螺旋升降機(jī)的選用

王宇， 王艷豐

（1.鄭州嘉盛科技有限公司，鄭州 450007；2.力姆泰克（北京）傳動(dòng)設(shè)備有限公司，北京 100022）

1 引言

螺旋升降機(jī)又稱為絲桿升降機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿+絲杠螺母，采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)升降功能絲杠又分為梯形絲杠、滾珠絲杠、行星絲杠三種，常用推力范圍：2.5～120t，既可單臺(tái)使用也可多臺(tái)聯(lián)動(dòng)，并且提升高度可按需定制。

不同的結(jié)構(gòu)形式和裝配形式，使螺旋升降機(jī)具有安裝方便、使用靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、動(dòng)力源廣泛、無(wú)噪音、功能多、配套形式多、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)，所以在輕工行業(yè)、光伏行業(yè)、冶金機(jī)械、機(jī)器人、汽車生產(chǎn)線、軍工行業(yè)等螺旋升降機(jī)應(yīng)用比較廣泛。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于參考資料有限，許多技術(shù)人員對(duì)升降機(jī)的特性、選型、應(yīng)用還了解甚少，給升降機(jī)的推廣使用造成很大的困難，鑒于此，綜合廠家樣本、網(wǎng)站等資料并結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用，本文重點(diǎn)對(duì)如何選好、用好螺旋升降機(jī)問(wèn)題進(jìn)行剖析。

2 設(shè)計(jì)和選型計(jì)算

2.1 計(jì)算總機(jī)的當(dāng)量載荷Ws

總機(jī)的當(dāng)量載荷即為理論最大承載量，在升降機(jī)使用過(guò)程中，應(yīng)避免超載使用，否則易導(dǎo)致升降機(jī)毀壞、設(shè)備倒塌等，嚴(yán)重的會(huì)造成機(jī)毀人亡的后果，所以，計(jì)算總機(jī)的當(dāng)量載荷時(shí)常乘以一定的安全系數(shù)，其計(jì)算公式為：Ws=最大載荷Wmax×使用系數(shù)fs，fs參考值見(jiàn)表1。

表1 使用系數(shù)fs參考值

2.2 計(jì)算單臺(tái)升降機(jī)的當(dāng)量載荷W

總機(jī)的當(dāng)量載荷計(jì)算完成后，載荷要均勻分解到單臺(tái)升降機(jī)上，計(jì)算時(shí)，升降機(jī)如果單獨(dú)使用，則當(dāng)量載荷W=Wmax；多臺(tái)連動(dòng)時(shí)，其單臺(tái)升降機(jī)的當(dāng)量載荷W的計(jì)算公式為：W=Ws/使用臺(tái)數(shù)×連動(dòng)系數(shù)fd；連動(dòng)系數(shù)fd參考值見(jiàn)表2。

2.3 單臺(tái)升降機(jī)的負(fù)荷時(shí)間率（%ED）

單臺(tái)升降機(jī)的負(fù)荷時(shí)間率（%ED）以30分為單位計(jì)算，其中，梯形絲杠的負(fù)荷時(shí)間率不得超過(guò)20%ED，普通滾珠絲杠的負(fù)荷時(shí)間率不得超過(guò)30%ED

表2 連動(dòng)系數(shù)fd參考值

2.4 輸入功率計(jì)算校核

式中：V-升降機(jī)絲杠軸（活動(dòng)螺母）升降速度，mm/min。

L-絲杠螺距，mm；i-減速比；W-單臺(tái)升降機(jī)的當(dāng)量載荷，N；η-升降機(jī)的綜合效率；T0-空載扭矩，N·m。

考慮到系統(tǒng)效率低下和長(zhǎng)待工期，選擇電機(jī)力矩要高于計(jì)算值，如果計(jì)算負(fù)載所需輸入功率超過(guò)擬選用升降機(jī)容許最大輸入功率，則提高型號(hào)或降低絲杠軸轉(zhuǎn)速后再重新計(jì)算負(fù)載。

2.5 絲桿軸穩(wěn)定性校驗(yàn)

在壓力負(fù)載下過(guò)于纖細(xì)的絲桿會(huì)彎曲，因此絲桿在壓力負(fù)載下必須檢查極限軸向負(fù)載，因此當(dāng)絲杠承受軸向壓縮載荷時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性校驗(yàn)，如超過(guò)其臨界載荷值要提高型號(hào)后再計(jì)算。

式中：PCR-臨界載荷，N；d-絲桿底徑，mm；La-作用點(diǎn)間距離，mm；fm-支撐系數(shù)；SF-安全系數(shù)，一般 SF=4。

2.6 蝸桿軸伸的許用徑向力

蝸桿軸伸上，由于安裝齒輪、鏈輪或帶輪所產(chǎn)生的徑向力Fr，其最大許用力與起升力和型號(hào)有關(guān)。

為避免超出蝸桿的最大徑向負(fù)載Frmax，必須計(jì)算蝸桿的最小直徑Dmin。

式中：Dmin-蝸桿的最小直徑，m；Frmax-最大徑向力，N；n-蝸桿轉(zhuǎn)速，r/min；Mt-驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m。

2.7 其它校核項(xiàng)目

（1）當(dāng)所選類型為活動(dòng)螺母時(shí)，旋轉(zhuǎn)絲桿受到振動(dòng)時(shí)，應(yīng)該檢查絲桿轉(zhuǎn)速和極限轉(zhuǎn)速，并且絲桿的極限轉(zhuǎn)速nc要大于絲桿的理論轉(zhuǎn)速n2，結(jié)果見(jiàn)圖1。

式中：nc-絲桿的極限速度，1/min；n2-絲桿的理論速度，1/min；Lb-支撐間距離，mm。

（2）當(dāng)有橫向載荷時(shí)，需校核允許側(cè)向力

側(cè)向負(fù)載 Fs作用在絲桿和運(yùn)動(dòng)螺母上，增加了絲桿壓力，絲桿摩擦增加升降機(jī)壽命變短，所以要根據(jù)歐拉公式計(jì)算允許的側(cè)向負(fù)載力，若超過(guò)允許值則要外加導(dǎo)向器。

（3）當(dāng)升降機(jī)傳動(dòng)配置為串聯(lián)時(shí)，即同一軸線配置了兩個(gè)或以上數(shù)量的升降機(jī)，需對(duì)各升降機(jī)輸出軸端進(jìn)行強(qiáng)度校核。

（4）行程校核

選擇的行程在使用行程上留有余量，同時(shí)充分考慮輸出絲杠有無(wú)防塵伸縮罩、絲杠軸運(yùn)動(dòng)慣性、各種頂端輸出部件等。

3 選型注意事項(xiàng)

（1）選擇升降機(jī)時(shí)，不論靜載、動(dòng)載、沖擊載荷均不得超過(guò)升降機(jī)允許承受的最大載荷，根據(jù)安全系數(shù)、使用行程、校對(duì)絲桿的穩(wěn)定性選擇具有充分容量的升降機(jī)。

（2）絲桿轉(zhuǎn)速要與承受的載荷進(jìn)行搭配，對(duì)于升降機(jī)的容許最大載荷、容許外加載荷、容許絲桿的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行校驗(yàn)，如果超過(guò)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)將會(huì)造成升降機(jī)設(shè)備整體的重大損傷。

（3）升降機(jī)在工作時(shí)，其減速部表面溫度應(yīng)控制在-15℃～80℃的范圍之內(nèi)，確保活動(dòng)螺母的表面溫度也在上述范圍之內(nèi)；在零攝氏度以下工作時(shí)，因受潤(rùn)滑油粘性變化的影響使得整機(jī)效率下降，所以必須選擇充足的驅(qū)動(dòng)源。

（4）輸入軸容許轉(zhuǎn)速為1500r/min，輸入軸不得超過(guò)此轉(zhuǎn)速；驅(qū)動(dòng)源的啟動(dòng)扭矩應(yīng)確保在使用扭矩的200%以上；另外盡量避免選用扭矩限制器，因?yàn)槟壳芭ぞ叵拗破骷夹g(shù)不夠穩(wěn)定，功能性沒(méi)有保障，小扭矩尤其突出。

（5）對(duì)于在同一軸線上連接數(shù)臺(tái)升降機(jī)時(shí)，請(qǐng)務(wù)必對(duì)輸入強(qiáng)度進(jìn)行校核，使每臺(tái)升降機(jī)的扭矩都在其容許輸入扭矩之內(nèi)。

圖1 絲桿極限轉(zhuǎn)速和絲桿長(zhǎng)度關(guān)系

（6）梯形絲杠升降機(jī)理論上具有自鎖功能，但工作在振動(dòng)較大的場(chǎng)合會(huì)導(dǎo)致自鎖功能失靈，因此須外加一制動(dòng)裝置或選擇帶有制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源；滾珠絲杠升降機(jī)本身不具有自鎖功能，為了防止由于軸向載荷和絲杠的自重而產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)，必須加制動(dòng)裝置或選擇帶有制動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源，并確保制動(dòng)扭矩大于保持扭矩。表3為兩種升降機(jī)比較。

表3 梯形絲杠升降機(jī)和滾珠絲杠升降機(jī)比較

（7）選擇制動(dòng)電機(jī)時(shí)一般都要帶釋放功能，如果不帶釋放功能，在電機(jī)斷電后，制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)將電機(jī)軸抱死，在不拆電機(jī)的情況下，升降機(jī)將無(wú)法維修。

（8）輸出頂端及附加部件的確認(rèn)

根據(jù)使用條件、灰塵的多少來(lái)選擇防塵伸縮罩；根據(jù)輸出頂端的聯(lián)接方式來(lái)選擇頂端輸出部件及其它（如計(jì)數(shù)器）。

（9）回程誤差一般控制在0.02mm以內(nèi)。

4 升降機(jī)的安裝與維護(hù)

（1）布置：通常由偶數(shù)臺(tái)升降機(jī)組成（升降臺(tái)是圓面時(shí)為3臺(tái)），升降機(jī)的絲桿在外側(cè)、蝸桿在內(nèi)側(cè)，電機(jī)或減速電機(jī)布置在升降臺(tái)內(nèi)（布置在升降臺(tái)外時(shí)第一臺(tái)升降機(jī)的蝸桿受力大易斷裂），一般每臺(tái)升降機(jī)只可以帶動(dòng)另一臺(tái)從動(dòng)，多了則蝸桿受力大易斷裂。

（2）安裝：總的原則“橫平豎直”，傳動(dòng)軸與電機(jī)、換向器、升降機(jī)的聯(lián)結(jié)平行不能吃勁，絲桿上下垂直，升降臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)軌平行、間隙合適。平行誤差和由其產(chǎn)生的壓力將會(huì)增加動(dòng)力的消耗，并且會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱和磨損。

（3）當(dāng)升降機(jī)工作在多灰塵的場(chǎng)所中請(qǐng)務(wù)必選擇防塵罩伸縮套附件來(lái)保護(hù)絲桿，在室外使用時(shí)請(qǐng)務(wù)必考慮使用罩殼等裝置，使機(jī)器不直接受到風(fēng)吹雨打，常見(jiàn)使用環(huán)境見(jiàn)表4。

（4）升降機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)對(duì)電機(jī)都有沖擊，升降臺(tái)有顫動(dòng)，最好選用軟啟動(dòng)方式；試運(yùn)行前要檢查功能和限位開(kāi)關(guān)，初次測(cè)試提升系統(tǒng)不要加負(fù)載，無(wú)異常時(shí)再逐漸增加負(fù)載，檢查任何發(fā)熱點(diǎn)和齒輪箱的溫升。

（5）在有負(fù)載的情況下，不要將滾珠絲杠的輸入軸驅(qū)動(dòng)方式變?yōu)槭謩?dòng)操作，負(fù)載有可能會(huì)造成輸入軸旋轉(zhuǎn)非常危險(xiǎn)；在升降機(jī)工作時(shí)，不得進(jìn)行人為的強(qiáng)行停機(jī)，否則將使升降機(jī)受到嚴(yán)重破損。

（6）對(duì)梯形齒絲杠外徑進(jìn)行磨削，達(dá)不到提高壽命的目的，因?yàn)槟ソz杠外徑是為了加工長(zhǎng)絲杠時(shí)保證絲杠中徑公差，與壽命無(wú)關(guān)；如果磨中徑齒面提高壽命，但價(jià)格將成倍增加。

表4 升降機(jī)的使用環(huán)境

（7）工作環(huán)境溫度對(duì)電機(jī)功率有較大影響（見(jiàn)圖2），電機(jī)實(shí)際最大輸入功率=額定最大輸入功率×溫度系數(shù)ft。

圖2 溫度系數(shù)ft隨溫度的變化曲線

（8）絲桿要定期清潔和潤(rùn)滑，每500h或每18個(gè)月齒輪箱油脂必須更換，完成維護(hù)后，檢查絲桿螺母的磨損，測(cè)量絲桿和螺母之間的軸向活動(dòng)量，如果超過(guò)了最大值，要全面檢查和修理，最好是送回廠家修復(fù)。如果軸向間隙磨損超過(guò)了絲桿導(dǎo)程的四分之一，必須更換螺母。

5 多臺(tái)升降機(jī)聯(lián)動(dòng)的應(yīng)用注意事項(xiàng)

（1）同步：多臺(tái)電機(jī)或減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)相聯(lián)接以保證同步，聯(lián)接軸以萬(wàn)向傳動(dòng)軸較好，剛性傳動(dòng)軸則用柔性聯(lián)軸器以調(diào)整安裝誤差；此外還有用伺服電機(jī)保證同步、PLC和變頻器保證同步等方案。

（2）速度：以小于10mm/s合適，速度大于10mm/s需加導(dǎo)向，否則升降臺(tái)運(yùn)行時(shí)會(huì)振動(dòng)；螺母運(yùn)動(dòng)升降機(jī)的絲桿頂端要有固定軸承座，否則絲桿會(huì)擺動(dòng)。

（3）導(dǎo)向：導(dǎo)向機(jī)構(gòu)應(yīng)考慮X-Y方向的受力平衡，且多種選擇方式：桿在管中運(yùn)動(dòng)的直線滑軌形式；有像火車車輪在鐵軌滾動(dòng)的形式；還有V型輪在角鋼滾動(dòng)的形式等等。

（4）限位：升降機(jī)限位開(kāi)關(guān)不能用來(lái)控制動(dòng)作，它只是保護(hù)升降機(jī)不超行程，如要控制動(dòng)作，則要自備限位開(kāi)關(guān)直接裝在升降臺(tái)上。