塞拉门机构中丝杠磨损分析

段东梅 黄兵 张毅迪

摘 要：丝杠的磨损过程与润滑状态、受力、材料等多种方面有关，文章以塞拉门机构中丝杠螺母副为例，定量的研究丝杠的磨损量。首先分析确定丝杠的磨损类型为磨粒磨损，通过simulation仿真确定丝杠最大允许磨损深度为设计尺寸Δ。基于Archard磨损模型对丝杠的磨损建立磨损模型，同时建立丝杠受力模型，通过计算得出保证丝杠在允许磨损范围Δ内丝杠表面硬度至少应为401.85HV。最终通过寿命试验，将试验现象与验证理论计算进行拟合，对后续塞拉门机构丝杠选材及表面处理提供了一定参考价值。

关键词：丝杠;磨损;Archard模型;硬度

中图分类号：TH132.1  文献标识码：B  文章编号：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

塞拉門机构中通过丝杠螺母副实现运动的转化与传递，丝杠螺母将电机旋转运动转化成直线运动，并通过螺母的直线运动完成双门扇的运动，所以丝杠螺母运行的平稳性关系到塞拉门系统是否能正常开关。

实际中，在完成一定次数的塞拉门系统开关后，由于冲击、振动等各种原因丝杠表面往往出现划痕、凹坑甚至表面涂层剥落漏出金属母材等各种磨损状态，磨损量越多，丝杠螺母的配合间隙越大，最终导致两门扇运动不同步，塞拉门系统运行噪声增大，甚至出现开关门卡顿等问题。丝杠表面的失效与丝杠的材料、受力、磨损类型、表面处理、允许磨损深度等各方面有关。塞拉门机构中丝杠的磨损是一门复杂学科，一直以来，对磨损研究都处于定性的研究，张岩^[1]对车辆机械的磨损形式进行了分类总结并提出了三种控制磨损的方法，对零件的磨损提出预防性措施，增加延长了机械零件的寿命;赵义鹏^[2]等基于视觉听觉信息对磨损位置及磨损量进行了检测计算;李聪波^[3]等以机床为例，基于修正的Archard模型形成一种磨损深度的计算，并通过试验验证证明在一定条件下，磨损次数与磨损深度的关系。桂长林^[4]等建立了Archard的磨损设计计算模型及其应用方法，并通过试验确定了磨粒磨损的磨损系数，该文也得出Archard磨损模型只适用于一定的条件，即正压力与材料硬度符合;刘晓叙^[5]介绍了计算机械磨损磨损寿命的常用方法，并对不同方法进行了比较;蔡振兵^[6]等以硬质涂层为研究对象，总结了其耐冲击、冲蚀性的研究现状与进展，朱华^[7]等分析了多种非线性理论研究，确定了分形、混沌、小波理论对摩擦学理论研究的作用。以上研究都只是基于物理模型的定性说明，对于不同应用场合不同磨损状态的研究及对磨损的定量研究较少，对于磨损的定量研究，胡波^[8]建立了渐开线齿轮计算模型，对齿轮的磨损进行了定量计算;吴保群等^[9]轧机压装置重载丝杠螺母副的摩擦学特性与载荷之间的关系进行了研;魏国庆^[10]对金属的磨损失效形式及改善措施进行了分类总结。

本文以塞拉门机构丝杠螺母副为研究对象，在丝杠母材、表面处理方式一定的条件下，研究分析丝杠的磨损类型，通过Archard磨损模型计算在工程允许的磨损范围内材料表面的最小硬度。

1 塞拉门机构中丝杠磨损类型的确定

金属材料的磨损指金属材料部件自身的相关副表面之间的产生的相互接触与摩擦以及相关运动作用导致的金属材料表面出现的损耗，金属材料按其表面的磨损机理可将磨损划分为：磨粒磨损、黏着磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等。

在实际应用中，为減小丝杠磨损，螺母通常采用非金属，同时在丝杠螺母副中间，往往涂有二硫化钼进行润滑，正常良好润滑状态应为丝杠与螺母之间存在一层润滑油膜，如图1，润滑油膜对磨损进行自补偿及保护，理论分析，磨损应发生在为非金属的螺母上，但实际应用中发现，丝杠表面也会存在划痕、凹坑等磨损。将丝杆拆卸后观察，丝杠表面存在金属渣、沙尘等颗粒浸在润滑脂中，附着在丝杠表面。丝杠表面的金属与非金属杂质，将丝杠与螺母分开，打破了原有的良好的润滑界面，且杂质与丝杠及螺母分别形成了新的润滑界面，如图2。这种润滑界面存在金属-非金属、金属-金属等多种复杂的润滑临界面，甚至出现金属渣与丝杠的直接接触，这种有一定的润滑作用又存在松散的杂质磨粒，使丝杠螺母间形成了复杂的磨损的状态，机械上称为磨粒磨损，同时由于冲击、振动等各种影响，使丝杠表面产生凹坑甚至表面涂层剥落。

2 塞拉门机构中丝杠磨损分析计算

2.1 丝杠磨损因素分析

本文以塞拉门机构丝杠为例，假设安装调试后丝杠与螺母轴线重合，即不存在安装误差导致的丝杠螺母副的磨损。关于丝杠相关参数如下表：

根据经验并考虑丝杠螺母的实际配合为间隙配合，对丝杠的最大允许磨损深度设计为Δ=0.025mm，当磨损量超过Δ，丝杠螺母间隙增大，丝杠螺母副不能正常运行。考虑到在塞拉门机构中，由于负载的存在会使丝杠发生变形，变形量过大时导致丝杠螺母副运动卡滞并加剧丝杠磨损。为确定丝杠变形对丝杠磨损影响的大小，用simulation模拟出丝杠最大变形量，如果丝杠在载荷下的最大变形量小于Δ，即丝杠的变形对丝杠的磨损在最大允许磨损深度Δ内，所以丝杠变形导致的磨损可不考虑。

假设门扇的全部重量都在丝杠上，根据实际工况，丝杠为两段固定支撑方式，根据力学知识知，将力集中加载在杆中间，丝杠的变形量最大，加载力为单扇门门扇的重量。固定及加载方式如图3（a），模拟结果如图3（b）。

根据模拟结果，丝杠的最大变形量为3×10^-4mm，远小于丝杠的设计公差Δ=0.025mm，根据仿真结果丝杠变形引起的磨损量可不考虑。

2.2 丝杠磨损模型的建立

在正常工况下，丝杠作为传动零部件，其所受正压力与丝杠表面硬度的关系满足，符合Archard磨粒模型建立的条件。根据Archard磨粒磨损设计计算模型，如图4所示，当一固紧磨粒在法向载荷δN的作用下，压入被磨表面深Z并在表面上滑动δL的距离后，得到以下关系式：

则丝杠最大磨损量为：

式中：

V—磨损量（磨损体积）;

l—磨损行程;

z—磨损深度。

又，根据Archard磨损计算公式：

根据式（1）可知，丝杠的磨损量与磨损系数K、法向载荷N、最大磨损行程L、硬度H相关。

2.3 最大允许磨损深度Δ下丝杠表面硬度计算

在实际应用中，丝杠膜厚要求为AA40-AA60，该膜厚比最大允许磨损深度Δ大，即丝杠在最大允许磨损深度要求之内时，只有丝杠表面氧化层被磨损，磨损深度并未到达金属母材层。又丝杠螺母磨损类型为磨粒磨损，选取磨粒磨损系数取K=2×10^-3，K是无量纲参数。

下面确定丝杠所受正向载荷N，为降低理想理论值对整个预测系统的影响，采用试验法先测量电机输出力矩，同时采用力矩扳手测试丝杠上实际接收到的力，将力矩通过测力扳手转换成力。通过大量数据分析，当电机电压相同时，在电机额定功率内电机输出不同的电流时，电机的输出力矩与丝杠上接受到的力的关系为：电机上输出力矩为3.4N·m时，丝杠上的输出力约为100N。在门扇开关过程中，电机输出电流在0.5A～8A之间波动，为排除电机本身的影响，选取了四种不同型号的电机A、B、C、D在110V相同电压下分别测试了不同电流下电机的输出力矩，试验数据如表2，最终取平均值进行同比例计算得出丝杠中实际接收到的力。

根据关系式同比得出丝杠受力为：

式中：

T—平均力矩;

F—丝杠平均受力;

又电机对丝杠的驱动力与丝杠所受正压力之间的关系如图5：

根据图5，丝杠所受正压力与丝杠上所测受力间的关系为：

式中：

N—丝杠所受正压力;

将N、K、L、V带入式（1）得：

即丝杠表面硬度至少为401.85HV才能保证丝杠的磨损量在最大允许磨损范围之内。

2.4 塞拉门机构寿命试验后丝杠磨损量

下面根据上述模型对丝杠螺母副进行实际工况模拟，为降低试验的偶然性对试验结果的影响，随机抽取两根同类型同批次经入库检合格的丝杠1号、丝杠2号，在同样负载及运行环境下进行寿命试验，在完成相同次数寿命试验后每根丝杠取5个点进行了尺寸测量，得出结果如下表3：

根据表3试验数据可知，在完成寿命试验后，丝杠都会存在不同情况的磨损，但丝杠磨损量都在最大允许磨损深度Δ之内，试验结果与理论推导基本符合，由此可知，在正常塞拉门机构丝杠运行工况下，要保证丝杠在最大允许磨损量内，丝杠的表面硬度至少为401.85HV。

3 讨论

丝杠表面为硬质阳极氧化AA40～AA60，经入库检，丝杠表面硬度为HV400～HV600之间，但试验中发现，Achard磨损模型中对丝杠磨损基本适用，但丝杠局部尤其靠近门扇关闭的位置也出现磨损严重，甚至漏出金属母材，如图6。

Achard磨损模型中磨损量与法向载荷成正比的条件是，正压力不超过H/3，一旦正压力超过H/3，意味着整个接触表面的表层下材料开始发生塑性变形，磨损量急剧增大。

经分析为以下原因：

（1）在门靠近关闭位置，由于门扇冲击等原因导致丝杠受到的正压力，已不符合Archard磨损模型条件;

（2）文中计算未考虑丝杠变形，但实际中由于加工误差、安装误差丝杠变形是肯定存在的，由于丝杠的变形导致丝杠受力，在进行长时间的寿命试验后，丝杠磨损加剧;

（3）丝杠本身在加工时，局部阳极氧化膜厚不符合设计要求，或阳极氧化过程中局部硬度未达到要求，导致局部硬度降低，磨損量加重。

4 总结

本文结合实际应用场景，确定了丝杠的磨损为磨粒磨损，在Archard磨损模型基础上，分析了正常应用条件下的丝杠磨损的理论计算，得出在塞拉门机构丝杠螺母副中，丝杠最大允许磨损深度为设计尺寸Δ=0.025mm时，材料的表面硬度至少应为401.85HV，并通过试验测试，试验结果较好的拟合了理论计算值，所建立的物理计算过程基本符合丝杠实际磨损过程。

研究也发现，冲击振动对丝杠的磨损作用相当明显，冲击振动导致丝杠受力增大加剧丝杠磨损，所以如何设计有效的缓冲装置使丝杆受到的冲击振动有效的释放将会是未来设计和研究的重点。

参考文献

[1] 张岩.车辆机械零件的磨损与预防[J].现在制造技术与装备，2018， 1：164-167.

[2] 赵义鹏，李勇斌等.基于视听信息的滚珠丝杠滚道磨损检测[J].制造业自动化，2018，11：12-19.

[3] 李聪波等.基于Archard模型的机床导轨磨损模型及有限元分析[J].机械工程学报，2016，15.

[4] 桂长林.Archard的磨损设计计算模型及其应用方法[J].

[5] 刘晓叙等.机械零件磨损寿命计算方法的比较与探讨[J].机械工程师，2010，4：38-40.

[6] 蔡振兵等.硬质涂层冲击、冲蚀性能的研究进展.机械工程学报[J]. 2017，24.

[7] 朱华等.摩擦学问题研究的非线性理论方法.机械工程学报[J]. 2010，15：82-86.

[8] 胡波.摩擦磨损的计算与专家系统的研究与开发[J].华南理工大学， 2019.

[9] 吴保群，徐建生.重载丝杠螺母副的摩擦学系统模型的建立[J]. 2002，5：37-39.

[10] 魏国庆.金属磨损失效及改善措施[J].2017，14：113-114.