螺旋升降機的選用

王宇， 王艷豐

（1.鄭州嘉盛科技有限公司，鄭州 450007；2.力姆泰克（北京）傳動設備有限公司，北京 100022）

1 引言

螺旋升降機又稱為絲桿升降機，內部結構為蝸輪蝸桿+絲杠螺母，采用電動驅動實現升降功能絲杠又分為梯形絲杠、滾珠絲杠、行星絲杠三種，常用推力范圍：2.5～120t，既可單臺使用也可多臺聯動，并且提升高度可按需定制。

不同的結構形式和裝配形式，使螺旋升降機具有安裝方便、使用靈活、結構緊湊、體積小、重量輕、動力源廣泛、無噪音、功能多、配套形式多、可靠性高、使用壽命長等許多優點，所以在輕工行業、光伏行業、冶金機械、機器人、汽車生產線、軍工行業等螺旋升降機應用比較廣泛。

在實際應用中，由于參考資料有限，許多技術人員對升降機的特性、選型、應用還了解甚少，給升降機的推廣使用造成很大的困難，鑒于此，綜合廠家樣本、網站等資料并結合實踐應用，本文重點對如何選好、用好螺旋升降機問題進行剖析。

2 設計和選型計算

2.1 計算總機的當量載荷Ws

總機的當量載荷即為理論最大承載量，在升降機使用過程中，應避免超載使用，否則易導致升降機毀壞、設備倒塌等，嚴重的會造成機毀人亡的后果，所以，計算總機的當量載荷時常乘以一定的安全系數，其計算公式為：Ws=最大載荷Wmax×使用系數fs，fs參考值見表1。

表1 使用系數fs參考值

2.2 計算單臺升降機的當量載荷W

總機的當量載荷計算完成后，載荷要均勻分解到單臺升降機上，計算時，升降機如果單獨使用，則當量載荷W=Wmax；多臺連動時，其單臺升降機的當量載荷W的計算公式為：W=Ws/使用臺數×連動系數fd；連動系數fd參考值見表2。

2.3 單臺升降機的負荷時間率（%ED）

單臺升降機的負荷時間率（%ED）以30分為單位計算，其中，梯形絲杠的負荷時間率不得超過20%ED，普通滾珠絲杠的負荷時間率不得超過30%ED

表2 連動系數fd參考值

2.4 輸入功率計算校核

式中：V-升降機絲杠軸（活動螺母）升降速度，mm/min。

L-絲杠螺距，mm；i-減速比；W-單臺升降機的當量載荷，N；η-升降機的綜合效率；T0-空載扭矩，N·m。

考慮到系統效率低下和長待工期，選擇電機力矩要高于計算值，如果計算負載所需輸入功率超過擬選用升降機容許最大輸入功率，則提高型號或降低絲杠軸轉速后再重新計算負載。

2.5 絲桿軸穩定性校驗

在壓力負載下過于纖細的絲桿會彎曲，因此絲桿在壓力負載下必須檢查極限軸向負載，因此當絲杠承受軸向壓縮載荷時，要對其進行穩定性校驗，如超過其臨界載荷值要提高型號后再計算。

式中：PCR-臨界載荷，N；d-絲桿底徑，mm；La-作用點間距離，mm；fm-支撐系數；SF-安全系數，一般 SF=4。

2.6 蝸桿軸伸的許用徑向力

蝸桿軸伸上，由于安裝齒輪、鏈輪或帶輪所產生的徑向力Fr，其最大許用力與起升力和型號有關。

為避免超出蝸桿的最大徑向負載Frmax，必須計算蝸桿的最小直徑Dmin。

式中：Dmin-蝸桿的最小直徑，m；Frmax-最大徑向力，N；n-蝸桿轉速，r/min；Mt-驅動扭矩，N·m。

2.7 其它校核項目

（1）當所選類型為活動螺母時，旋轉絲桿受到振動時，應該檢查絲桿轉速和極限轉速，并且絲桿的極限轉速nc要大于絲桿的理論轉速n2，結果見圖1。

式中：nc-絲桿的極限速度，1/min；n2-絲桿的理論速度，1/min；Lb-支撐間距離，mm。

（2）當有橫向載荷時，需校核允許側向力

側向負載 Fs作用在絲桿和運動螺母上，增加了絲桿壓力，絲桿摩擦增加升降機壽命變短，所以要根據歐拉公式計算允許的側向負載力，若超過允許值則要外加導向器。

（3）當升降機傳動配置為串聯時，即同一軸線配置了兩個或以上數量的升降機，需對各升降機輸出軸端進行強度校核。

（4）行程校核

選擇的行程在使用行程上留有余量，同時充分考慮輸出絲杠有無防塵伸縮罩、絲杠軸運動慣性、各種頂端輸出部件等。

3 選型注意事項

（1）選擇升降機時，不論靜載、動載、沖擊載荷均不得超過升降機允許承受的最大載荷，根據安全系數、使用行程、校對絲桿的穩定性選擇具有充分容量的升降機。

（2）絲桿轉速要與承受的載荷進行搭配，對于升降機的容許最大載荷、容許外加載荷、容許絲桿的旋轉速度進行校驗，如果超過產品的數據將會造成升降機設備整體的重大損傷。

（3）升降機在工作時，其減速部表面溫度應控制在-15℃～80℃的范圍之內，確保活動螺母的表面溫度也在上述范圍之內；在零攝氏度以下工作時，因受潤滑油粘性變化的影響使得整機效率下降，所以必須選擇充足的驅動源。

（4）輸入軸容許轉速為1500r/min，輸入軸不得超過此轉速；驅動源的啟動扭矩應確保在使用扭矩的200%以上；另外盡量避免選用扭矩限制器，因為目前扭矩限制器技術不夠穩定，功能性沒有保障，小扭矩尤其突出。

（5）對于在同一軸線上連接數臺升降機時，請務必對輸入強度進行校核，使每臺升降機的扭矩都在其容許輸入扭矩之內。

圖1 絲桿極限轉速和絲桿長度關系

（6）梯形絲杠升降機理論上具有自鎖功能，但工作在振動較大的場合會導致自鎖功能失靈，因此須外加一制動裝置或選擇帶有制動的驅動源；滾珠絲杠升降機本身不具有自鎖功能，為了防止由于軸向載荷和絲杠的自重而產生逆轉，必須加制動裝置或選擇帶有制動的驅動源，并確保制動扭矩大于保持扭矩。表3為兩種升降機比較。

表3 梯形絲杠升降機和滾珠絲杠升降機比較

（7）選擇制動電機時一般都要帶釋放功能，如果不帶釋放功能，在電機斷電后，制動系統會將電機軸抱死，在不拆電機的情況下，升降機將無法維修。

（8）輸出頂端及附加部件的確認

根據使用條件、灰塵的多少來選擇防塵伸縮罩；根據輸出頂端的聯接方式來選擇頂端輸出部件及其它（如計數器）。

（9）回程誤差一般控制在0.02mm以內。

4 升降機的安裝與維護

（1）布置：通常由偶數臺升降機組成（升降臺是圓面時為3臺），升降機的絲桿在外側、蝸桿在內側，電機或減速電機布置在升降臺內（布置在升降臺外時第一臺升降機的蝸桿受力大易斷裂），一般每臺升降機只可以帶動另一臺從動，多了則蝸桿受力大易斷裂。

（2）安裝：總的原則“橫平豎直”，傳動軸與電機、換向器、升降機的聯結平行不能吃勁，絲桿上下垂直，升降臺的運動方向與導軌平行、間隙合適。平行誤差和由其產生的壓力將會增加動力的消耗，并且會導致過熱和磨損。

（3）當升降機工作在多灰塵的場所中請務必選擇防塵罩伸縮套附件來保護絲桿，在室外使用時請務必考慮使用罩殼等裝置，使機器不直接受到風吹雨打，常見使用環境見表4。

（4）升降機的啟動、制動對電機都有沖擊，升降臺有顫動，最好選用軟啟動方式；試運行前要檢查功能和限位開關，初次測試提升系統不要加負載，無異常時再逐漸增加負載，檢查任何發熱點和齒輪箱的溫升。

（5）在有負載的情況下，不要將滾珠絲杠的輸入軸驅動方式變為手動操作，負載有可能會造成輸入軸旋轉非常危險；在升降機工作時，不得進行人為的強行停機，否則將使升降機受到嚴重破損。

（6）對梯形齒絲杠外徑進行磨削，達不到提高壽命的目的，因為磨絲杠外徑是為了加工長絲杠時保證絲杠中徑公差，與壽命無關；如果磨中徑齒面提高壽命，但價格將成倍增加。

表4 升降機的使用環境

（7）工作環境溫度對電機功率有較大影響（見圖2），電機實際最大輸入功率=額定最大輸入功率×溫度系數ft。

圖2 溫度系數ft隨溫度的變化曲線

（8）絲桿要定期清潔和潤滑，每500h或每18個月齒輪箱油脂必須更換，完成維護后，檢查絲桿螺母的磨損，測量絲桿和螺母之間的軸向活動量，如果超過了最大值，要全面檢查和修理，最好是送回廠家修復。如果軸向間隙磨損超過了絲桿導程的四分之一，必須更換螺母。

5 多臺升降機聯動的應用注意事項

（1）同步：多臺電機或減速電機驅動時，應相聯接以保證同步，聯接軸以萬向傳動軸較好，剛性傳動軸則用柔性聯軸器以調整安裝誤差；此外還有用伺服電機保證同步、PLC和變頻器保證同步等方案。

（2）速度：以小于10mm/s合適，速度大于10mm/s需加導向，否則升降臺運行時會振動；螺母運動升降機的絲桿頂端要有固定軸承座，否則絲桿會擺動。

（3）導向：導向機構應考慮X-Y方向的受力平衡，且多種選擇方式：桿在管中運動的直線滑軌形式；有像火車車輪在鐵軌滾動的形式；還有V型輪在角鋼滾動的形式等等。

（4）限位：升降機限位開關不能用來控制動作，它只是保護升降機不超行程，如要控制動作，則要自備限位開關直接裝在升降臺上。