气压辅助螺旋支腿试验研究

黄福友，陈世超，黄 杰

气压辅助螺旋支腿试验研究

黄福友1，陈世超1，黄 杰2

（1. 北京航天发射技术研究所，北京，100076；2. 内蒙古科技大学能源与环境学院，包头，014040）

介绍一种利用气压辅助承载减小调整时螺旋副之间载荷的螺旋支腿及试验情况，并提出了螺旋支腿增加气压辅助结构，提高带载调整能力的应用建议。研究结果表明：气压辅助螺旋支腿通过气动力平衡螺旋副调整过程所受的负载，从而能够减少转动摩擦阻力，减小驱动功率，提高其承载能力。

螺旋传动；气缸；摩擦力

0 引 言

导弹、火箭地面支持设备上广泛采用螺杆-螺母的螺旋传动机构，实现承载状况下的升降调整，通过液压马达、减速器进行驱动[1～3]。因其滑动螺旋副的螺旋升角小于摩擦角时具有自锁特性，调整后位置不会变化，对于有位置保持要求的负载高度调整装置应用较多，如：运载火箭发射台支撑装置、火箭垂调装置、部分导弹发射车支腿等。

螺旋传动机构主要由齿轮盘、轴承、外套筒、螺杆、螺母、内套筒、衬套、球头及基座等组成，如图1所示。

由于传力螺旋主要失效形式是螺旋表面的磨损、螺杆拉断或螺牙强度破坏。设计时常以耐磨性计算和强度计算确定螺旋传动的主要尺寸。普通传力螺旋升降调整时的载荷，即耐磨性计算载荷与强度计算时的载荷相同，通常静强度余量较大。

图1 螺旋传动机构原理

1 螺旋传动静动载荷分析[4]

以某螺旋支腿为例按文献[4]进行螺旋传动静动载荷分析，设计要求最大载荷F为10 t，并能自锁。

螺杆材料选40Cr调质处理，许用应力sσ=540 MPa,由文献[4]可得：

螺母材料选棒QAl10-4-4R &95 GB4429-84，由文献[4]可得：许用抗拉强度[σb]=40～60 MPa，取[σb]=50 MPa；许用剪切强度[τ]=30～40 MPa，取[τ]=30 MPa。

1.1 耐磨性计算

许用比压[p]=7～10 MPa，取[p]=8 MPa。30°锯59.4 mm，由JB/ZQ432-86可选：外螺纹大径（公称直径）d=69 mm，螺距P=10 mm，外螺纹中径d2=62.5 mm，内螺纹大径D=70 mm，外螺纹小径d3=52.645 mm，内螺纹小径D1=55 mm的30°锯齿形螺纹，中等精度。

螺母高度H=ψd2=1.5×62.5=93.75 mm，取H=100 mm。则螺纹圈数n=H P=100/10=10 圈。

1.2 螺杠扭转强度验算

螺纹摩擦力矩：

式中 λ为螺旋升角，λ=8.24°；ρ′为螺牙锥角，此锯齿螺纹为0°。

将式（1）代入文献[4]表12-1-4中的式（4）得：

1.3 螺母螺纹强度验算

因螺母材料强度低于螺杆，故只算螺母螺纹强度即可。由文献[4]中表12-1-4得，牙根宽度b=0.74P=0.74×10=7.4 mm，基本牙型高H1=0.75P= 0.75×10=7.5 mm。代入文献[4]表12-1-4中的式（7）、式（8）有：

由计算可以看出，根据耐磨性计算设计出的螺旋副，螺杆、螺母的承载能力还有近3倍的余量，如果能使传力螺旋升降调整时作用在螺纹表面的压力减小70%以上，可以在结构尺寸没有较大变化的情况下，提高近3倍的承载能力，且驱动机构的功率下降至原来的1/3左右。

2 气压辅助螺旋支腿方案及试验情况

基于以上计算分析，研制了气压辅助螺旋支腿，如图2所示。该气压辅助螺旋支腿主要由进气端盖、活塞、上轴承、缸筒、螺杆、盖板、下轴承、球座、支撑盘等组成。需调整时将一定压力的气体充入活塞上部，气动力平衡掉大部分载荷，螺纹副之间载荷较小，转动阻力主要有平衡后的剩余螺旋副滑动摩擦力及两个球轴承的滚动摩擦力，所以转动阻力大大减小。此螺旋支腿试验时采用三点支撑重物方式，调整过程中受力基本不变，试验情况如表1所示。

图2 气压辅助螺旋支腿及试验工装

表1 实测不同充气压力状态转动力矩

从表1可以看出，通过气压力平衡螺旋支腿的负载，调整过程转动力矩下降至10%左右，有效降低了摩擦力矩。

3 气压辅助螺旋支腿应用建议[5～11]

当螺旋传动载荷达到几百吨甚至上千吨时，滑动摩擦副的设计有一定困难，结构尺寸、驱动机构都会比较笨重，如利用气压辅助螺旋支腿工作原理设计的更大吨位的任意位置能够锁止的升降调节装置应能避免以上问题。比如将图1所示螺旋传动机构增加气压辅助结构（见图3）——包括传力密封套、充气口、活塞，把螺母所受大部分负载通过传力密封套下部的气动力，传递给外套筒，从而减少转动摩擦阻力，减小驱动功率，提高其承载能力。

图3 气压辅助螺旋传动机构原理

气压辅助螺旋支腿实际应用需具备相应的措施，保证传动机构动作时其气压腔的容积变化，气压腔内的压力基本稳定，否则试验结果也可以看出压力过高、过低都会使摩擦阻力相对理想状况升高。对于载荷变化较大的传动机构，可以通过设置输出力传感器，通过采集判断所受负载的大小，控制充放气阀门，调节气压腔压力；对于载荷基本恒定的，也可以在气压腔设置压力传感器，通过控制系统采集判断压力，开关充放气阀门维持压力基本稳定；也可在螺母和螺杆之间设置位移传感器，利用螺纹间隙，判断、调整使螺纹受力维持在较小的水平。

4 结束语

通过计算分析，试验研究证明气压辅助螺旋支腿通过气动力平衡螺旋副调整过程所受的负载，从而能够减少转动摩擦阻力，减小驱动功率，提高其承载能力。另外本文针对常用的任意位置能够锁止的螺旋传动机构给出了气压辅助初步建议及维持气动力平衡负载的几种可应用的措施。

[1] 张利平. 液压气动系统设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1997.

[2] 雷天觉. 液压工程手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1990.

[3] 成大先. 机械设计手册（单行本）[M]. 北京:北京化学工业出版社, 2002.

[4] 成大先. 机械设计手册（第四版）第3卷[M]. 北京: 化学工业出版社, 2003.

[5] 方旭. 油囊式浮力调节装置的研制[D]. 武汉: 华中科技大学, 2012.

[6] 李高卫, 梅瑛, 李瑞琴, 等. 车辆辅助坡起柔性助力安全系统设计[J].机械设计与制造, 2014, (6): 46-48.

[7] 贾晨辉, 杨伟, 邱明. 锥面螺旋槽气体轴承静特性分析[J]. 润滑与密封, 2013, (2): 63-67.

[8] 杨钢, 郭晨冰, 李宝仁. 浮力调节装置实验研究[J]. 机床与液压, 2008, 36(10): 52-53.

[9] 彭欢, 张怀亮, 邹伟, 章国亮. 硬岩掘进机推进液压缸结构参数优化[J].机械工程学报, 2014, (21): 76-83.

[10] 王传礼, 何涛, 喻曹丰, 魏本柱, 马丁. 水液压技术在煤矿支护装备中的应用及其研究进展[J]. 液压与气动, 2016,(5): 1-7.

[11] 郭秦阳, 施光林, 何常玉, 王冬梅. 蓄能器变压力供油电液位置控制系统的复合补偿控制[J]. 液压与气动, 2016,(9): 1-9.

Experimental Research on Screw Lifting-leg with Air Cylinder

Huang Fu-you1, Chen Shi-chao1, Huang Jie2
(1.Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076; 2. Ιnner Mongolia University of Science & Technology School of Energy & Environment, Baotou, 014040)

Ιn this article, we introduce a helical leg (and its experimental conditions) which utilizes pneumatic auxiliary bearing to reduce the load between helical pairs during adjustment, propose an auxiliary structure of the helical leg to decrease pressure between helical pairs, and advise on how to improve the capacity of load adjustment. The research result shows that air pressure assisted spiral leg can adjust the suffered loading during the process through aerodynamic force balancing spiral pair, then to reduce the rotating frictional resistance,decrease the driving power and improve the load bearing capacity.

Spiral transmission; Cylinder; Friction resistance

V414

A

1004-7182(2017)04-0078-04

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170418

2016-12-02；

2017-06-29

黄福友（1973-），男，研究员，主要研究方向为推进剂加注与供配气、流体机械等