蝸輪蝸桿副在螺桿泵驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)比、利用其自鎖性進(jìn)行設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿剎車(chē)裝置與超越離合器的結(jié)合使用，成功用于螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置剎車(chē)系統(tǒng)中，可解決驅(qū)動(dòng)裝置棘輪棘爪剎車(chē)裝置經(jīng)常失效的問(wèn)題，提高螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置的安全性。

蝸輪蝸桿副；螺桿泵；剎車(chē)

一、存在的問(wèn)題

螺桿泵井在生產(chǎn)過(guò)程中，桿柱承受扭矩，使抽油桿產(chǎn)生彈性變形，儲(chǔ)存一定量的彈性勢(shì)能，停機(jī)后，彈性勢(shì)能釋放導(dǎo)致桿柱反轉(zhuǎn)；同時(shí)在油套壓差的作用下液柱會(huì)驅(qū)動(dòng)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(huì)使桿柱脫扣、光桿甩彎，還會(huì)使地面驅(qū)動(dòng)裝置零部件損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至危及操作人員的安全。

目前普通臥式螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置多采用棘輪棘爪式剎車(chē)裝置，這種剎車(chē)裝置把棘爪安裝在錐套盤(pán)上且能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，棘爪分布在棘輪四周，與棘輪外嚙合，通過(guò)彈簧來(lái)保證棘爪與棘輪的正常嚙合。棘輪棘爪式剎車(chē)裝置安全系數(shù)低且反轉(zhuǎn)力矩不能自動(dòng)釋放，需要人工手動(dòng)釋放，工作強(qiáng)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(jì)出一套剎車(chē)裝置，安裝于螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置主軸上，系統(tǒng)正常工作時(shí)，剎車(chē)裝置不工作，當(dāng)系統(tǒng)停機(jī)桿柱出現(xiàn)反轉(zhuǎn)時(shí)，剎車(chē)裝置開(kāi)始工作，進(jìn)行反轉(zhuǎn)制動(dòng)，釋放電機(jī)啟動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)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(shì)能及液位勢(shì)能釋放完畢。

三、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

蝸輪蝸桿剎車(chē)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(guò)螺栓固定在螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置減速箱體上，離合器內(nèi)環(huán)通過(guò)平鍵與驅(qū)動(dòng)裝置主軸聯(lián)接。

圖1 蝸輪蝸桿剎車(chē)裝置結(jié)構(gòu)圖

四、工作原理

1.剎車(chē)原理（圖2）

螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置主軸與超越離合器內(nèi)環(huán)通過(guò)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(shí)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(jī)，主軸反轉(zhuǎn)帶動(dòng)內(nèi)環(huán)反轉(zhuǎn)，離合器內(nèi)環(huán)相對(duì)于外環(huán)向左運(yùn)動(dòng)，離合器嚙合，內(nèi)環(huán)帶動(dòng)外環(huán)，此時(shí)由于蝸輪與蝸桿自鎖，系統(tǒng)鎖死。

圖2 剎車(chē)裝置剎車(chē)示意圖

2.反轉(zhuǎn)勢(shì)能釋放

螺桿泵驅(qū)動(dòng)裝置主電機(jī)停機(jī)，蝸輪蝸桿剎車(chē)裝置開(kāi)始工作，反向鎖死抽油機(jī)主動(dòng)軸。系統(tǒng)鎖死，反轉(zhuǎn)釋放電機(jī)工作，蝸桿帶動(dòng)蝸輪反轉(zhuǎn)，此時(shí)離合器內(nèi)環(huán)相對(duì)于外環(huán)是向右運(yùn)動(dòng)，離合器為分離狀態(tài)，如果主軸不存在反轉(zhuǎn)趨勢(shì)，內(nèi)環(huán)將不動(dòng)，但由于主軸存在反轉(zhuǎn)趨勢(shì)，內(nèi)環(huán)將反轉(zhuǎn)，但內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速不能超過(guò)外環(huán)旋轉(zhuǎn)速度（圖3）。

圖3 剎車(chē)裝置反轉(zhuǎn)釋放示意圖

3.輔助電機(jī)控制原理

通過(guò)外接電源提供輔助電動(dòng)機(jī)電力，進(jìn)線(xiàn)接主電機(jī)電磁斷電器常閉端，主電機(jī)啟動(dòng)時(shí)繼電器斷開(kāi)，無(wú)電力輸入。主電機(jī)停止，常閉端閉合，電流經(jīng)過(guò)時(shí)間繼電器延時(shí)30s啟動(dòng)，再經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)控制器啟動(dòng)電機(jī)。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(dòng)內(nèi)環(huán)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，則電機(jī)處于無(wú)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輔助電機(jī)停止，指示燈熄滅。工人維修時(shí)先確定指示燈熄滅，再用手輪檢測(cè)反轉(zhuǎn)力矩是否完全釋放完畢，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行維修作業(yè)。通過(guò)輔助電機(jī)釋放反轉(zhuǎn)，較大程度提高卸載過(guò)程安全性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度（圖4）。

圖4 電路控制簡(jiǎn)圖

五、蝸輪蝸桿自鎖性分析

以蝸輪為主動(dòng)件，并沿圖5所示方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(diǎn)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(xiàn)的旋向和蝸輪的轉(zhuǎn)向來(lái)決定的，該蝸桿為右旋蝸桿，當(dāng)主動(dòng)件蝸輪沿圖5所示方向回轉(zhuǎn)時(shí)，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(xiàn)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(mǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了線(xiàn)形圖（圖6）。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上也驗(yàn)證了施加在蝸桿上的扭矩T1與蝸輪的扭矩T2成線(xiàn)性比。

圖6 釋放扭矩與負(fù)載扭矩線(xiàn)形圖

八、結(jié)語(yǔ)

（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(dòng)桿柱正轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)，內(nèi)環(huán)帶動(dòng)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(chē)的目的。

（2）通過(guò)對(duì)輔助電機(jī)自動(dòng)控制，電機(jī)帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺桿泵反轉(zhuǎn)勢(shì)能的自動(dòng)釋放，提高卸載過(guò)程的安全性，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)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(xiàn)性比。

[1]機(jī)械設(shè)計(jì)(第七版)[M].高等教充出版社，2002.

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

（上接P64頁(yè)）

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(hào)電磁閥故障得以解決。

三、結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)：

[1] 金寶珍. 如何解決注塑機(jī)機(jī)頭溢料的問(wèn)題 [J]. 橡塑機(jī)械時(shí)代, 2012,6:45-46.

[2] 吳宏武,瞿金平,麻向軍. 注射成型機(jī)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(gè)釋放扭矩，使蝸輪處扭矩得以釋放。

式中：T1——蝸桿上的公稱(chēng)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(xiàn)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(jī)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

蝸輪在不同負(fù)載扭矩下，對(duì)蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)所需的釋放扭矩值進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，具體見(jiàn)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）