蝸輪蝸桿副在螺桿泵驅(qū)動裝置中的應(yīng)用

戴建輝

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163000）

·改造與更新·

蝸輪蝸桿副在螺桿泵驅(qū)動裝置中的應(yīng)用

戴建輝

（大慶油田力神泵業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163000）

基于蝸輪蝸桿的大傳動比、利用其自鎖性進行設(shè)計的蝸輪蝸桿剎車裝置與超越離合器的結(jié)合使用，成功用于螺桿泵驅(qū)動裝置剎車系統(tǒng)中，可解決驅(qū)動裝置棘輪棘爪剎車裝置經(jīng)常失效的問題，提高螺桿泵驅(qū)動裝置的安全性。

蝸輪蝸桿副；螺桿泵；剎車

一、存在的問題

螺桿泵井在生產(chǎn)過程中，桿柱承受扭矩，使抽油桿產(chǎn)生彈性變形，儲存一定量的彈性勢能，停機后，彈性勢能釋放導(dǎo)致桿柱反轉(zhuǎn)；同時在油套壓差的作用下液柱會驅(qū)動螺桿泵轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，使桿柱持續(xù)反轉(zhuǎn)。螺桿泵系統(tǒng)桿柱反轉(zhuǎn)不加以控制，高速反轉(zhuǎn)不僅會使桿柱脫扣、光桿甩彎，還會使地面驅(qū)動裝置零部件損壞，嚴(yán)重時甚至危及操作人員的安全。

目前普通臥式螺桿泵驅(qū)動裝置多采用棘輪棘爪式剎車裝置，這種剎車裝置把棘爪安裝在錐套盤上且能自由轉(zhuǎn)動，棘爪分布在棘輪四周，與棘輪外嚙合，通過彈簧來保證棘爪與棘輪的正常嚙合。棘輪棘爪式剎車裝置安全系數(shù)低且反轉(zhuǎn)力矩不能自動釋放，需要人工手動釋放，工作強度大，且存在較大安全隱患。

二、措施

利用蝸輪蝸桿的自鎖性，與超越離合器的結(jié)合使用，設(shè)計出一套剎車裝置，安裝于螺桿泵驅(qū)動裝置主軸上，系統(tǒng)正常工作時，剎車裝置不工作，當(dāng)系統(tǒng)停機桿柱出現(xiàn)反轉(zhuǎn)時，剎車裝置開始工作，進行反轉(zhuǎn)制動，釋放電機啟動，蝸桿帶動蝸輪緩慢旋轉(zhuǎn)，主軸及系統(tǒng)桿柱在蝸輪的約束下緩慢反轉(zhuǎn)，直至桿柱的彈性勢能及液位勢能釋放完畢。

三、結(jié)構(gòu)的設(shè)計

蝸輪蝸桿剎車裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1，主要由蝸輪蝸桿、超越離合器、齒輪箱體組成，其中離合器外環(huán)與蝸輪做成一體，齒輪箱體通過螺栓固定在螺桿泵驅(qū)動裝置減速箱體上，離合器內(nèi)環(huán)通過平鍵與驅(qū)動裝置主軸聯(lián)接。

圖1 蝸輪蝸桿剎車裝置結(jié)構(gòu)圖

四、工作原理

1.剎車原理（圖2）

螺桿泵驅(qū)動裝置主軸與超越離合器內(nèi)環(huán)通過平鍵連接，外環(huán)為蝸輪與蝸桿配合。螺桿泵系統(tǒng)正常工作時主軸正轉(zhuǎn)，超越離合器內(nèi)環(huán)與外環(huán)處于超越狀態(tài)，蝸輪蝸桿不工作。

當(dāng)系統(tǒng)停機，主軸反轉(zhuǎn)帶動內(nèi)環(huán)反轉(zhuǎn)，離合器內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)向左運動，離合器嚙合，內(nèi)環(huán)帶動外環(huán)，此時由于蝸輪與蝸桿自鎖，系統(tǒng)鎖死。

圖2 剎車裝置剎車示意圖

2.反轉(zhuǎn)勢能釋放

螺桿泵驅(qū)動裝置主電機停機，蝸輪蝸桿剎車裝置開始工作，反向鎖死抽油機主動軸。系統(tǒng)鎖死，反轉(zhuǎn)釋放電機工作，蝸桿帶動蝸輪反轉(zhuǎn)，此時離合器內(nèi)環(huán)相對于外環(huán)是向右運動，離合器為分離狀態(tài)，如果主軸不存在反轉(zhuǎn)趨勢，內(nèi)環(huán)將不動，但由于主軸存在反轉(zhuǎn)趨勢，內(nèi)環(huán)將反轉(zhuǎn)，但內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速不能超過外環(huán)旋轉(zhuǎn)速度（圖3）。

圖3 剎車裝置反轉(zhuǎn)釋放示意圖

3.輔助電機控制原理

通過外接電源提供輔助電動機電力，進線接主電機電磁斷電器常閉端，主電機啟動時繼電器斷開，無電力輸入。主電機停止，常閉端閉合，電流經(jīng)過時間繼電器延時30s啟動，再經(jīng)過電流檢測控制器啟動電機。當(dāng)速度控制器卸載完成后，蝸輪蝸桿齒輪箱外環(huán)不能帶動內(nèi)環(huán)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，則電機處于無負(fù)載狀態(tài)，工作電流小于電流控制器設(shè)定值，控制器常閉開關(guān)斷開，輔助電機停止，指示燈熄滅。工人維修時先確定指示燈熄滅，再用手輪檢測反轉(zhuǎn)力矩是否完全釋放完畢，確認(rèn)無誤后進行維修作業(yè)。通過輔助電機釋放反轉(zhuǎn)，較大程度提高卸載過程安全性，降低勞動強度（圖4）。

圖4 電路控制簡圖

五、蝸輪蝸桿自鎖性分析

以蝸輪為主動件，并沿圖5所示方向旋轉(zhuǎn)時，蝸輪蝸桿處于自鎖狀態(tài)下右旋蝸桿與蝸輪受力情況（圖5）：設(shè)Fn為集中作用于節(jié)點P處的法向載荷，它作用于法向截面Pabc內(nèi)，F(xiàn)n可分解為Fn＇與徑向力Fr，F(xiàn)n＇可分解成圓周力Ft和軸向力Fa。

軸向力的方向是由螺旋線的旋向和蝸輪的轉(zhuǎn)向來決定的，該蝸桿為右旋蝸桿，當(dāng)主動件蝸輪沿圖5所示方向回轉(zhuǎn)時，蝸桿齒的右側(cè)為工作面，蝸桿所受的軸向力Fa1必然指向左端，徑向力Fr1必然指向下方，由于蝸桿軸向與徑向都受約束，蝸桿只能沿軸線旋轉(zhuǎn)，只需要考慮圓周力的平衡。蝸桿所受的摩擦力f可分解為圓周方向分力ft和軸向分力fa。蝸桿在蝸輪反轉(zhuǎn)力矩T2作用下，處于靜止?fàn)顟B(tài)，必須滿足最大摩擦力周向分力：

圖5 蝸桿蝸輪受力分析

式中：γ——蝸桿螺旋升角。

根據(jù)表1的實驗數(shù)據(jù)，得出了線形圖（圖6）。

從實驗數(shù)據(jù)上也驗證了施加在蝸桿上的扭矩T1與蝸輪的扭矩T2成線性比。

圖6 釋放扭矩與負(fù)載扭矩線形圖

八、結(jié)語

（1）蝸輪蝸桿齒輪箱與超越離合器結(jié)合使用，使螺桿泵驅(qū)動桿柱正轉(zhuǎn)時超越離合器內(nèi)環(huán)與外環(huán)處于超越狀態(tài)，當(dāng)主軸反轉(zhuǎn)時，內(nèi)環(huán)帶動外環(huán)，而與外環(huán)加工成一體的蝸輪與蝸桿產(chǎn)生鎖死狀態(tài)，起到螺桿泵系統(tǒng)剎車的目的。

（2）通過對輔助電機自動控制，電機帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)螺桿泵反轉(zhuǎn)勢能的自動釋放，提高卸載過程的安全性，降低人工勞動強度。

（3）蝸輪蝸桿副具有自鎖性的條件是蝸桿螺旋升角要小于當(dāng)量摩擦角，蝸桿如果要帶動蝸輪旋轉(zhuǎn)，需要施加在蝸桿上的扭矩T1，扭矩與施加在蝸輪的扭矩成線性比。

[1]機械設(shè)計(第七版)[M].高等教充出版社，2002.

[2]徐平友.蝸輪蝸桿機構(gòu)的自鎖性[J].現(xiàn)代機械，2002（1）.

（上接P64頁）

其次檢查主閥口的密封圈，更換新的密封圈，故障未排除；然后檢查電磁閥的彈簧，更換新的彈簧，故障照舊；最后更換同型號電磁閥故障得以解決。

三、結(jié)語

注塑機射嘴溢料故障作為注塑生產(chǎn)中經(jīng)常遇見的故障引起的原因很多，結(jié)合射嘴溢料的故障樹，逐項進行排查直到故障被解決掉。對注塑機結(jié)構(gòu)和工作原理分析透徹尤為重要，任何問題只要清楚了問題產(chǎn)生的真因，就可以針對問題產(chǎn)生的真因去采取有效對策，必然能夠徹底解決問題。

參考文獻：

[1] 金寶珍. 如何解決注塑機機頭溢料的問題 [J]. 橡塑機械時代, 2012,6:45-46.

[2] 吳宏武,瞿金平,麻向軍. 注射成型機使用指南[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2004

（收稿日期：2016-01-05）

式中：μ——摩擦系數(shù)；

μ＇——當(dāng)量摩擦系數(shù)。

式中：Ψ——當(dāng)量摩擦角。

最后得出

即蝸桿螺旋升角要小于當(dāng)量摩擦角。

六、反轉(zhuǎn)釋放分析

蝸輪蝸桿處于自鎖狀態(tài)后，需要給蝸桿施加一個釋放扭矩，使蝸輪處扭矩得以釋放。

式中：T1——蝸桿上的公稱扭矩；

d1——蝸桿分度圓直徑。

蝸桿軸向力為蝸輪反轉(zhuǎn)扭矩產(chǎn)生：

最后得出

從結(jié)論上看，施加在蝸桿上的扭矩T1與蝸輪的扭矩T2成線性比，比例系數(shù)與當(dāng)量摩擦系數(shù)、螺旋升角，蝸桿與分度圓直徑有關(guān)。

七、樣機進行室內(nèi)實驗

蝸輪在不同負(fù)載扭矩下，對蝸桿帶動蝸輪轉(zhuǎn)動所需的釋放扭矩值進行了實驗測量，具體見表1。

表1 負(fù)載與釋放扭矩表 N·m

TE921+.1

B

1671-0711（2016）04-0055-03

2016-02-22）