升船機(jī)安全機(jī)構(gòu)螺桿螺母自鎖性能試驗(yàn)研究

王寶超，劉紅旗，南光熙，石獻(xiàn)金，楊 超

（機(jī)械科學(xué)研究總院 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

0 引言

自鎖現(xiàn)象在機(jī)械工程中具有十分重要的意義。一方面，當(dāng)設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，為使機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，要避免在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生自鎖；另一方面，有些工程機(jī)械的動(dòng)作又需要具有自鎖的特性[1]。螺旋傳動(dòng)副是一種常用的自鎖機(jī)構(gòu)。例如，螺旋傳動(dòng)副自鎖裝置在礦井提升中的應(yīng)用[2]。在升船機(jī)安全機(jī)構(gòu)中，采用由螺桿螺母組成的螺旋傳動(dòng)副的自鎖裝置，用以升船機(jī)的安全保障。當(dāng)出現(xiàn)意外事故和過(guò)載時(shí)，液氣彈簧動(dòng)作，螺桿螺母牙齒接觸并自鎖，從而將船廂鎖定在螺母柱和塔柱上。

安全有效確保螺桿螺母的自鎖條件對(duì)保證升船機(jī)構(gòu)的安全性將非常重要。螺旋傳動(dòng)的自鎖失效與機(jī)構(gòu)摩擦角[3]有直接的關(guān)系，而摩擦角由表面摩擦系數(shù)決定。摩擦系數(shù)的確定是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，特別是在工程應(yīng)用中，它和多方面的因素有關(guān)：材料、表面粗糙度、表面潤(rùn)滑情況等。為了有效評(píng)估設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的螺桿螺母自鎖裝置，需要借助試驗(yàn)研究的方式對(duì)其自鎖特性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為了有效評(píng)估所設(shè)計(jì)的螺桿螺母自鎖裝置，考慮系統(tǒng)的安全可靠性，選擇合適的摩擦系數(shù)，保證螺桿螺母的自鎖可靠性，是設(shè)計(jì)單位重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。理論上，螺桿螺母螺旋副的自鎖條件是tanλ≤fv（λ—螺紋副的螺旋升角和fv—螺旋副的摩擦系數(shù)）。

設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)的螺旋副參數(shù)為：取f=0.1 作為自鎖設(shè)計(jì)條件，螺桿螺母的螺旋升角為5.64°，并要求加大螺桿螺母表面粗糙度（粗糙度Rz100），以保證摩擦系數(shù)不小于0.12。設(shè)計(jì)的自鎖條件在理論上是正確的，滿(mǎn)足自鎖的條件。但是，據(jù)材料手冊(cè)中所查，鋼—鋼的干摩擦系數(shù)f 一般為0.1～0.17，有潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)會(huì)有所降低，為0.05～0.1[4]。在工程實(shí)踐中，安全機(jī)構(gòu)的螺母柱出現(xiàn)水、冰、油、潤(rùn)滑脂等污染是不可避免的，材料表面的摩擦系數(shù)肯定會(huì)有所下降，機(jī)構(gòu)的自鎖性能需要通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)方案的制定

為了簡(jiǎn)化試驗(yàn)裝置，節(jié)約試驗(yàn)成本。整個(gè)試驗(yàn)可分為兩部分：一是利用摩擦學(xué)原理，進(jìn)行螺桿螺母材料的摩擦系數(shù)試驗(yàn)；二是利用相似原理，進(jìn)行螺桿螺母的自鎖性能和自鎖深度試驗(yàn)。

為了驗(yàn)證升船機(jī)螺桿螺母材料的摩擦系數(shù)，分別選用與螺桿螺母相同的材料進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定；為了驗(yàn)證升船機(jī)螺桿螺母設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性和自鎖的可靠性，根據(jù)相似性原理，選用與螺桿螺母相同的材質(zhì)，制造1:10的實(shí)物模型，在不同的表面粗糙度、潤(rùn)滑介質(zhì)、載荷工況下，進(jìn)行螺桿螺母的自鎖性能試驗(yàn)。

2.1 材料的摩擦系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)原理

根據(jù)摩擦學(xué)原理，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)裝置：兩個(gè)摩擦板中間包夾一個(gè)摩擦塊。在摩擦板上施加正壓力并通過(guò)保持架保持摩擦板不動(dòng)，通過(guò)一根絲杠推動(dòng)摩擦塊在摩擦板之間滑動(dòng)，使其產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦板和摩擦塊的接觸面上產(chǎn)生摩擦阻力。試驗(yàn)中，在絲杠和摩擦塊之間設(shè)置一個(gè)力傳感器，通過(guò)力傳感器記錄摩擦阻力值，并最終通過(guò)計(jì)算摩擦阻力與正壓力的比值求取摩擦系數(shù),其結(jié)構(gòu)原理和實(shí)物圖見(jiàn)圖1。

圖1 螺桿螺母材料摩擦系數(shù)試驗(yàn)原理圖和實(shí)物圖Fig.1 Screw nut material friction coefficient test principle and test device

為了測(cè)量螺桿螺母材料的摩擦系數(shù)，摩擦試件選擇與螺桿螺母相同的材質(zhì)進(jìn)行制作。

2.2 實(shí)物模型自鎖性能試驗(yàn)原理

理論上，驗(yàn)證升船機(jī)螺桿螺母的自鎖性，最直接的辦法是按照各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，制造出實(shí)物模型，然后模擬實(shí)際的工況條件進(jìn)行試驗(yàn)。然而，如此制作的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，不但外形尺寸巨大，費(fèi)用昂貴，而且加載的試驗(yàn)裝置也要求龐大（最大載荷3075 噸，至少需要一臺(tái)3500 噸的壓力機(jī)加載），試驗(yàn)成本昂貴。因此，根據(jù)相似原理，制作與三峽升船機(jī)螺桿螺母相似的1∶10 實(shí)物模型。

模型的螺旋升角、牙型角、牙高系數(shù)等參數(shù)與升船機(jī)螺桿螺母設(shè)計(jì)參數(shù)相同，線(xiàn)性參數(shù)按照相似性原理等比例縮放。試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)如表1所示。牙面加工方法采用車(chē)削，牙面粗糙度模擬升船機(jī)螺桿螺母的粗糙度，按不同的粗糙度制造，分別進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證在不同的工況條件下，模型的自鎖性和自鎖深度，同時(shí)根據(jù)自鎖深度估算螺桿螺母之間的摩擦系數(shù)。

為了避免試驗(yàn)過(guò)程中直接加載螺桿螺母會(huì)在加載壓頭處產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)阻力矩，采用 “雙螺母—左右旋復(fù)合螺桿”的方案。如圖2（a）所示，整個(gè)裝置沿軸向垂直放置，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加軸向載荷。采用多套不同升角的螺桿螺母，在不同的工況條件下多次進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)升角間隔 1°，若試驗(yàn)條件下某個(gè) λ=λ0 自鎖，而λ0+1°不自鎖， 說(shuō)明自鎖臨界條件約為 λ0+0.5°，λ0-1°應(yīng)具有較好的自鎖可靠性。本次試驗(yàn)采用螺旋升角分別為5.64°和6.64°的試驗(yàn)裝置。

表1 螺桿螺母原型和模型的參數(shù)對(duì)比表Tab. 1 Screw nut original parameters and model parameters

圖2 螺桿螺母模型自鎖試驗(yàn)原理圖和試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.2 Screw nut model self-locking test principle and test device

3 數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 材料摩擦系數(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證

圖3為不同粗糙度在不同工況時(shí)的摩擦系數(shù)對(duì)比圖表。

圖3 不同粗糙度不同工況摩擦系數(shù)Fig.3 Friction coefficient under different roughness and working conditions

3.2 自鎖性能相似模型驗(yàn)證

圖4為不同工況下的自鎖深度曲線(xiàn)圖。

圖4 不同工況下的自鎖深度曲線(xiàn)Fig.4 Self-locking depth curve under different working conditions

4 結(jié)論

通過(guò)上述的螺桿螺母材料摩擦試驗(yàn)和螺桿螺母1∶10 等比例模型自鎖試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

（1）表面潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)自鎖性能的影響：螺桿螺母之間的介質(zhì)對(duì)摩擦系數(shù)影響較大。干摩擦?xí)r摩擦系數(shù)達(dá)到0.115～0.125， 有1.6°～2.1°以上的自鎖深度， 能夠可靠地實(shí)現(xiàn)自鎖。當(dāng)存在水、油時(shí)，摩擦系數(shù)減低到0.106～0.12， 仍有0.8°～1.6°的自鎖深度， 也可以較可靠地自鎖。在有潤(rùn)滑脂時(shí)，摩擦系數(shù)減低到0.102～0.113，只有0.55°～1.2°的自鎖深度， 自鎖可靠性不高。

（2）設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)自鎖性能的影響：隨著螺旋升角的增加，自鎖性能也隨之降低；隨著螺桿螺母表面粗糙度的增加，自鎖性能也隨之增加。螺旋升角為6.64°，表面粗糙度為Ra6.3的螺桿螺母機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)自鎖，但是自鎖深度不高；螺旋升角為5.64°，表面粗糙度為Ra3.2的螺桿螺母機(jī)構(gòu)，自鎖深度次之；而螺旋升角為5.64°，表面粗糙度為Ra6.3的螺桿螺母機(jī)構(gòu)具有較大的自鎖深度。

（3）軸向載荷對(duì)自鎖性能的影響：同等試驗(yàn)工況條件下，自鎖深度與軸向載荷基本無(wú)關(guān)，所以只要螺旋升角、表面粗糙度等主要參數(shù)與潤(rùn)滑介質(zhì)確定后，其在特定工況下的自鎖性能也隨之確定。

（4）自鎖性能可靠性評(píng)估：當(dāng)螺桿螺母表面出現(xiàn)水、油、潤(rùn)滑脂等潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)，會(huì)降低自鎖的安全可靠系數(shù)，但在與試驗(yàn)相同的工況條件下，仍然可以保證自鎖條件；當(dāng)螺桿螺母表面出現(xiàn)冰時(shí)，自鎖條件不一定能保證，升船機(jī)存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該停止運(yùn)行，清除冰塊?？梢酝茢啵凑章菪?.64°，表面粗糙度Rz100（≈Ra25），設(shè)計(jì)的升船機(jī)螺桿螺母自鎖裝置，在與試驗(yàn)相同的工況條件下，滿(mǎn)足自鎖性能要求。

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]付艷，宋利芬.螺旋傳動(dòng)的自鎖與傳動(dòng)效率在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2013，4.

[3]左愛(ài)武.螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自鎖失效分析[J].武鋼技術(shù)，2009，4.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.