螺桿變幅傳動故障分析及改進

摘要：螺桿變幅傳動中，由于螺桿螺母傳動比大，因此螺桿機構與齒條機構相比尺寸相對緊湊，傳動平穩無噪聲，但是由于螺母傳動效率低，故而需要專門的強制潤滑設備，并且對密封要求較高。文章對螺絲桿變幅傳動故障進行了分析和改進。

關鍵詞：螺桿變幅；傳動故障；搖架；潤滑設備；螺桿機構 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH21 文章編號：1009-2374（2017）02-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.013

1 螺桿變幅傳動原理分析

螺桿傳動運動幅中，采用螺母驅動螺桿，推動臂架實現變幅，螺母連同其傳動裝置和電動機都布置在能繞水平軸線擺動的搖架上，搖架的支承軸線須與螺桿中心線相交，同時為了補償間隙、變形與安裝公差，搖架的支承還必須保證螺桿可繞垂直軸線略微偏擺，因此搖架支承處實際上是一個十字鉸結構。

為了減少變幅啟動和制動的沖擊，并消除振動，此外，變幅機構承受的載荷其符號常是改變的，這些載荷是由物體擺動、變幅時物品產生加速度、起重機旋轉離心力、風力作用、物品及自重未平衡引起的，為了適應載荷的變化特性，常在機構與臂架之間的連接構件上裝設彈簧或橡膠的緩沖與減震裝置。

由于螺桿螺母傳動比大，因此螺桿機構尺寸相當緊湊，傳動平穩無噪聲。但對螺桿傳動要特別注意密封和潤滑，目前都采用伸縮式密封套管來防護螺桿。螺桿螺母的傳動效率低，現今通常使用雙螺旋線式螺桿代替單螺旋線式螺桿，則傳動效率可以在一定程度上得到提高，通常傳動效率達到60%左右。

2 使用過程中存在的主要問題

以往潤滑泵內油封采用老式聚氨酯O型圈密封，使用壽命短，并且潤滑泵整體安置于機房之中，潤滑油一旦泄漏便將電纜等電器元件浸泡其中，帶來嚴重的安全隱患。

目前強制潤滑的工藝如下：液壓油泵吸取油池內的液壓潤滑油，將其注射到螺母與螺桿的運動副當中去，從而帶走產生的額外熱量并使之潤滑。之后潤滑油在自身的重力以及液壓油泵的助推力之下重新返回油池內進行下一次潤滑工藝循環。為了保證進油路有足夠的壓強和回油路能夠流暢的回流，進油管和回油管的直徑分別為23mm和84mm，同時采用雙回油管回流。

由于機房與變幅傳動機構的距離相對較遠，潤滑管路長度長達5.3m，并且潤滑油主要依靠重力進行回流，如此長的管路使其沿程壓力損失較大。潤滑油流速較慢，尤其當氣溫降低時潤滑油黏稠度增大，流動性減弱，致使機構無法正常散熱。同時螺桿機構的當量摩擦角大于螺紋升角，傳動效率約為60%，如果不能及時散熱，螺桿表面極易發生點蝕膠合的現象，螺桿失效，機構損壞。

綜上所述，原變幅強制潤滑工藝主要缺點如下：（1）老式聚氨酯油封使用壽命短；（2）潤滑泵安置于機房當中，潤滑油一旦泄漏會浸泡電纜，帶來安全隱患；（3）潤滑泵與變幅傳動系統距離遠，潤滑油沿程損失壓力較大，潤滑散熱效果差；（4）沒有恒溫調控裝置，溫度下降時潤滑油黏稠度增加，不易流動。

3 確定改進方案

將強制潤滑設備由機房內部整體移動到變幅平臺上面，確保泄漏的潤滑油不會直接與電纜電器相接觸。同時提高潤滑油的流動性，增強其潤滑效率。并且增加其密封性能，延長其密封件的使用壽命，避免潤滑油泄漏影響車容車貌。并且設置自動調溫裝置，當溫度過低時其自動加熱，降低潤滑油的黏度，確保其潤滑效率。具體實施步驟如下：（1）將老式O型圈聚氨酯單層油封升級改造為新型的聚四氟乙烯雙唇式油封，避免灰塵進入油封內部，降低油封磨損，增大油封的使用壽命；（2）將原潤滑設備整體吊裝于變幅平臺上部，使其擁有較大的維修空間，同時縮短了回油距離，減少了潤滑油的沿程壓力損失，從而提高潤滑油的回流速度，增加其潤滑效率；（3）設置自動調溫裝置，當溫度過低時其自動加熱，降低潤滑油的黏度，確保其潤滑效率。

4 對上述技術改進進行理論論證

4.1 對老式油封進行升級改造

使用新型聚四氟乙烯雙主唇式油封代替原來老式聚氨酯O型圈油封。

新式油封具備以下優點：（1）在油封內轂部分包覆一層波浪狀橡膠，能適應旋轉軸比較大的偏心度和軸較大范圍的尺寸偏差，有較佳的軸向及徑向緩沖性能，有良好的密封性能，同時也有非常長的使用壽命；（2）由于密封是在油封唇部與內轂之間實現的，故對軸的不圓度、表面粗糙度要求不高，對軸表面的輕微損傷也不敏感，提高了油封的可靠性；（3）在內轂上包覆一層橡膠，能使油封穩固地安裝在軸上，如在安裝前在橡膠表面涂點潤滑脂，則安裝就會變得更容易；（4）在油腔與外界之間設計了一個迷宮式通道，且在通道中布置了兩道防塵唇，使主唇與灰塵及水保持一段距離，延長了油封的使用壽命。

4.2 縮短潤滑管路，提高潤滑效率

將油泵等潤滑設備整體吊裝于變幅平臺上部，從而使管路長度由原來的5.3m縮短為現在的1.7m。如果按照20℃時潤滑油的密度900kg/m3計算，沿程壓力損失將減少60%以上，有效地促進了潤滑油的流動性。

4.3 設置安裝溫控裝置，降低潤滑油的黏稠度

由于將潤滑泵整體從機房內移至室外，同時考慮到潤滑油的黏稠度隨溫度的降低而增高，當冬季氣溫下降時，油泵啟動時油溫較低，由于潤滑油的黏度較高，油泵吸油阻力大，吸入量減少甚至吸不上油來，極易導致“燒軸”的事故。

針對此種情況可以在曲軸箱側面加工一個螺紋孔采用電加熱棒對潤滑油進行預熱，可以利用油池內的溫度傳感器來控制加熱溫度。

現今潤滑油的質量為25kg，油溫從-15℃加熱至20℃。則所需熱量：

Q=mcp△t

=25×1.87（20+15）

=1636kJ

式中：m為質量，kg；cp為定壓比熱容，1.87c/kJ·kg-1k-1；△t為溫升，℃。

如果采用2kW、220V的加熱棒對其進行預熱由公式P=UI可得：

I=P/U=2000/220=9.09A

加熱棒電阻為：

R=U/I=220/9.09=24.2Ω

如將潤滑油從-15℃加熱至20℃時所需的時間：

Q=I2Rt

t=Q/I2R

=1636/9.092×24.2

=818S

即大約14分鐘，如果考慮到油箱散熱的因素，大約在20分鐘左右。

在本地冬季溫度最低時，門機供電后僅需要20分鐘左右的時間就能夠使潤滑油的溫度達到作業要求。

5 改造后的技術性能

（1）油封使用壽命提高5倍以上，避免了潤滑油頻繁泄漏的現象；（2）避免了潤滑油和電纜等電氣元件發生接觸而帶來的安全隱患；（3）有效縮短了管路距離，減少了潤滑油的沿程壓力損失；（4）自動溫控器能夠在溫度較低時自動加熱，當溫度達到20℃左右時停止加熱，保證潤滑油的適宜潤滑溫度。

6 改造后的總體性能指標

（1）變幅螺母及螺桿的使用壽命提高7倍以上；（2）全年共減少拆修頻率以及保養維護等工時共1000小時；（3）改造后門機運行更加平穩。

7 經濟效益分析

（1）目前已完成M37的螺桿變幅機構強制潤滑工藝改進，油封改造、設備吊裝、溫控器購置及安裝各項費用共計約為1.2萬元；（2）在改造完成以后，油封的使用壽命提高了3～4倍，變幅螺桿的故障率降低到原來的30%以下，極大地降低了變幅機構的拆修頻率。全年節約各項材料費以及人工費用共23萬元以上；（3）螺桿變幅機構強制潤滑工藝革新改造成本低，使用壽命長，提高了潤滑效率，滿足了生產的需要。

8 應用效果分析

根據生產實際需要，創造性地完善了螺桿式變幅門機的強制潤滑工藝：升級改造了老式的聚氨酯油封，增加了潤滑泵的密封性能，提高其使用壽命，最大限度地避免了潤滑油的泄漏。在通過分析螺桿式變幅門機的傳動原理以及傳動優缺點的基礎上，對其進行了革新改造，避免了潤滑油的泄漏帶來的安全隱患，同時極大地提高了其潤滑效率。降低了機構的故障率，減少了整體的拆修頻率，減輕了工人的勞動強度，并且投入成本低、操作簡單、溫控精確，非常適合于螺桿式門機變幅機構的需要。該項目改造成功，為我港提高生產效率、降低生產成本起到積極的作用。

參考文獻

[1] 殷成鳳.門座起重機人字架有限元分析[J].建設機械技術與管理，2001，（11）.

[2] 呂呈斌，滕彬.80噸平頭吊變幅機構計算[J].黑龍江科技信息，2015，（11）.

[3] 曹文鋼，陳應航，曾金越.隨車吊變幅機構動力學仿真與優化[J].機械研究與應用，2014，（2）.

[4] 程賢福，薛龍，李文杰.基于物理規劃的變幅機構水平位移補償系統的多目標優化設計[J].起重運輸機械，2009，（5）.

[5] 呂呈斌，滕彬.80噸平頭吊變幅機構計算[J].黑龍江科技信息，2015，（11）.

[6] 高順德，陳子昂，滕儒民，王鑫.高空作業平臺折疊臂變幅機構分析及優化[J].中國工程機械學報，2012，（1）.

[7] 康輝梅，許怡赦，金耀.一種新型旋挖鉆機變幅機構的動力學特性研究[J].機械設計，2014，（11）.

作者簡介：姜涵文（1988-），男，山東煙臺人，煙臺港股份有限公司聯合港埠分公司固機隊助理工程師，研究方向：港口起重設備管理與維護。

（責任編輯：黃銀芳）