冷壓榨汁機(jī)中滾珠絲桿替代螺紋絲桿的設(shè)計(jì)方案

江濤

<摘要>所謂滾珠絲桿和螺紋絲桿其實(shí)都是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成為了直線運(yùn)動(dòng)，或者將直線運(yùn)動(dòng)慢慢的轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。本文主要介紹對(duì)比了滾珠絲桿和螺紋絲桿的特性，優(yōu)缺點(diǎn)，從而設(shè)計(jì)選擇滾珠絲桿在榨汁機(jī)上的實(shí)際使用。

一、關(guān)鍵詞：螺紋絲桿在榨汁機(jī)上的使用情況;滾珠絲桿特點(diǎn);設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，選擇滾珠絲桿; 滾珠絲桿在實(shí)際應(yīng)用的表現(xiàn)。

二、螺紋絲桿在冷壓榨汁機(jī)中的使用情況及存在的問題

冷壓榨汁機(jī)設(shè)計(jì)采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋絲桿，帶動(dòng)齒輪連桿，推動(dòng)擠壓面板實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的冷壓榨汁。因此在傳動(dòng)部件中，螺紋絲桿在整個(gè)傳動(dòng)過程中是最為關(guān)鍵的零件，是關(guān)鍵的核心傳動(dòng)零件。此前我們選用的螺紋絲桿，材材為： 38CrMoAl? 技術(shù)要求：熱處理硬度58-62HRC， 表面滲氮處理，螺牙為M2，但在實(shí)際使用中，該零件使用效果并不理想。原因如下：

1，磨損較大

螺紋絲桿材料38CrMoAl，因?yàn)樵趥鲃?dòng)過程中該材料一直是反復(fù)傳動(dòng)，使用頻率很高，在使用測(cè)試中發(fā)現(xiàn)磨損較大，導(dǎo)致機(jī)器行程精度降低，往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變過程震動(dòng)變大，配合間隙增加，水果壓榨不充分出汁率降低等一些列問題。后期的維護(hù)也不方便，只能更換螺紋絲杠，以至于產(chǎn)生很高的維修維護(hù)費(fèi)用。

2，傳動(dòng)產(chǎn)生噪音高

螺紋絲桿在傳動(dòng)過程中與螺紋套摩擦配合，會(huì)產(chǎn)生噪音較大，可達(dá)到75-77分貝，產(chǎn)品為家用小電器，我們目標(biāo)將噪音控制在70分貝以內(nèi)。

3，使用壽命短

因產(chǎn)品為小家電，要求使用壽命高，因此樣品完成后，需經(jīng)過壽命測(cè)試，由于螺紋絲桿要求熱處理硬度58-62HRC， 表面滲氮處理，目的是確保耐磨，但由于螺紋絲桿和螺紋套是配合摩擦件，實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)螺紋絲桿在傳動(dòng)達(dá)到20000次時(shí)，螺牙明顯變細(xì)，另外因?yàn)榻?jīng)過表面處理的螺牙硬度較高，最終導(dǎo)致多起螺牙崩裂情況。

4，高負(fù)載啟動(dòng)電流大

螺紋絲桿在使用過程中，采取的螺紋傳動(dòng)模式，在使用過程中，初始負(fù)載小啟動(dòng)電流低，壓榨后期負(fù)載逐漸增大，最終壓榨結(jié)束時(shí)負(fù)載最大，機(jī)器復(fù)位啟動(dòng)時(shí)螺紋絲杠與螺母間的靜摩檫力較大，啟動(dòng)電流相應(yīng)增加。啟動(dòng)時(shí)電流可達(dá)到1.0-1.2A。有時(shí)出現(xiàn)卡死的情況，導(dǎo)致電流突增，檢測(cè)裝置報(bào)錯(cuò)，甚至直接導(dǎo)致零件斷裂破損。

三、設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，選擇滾珠絲桿

由于螺紋絲桿在產(chǎn)品的測(cè)試使用中，并不理想，經(jīng)過多方對(duì)比，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，我們考慮使用滾珠絲桿作為螺紋絲桿替代品。滾珠絲桿它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲桿 的進(jìn)一步延伸發(fā)展，滾珠絲桿副因優(yōu)良的摩擦特性 使其廣泛的運(yùn)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器。尤其是近年來，滾珠絲桿副作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)中運(yùn)用廣泛，并且滾珠絲桿的市場(chǎng)上的規(guī)格較多，可以在不用更換其他零件的同時(shí)，完全替代螺紋絲桿。

1、滾珠絲桿的特性及優(yōu)點(diǎn)

滾珠絲桿副是由絲桿、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)， 滾珠絲杠副具有傳動(dòng)效率高，磨損小，運(yùn)動(dòng)平衡、無爬行現(xiàn)象、轉(zhuǎn)動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.高精度

滾珠絲桿副選用的是世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對(duì)溫度·濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。

2. 與滑動(dòng)絲杠副相比它的驅(qū)動(dòng)力矩是1/3

由于滾珠絲杠副的絲桿軸與絲母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率.與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下，即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲桿副的1/3.在節(jié)省動(dòng)能方面很有幫助。

3、微進(jìn)給可能

滾珠絲桿副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng)，所以啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。

4、無側(cè)隙、剛性高

滾珠絲桿副可以加預(yù)壓，由于預(yù)壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值，進(jìn)而得到較高的剛性（滾珠絲桿內(nèi)通過給滾珠加予壓力，在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí)，由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng)）。

5、高速進(jìn)給可能

滾珠絲桿由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以同樣可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給（運(yùn)動(dòng)）。（1）

四、滾珠絲桿的設(shè)計(jì)

1，選取滾珠絲杠

已知行程實(shí)際行程114mm，時(shí)間50s。

螺紋底徑直接選用與螺紋絲杠相同公稱直徑以配合原零件D=25mm

查表選用SCI02504-4型滾珠絲杠，導(dǎo)程4mm，珠經(jīng)2.381mm，動(dòng)額定負(fù)荷1180kgf（機(jī)器在運(yùn)行中負(fù)載很小，直接以靜額定負(fù)荷作為唯一選型標(biāo)準(zhǔn)），靜額定負(fù)荷3795kgf大于機(jī)器實(shí)際需要推力3000kg。

圖示為滾珠絲杠

考慮到絲桿后期需要長(zhǎng)期往復(fù)使用，還需要進(jìn)行溫度分析。

（2）溫度因素分析

滾珠絲杠在一般的運(yùn)行中會(huì)有2～5度的溫度上升，預(yù)估上升量為2度，則螺紋絲杠的伸長(zhǎng)量為

為修正螺桿溫度升高導(dǎo)致的偏差，需給滾珠絲杠加上預(yù)拉力

e：彈性模量

A：螺紋底徑截面積

已知螺紋底徑代入得：

故加上1735N得預(yù)拉力即可修正螺桿溫度提升導(dǎo)致的偏差。（2）

由于過大預(yù)拉力會(huì)燒壞支撐軸承，在取值上采用溫度變化值小于5℃的預(yù)拉值。根據(jù)絲桿生產(chǎn)商提供的絲軒溫升一一工作時(shí)間曲線中，發(fā)現(xiàn)在滾珠絲桿升高5℃后，溫度趨于平穩(wěn)。

（3）精度保證

為了確保滾珠絲桿使用時(shí)的精度，熱膨脹引起的定位精度降低不僅是由滾珠運(yùn)動(dòng)的摩擦熱造成的，而且也是由諸如液壓流體、電動(dòng)機(jī)、齒輪箱之類因素的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)熱所造成的。如果在導(dǎo)軌或床身上產(chǎn)生了變形，即使能夠防止?jié)L珠絲桿的溫升，也不可能獲得高的精度。 在分析精度的時(shí)候，來自所有這樣的熱源的熱都必須加以考慮。在計(jì)算由滾珠絲桿本身產(chǎn)生的熱量時(shí)，高的工作負(fù)載是一個(gè)最大的潛在原因。通常工作負(fù)載大約是滾珠絲桿頂緊力的 3倍。更大的負(fù)載必須通過增大所用的滾珠絲桿裝置的尺寸或通過更大的潤(rùn)滑劑冷卻能力來補(bǔ)償。補(bǔ)償熱膨脹的一種方法是對(duì)滾珠絲桿施加一種預(yù)緊力。這是通過把絲桿軸加工成負(fù)公差尺寸來實(shí)現(xiàn)的。用這種方法使螺矩稍微縮短，在裝配時(shí)使?jié)L珠螺母受到壓縮。在工作溫度下絲桿膨脹裝置就正常工作。

五、滾珠絲桿在實(shí)際應(yīng)用的表現(xiàn)

滾珠絲桿在冷壓榨汁機(jī)上實(shí)際應(yīng)用中，往往除了絲桿本身，還需要考慮絲桿在設(shè)備上的匹配程度，大小，安裝注意事項(xiàng)，與電機(jī)的配合等，使用過程中，長(zhǎng)時(shí)間使用的溫度影響，以及預(yù)熱變形等情況，需要確保這些因素在可控制范圍內(nèi)，才能確保產(chǎn)品本身不受影響。經(jīng)過新設(shè)計(jì)的滾珠絲桿，在冷壓榨汁機(jī)上實(shí)際使用，完全解決螺紋絲桿使用中的問題。

1，摩擦損失小、傳動(dòng)效率高

滾珠絲桿傳動(dòng)，內(nèi)置滾珠，滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，8000次負(fù)載運(yùn)行沒有明顯磨損，運(yùn)行精度也基本沒有改變。

2，傳動(dòng)產(chǎn)生噪音小

滾珠絲桿傳動(dòng)，摩擦阻力小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，效率高，產(chǎn)生噪音也小，經(jīng)測(cè)試滾珠絲杠較螺紋絲杠平均運(yùn)行聲音減小6-8分貝，噪音在67-69分貝左右。

3，使用壽命長(zhǎng)

滾珠絲桿，采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度達(dá)60～62HRC，表面粗糙度小，而且是滾動(dòng)摩擦。在多臺(tái)產(chǎn)品上進(jìn)行壽命測(cè)試，進(jìn)行疲勞測(cè)試20000次，無異常變化，運(yùn)行平穩(wěn)，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，能夠保證后續(xù)持正常使用，使用壽命長(zhǎng)。

4，負(fù)載啟動(dòng)電流平穩(wěn)

相比螺紋絲杠在運(yùn)行中電流浮動(dòng)較大，啟動(dòng)電流跟負(fù)載啟動(dòng)電流過大，且有可能導(dǎo)致零件損壞，螺紋絲杠就完美解決了這些問題。螺紋絲杠運(yùn)行中電流平穩(wěn)，負(fù)載啟動(dòng)無滑移現(xiàn)象，負(fù)載啟動(dòng)電流在0.6A左右，機(jī)器其他零件負(fù)荷小，能有效消除意外卡死現(xiàn)象。即減小了功耗又大大減少維修維護(hù)的費(fèi)用。

結(jié)束語：根據(jù)對(duì)比螺紋絲桿的特點(diǎn)，經(jīng)過分析使用中存在的問題，最終設(shè)計(jì)選用滾珠絲桿完美的解決了使用中存在的問題，提升產(chǎn)品的整體性能，減少了后期產(chǎn)品的維修和售后問題，并能給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

（1） 西凱昂， .滾珠絲桿的應(yīng)用和特點(diǎn)

（2）王可，劉士閣，王淑芳.機(jī)床滾珠絲杠傳動(dòng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)口].饑械工程師，2 006 （3）：63-64.