雙導程蝸桿在自動消防水炮機械傳動中的應用

行志剛，原軍令，朱 燾，趙苗苗

XING Zhi-gang, YUAN Jun-ling, ZHU Tao, ZHAO Miao-miao

（河南理工大學 工程訓練中心，焦作 454003）

0 引言

自動消防水炮做為遠控消防水炮的升級換代產品，被廣泛地應用到展覽廳、體育館、倉庫等大空間建筑物內，在沒有人工干預的情況下能夠自動發現火災、判斷火源點位置、自動調整消防炮的回轉和俯仰角度，使其噴射口對準起火點，并展開滅火作業[1,2]。在智能水炮滅火作業過程中，炮體回轉和噴管俯仰角度的精準度是確保噴射口對準起火點有效滅火的關鍵[3]。目前，蝸桿傳動副的大傳動比和緊湊結構特性使其成為自動消防水炮機械傳動模式的首選。由于制造、裝配誤差以及傳動磨損，普通的蝸桿副存在難以控制的傳動側隙，在炮體回轉和俯仰角度變化過程中出現定位誤差，從而導致火源定位不準影響滅火效果。自動消防水炮做為自動跟蹤定位滅火系統的一種，文獻[3]的5.2和5.10分別規定炮體自動定位時間不得超過30s和從自動射流開始到撲滅1A滅火級別的時間不得超過3min。這兩條規定給自動消防水炮規定了最佳有效滅火時間區間，這也給做為滅火執行部件的炮體機械傳動部分提出了快速精準的定位性能要求。因此提高蝸桿傳動副傳動精度是自動消防水炮準確高效滅火的關鍵。文獻[4]中提出了用彈簧消隙法來消除或減小上述消防水炮的定位誤差。文章認為彈簧消隙法在原理上能夠有效地起到消除或者減小蝸桿傳動副嚙合側隙的作用，但是彈簧消隙法結構復雜制造成本高，彈簧失效后必須拆解炮體進行更換維修成本高，做為結構緊湊、機電高度集合和安裝于大空間場所的自動消防水炮，從實用性和可操作性上來說該方法是不可行的。為此，文章針對上述自動消防水炮機械傳動的不足，將具備消除傳動側隙功能的雙導程蝸桿傳動副應用到自動消防水炮機械傳動中，為確保自動消防水炮準確高效滅火提供了可靠手段。

1 雙導程蝸桿傳動副傳動原理

雙導程蝸桿與普通蝸桿的區別在于雙導程蝸桿的左、右齒面分別具有兩個不同的導程，由于兩個不同導程的存在帶來了蝸桿齒厚沿軸線方向等比例增大或者減小。雙導程蝸桿齒厚的等比例變化為消除或者調整蝸桿傳動副嚙合間隙提供了手段，即軸向移動蝸桿[5]。

雙導程蝸桿傳動副傳動原理與普通蝸桿傳動副傳動原理沒有本質的區別，沿蝸桿中心剖面看都可視為齒條齒輪傳動副[5]。如文獻[6]所述雖然蝸桿齒左、右兩側面具有不同的導程，但同一側齒面導程是相同的，即同一側齒面齒距（模數）是相同的，所以雙導程蝸桿傳動副沒有破壞嚙合條件，當軸向移動蝸桿時仍能夠確保良好的嚙合條件。

2 雙導程蝸桿在自動消防水炮上的應用

文章針對ZDMS0.8/30S型自動消防水炮進行雙導程蝸桿傳動副機械傳動機構設計計算。已知基本設計參數：蝸桿頭數z1=1，蝸桿齒頂圓直徑da1=28mm，蝸桿特性系數q=11.2，蝸輪齒數z1=53，公稱模數m=2.5。

2.1 雙導程蝸桿基本參數設計計算

雙導程蝸桿基本參數設計計算和加工方法已在現有文獻[6～8]中進行了詳細闡述并得到了實踐驗證，文章不在贅述。文章針對ZDMS0.8/30S型自動消防水炮雙導程蝸桿圖紙標注尺寸給予列舉，如表1所示。

表1 雙導程蝸桿基本參數

2.2 雙導程蝸桿傳動副在自動消防水炮上的結構設計

自動消防水炮安裝于高大空間建筑內距離地面8～15米的空間內，其使用工況突出特征就是安裝位置高、維修困難，尤其是在機械傳動故障維修難度更大，返廠率高。文章針對這一問題，以設備使用的持久性、可靠性和可維修性為出發點，將雙導程蝸桿傳動副的設計融入到整機結構中去。文獻[8]指出利用雙導程蝸桿變齒厚的特性沿著齒厚減薄方向移動蝸桿可以減小或者完全消除嚙合間隙。文章依據該結論將在自動消防水炮的雙導程蝸桿傳動副上設置了蝸桿軸向移動調整裝置（如圖1所示）：雙導程蝸桿通過兩幅球滾動軸承3的支撐與蝸輪1保持正確嚙合中心距；設置的調整螺母2在壓縮彈簧8、彈簧墊圈7、球推力軸承9和推力軸承套10的共同作用下使用雙導程蝸桿5沿著齒厚減薄方向軸向移動，直至實現雙導程蝸桿5和蝸桿1的無側隙嚙合。同時，由于推力軸承套10、步進減速電機12和機體4由螺釘緊密裝配為一個整體，蝸桿必須有軸向移動間隙才能實現軸向移動，文章根據梅花聯軸器11的結構特征，在裝配時使兩個金屬抓盤與梅花彈性體之間留有1mm的裝配間隙，以提供雙導程蝸桿軸向移動間隙。

圖1 雙導程蝸桿傳動副結構圖

3 結束語

文章作者將雙導程蝸桿傳動副應用到ZDMS0.8/30S型自動消防水炮機械傳動中，實現了蝸桿傳動副無側隙傳動，消除了炮體水平轉動和炮管俯仰角度的回程誤差[1]。通過樣機試制和滅火性能試驗可知：該項目的實施，使自動消防水炮在水平方向掃描定位的1次定位率在92%以上，噴管俯仰定位的1次定位率在95%以上；定位精度的提高給炮體噴水滅火節省了時間，為30s內定位3min內滅火提供保障[3]，工程應用效果顯著。為控制自動消防水炮定位精度從源頭上提供了一種重要方法。但相對普通蝸桿傳動副來說，雙導程蝸桿傳動副的加工制造工藝復雜，其互換性較差，研究和應用目前高速發展的數控加工技術是今后努力的方向。

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