塞拉門機構中絲杠磨損分析

段東梅 黃兵 張毅迪

摘 要：絲杠的磨損過程與潤滑狀態(tài)、受力、材料等多種方面有關，文章以塞拉門機構中絲杠螺母副為例，定量的研究絲杠的磨損量。首先分析確定絲杠的磨損類型為磨粒磨損，通過simulation仿真確定絲杠最大允許磨損深度為設計尺寸Δ。基于Archard磨損模型對絲杠的磨損建立磨損模型，同時建立絲杠受力模型，通過計算得出保證絲杠在允許磨損范圍Δ內(nèi)絲杠表面硬度至少應為401.85HV。最終通過壽命試驗，將試驗現(xiàn)象與驗證理論計算進行擬合，對后續(xù)塞拉門機構絲杠選材及表面處理提供了一定參考價值。

關鍵詞：絲杠;磨損;Archard模型;硬度

中圖分類號：TH132.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）04-129-04

Wear analysis of the Lead screw of the Sliding Plug door Mechanism

Duan Dongmei， Huang Bing， Zhang Yidi

（?Ningbo CRRC times Electrical Equipment Co.， Ltd.，?Zhejiang Ningbo 315200?）

Abstract：?The wear process of the lead screw is related to the lubrication state， stress， material and other aspects. This paper takes the lead screw nut pair in the lead screw of the sliding gate mechanism as an example to quantitatively study the wear amount of the lead screw. Firstly， the wear type of the lead screw is determined to be abrasive wear， and the maximum allowable wear depth of the lead screw is determined to be the design dimensionΔby simulation. Based on the arcard wear model， the wear model of the lead screw is established， and the stress model of the lead screw is established. Through calculation， the surface hardness of the lead screw in the allowable wear rangeΔis at least 401.85HV. Finally， through the life test， the test phenomenon is fitted with the verification theoretical calculation， which provides a certain reference value for the selection of screw material and surface treatment of the subsequent sliding gate mechanism.

Keywords：?Lead screw; Wear; Archard model; Hardness

CLC NO.： TH132.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）04-129-04

引言

塞拉門機構中通過絲杠螺母副實現(xiàn)運動的轉化與傳遞，絲杠螺母將電機旋轉運動轉化成直線運動，并通過螺母的直線運動完成雙門扇的運動，所以絲杠螺母運行的平穩(wěn)性關系到塞拉門系統(tǒng)是否能正常開關。

實際中，在完成一定次數(shù)的塞拉門系統(tǒng)開關后，由于沖擊、振動等各種原因絲杠表面往往出現(xiàn)劃痕、凹坑甚至表面涂層剝落漏出金屬母材等各種磨損狀態(tài)，磨損量越多，絲杠螺母的配合間隙越大，最終導致兩門扇運動不同步，塞拉門系統(tǒng)運行噪聲增大，甚至出現(xiàn)開關門卡頓等問題。絲杠表面的失效與絲杠的材料、受力、磨損類型、表面處理、允許磨損深度等各方面有關。塞拉門機構中絲杠的磨損是一門復雜學科，一直以來，對磨損研究都處于定性的研究，張巖^[1]對車輛機械的磨損形式進行了分類總結并提出了三種控制磨損的方法，對零件的磨損提出預防性措施，增加延長了機械零件的壽命;趙義鵬^[2]等基于視覺聽覺信息對磨損位置及磨損量進行了檢測計算;李聰波^[3]等以機床為例，基于修正的Archard模型形成一種磨損深度的計算，并通過試驗驗證證明在一定條件下，磨損次數(shù)與磨損深度的關系。桂長林^[4]等建立了Archard的磨損設計計算模型及其應用方法，并通過試驗確定了磨粒磨損的磨損系數(shù)，該文也得出Archard磨損模型只適用于一定的條件，即正壓力與材料硬度符合;劉曉敘^[5]介紹了計算機械磨損磨損壽命的常用方法，并對不同方法進行了比較;蔡振兵^[6]等以硬質(zhì)涂層為研究對象，總結了其耐沖擊、沖蝕性的研究現(xiàn)狀與進展，朱華^[7]等分析了多種非線性理論研究，確定了分形、混沌、小波理論對摩擦學理論研究的作用。以上研究都只是基于物理模型的定性說明，對于不同應用場合不同磨損狀態(tài)的研究及對磨損的定量研究較少，對于磨損的定量研究，胡波^[8]建立了漸開線齒輪計算模型，對齒輪的磨損進行了定量計算;吳保群等^[9]軋機壓裝置重載絲杠螺母副的摩擦學特性與載荷之間的關系進行了研;魏國慶^[10]對金屬的磨損失效形式及改善措施進行了分類總結。

本文以塞拉門機構絲杠螺母副為研究對象，在絲杠母材、表面處理方式一定的條件下，研究分析絲杠的磨損類型，通過Archard磨損模型計算在工程允許的磨損范圍內(nèi)材料表面的最小硬度。

1 塞拉門機構中絲杠磨損類型的確定

金屬材料的磨損指金屬材料部件自身的相關副表面之間的產(chǎn)生的相互接觸與摩擦以及相關運動作用導致的金屬材料表面出現(xiàn)的損耗，金屬材料按其表面的磨損機理可將磨損劃分為：磨粒磨損、黏著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損等。

在實際應用中，為減小絲杠磨損，螺母通常采用非金屬，同時在絲杠螺母副中間，往往涂有二硫化鉬進行潤滑，正常良好潤滑狀態(tài)應為絲杠與螺母之間存在一層潤滑油膜，如圖1，潤滑油膜對磨損進行自補償及保護，理論分析，磨損應發(fā)生在為非金屬的螺母上，但實際應用中發(fā)現(xiàn)，絲杠表面也會存在劃痕、凹坑等磨損。將絲桿拆卸后觀察，絲杠表面存在金屬渣、沙塵等顆粒浸在潤滑脂中，附著在絲杠表面。絲杠表面的金屬與非金屬雜質(zhì)，將絲杠與螺母分開，打破了原有的良好的潤滑界面，且雜質(zhì)與絲杠及螺母分別形成了新的潤滑界面，如圖2。這種潤滑界面存在金屬-非金屬、金屬-金屬等多種復雜的潤滑臨界面，甚至出現(xiàn)金屬渣與絲杠的直接接觸，這種有一定的潤滑作用又存在松散的雜質(zhì)磨粒，使絲杠螺母間形成了復雜的磨損的狀態(tài)，機械上稱為磨粒磨損，同時由于沖擊、振動等各種影響，使絲杠表面產(chǎn)生凹坑甚至表面涂層剝落。

2 塞拉門機構中絲杠磨損分析計算

2.1 絲杠磨損因素分析

本文以塞拉門機構絲杠為例，假設安裝調(diào)試后絲杠與螺母軸線重合，即不存在安裝誤差導致的絲杠螺母副的磨損。關于絲杠相關參數(shù)如下表：

根據(jù)經(jīng)驗并考慮絲杠螺母的實際配合為間隙配合，對絲杠的最大允許磨損深度設計為Δ=0.025mm，當磨損量超過Δ，絲杠螺母間隙增大，絲杠螺母副不能正常運行。考慮到在塞拉門機構中，由于負載的存在會使絲杠發(fā)生變形，變形量過大時導致絲杠螺母副運動卡滯并加劇絲杠磨損。為確定絲杠變形對絲杠磨損影響的大小，用simulation模擬出絲杠最大變形量，如果絲杠在載荷下的最大變形量小于Δ，即絲杠的變形對絲杠的磨損在最大允許磨損深度Δ內(nèi)，所以絲杠變形導致的磨損可不考慮。

假設門扇的全部重量都在絲杠上，根據(jù)實際工況，絲杠為兩段固定支撐方式，根據(jù)力學知識知，將力集中加載在桿中間，絲杠的變形量最大，加載力為單扇門門扇的重量。固定及加載方式如圖3（a），模擬結果如圖3（b）。

根據(jù)模擬結果，絲杠的最大變形量為3×10^-4mm，遠小于絲杠的設計公差Δ=0.025mm，根據(jù)仿真結果絲杠變形引起的磨損量可不考慮。

2.2 絲杠磨損模型的建立

在正常工況下，絲杠作為傳動零部件，其所受正壓力與絲杠表面硬度的關系滿足，符合Archard磨粒模型建立的條件。根據(jù)Archard磨粒磨損設計計算模型，如圖4所示，當一固緊磨粒在法向載荷δN的作用下，壓入被磨表面深Z并在表面上滑動δL的距離后，得到以下關系式：

則絲杠最大磨損量為：

式中：

V—磨損量（磨損體積）;

l—磨損行程;

z—磨損深度。

又，根據(jù)Archard磨損計算公式：

根據(jù)式（1）可知，絲杠的磨損量與磨損系數(shù)K、法向載荷N、最大磨損行程L、硬度H相關。

2.3 最大允許磨損深度Δ下絲杠表面硬度計算

在實際應用中，絲杠膜厚要求為AA40-AA60，該膜厚比最大允許磨損深度Δ大，即絲杠在最大允許磨損深度要求之內(nèi)時，只有絲杠表面氧化層被磨損，磨損深度并未到達金屬母材層。又絲杠螺母磨損類型為磨粒磨損，選取磨粒磨損系數(shù)取K=2×10^-3，K是無量綱參數(shù)。

下面確定絲杠所受正向載荷N，為降低理想理論值對整個預測系統(tǒng)的影響，采用試驗法先測量電機輸出力矩，同時采用力矩扳手測試絲杠上實際接收到的力，將力矩通過測力扳手轉換成力。通過大量數(shù)據(jù)分析，當電機電壓相同時，在電機額定功率內(nèi)電機輸出不同的電流時，電機的輸出力矩與絲杠上接受到的力的關系為：電機上輸出力矩為3.4N·m時，絲杠上的輸出力約為100N。在門扇開關過程中，電機輸出電流在0.5A～8A之間波動，為排除電機本身的影響，選取了四種不同型號的電機A、B、C、D在110V相同電壓下分別測試了不同電流下電機的輸出力矩，試驗數(shù)據(jù)如表2，最終取平均值進行同比例計算得出絲杠中實際接收到的力。

根據(jù)關系式同比得出絲杠受力為：

式中：

T—平均力矩;

F—絲杠平均受力;

又電機對絲杠的驅動力與絲杠所受正壓力之間的關系如圖5：

根據(jù)圖5，絲杠所受正壓力與絲杠上所測受力間的關系為：

式中：

N—絲杠所受正壓力;

將N、K、L、V帶入式（1）得：

即絲杠表面硬度至少為401.85HV才能保證絲杠的磨損量在最大允許磨損范圍之內(nèi)。

2.4 塞拉門機構壽命試驗后絲杠磨損量

下面根據(jù)上述模型對絲杠螺母副進行實際工況模擬，為降低試驗的偶然性對試驗結果的影響，隨機抽取兩根同類型同批次經(jīng)入庫檢合格的絲杠1號、絲杠2號，在同樣負載及運行環(huán)境下進行壽命試驗，在完成相同次數(shù)壽命試驗后每根絲杠取5個點進行了尺寸測量，得出結果如下表3：

根據(jù)表3試驗數(shù)據(jù)可知，在完成壽命試驗后，絲杠都會存在不同情況的磨損，但絲杠磨損量都在最大允許磨損深度Δ之內(nèi)，試驗結果與理論推導基本符合，由此可知，在正常塞拉門機構絲杠運行工況下，要保證絲杠在最大允許磨損量內(nèi)，絲杠的表面硬度至少為401.85HV。

3 討論

絲杠表面為硬質(zhì)陽極氧化AA40～AA60，經(jīng)入庫檢，絲杠表面硬度為HV400～HV600之間，但試驗中發(fā)現(xiàn)，Achard磨損模型中對絲杠磨損基本適用，但絲杠局部尤其靠近門扇關閉的位置也出現(xiàn)磨損嚴重，甚至漏出金屬母材，如圖6。

Achard磨損模型中磨損量與法向載荷成正比的條件是，正壓力不超過H/3，一旦正壓力超過H/3，意味著整個接觸表面的表層下材料開始發(fā)生塑性變形，磨損量急劇增大。

經(jīng)分析為以下原因：

（1）在門靠近關閉位置，由于門扇沖擊等原因導致絲杠受到的正壓力，已不符合Archard磨損模型條件;

（2）文中計算未考慮絲杠變形，但實際中由于加工誤差、安裝誤差絲杠變形是肯定存在的，由于絲杠的變形導致絲杠受力，在進行長時間的壽命試驗后，絲杠磨損加劇;

（3）絲杠本身在加工時，局部陽極氧化膜厚不符合設計要求，或陽極氧化過程中局部硬度未達到要求，導致局部硬度降低，磨損量加重。

4 總結

本文結合實際應用場景，確定了絲杠的磨損為磨粒磨損，在Archard磨損模型基礎上，分析了正常應用條件下的絲杠磨損的理論計算，得出在塞拉門機構絲杠螺母副中，絲杠最大允許磨損深度為設計尺寸Δ=0.025mm時，材料的表面硬度至少應為401.85HV，并通過試驗測試，試驗結果較好的擬合了理論計算值，所建立的物理計算過程基本符合絲杠實際磨損過程。

研究也發(fā)現(xiàn)，沖擊振動對絲杠的磨損作用相當明顯，沖擊振動導致絲杠受力增大加劇絲杠磨損，所以如何設計有效的緩沖裝置使絲桿受到的沖擊振動有效的釋放將會是未來設計和研究的重點。

參考文獻

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