双导程蜗杆在自动消防水炮机械传动中的应用

行志刚，原军令，朱 焘，赵苗苗

XING Zhi-gang, YUAN Jun-ling, ZHU Tao, ZHAO Miao-miao

（河南理工大学 工程训练中心，焦作 454003）

0 引言

自动消防水炮做为远控消防水炮的升级换代产品，被广泛地应用到展览厅、体育馆、仓库等大空间建筑物内，在没有人工干预的情况下能够自动发现火灾、判断火源点位置、自动调整消防炮的回转和俯仰角度，使其喷射口对准起火点，并展开灭火作业[1,2]。在智能水炮灭火作业过程中，炮体回转和喷管俯仰角度的精准度是确保喷射口对准起火点有效灭火的关键[3]。目前，蜗杆传动副的大传动比和紧凑结构特性使其成为自动消防水炮机械传动模式的首选。由于制造、装配误差以及传动磨损，普通的蜗杆副存在难以控制的传动侧隙，在炮体回转和俯仰角度变化过程中出现定位误差，从而导致火源定位不准影响灭火效果。自动消防水炮做为自动跟踪定位灭火系统的一种，文献[3]的5.2和5.10分别规定炮体自动定位时间不得超过30s和从自动射流开始到扑灭1A灭火级别的时间不得超过3min。这两条规定给自动消防水炮规定了最佳有效灭火时间区间，这也给做为灭火执行部件的炮体机械传动部分提出了快速精准的定位性能要求。因此提高蜗杆传动副传动精度是自动消防水炮准确高效灭火的关键。文献[4]中提出了用弹簧消隙法来消除或减小上述消防水炮的定位误差。文章认为弹簧消隙法在原理上能够有效地起到消除或者减小蜗杆传动副啮合侧隙的作用，但是弹簧消隙法结构复杂制造成本高，弹簧失效后必须拆解炮体进行更换维修成本高，做为结构紧凑、机电高度集合和安装于大空间场所的自动消防水炮，从实用性和可操作性上来说该方法是不可行的。为此，文章针对上述自动消防水炮机械传动的不足，将具备消除传动侧隙功能的双导程蜗杆传动副应用到自动消防水炮机械传动中，为确保自动消防水炮准确高效灭火提供了可靠手段。

1 双导程蜗杆传动副传动原理

双导程蜗杆与普通蜗杆的区别在于双导程蜗杆的左、右齿面分别具有两个不同的导程，由于两个不同导程的存在带来了蜗杆齿厚沿轴线方向等比例增大或者减小。双导程蜗杆齿厚的等比例变化为消除或者调整蜗杆传动副啮合间隙提供了手段，即轴向移动蜗杆[5]。

双导程蜗杆传动副传动原理与普通蜗杆传动副传动原理没有本质的区别，沿蜗杆中心剖面看都可视为齿条齿轮传动副[5]。如文献[6]所述虽然蜗杆齿左、右两侧面具有不同的导程，但同一侧齿面导程是相同的，即同一侧齿面齿距（模数）是相同的，所以双导程蜗杆传动副没有破坏啮合条件，当轴向移动蜗杆时仍能够确保良好的啮合条件。

2 双导程蜗杆在自动消防水炮上的应用

文章针对ZDMS0.8/30S型自动消防水炮进行双导程蜗杆传动副机械传动机构设计计算。已知基本设计参数：蜗杆头数z1=1，蜗杆齿顶圆直径da1=28mm，蜗杆特性系数q=11.2，蜗轮齿数z1=53，公称模数m=2.5。

2.1 双导程蜗杆基本参数设计计算

双导程蜗杆基本参数设计计算和加工方法已在现有文献[6～8]中进行了详细阐述并得到了实践验证，文章不在赘述。文章针对ZDMS0.8/30S型自动消防水炮双导程蜗杆图纸标注尺寸给予列举，如表1所示。

表1 双导程蜗杆基本参数

2.2 双导程蜗杆传动副在自动消防水炮上的结构设计

自动消防水炮安装于高大空间建筑内距离地面8～15米的空间内，其使用工况突出特征就是安装位置高、维修困难，尤其是在机械传动故障维修难度更大，返厂率高。文章针对这一问题，以设备使用的持久性、可靠性和可维修性为出发点，将双导程蜗杆传动副的设计融入到整机结构中去。文献[8]指出利用双导程蜗杆变齿厚的特性沿着齿厚减薄方向移动蜗杆可以减小或者完全消除啮合间隙。文章依据该结论将在自动消防水炮的双导程蜗杆传动副上设置了蜗杆轴向移动调整装置（如图1所示）：双导程蜗杆通过两幅球滚动轴承3的支撑与蜗轮1保持正确啮合中心距；设置的调整螺母2在压缩弹簧8、弹簧垫圈7、球推力轴承9和推力轴承套10的共同作用下使用双导程蜗杆5沿着齿厚减薄方向轴向移动，直至实现双导程蜗杆5和蜗杆1的无侧隙啮合。同时，由于推力轴承套10、步进减速电机12和机体4由螺钉紧密装配为一个整体，蜗杆必须有轴向移动间隙才能实现轴向移动，文章根据梅花联轴器11的结构特征，在装配时使两个金属抓盘与梅花弹性体之间留有1mm的装配间隙，以提供双导程蜗杆轴向移动间隙。

图1 双导程蜗杆传动副结构图

3 结束语

文章作者将双导程蜗杆传动副应用到ZDMS0.8/30S型自动消防水炮机械传动中，实现了蜗杆传动副无侧隙传动，消除了炮体水平转动和炮管俯仰角度的回程误差[1]。通过样机试制和灭火性能试验可知：该项目的实施，使自动消防水炮在水平方向扫描定位的1次定位率在92%以上，喷管俯仰定位的1次定位率在95%以上；定位精度的提高给炮体喷水灭火节省了时间，为30s内定位3min内灭火提供保障[3]，工程应用效果显著。为控制自动消防水炮定位精度从源头上提供了一种重要方法。但相对普通蜗杆传动副来说，双导程蜗杆传动副的加工制造工艺复杂，其互换性较差，研究和应用目前高速发展的数控加工技术是今后努力的方向。

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