運載火箭活動發射平臺重載螺旋機構傳動阻力特性研究

任曉偉，連青林，邵穎慧，方世源，毛利民

（1. 北京航天發射技術研究所，北京，100076；2. 北京特種工程設計研究院，北京，100028；3. 航天系統部裝備部軍事代表局駐北京地區第二軍代室，北京，100841）

0 引 言

螺旋傳動是實現機械產品結構轉動、移動的有效模式。螺旋傳動主要通過螺桿以及螺母構成，合理的螺旋傳動設計能夠有效提升螺桿螺母的配合精度，提高傳動效率，進而降低傳動過程中的阻力及振動噪聲。

運載火箭活動發射平臺的支承臂和轉換裝置是支承火箭或臺體，并實現承載、升降發射平臺功能的重要組成部分，均進入發射或轉場流程，是關系發射成敗的關鍵部件，其功能實現主要為大型重載螺旋傳動機構。

在發射平臺支承臂或轉換裝置的使用過程中，出現阻力大或卡滯的故障，本文分析了造成螺旋傳動機構阻力增大的影響因素及其產生機理。根據重載螺旋傳動機構的阻力特性，設計相關試驗，研究各因素對機構傳動阻力特性的影響。

1 重載螺旋機構傳動阻力特性分析

1.1 螺旋傳動機構組成及功能原理

轉換裝置及支承臂的螺旋傳動模塊均使用螺桿螺母作為傳動部件，其功能原理如圖1所示，液壓馬達輸入扭矩，通過減速器放大傳動比，將扭矩輸入至螺桿。螺紋副將旋轉運動轉化為升降運動，螺母與內套筒一體隨著螺桿的旋轉而上下運動。

圖1 螺旋傳動機構功能原理Fig.1 Functional Mechanism of Spiral Transmission Machine

1.2 螺旋傳動阻力增大的影響因素分析

以螺旋機構傳動阻力增大作為結果事件，建立其影響因素分析模型，如圖2所示。主要包含以下幾項影響因素：軸承銹蝕、多余物、減速器無潤滑、螺紋副無潤滑、螺紋磨損、圓螺母生銹、圓螺母限位失效以及過約束。

圖2 旋轉傳動阻力增大故障模式分析Fig.2 Failure Mode Analysis on Resistance Increase of Spiral Transmission

1.2.1 軸承銹蝕

軸承是保證螺旋傳動機構正常運轉的重要部件，若軸承滾子發生破碎，則轉換裝置會發生卡滯現象；若軸承滾子銹蝕嚴重，則軸承滾動摩擦系數增大，甚至變滾動摩擦為滾-滑動摩擦，使得摩擦阻力上升。

由于軸承按照3～4倍的安全系數進行設計，因此設計上保證滾子不會發生破碎現象。但軸承在長期使用過程中，由于重載螺旋傳動機構很難拆分檢查，內部若發生銹蝕狀況，則可能影響傳動阻力矩。

1.2.2 螺旋副無潤滑

現重載螺旋傳動機構所用的潤滑脂為7403寬溫潤滑脂，具有承壓能力高，使用溫度寬，不易流失等優點，但同時由于粘度系數大，無法通過油槍等工具補加，只能將重載螺旋傳動機構全部分解、清洗后重新涂敷。但重載螺旋傳動機構在發射、噴水、自然存放等條件下，螺紋副間潤滑脂存在逐漸損耗、流失、變質的可能性。潤滑脂一旦損耗、流失、變質，螺紋副間的摩擦系數將增大，導致螺紋副摩擦阻力增大，進一步表現為重載螺旋傳動機構的阻力增大。

1.2.3 螺旋副磨損

重載螺旋傳動機構的螺紋副將旋轉運動轉化為升降運動，螺紋副間的摩擦阻力為重載螺旋傳動機構阻力的主要來源。螺紋副由螺桿、螺母構成，設計中螺桿材料為38CrMoAl或40Cr，螺母材料為ZCuAl10Fe3，螺母為損耗件。隨著使用次數的增加，螺母的螺紋會逐漸磨損，螺紋表面磨損后，其相應的粗糙度上升、接觸面不均勻等現象會導致螺紋副阻力矩上升，進而表現為重載螺旋傳動機構的阻力增大。

1.2.4 圓螺母銹蝕

圓螺母安裝在螺桿底部，通過止動墊圈/止動塊與上座襯套接觸，用于對螺桿軸向限位、調整軸承軸向安裝間隙，并承受支承臂所受的拉載荷。

若圓螺母/止動墊圈銹蝕，其與襯套間的摩擦系數上升，當圓螺母隨螺桿轉動時，其與上座襯套接觸面間的阻力上升，進而表現為重載螺旋傳動機構阻力增大。

1.2.5 圓螺母限位失效

圓螺母安裝在螺桿底部，通過止動墊圈/止動塊與上座襯套接觸，用于對螺桿軸向限位、調整軸承軸向安裝間隙，并承受支承臂所受的拉載荷。

若圓螺母限位失效，則在接觸面摩擦力作用下，產生自鎖死動作，端面摩擦阻力逐漸增大。同時，在自鎖緊過程中，對螺紋副、軸承產生軸向載荷，螺紋副、軸承的阻力也隨之增大，進而表現為重載螺旋傳動機構阻力增大。

1.2.6 過約束

重載螺旋傳動機構中，螺桿旋轉，螺母與內套筒一體隨著螺桿的旋轉而上下運動，因此內套筒受螺紋副配合關系的徑向定位，同時，在重載螺旋傳動機構中，內套筒還受導向零件（銅套、上座襯套）的徑向定位，理論上，導向零件不受徑向力。但在內套筒升降過程中，載荷作用方向與螺旋副軸心并非同軸，主要由于：

a）加工誤差內套筒軸心與螺旋副的軸心不同軸；

b）載荷點并非能夠準確的落在軸心上；

c）受螺紋承載變形影響，載荷并非均勻的分布在各個螺紋面上；

d）隨著升降運動，螺旋副有一定的加工誤差導致的晃動量，因此螺旋副給予的軸向支撐力與載荷也并非時刻同軸。

根據以上分析可知，重載螺旋傳動機構受結構所限必然有一定的偏載，偏載出現導致內套筒在軸向力、方鍵周向力、螺紋副軸向力、螺紋副的周向力作用下，產生一個沿徑向翻轉的作用力，導致內套筒與導向零件（銅套、上座襯套）相互徑向擠壓力，造成了過約束現象，增加了升降過程中與導向零件間的摩擦阻力，進而表現為重載螺旋傳動機構的阻力增大。

1.2.7 減速器無潤滑

螺旋傳動機構由馬達產生動力，扭矩通過減速器傳遞至減速器，進而帶動螺桿、螺母運動，減速器運轉是否良好直接關系到傳動機構阻力的大小，其中減速器潤滑油一旦出現粘稠、滲漏、氧化等失效形式，不能對減速器內齒輪、軸、軸承等旋轉嚙合零部件進行有效得潤滑、降溫，加速減速器零件的磨損，從而引起減速器傳動效率的降低，表現為螺旋傳動機構的阻力增大。

1.2.8 多余物

螺桿、螺母是傳動機構的主要零件，嚙合面為螺紋牙，由于螺桿材料為38CrMoAl，而螺母的材料為ZCuAl10Fe3，較為薄弱的為螺母的螺紋，若嚙合面出現硬度較高的多余物，在高比壓下必然會造成螺母螺紋牙面的損傷，從而降低粗糙度，出現嚙合面摩擦力上升的現象，嚴重時可能造成螺紋牙的斷裂，必然會影響到傳動阻力的上升。

2 重載螺旋機構傳動阻力特性的試驗研究

針對影響重載螺旋傳動機構的阻力特性，設計了潤滑脂影響試驗、導向面影響試驗、軸承銹蝕影響試驗、低中高轉速影響試驗、低載荷影響試驗、螺旋傳動次數影響試驗，并對試驗結果進行總結分析。對照試驗進行3次升降，傳動次數影響試驗進行60次。

2.1 潤滑脂對傳動的影響試驗

螺紋副摩擦面間潤滑情況是影響摩擦系數的重要因素，潤滑與非潤滑狀態摩擦系數相差很大，潤滑狀態下，不同潤滑脂的選擇，也會帶來一定差異。同時，由于潤滑脂類型不同，其承受面壓的能力也不同，因此，不能單一從潤滑脂粘度及摩擦系數上來篩選，需要考慮在重載情況下，低粘度的潤滑脂是否有被擠出風險。若潤滑脂被擠出，運動過程中的螺紋面則會干磨，導致阻力增大，甚至燒死現象。

根據上述分析，選用兩種潤滑脂（GB/T491-2008鈣基潤滑脂、7403高低溫潤滑脂）的對比試驗，測試不同粘度潤滑脂對摩擦阻力的影響，同時觀察低粘度的鈣基潤滑脂在最高載荷下是否有被擠出現象，為以后潤滑脂的選擇提供試驗支撐，試驗項目如表1所示，共進行3次升降。

表1 潤滑脂影響試驗Tab.1 Test on Lubrication Grease

試驗獲得了兩種潤滑脂的對比數據，如圖3所示。從數據判斷，在各載荷工況下，鈣基潤滑脂相對于7403高低溫潤滑脂的阻力數據更小，潤滑效果更好。拆分檢查后發現，涂覆鈣基潤滑脂的螺桿螺母表面油膜更加均勻。

圖3 潤滑脂對比試驗結果Fig.3 Comparison Test Results of Different Lubrication Grease

對比各載荷下阻力矩的差異，7403寬溫潤滑脂潤滑下螺旋傳動機構阻力矩相對于鈣基潤滑脂潤滑時分別增加約18%（負載50 t）、21%（負載100 t）、12%（負載150 t）、8%（負載180 t）。數據表明，在50 t、100 t、150 t下鈣基潤滑脂降阻力效果明顯，180 t時兩者阻力特性趨于接近，表明由于鈣基潤滑脂承壓性低于7403潤滑脂，隨著螺紋面壓的升高，鈣基潤滑脂的潤滑效果開始降低。

2.2 定位與導向的影響試驗

根據重載螺旋傳動機構結構分析，內套筒隨螺母升降，受到來自于螺桿及導向零件（銅套、上螺筒）的徑向定位。導向零件銅套、上螺筒安裝于上座內部，為間隙配合，最大單邊間隙約為0.07 mm。因此，內套筒受3處徑向導向，這些徑向導向零件均為裝配件，導向面非一刀加工面，因此無法保證運轉過程中的同心度，同時由于載荷落點也很難準確的落在軸線上，因此內套筒在升降過程中不可避免的受到螺桿、銅套、上螺筒共同施加的徑向力，產生過約束現象，使得升降的阻力增大。

受加工誤差及裝配誤差限制，螺桿與螺母、內套筒、上座襯套、銅套的軸心很難保證在一條直線上，同時由于載荷落點也很難準確的落在軸線上，因此內套筒在升降過程中不可避免的受到螺桿、銅套、上螺筒共同施加的徑向力，產生過約束現象，使得升降的阻力增大。因此，設計試驗驗證內套筒與上螺筒、銅套間的配合關系對螺旋傳動阻力矩的影響，如表2所示。

表2 定位與導向影響試驗Tab.2 Test on Positioning and Guidance

試驗結果表明，增大上螺筒內徑0.3～0.5 mm對傳動阻力據基本無影響。不安裝銅套或上螺筒對傳動阻力矩影響較大，傳動阻力矩比原裝配關系明顯減小，傳動數據平穩性無明顯變化，如圖4所示。

圖4 公差配合試驗結果Fig.4 Test Results of Tolerance Matching

由圖4可見，改進銅套、襯套與內套筒間的配合結構，可有效降低傳動阻力矩。其中，去除上襯套對阻力矩降低的效果比去除銅套更明顯，且隨著載荷的增大，效果更好。由此可知，定位導向面的合理設計可減少額外阻力的增加，優化螺旋傳動機構的阻力特性。

2.3 軸承銹蝕的影響試驗

銹蝕后的軸承在運動過程中，滾動摩擦系數增大，甚至變滾動摩擦為滾-滑動摩擦，使得摩擦阻力上升。因此，利用現有的銹蝕軸承和新購軸承進行對比試驗，驗證軸承銹蝕影響程度。軸承銹蝕情況結果見圖5。

圖5 銹蝕軸承Fig.5 Bearing Corrosion

采用表2的試驗方法，將試驗變量分別選擇為銹蝕軸承和新軸承狀態進行試驗，試驗結果見圖6。

圖6 新舊軸承試驗對比結果Fig.6 Comparison Test Results of New and Old Bearings

根據試驗數據對比可見，軸承銹蝕狀態對支承臂傳動阻力矩影響極大。且隨載荷增加，影響越明顯。在180 t載荷下，嚴重銹蝕的軸承可使得螺旋傳動機構阻力矩上升約50%。因此，控制軸承銹蝕程度，做好潤滑措施，是保證螺旋傳動機構正常運行、阻力矩保持正常范圍的關鍵措施。

2.4 傳動轉速的影響試驗

螺桿轉速需以減速比604進行換算，在馬達轉速為40 轉/min、60轉/min、80轉/min下，螺桿轉速為0.067 轉/min、0.099轉/min、0.13轉/min，速度較緩慢。理論分析，低中高轉速下，螺旋傳動機構的阻力矩應一致、無變化。但在現場使用時，發現速度越高，需要的馬達驅動壓差越高。分析初步認為，隨著轉速的升高，馬達、減速器效率有所降低，功率損耗增大，導致馬達驅動壓差升高。因此，設計低、中、高轉速影響試驗，確認螺旋傳動機構的阻力與轉速無關，馬達驅動壓力升高是由于馬達及減速器的功率損耗導致，試驗項目如下。

表3 轉速影響試驗Tab.3 Test on Transmission Speed

試驗獲得了低中高轉速下螺旋傳動機構的阻力數據，經分析，不同轉速下馬達至減速器輸出端的效率無明顯變化，螺旋傳動機構傳動阻力卻受速度影響，傳動阻力隨著速度的升高而增大，80 轉/min下阻力矩較40 轉/min下阻力矩升高約8%（負載180 t）、11%（負載150 t）、16%（負載100 t）、10%（負載50 t），見圖7。

圖7 不同轉速與減速器扭矩的關系Fig.7 Relationship between Different Revs and Reducer Torque

在低速重載下螺旋傳動機構載荷不均勻，造成馬達、減速器在低速下會產生波動，導致出現升降抖動現象。通過上述低中高轉速加載試驗，驗證低速下重載螺旋傳動機構運行的平穩性。

2.5 螺旋傳動次數的影響試驗

隨著螺旋傳動機構運動次數的增加，螺紋副間的磨損也必然增大，從而導致阻力矩上升。因此，對重載螺旋傳動機構進行螺旋傳動次數影響試驗，研究螺紋傳動次數增加對傳動阻力的影響，并通過螺旋傳動次數影響試驗對重載螺旋傳動機構的壽命進行測試，螺旋傳動試驗進行60次。

由圖8可見，在60次試驗過程中，傳動阻力逐漸上升，上升趨勢較平緩。試驗后，拆分螺旋傳動機構進行檢查，各零部件均無損壞現象，螺母表面溝槽情況較試驗前明顯，螺母第1道螺牙上可見累積的銅屑。 根據試驗數據及拆分檢查情況分析，螺桿、螺母多次升降后，螺紋表面逐漸磨損，表面粗糙度上升，使得摩擦阻力逐漸上升。在60次試驗后，傳動阻力矩較試驗之初升高約16%，且未超過系統驅動能力，因此認為該結構仍可繼續使用。

圖8 螺旋傳動次數與減速器扭矩的關系Fig.8 Relationship between Transmission Times and Reducer Torque

2.6 其余影響因素探討

多余物的存在勢必影響傳動機構的運行效率，視為造成阻力增大及卡滯的故障因素之一，而零件的過約束為安裝工藝過程中造成故障隱患，二者應通過前期設計及加工工藝環節盡力避免，故本文中未對其影響設計試驗分析。

3 結 論

本文以運載火箭活動發射平臺轉換裝置重載螺旋傳動機構作為研究對象，分析其阻力增大的影響因素，設計對照試驗分析不同因素對螺旋傳動機構阻力特性的影響，獲得以下結論：

a）重載螺旋傳動機構的潤滑應選用粘度低、承壓能力高且使用溫度范圍寬的潤滑脂，使其具有更佳的傳動效率；

b）對螺旋傳動機構的導向面進行優化設計，避免過約束情況，減少額外阻力；

c）螺旋傳動機構內部零部件銹蝕對傳動阻力有至關重要的影響。在沿海濕熱環境，特別是鹽霧環境下，對螺旋傳動機構內的零部件，應采取有效的防腐措施；

d）同一載荷下，馬達的驅動壓差可以反映螺旋傳動機構的內部阻力變化，通過試驗測試得到的馬達-減速器效率可為后續結構設計提供數據支撐；

e）螺旋傳動機構經過多次升降測試，傳動阻力矩升高約16%，依然小于系統驅動能力，據此可預估支承臂和轉換裝置的服役使用壽命。

本文針對重載螺旋傳動機構所設計的阻力特性分析及試驗研究方法可為運載型號活動發射平臺的傳動機構設計、試驗及維護提供方法性指導，同時為重型運載火箭活動發射平臺的研制提供設計借鑒。