基于螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠傳動的懸索橋主纜纏絲機設(shè)計

呂偉偉

(中交二公局第二工程有限公司，陜西 西安 710119)

0 引 言

主纜纏絲施工是以一定的張力使鍍鋅軟鋼絲密匝牢固地纏繞在主纜上的作業(yè)，用以保護主纜鋼絲免受大氣、雨水侵蝕及防止意外碰撞，保證涂裝防護效果，延長大橋使用壽命。

CSJ560型主纜纏絲機由纏絲部分、前后移動機架、前后機架和齒條導(dǎo)向連結(jié)梁組成。帶活動門的大齒圈，自動跨越索夾機構(gòu)，動作可靠，越過索夾時平穩(wěn)、連續(xù)、無停頓，能保證密匝纏絲質(zhì)量；走行靠自身動力，不需另設(shè)卷揚設(shè)備拖拉?？煞謩e采用S型和圓形鋼絲對主纜進行纏絲作業(yè)。

圖1 纏絲機側(cè)視圖

圖2 纏絲機纏絲部分、前后機架、前后移動機架正視圖

1 計算條件

按照纏絲施工技術(shù)要求，纏絲張力應(yīng)最大不超過3 000 N；按照懸索橋的垂跨比1/8～1/10計算，主纜的最大斜度為不大于30°；適用于索夾寬度不大于800 mm的主纜進行纏絲，通常適應(yīng)范圍為Φ220～Φ560 mm直徑主纜；纏絲頭最大纏絲速度按30 r/min進行計算。

2 纏絲機驅(qū)動系統(tǒng)校核

纏繞設(shè)計最大直徑主纜時，需要的纏絲驅(qū)動力及力矩最大，此時按主纜直徑Φ560 mm進行計算。

(1)纏絲動力

纏繞力矩：T=2×Fw×Dc/2-其中Fw為最大纏絲張力，取3 000 N；Dc為主纜直徑，取0.56 m。求得T=1 680 Nm。

電機功率：P=T×n/9 550-其中T為纏繞力矩，n為設(shè)計齒輪轉(zhuǎn)速，取30 rpm。求得P=5.28 KW。考慮機械效率，取η=0.9，則P=5.28/0.9=5.87 KW。

(2)瞬間最大過載轉(zhuǎn)矩

電機的瞬間最大過載轉(zhuǎn)矩，并不是出現(xiàn)在纏絲回轉(zhuǎn)過程中，而是當安裝完第一個儲絲輪，向上旋轉(zhuǎn)至儲絲輪與回轉(zhuǎn)齒圈中心的連線水平位置時發(fā)生。儲絲輪(帶鋼絲)總重約為300 kg。

Ts=G×S

式中：G為儲絲輪重量+鋼絲最大纏繞重量之和，取3 000 N；S為儲絲輪中心制回轉(zhuǎn)中心之間距離，取732 mm。求得Ts=2 196 Nm

所需電機轉(zhuǎn)矩T=Ts×(17/166)×1/6×1/η

式中：17為主動齒輪齒數(shù)；166為被動齒輪齒數(shù)；1/6為減速電機的減速比；η為機械效率，取0.9。求得T=41.6 Nm。

(3)電機的選型

選取電機功率為7.5 KW，4級減速(n=1 750 rpm)，速比為1/6的帶潤滑帶制動室外型電機減速機(根據(jù)不同廠商電機減速機參數(shù)可適當調(diào)整)。電機需含回旋系統(tǒng)，啟動力矩達到200%以上，保證在1 min之內(nèi)超過額定負荷150%情況下沒有問題。

(4)驅(qū)動齒輪設(shè)計

模數(shù)：m=10，齒數(shù)：Z=17，齒寬：40 mm，齒輪節(jié)圓直徑：D=0.17 m

轉(zhuǎn)數(shù)：1 750/6=291.6 rpm

齒根受力F=Tg/(D/2)

式中：Tg取減速機輸出轉(zhuǎn)矩為221 Nm，D為齒輪節(jié)圓直徑，求得F=2 600 N

齒輪彎曲系數(shù)計算：

載荷系數(shù)：K=KAKVKβ

式中：KA為使用系數(shù)，取1.25；KV為動載系數(shù)，取1.25，Kβ為荷載分布系數(shù)，取1.1，求得K=1.72。

齒根彎曲疲勞強度

σf=K×F×Yfa×Ysa/(b×m)

式中：Yfa為齒形系數(shù)，取2.76;Ysa為應(yīng)力校正系數(shù)，取1.56。

求得σf=48.14 MPa<[σbb]=220 MPa。-[σbb]為45#鋼調(diào)質(zhì)處理狀態(tài)下的允許彎曲疲勞強度。

3 纏絲頭及移動支架行走系統(tǒng)

精密螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠是把單螺母滾珠絲杠與支撐軸承一體化的螺母旋轉(zhuǎn)式滾珠絲杠裝置。相對于齒條傳動，其具有小型化、容易建立精度、優(yōu)異的平衡性能、運動平滑、低噪音、高剛性、安裝簡便等優(yōu)點，使用于纏絲機設(shè)計能使行走更為平穩(wěn)。

(1)纏絲頭行走系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

纏絲機最大纏絲速度為30 r/min，鋼絲直徑為4 mm，按最高運轉(zhuǎn)速度時計算得回轉(zhuǎn)支架進給速度V=30 r/min×4 mm×2=240 mm/min。絲杠導(dǎo)程為10 mm，故螺母旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n=V/10 mm=24 r/min。

(2)纏繞系統(tǒng)移動阻力

纏繞系統(tǒng)重量G=G1+G2-其中G1位回轉(zhuǎn)齒圈及纏絲結(jié)構(gòu)重量，取15 320 N；G2為儲絲輪重量，取2×300 kg=6 000 N。求得G=21 320 N

傾斜阻力Fe=G×sinθ=11 979 N

摩擦阻力Fu=μ×G×cosθ=2 074.8 N

式中：μ為滾動摩擦系數(shù)，取0.1

移動阻力F移=Fe+Fu=14 053.8 N

(3)螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠計算

①絲杠校核

每條絲杠受力，則Fg=F移/4=3 513.45 N

齒輪選擇模數(shù)為10，直徑φ50 mm的滾壓滾珠絲杠，表面鍍鉻處理，該型螺母旋轉(zhuǎn)型絲杠動載荷為6.2 KN，靜載荷為181 KN，能夠滿足設(shè)備在最大角度工作時的載荷要求。

傳動所需力矩

M=Fg×P×1.8×10-4=6.32 Nm

②螺母旋轉(zhuǎn)型絲杠壽命驗算

最高轉(zhuǎn)速且在30°最不利狀態(tài)下進行螺母絲杠副驗算，此時載荷Fg=3 513.45 N

額定壽命(回轉(zhuǎn)次數(shù))

L=(C/Fg)3×106=5.5×109r

額定壽命(小時數(shù))

Lh=L/( Nm×60)=4.6×107h

③螺母轉(zhuǎn)動校核及電機減速機的選擇

螺母上套模數(shù)為5，齒數(shù)27的雙排鏈輪，齒輪之間傳動系數(shù)為0.9。

電機驅(qū)動力矩T=Tg/0.9=6.32/0.9=7.0 Nm

電機輸出轉(zhuǎn)速為1 339 r/min，齒圈最大轉(zhuǎn)速30 r/min時螺母轉(zhuǎn)速需為24 r/min。

所需減速比i=1 339/24=55.8，此時減速比較大，通過主從鏈輪齒數(shù)進行調(diào)節(jié)減速比。

設(shè)計電機減速機上鏈輪齒數(shù)為21，配合10A鏈條，節(jié)距P=15.875，驅(qū)動螺母旋轉(zhuǎn)軸承上所配鏈輪齒數(shù)為27，此時所需減速比

i=(1 339×21)/(24×27)=43.4

選用輸入功率為1.5 KW，輸出轉(zhuǎn)矩大于400 Nm，減速比為43的電機減速機。實際使用中,通過調(diào)頻對轉(zhuǎn)速進行控制,來達到準確的纏絲行走匹配。

4 結(jié) 語

螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠近些年來已廣泛應(yīng)用于航空航天、機床、工業(yè)機器人等高精度設(shè)備領(lǐng)域，其運動平穩(wěn)、精度高、剛度大的特性已逐步在機械設(shè)計領(lǐng)域被頻繁利用。該類絲杠運用于纏絲機設(shè)計后，將賦予纏絲機更高的可靠性及傳動平穩(wěn)性，并將更好的運用于懸索橋的主纜纏絲施工。

(1)相對于齒條傳動和普通絲杠導(dǎo)桿傳動，螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠結(jié)構(gòu)簡單，減少了減速器的數(shù)量，同時利用杠體自身剛度及耐磨性能，減少了普通傳動中摩擦副的損耗。

(2)螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠壽命更長，綜合其加工及使用成本，可使纏絲機整體結(jié)構(gòu)更為輕便，且成本更低。

(3)國內(nèi)電機減速機近年來發(fā)展迅速，已可適配于纏絲機各種工況，使用螺母旋轉(zhuǎn)型滾珠絲杠可大大減小對減速機扭矩的要求。