ為220。

25號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的特征柔度為92.6,小于λ。因此,蝸桿為大柔度桿,即蝸桿存在由于受壓失穩(wěn)而彎曲的可能。

蝸桿臨界應(yīng)力δer和臨界壓力Fer分別為:

δer=π2E/λ2

(8)

Fer=Aδer

(9)

計算得到δer為40.78 MPa,Fer為156.9 kN。由此可得蝸桿允許承受的壓應(yīng)力為40.78 MPa,最大壓力為156.9 kN。當(dāng)蝸桿受到的壓力大于156.9 kN時,蝸桿將失穩(wěn)而彎曲。

從靜力學(xué)角度分析,三根蝸桿均受拉伸作用,因此,正常情況下不存在受壓工況。但是,靜力學(xué)計算的前提是頂部的蝸輪蝸桿系統(tǒng)能夠正常運轉(zhuǎn),當(dāng)蝸輪潤滑不良時,由于摩擦產(chǎn)生高溫,將導(dǎo)致蝸輪蝸桿被卡死,蝸桿瞬間不能轉(zhuǎn)動,上端靜止,下端的轎廂在慣性作用下向上頂升,進(jìn)而使蝸桿受到較大壓應(yīng)力。按照類似電梯安全鉗動作取動載因數(shù)為3～5,蝸桿受到的最大壓力最小值為355.2 kN,遠(yuǎn)大于臨界壓力156.9 kN,蝸桿將失穩(wěn)而發(fā)生彎曲變形。

典型的一端固定、一端簡支桿件的失穩(wěn)彎曲如圖5所示[11],與現(xiàn)場勘驗到的蝸桿彎曲形狀極為相似,因此可以判定,蝸桿由于失穩(wěn)而發(fā)生彎曲變形。根據(jù)現(xiàn)有蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析,一旦頂端卡死,將會造成蝸桿失穩(wěn)。

7 傳動速比分析

根據(jù)SWL-25型蝸輪蝸桿產(chǎn)品說明書,可知其最大提升力為245 kN,則蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)一共可以提供735 kN提升力。計算得到蝸桿最大拉力為118 kN,確認(rèn)蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)能夠滿足輸送轎廂的要求。

SWL-25型蝸輪蝸桿要求的輸入功率為4.8 kW,則蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)需要的輸入功率為14.4 kW?，F(xiàn)場配置電機(jī)功率為18.5 kW,輸出轉(zhuǎn)速為1 470 r/min,電機(jī)功率滿足蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的輸入功率需求。按照產(chǎn)品說明書,SWL-25蝸輪蝸桿的標(biāo)配減速器傳動速比為32∶1。現(xiàn)場勘驗發(fā)現(xiàn)減速器傳動速比為24∶1,這一傳動速比的減速器標(biāo)配應(yīng)為SWL-20或SWL-15型蝸輪蝸桿。若SWL-25型蝸輪蝸桿要達(dá)到傳動速比32∶1,應(yīng)當(dāng)在傳動速比24∶1標(biāo)準(zhǔn)減速器后再接一個傳動速比1.5∶1變速箱,從而接近傳動速比32∶1。顯然現(xiàn)場未按照產(chǎn)品說明書進(jìn)行配置。

針對不同傳動速比,蝸輪的轉(zhuǎn)速及蝸桿的提升速度對傳動影響較大。當(dāng)轎廂和發(fā)酵池滿載時,分別對傳動速比32∶1和24∶1進(jìn)行比較分析。傳動速比為32∶1時,轉(zhuǎn)速為45.9 r/min。傳動速比為24∶1時,轉(zhuǎn)速為61.3 r/min。兩者對比,蝸輪轉(zhuǎn)速從45.9 r/min提高到61.3 r/min,轉(zhuǎn)速提高了33.6%。

對于蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu),嚙合處存在比較大的相對運動,因此摩擦損耗大,發(fā)熱量多[12]。嚙合傳動時,嚙合表面由于摩擦阻力作用而產(chǎn)生熱量,會導(dǎo)致高溫,使?jié)櫥椭ざ冉档?潤滑失效,進(jìn)而使蝸輪與蝸桿齒面磨損加劇,甚至發(fā)生膠合[13]。分析現(xiàn)場蝸輪箱中的潤滑油脂,量少,顏色深,有氣泡,由此確認(rèn)在傳動過程中存在傳動系統(tǒng)發(fā)熱導(dǎo)致潤滑油脂熔化、滴落。顏色深表明蝸輪蝸桿存在磨損嚴(yán)重,或者油脂未及時更換。潤滑油脂不僅起潤滑作用,可降低摩擦因數(shù),而且起散熱作用。潤滑油脂異常會使摩擦因數(shù)增大,進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)熱量增大,形成惡性循環(huán)。因此,蝸輪轉(zhuǎn)速提高會給蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的正常使用帶來不利影響。工程中需要在蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)中加入特定油脂進(jìn)行潤滑以避免膠合、卡死等現(xiàn)象發(fā)生。發(fā)熱膠合與摩擦因數(shù)及系統(tǒng)轉(zhuǎn)速成正相關(guān),因此在產(chǎn)品說明書中,明確蝸輪轉(zhuǎn)速不應(yīng)高于系統(tǒng)規(guī)定的轉(zhuǎn)速,以避免蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)在傳動中發(fā)生高溫膠合、卡死等現(xiàn)象。

綜合以上分析,結(jié)合蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)的實際情況,蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)存在膠合卡死的現(xiàn)象。

8 分析小結(jié)

8.1 蝸輪蝸桿傳動速比

筆者分析的蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu),原設(shè)計中標(biāo)配的傳動速比為32∶1,轉(zhuǎn)速為45.9 r/min。而在工程中,為了更快提升貨物,承包企業(yè)更改了配套傳動速比,安裝的傳動速比為24∶1,實際轉(zhuǎn)速為61.3 r/min。對于蝸輪蝸桿傳動而言,在重載、大行程下發(fā)熱量較大,轉(zhuǎn)速提高更加劇了熱量產(chǎn)生。因此,傳動速比配套不合理是造成蝸桿彎曲變形的主要原因。

8.2 潤滑油脂

一般對蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu),都注入特定油脂進(jìn)行潤滑,以改善和降低嚙合區(qū)溫度。在使用中,需要定期進(jìn)行維護(hù),添加或更換潤滑油脂。如果在使用中沒有及時、正確維護(hù)與保養(yǎng),沒有及時添加或更換潤滑油脂,或添加的油脂不符合要求,都可能導(dǎo)致膠合卡死。故障蝸輪的油脂顏色變深,有氣泡,且有工人反映該蝸輪在運行中有油脂熔化滴至地面,這些現(xiàn)象表明內(nèi)部有高溫產(chǎn)生,潤滑油脂量已經(jīng)減少,但工程使用中對以上現(xiàn)象未及時應(yīng)對,最終導(dǎo)致蝸輪膠合卡死,蝸桿失穩(wěn)彎曲。

8.3 蝸桿材質(zhì)

蝸桿采用25號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,強(qiáng)度、硬度較低,塑性和韌性較好。由于低碳鋼的特性,導(dǎo)致蝸桿容易產(chǎn)生摩擦損耗,更容易產(chǎn)生膠合現(xiàn)象。蝸桿材質(zhì)的選擇直接影響使用過程中蝸輪蝸桿的傳動和摩擦性能,根據(jù)機(jī)械設(shè)計要求,需傳遞力的軸類零件常規(guī)采用中碳調(diào)質(zhì)鋼,包括45號鋼、40Cr鋼、40CrMnTi鋼等,避免采用25號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

9 結(jié)束語

綜合分析,在蝸輪蝸桿提升機(jī)構(gòu)設(shè)計中,需要充分注意傳動速比的合理選擇,同時在運行中,蝸輪內(nèi)部需要及時添加或更換潤滑油脂,這樣才能保證安全。雖然25號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼滿足力學(xué)設(shè)計要求,但是選用更優(yōu)材質(zhì)鋼材,可降低蝸桿失穩(wěn)彎曲的風(fēng)險。