一種新型滑動螺旋升降式自鎖緊定尺機的應用

楊平 李永峰 楊佃平

摘 要：為了提高后整理區(qū)域的收集效率，實現(xiàn)在定尺材中的通尺材自動分離，研發(fā)出了一款操作維護方便的“滑動螺旋自鎖緊定尺機”。

關(guān)鍵詞：滑動螺旋;螺旋自鎖;定尺機

1、新型棒線滑動螺旋升降式自鎖緊定尺機的應用背景

萊鋼棒材廠小型車間是一條熱軋帶肋鋼筋和礦用樹脂錨桿鋼筋為主要產(chǎn)品的棒材生產(chǎn)線，由于上游坯料的離散誤差，經(jīng)冷剪剪切后的成品定尺材中往往會摻雜著部分通尺，要依靠人工來挑揀通尺并包裝物流，造成人力資源的浪費和現(xiàn)場的安全隱患。由于軋線定尺率為98%左右，生產(chǎn)過程中難免產(chǎn)生2%左右的通尺軋廢，且通尺材的噸鋼價格將比定尺材低300元左右，按車間年產(chǎn)30萬噸計算將產(chǎn)生0.6萬噸左右的通尺軋廢，這些廢品低價出售，且需要專業(yè)人員在線人工挑揀，對車間產(chǎn)生極大的人力物力資源的浪費。

為滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的實際需求，車間根據(jù)滑動螺旋結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、傳動精度高、軸向載荷大及具備自鎖緊功能的特點，研發(fā)出了一款結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便的“滑動螺旋自鎖緊定尺機”。

2、結(jié)構(gòu)簡介

滑動螺旋自鎖緊定尺機采用2.1KW電機做動力源，由i=48.57減速機拖動滑動螺旋機構(gòu)螺桿旋轉(zhuǎn)，來驅(qū)動進給工作臺做往復軸向直線進給運動;定尺擋板安裝在進給工作臺上，由氣缸帶動來配合剪切機的定尺剪切動作。

進給工作臺采用了滑動螺旋傳動機構(gòu)，將動力源的徑向回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向往復直線運動，推動進給工作臺的軸向位移，以調(diào)換不同規(guī)格的擋板定尺。

3、系統(tǒng)設計

采用滑動螺旋傳動方案設計結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)且噪音小、旋合精度高、傳動比大，螺旋每旋轉(zhuǎn)一周螺母只前進一個導程，因此電機采用較小的功率扭矩，便可以使執(zhí)行機構(gòu)得到很大的軸向推力，特別是當螺旋副設計的螺旋線螺紋升角小于當量摩擦角時，容易實現(xiàn)機構(gòu)的“自鎖緊”，尤其適用于定尺機這種既要求機構(gòu)精準定位，又承受大軸向水平?jīng)_擊載荷的工況。

考慮滑動螺旋副傳動的效率，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的實際工況，在螺旋副牙型設計上我們采用了30度牙型角的梯形螺紋。這種螺紋可承受雙軸向載荷，牙底強度高，螺紋對中型好，不易晃動，磨損后間隙可以得到適當補償，特別是其牙型設計基本已經(jīng)標準化，具備良好的機械加工工藝性能，容易保證螺旋副的加工制造精度。

4、滑動螺旋機構(gòu)參數(shù)選擇及校核

4.1最大沖擊載荷計算

車間加工最大品種的鋼材為Φ22左旋錨桿鋼，冷床倍尺45m，下卸鋼一次性最多可卸24根倍尺材，因此下卸鋼輸送輥道所輸送的鋼材最大質(zhì)量為：3.14×（11×10-3）2×45×7.8×103×24=3200Kg。

下卸鋼輸送輥道輥身直徑Φ250，所配B型皮帶輪節(jié)圓直徑Φ210，輥道電機轉(zhuǎn)速550rpm，電機所配皮帶輪節(jié)圓直徑Φ126，輥道機構(gòu)傳動速比為210÷126=1.66，輥道轉(zhuǎn)速為550÷1.66=330rpm，因此下卸鋼輥道輥身線速度（即倍尺材在輸送輥道中線速度）為3.14×330×250÷（60×1000）=4.3m/s

定尺機在工作狀態(tài)下，活動擋板在重力的作用下向下回落，與輸送輥道接觸，隔斷床面倍尺材的輸出通道，質(zhì)量為3200Kg的鋼材以4.3m/s的初速度撞擊輸送輥道上的活動擋板，配合冷剪進行定尺剪切。撞擊作用的時間很短，鋼材在0.01秒時間內(nèi)速度由4.3m/s降為0，由動量定理可知，作用在定尺機上的沖擊載荷為

4.2螺桿的抗壓穩(wěn)定性校核

長徑比大的受壓螺桿在承受大軸向力時容易失穩(wěn)，應根據(jù)材料力學的穩(wěn)定性公式校核，

（Fc 為螺桿的臨界載荷，F(xiàn)為作用于螺桿上的軸向載荷，經(jīng)動量定理計算，此處最大軸向載荷為1376000N，[S] 為螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)）。

傳動絲杠采用滑動軸承兩端固定的結(jié)構(gòu)形式，由機械標準查得受壓螺桿的長度系數(shù)為μ=0.5 ，螺桿危險斷面慣性半徑為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?mm，

受壓螺桿的計算長度取進給工作臺螺母處于最短極限定尺位置時螺母寬度中心線到螺桿最大行程位置的距離? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?由以上參數(shù)可知受壓螺桿的柔度為

對淬火鋼，λ<85 時螺桿的臨界載荷為：

實際螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?，符合螺

桿穩(wěn)定性要求，該螺旋機構(gòu)具備可靠的抗壓穩(wěn)定性能。

4.3螺旋副自鎖能力校核

滑動螺旋定尺機在工作狀態(tài)下要承受1376KN的軸向沖擊載荷，防止活動擋板在沖擊載荷作用下滑移而影響定尺精度，要對螺旋副的自鎖性進行校核。有自鎖能力要求的滑動螺旋副必須滿足螺旋線螺紋升角小于等于當量摩擦角，在實際設計過程中，為確保螺旋自鎖的可靠性，取Ψ≤ρ-1° 。

定尺機螺旋副設計使用的是梯形螺紋，Tr160x16，外螺紋大徑d=160mm，中徑d2=152mm，小徑d1=142mm，螺距p=16mm，導程s=pn=16x1=16mm（采用單頭螺旋線設計），牙型角α=30°，淬火鋼螺桿與青銅螺母配合的摩擦系數(shù)取f=0.08。由以上設計數(shù)據(jù)可知：

螺旋線的螺紋升角為

螺旋線的當量摩擦角為

因為1.92°≤4.73°-1°=3.73° ，螺旋線的螺紋升角小于當量摩擦角，所以該螺旋機構(gòu)具備可靠的自鎖性能。

5、零件設計及制造

5.1主傳動絲杠

進給工作臺的主傳動絲杠做為傳力螺桿，是一種細長的桿狀零件，其長徑比較大，承受大沖擊載荷，極易出現(xiàn)受壓失穩(wěn)、撓曲變形的問題。考慮到螺桿的抗壓失穩(wěn)性，螺桿的總長設計為不超過螺紋副公稱直徑的20-50倍。根據(jù)現(xiàn)場所需調(diào)整定尺長度，主傳動絲杠Tr160的螺紋長度設計為5390mm，5390/160=33.6<50，符合機械設計要求GB5796.3-86。材質(zhì)選用屈服強度和抗拉強度較高的優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrMnTi并采用滲碳淬火處理的熱處理工藝，（硬度值HRC45-50）。

5.2 滑動螺旋螺母

由于滑動螺旋副存在較大的摩擦轉(zhuǎn)矩，螺紋副易出現(xiàn)過快磨損，因此對螺母材質(zhì)的力學性能及機加工工藝性能有一定的要求。為了抗膠合磨損，螺母不能與傳動絲杠選用相同的材質(zhì)（傳動絲杠選用優(yōu)質(zhì)低碳合金鋼20CrMnTi）螺母材質(zhì)必須摩擦系數(shù)低，減磨性和耐磨性好，同時具備一定的抗壓強度和疲勞強度。此定尺機的螺母采用鋁青銅ZCuAl10Fe3材質(zhì)。這種材質(zhì)摩擦系數(shù)低、減磨性好、耐磨性高而且具有足夠的抗壓疲勞強度。由于其具備低硬度、小彈性模量的特點。因此其磨合性、順應性較好，對零配件的安裝同軸度誤差及加工幾何形狀誤差不太敏感，尤其適宜于低速重載及偏載的使用工況。但在承受重沖擊變載荷時存在黏著傾向，因此對其配合的軸頸表面硬度、光潔度、機械加工精度要求較高，傳動絲杠（20CrMnTi）必須進行滲碳淬火處理（HRC45-50），螺母采用鋁青銅ZCuAl10Fe3。

6、結(jié)論語

冷床后部整理區(qū)域通過上述定尺機的研發(fā)，已投入上線使用半年左右，極大的改善了現(xiàn)場收集工作效率及產(chǎn)品質(zhì)量，原后整理平臺區(qū)域需要3人同時作業(yè)，1人點數(shù)，2人挑揀通尺材，通過上述方案的實施可將降低人員的勞動量，提高工作效率，將挑揀短尺的人員壓減為1人，同時改善了成品材的打捆包裝質(zhì)量，減少質(zhì)量異議的發(fā)生。由于通尺材可通過該定尺機直接輸入到通定尺分離平臺，省去了中間人為的手工挑揀環(huán)節(jié)，加快了后整理區(qū)域的收集節(jié)奏，收集效率比原來提高20%左右。