往復(fù)絲杠的設(shè)計(jì)方法

秦亞軍 甘文斌

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所， 湖北 宜昌 443000)

往復(fù)絲杠的設(shè)計(jì)方法

秦亞軍 甘文斌

(宜昌測(cè)試技術(shù)研究所， 湖北 宜昌 443000)

本文首先介紹了往復(fù)絲杠的工作原理，分析了往復(fù)絲杠設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，隨后介紹了雙向絲杠的設(shè)計(jì)方法，其中引用了一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。隨后分析和研究了轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向滑塊的外形結(jié)構(gòu)。最后通過(guò)實(shí)例設(shè)計(jì)了一款雙向往復(fù)絲桿，并使用ansys對(duì)其工作中的受力狀況較差的一段行程進(jìn)行了仿真校核，結(jié)果證明該設(shè)計(jì)方法可以設(shè)計(jì)出滿足使用要求的往復(fù)絲杠。

往復(fù)絲杠 特殊螺紋傳動(dòng)

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(chē)，為了使其收放纜過(guò)程中纜繩能整齊排列在卷筒上，提高容纜量和增加纜繩使用壽命，在絞車(chē)上都需要設(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(chē)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，在水中無(wú)法使用。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。綜合以上兩種方式，相比為電機(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)期刊和論文數(shù)量很少，亦無(wú)有效的設(shè)計(jì)方法說(shuō)明，一般靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)于大多數(shù)初次涉及的人員很難掌握，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：螺旋槽與轉(zhuǎn)向滑塊的滑動(dòng)副配合，當(dāng)絲杠主動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)向滑塊移動(dòng)和換向。在此過(guò)程中由于纜對(duì)排纜器的作用，必然造成排纜器在光桿上滑動(dòng)時(shí)受到阻力，當(dāng)該力大于往復(fù)絲杠和轉(zhuǎn)向滑塊的傳動(dòng)能力時(shí)，螺旋槽或轉(zhuǎn)向滑塊的滑動(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)向滑塊的嚙合方式也有優(yōu)劣之分，所以研究滑動(dòng)副的結(jié)構(gòu)參數(shù)很有必要。

圖1 雙向往復(fù)絲杠工作示意圖

決定往復(fù)絲杠傳動(dòng)性能的主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括：螺紋槽大徑D、螺距P、槽寬b、槽深h和過(guò)渡圓弧半徑R，轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向滑塊的厚度t、寬度L和高度h。

2 強(qiáng)度影響因素

如圖3所示為轉(zhuǎn)向滑塊與螺紋槽嚙合的示意圖，由圖可以看出活銷(xiāo)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)向滑塊與螺紋槽尖端嚙合時(shí)由于壁厚較薄且與轉(zhuǎn)向滑塊的重合長(zhǎng)度短而受力狀態(tài)很差。綜上所述可分析得出影響往復(fù)絲杠傳動(dòng)能力的因素有以下幾點(diǎn)。

2.1 轉(zhuǎn)向滑塊尺寸的影響

轉(zhuǎn)向滑塊工作時(shí)主要承受橫向剪切力和表面擠壓。因此往復(fù)絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)首先根據(jù)驅(qū)動(dòng)排纜器運(yùn)動(dòng)時(shí)活銷(xiāo)所承受的最大阻力確定活銷(xiāo)尺寸大小。

圖3 活銷(xiāo)和螺紋的嚙合示意圖

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，則距離L會(huì)明顯減小，雖然此時(shí)尖角的角度變小，但是對(duì)比來(lái)說(shuō)尖角的厚度仍然是增加的，這有利于提高絲杠的強(qiáng)度和增加螺紋的連續(xù)性。

當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，變化螺紋的螺距，會(huì)引起螺紋尖部的距離L和尖部厚度的變化，其他參數(shù)一定時(shí)增加螺距，距離L和尖部厚度會(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，因此螺距不能太大。同樣螺紋升角也不易過(guò)小。一般選擇推薦的使用螺紋升角10至15度左右。

3 設(shè)計(jì)步驟

3.1 確定轉(zhuǎn)向滑塊基本尺寸l、h、t

轉(zhuǎn)向滑塊的材質(zhì)可選擇鑄造黃銅或鋁青銅，該類(lèi)材質(zhì)適合于低速滑動(dòng)的摩擦副，且耐腐蝕性較好。設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)材料的許用應(yīng)力確定轉(zhuǎn)向滑塊的長(zhǎng)度l和厚度t，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其長(zhǎng)度和厚度滿足式1關(guān)系時(shí)，絲杠和導(dǎo)向滑塊配合效果較好。此外因?yàn)榻z杠和轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向滑塊很難做到良好嚙合，因此引入了經(jīng)驗(yàn)修正參數(shù)λ。

(1)

比較轉(zhuǎn)向滑塊工作時(shí)剪切應(yīng)力及彎曲應(yīng)力計(jì)算公式：

(2)

(3)

可知由于項(xiàng)12·h一般情況下小于10，因此可忽略彎曲應(yīng)力，使用剪應(yīng)力校核，將式1帶入式由式2可計(jì)算得到t及l(fā)。

根據(jù)式3計(jì)算轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向滑塊表面實(shí)際壓強(qiáng)大小，該壓強(qiáng)應(yīng)小于該材料的許用壓強(qiáng)。

(4)

計(jì)算實(shí)際壓強(qiáng)得該轉(zhuǎn)向滑塊的平均接觸面高度h，然后向上取整數(shù)。

3.2 確定絲杠基本尺寸D、H、B、P

為保證轉(zhuǎn)向滑塊在螺紋槽端部實(shí)現(xiàn)順利轉(zhuǎn)動(dòng)換向，絲杠直徑不能過(guò)小，過(guò)小會(huì)引起其在端部轉(zhuǎn)換時(shí)卡滯現(xiàn)象。一般要求：

(5)

依此確定初始絲杠的直徑為D。

螺紋槽深H可根據(jù)轉(zhuǎn)向滑塊作用高度h確定，即H≥h。

根據(jù)推薦螺旋角，通過(guò)式：

(6)

計(jì)算得螺距為P,其中d為螺紋槽中徑，其計(jì)算式為d=D-H。

根據(jù)轉(zhuǎn)向滑塊厚度t確定螺紋槽寬度：

(7)

據(jù)此以上參數(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l≥1.5L，如圖4(a)所示。L過(guò)小則在轉(zhuǎn)向滑塊從滿螺紋位置進(jìn)入螺紋缺口時(shí)，如圖4(a)因絲杠尖部由于嚙合面過(guò)小應(yīng)力過(guò)大而損壞絲杠，甚至如圖4(c)，發(fā)生轉(zhuǎn)向滑塊轉(zhuǎn)向而卡死。如L不滿足該條件則增大絲杠直徑D直至滿足。

a

b

c

3.3 確定轉(zhuǎn)向滑塊的截面形狀

由于實(shí)際工作中，轉(zhuǎn)向滑塊與螺紋槽接觸摩擦，為了改善其受力狀況，因此轉(zhuǎn)向滑塊的形狀也十分重要。

由圖3、4可知轉(zhuǎn)向滑塊端部形狀至關(guān)重要。首先為完成導(dǎo)向，其寬度應(yīng)該略小于螺紋槽寬，其次由于受力是端部與螺紋槽作用力較大，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，轉(zhuǎn)向滑塊與螺紋槽無(wú)法做到面接觸，因此端部最好是與螺紋面為線接觸，據(jù)此分析其端部應(yīng)為一螺旋面，其具體形狀為四個(gè)螺旋面組成的接觸面，螺旋面的螺距等參數(shù)與螺紋槽一致，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向滑塊的相交成型的螺旋面

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(chē)，由于其使用方式限制，排纜器的阻力較大，經(jīng)受力分析最大約為1000N，為增加其防腐性，絲杠采用316L不銹鋼制造，屈服強(qiáng)度約175MPa，轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向滑塊采用鑄造黃銅制造，屈服強(qiáng)度約33MPa，此類(lèi)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10MPa。

首現(xiàn)根據(jù)式1和式2計(jì)算其轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向滑塊的度和寬度，計(jì)算得到b=30、t=5、h=5。根據(jù)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向滑塊的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)式4、5、6、7等計(jì)算得絲杠的尺寸為D=50，H=6，B=5.5，P=42。依次建立往復(fù)絲杠的三維模型。對(duì)絲杠受力狀況較差的一段行程分3個(gè)位置進(jìn)行仿真結(jié)果如下。由圖可知雙向絲杠的最大應(yīng)力是在轉(zhuǎn)向滑塊徹底脫開(kāi)上一段嚙合螺旋時(shí)產(chǎn)生，最大應(yīng)力為26MPa左右，小于材料的許用應(yīng)力，雙向絲杠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 導(dǎo)向滑塊運(yùn)動(dòng)受力較差階段示意圖

圖8 導(dǎo)向滑塊運(yùn)動(dòng)受力較差階段的絲杠應(yīng)力圖

5 總結(jié)

本文介紹了雙向絲杠在傳動(dòng)的特點(diǎn)，分析了其強(qiáng)度影響因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到了多個(gè)關(guān)鍵的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，從而明確了往復(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)。

[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).

[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,2007(5).

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The way to design the reciprocating screw

QinYajunGanWenbin

(Yichangtestingtechniqueinstitution,Hubei，Yichang443000)

This text first introduced the principle of reciprocating screw and analysed the difficulty of design it.Then it introduced the way to design of the screw and quoted some experience parameter.It analysed and research the shape of the direction change piece.At last,It designed a reciprocating screw basis on the engineering demand,and analysed the load ability of a segment of bad dint road, It certificated this design method is available.

Reciprocating screw Special screw drive

1006-8244(2017)02-045-04

TH122

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