门座螺杆变幅机构设计分析

王小栋

大连重工·起重集团，辽宁大连 116000

门座螺杆变幅机构设计分析

王小栋

大连重工·起重集团，辽宁大连 116000

门座起重机的变幅机构通常采用摆动臂架的角度来改变起重机的幅度。常见的变幅机构驱动系统有：螺杆式驱动，齿条式驱动，液压驱动，绳索滑轮式驱动等数种。本文对门座螺杆变幅机构设计进行了分析。

门座起重机；变幅机构；设计分析

1 概述

门座起重机的变幅机构通常采用摆动臂架的角度来改变起重机的幅度。常见的变幅机构驱动系统有：螺杆式驱动，齿条式驱动，液压驱动，绳索滑轮式驱动等数种。其中螺杆变幅机构是电动机通过减速器、齿轮箱和螺母带动螺杆作直线和摆动运动，从而驱动臂架，使臂架绕铰点转动，完成变幅动作。其组成如图1。

螺杆总成和电动机装配等安装在能绕水平和垂直轴线摆动的十字轴支架上，以适应变幅过程中螺杆摆动、补偿间隙、补偿变形和安装误差等需要，使螺杆与螺母啮合良好，螺杆免受额外弯曲。

与其他机械式驱动相比，螺杆驱动不仅结构紧凑，传动平稳，无噪音，而且体积最小，重量轻，因而多用于大型的动臂起重机中。但由于它的传动效率较低，不易充分润滑，磨损较大，并且价格昂贵，维修不便，进而降低机构工作的可靠性。为了弥补这些缺点，螺杆通常都制作成二头至四头。

2 螺杆变幅机构的计算

变幅机构计算的主要内容是：计算变幅阻力，确定计算载荷；确定驱动功率，选择和验算电动机；确定制动转矩，选择和设计制动器；确定传动比，选择和设计传动装置。

变幅机构计算的关键是：掌握变幅机构的载荷特点；正确分析和求取各种工况下的变幅阻力。

2.1 变幅机构的载荷特点

1）不论臂架是收幅还是伸幅，变幅过程中作用在平衡式变幅机构上的阻转矩方向是变化的，呈双向作用载荷特点；作用在非平衡式变幅机构上的阻转矩方向是不变的，呈单向作用载荷特点；

2）起重机在规定的幅度范围内工作时，不同幅度位置上的变幅阻转矩是变化的（变载荷特点），变幅电动机应按等效阻转矩来选择；

3）变幅机构的不同传动零件承受不同的惯性载荷（动载荷特点），其疲劳强度和静强度计算载荷应取不同的值。

2.2 变幅阻力的计算

1）直臂架变幅机构的阻力计算；

2）组合臂架的变幅机构的阻力计算。

2.3 机构的计算中采用以下两种计算载荷组合方式

工作状态下的正常载荷组合（I类载荷）和工作状态下最大载荷组合（II类载荷）相应的变幅阻力可通过组合不同的变幅阻力项求得。

2.4 电动机的选择和验算

电动机功率的确定和电动机的验算，需要注意的是，电气控制系统应保证变幅启动时间不宜过快，否则会导致臂架系统过大的动载荷，并应在变幅驱动系统采取相应措施。

2.5 制动器的选择和验算

变幅制动器应工作可靠，保证制动过程的平稳性并具有足够的制动安全系数。一般选用压推杆制动器。

2.6 减速器的选择

变幅机构通常采用标准系列减速器。例如QJ系列减速器。QJ系列减速器具有安装方便、中心矩大、传动比范围宽和承载能力高等特点。非平衡变幅机构的减速器可按与起升机构相同的方法来选择。

3 螺杆变幅机构的设计注意事项

3.1 设法提高螺杆螺母传动效率

螺杆变幅机构传动效率较低，因而一般采用多头滑动螺杆（2～4头）或滚珠螺杆传动。在选用时，必须考虑制造条件、生产成本等现实情况。

3.2 螺杆变幅机构的合理支撑方式

螺杆长度较大，加工和装配精度较难保证。为了保证螺杆正常工作，需要把螺杆变幅机构安装在能绕水平和垂直轴线摆动的十字轴支架上（见图2）。十字轴的轴线必须通过螺母中心。

3.3 伸缩套筒的合理选型与安装角度

伸缩套筒用于防尘、防雨和防漏油，避免螺杆磨损。伸缩套筒有密封式（强制稀油润滑的场合）和非密封式（非强制稀油润滑的场合）两种。如果要防止润滑油泄漏需用前者，仅防尘防雨，则用后者，门座螺杆变幅机构中主要使用密封式。

伸缩套筒（见图3）根据螺杆伸缩长短和结构布置情况分成几段。每段由2mm的不锈钢板卷成的筒体和法兰组焊而成，其外圆需要精加工，精度H6，表面粗超度1.6，以保证套筒伸缩自如。在内外套筒之间装有橡胶密封圈，防止漏油及灰尘和杂物的侵入。

起重机总体设计时，应使螺杆始终处于仰角或俯角状态，以便螺杆往复运动时带出的油，能够由小套筒逐段流入大套筒，最后通过润滑管路流回油箱。

3.4 螺杆变幅机构的润滑

螺杆变幅机构的齿轮副和螺杆螺母副必须具有良好的润滑。一般分为自带式润滑和强制式润滑两种。门座螺杆变幅机构中主要使用后一种。

1）自带式润滑

自带式润滑是将仰角式螺杆后部浸入油池中，螺杆伸缩将油带上螺母进行润滑。润滑后，前端通过润滑管路流回油箱，后端直接流回油箱。

2）强制式润滑

强制式润滑则是通过泵站将润滑油直接注入齿轮副和螺杆螺母传动副中。

3.5 螺杆螺母的材料和加工

螺杆通常选用Y40Mn、35、45等钢材。Y40Mn钢切削加工性能好，但耐磨性能差；35、45号钢需采取正火或调质处理。

螺母通常选用铸造青铜ZQSn10-1、ZQAl9-4。对于大尺寸的螺母应采用35、45钢作外套，内外套之间过盈配合，且用紧固螺钉锁定。

螺杆和螺母的螺纹表面粗超度1.6。矩形螺纹常用底径定心，其公差配合H8/e8，粗超度1.6，外径粗超度6.3～3.2。螺杆副的轴向配合间隙取为：外径150mm～200mm时，采用0.8mm～1.0mm，磨损后允许最大间隙为6mm；外径200mm～250mm时，采用1mm～1.2mm，磨损后允许最大间隙为8mm。

3.6 螺杆变幅机构的安全保护

为防止臂架坠落，往往需要在变幅驱动系统设置离心式限速器或载荷自制制动器，或者驱动系统采用可以自锁的蜗轮减速器。为了保证螺杆变幅机构正常工作，必须设置可靠的安全保护装置。

1）变幅机构应设有幅度指示器、终点限位开关；

2）臂架上应装有弹簧或橡胶缓冲装置；

3）螺杆总成中应设有安全螺母，防止螺杆磨损后发生滑丝和冲击；

4）还应设置各机构之间的联锁开关。

在现实生产中，要求实现工作性带载变幅，为了尽可能降低变幅机构的驱动功率和提高机构的操作性能，进而提高生产率，目前门座起重机变幅机构普遍采用载重水平位移和臂架自重平衡两项措施，以达到平衡式变幅要求。

图1

图2

图3

[1]黄海.基于工业设计中功能法的门座起重机形态设计[D].武汉理工大学，2002-06-01.

[2]戴启玲.双头单螺杆泵短幅内摆线螺杆[D].衬套副啮合特性研究 大庆石油学院，2008-03-25.

[3]柳大勇，李华，左连春.变幅机构螺杆及螺母的加工[J].重技术，1998(4).

TH21

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1674-6708（2011）48-0048-02