消除螺紋間隙的結(jié)構(gòu)和方法

周文浩，趙西韓，馬強(qiáng)，沈少華，倪偉民

（.中國重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710032；2.浙江久立特材科技股份有限公司 吳興分公司，浙江 湖州 313008）

0 引言

許多機(jī)械設(shè)備在使用過程中采用絲桿螺母機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)一些關(guān)鍵部位的行程。由于制造過程中加工精度不高造成的誤差，以及設(shè)備長時(shí)間工作后發(fā)生的機(jī)械磨損等原因，導(dǎo)致螺紋副配合間隙量過大。它們不僅會(huì)降低設(shè)備的調(diào)整精度和工作效率，還會(huì)造成振動(dòng)沖擊，從而影響整個(gè)設(shè)備的使用壽命。

本文針對(duì)幾種典型的絲桿螺母機(jī)構(gòu)，提出了不同的消除螺紋間隙的結(jié)構(gòu)和方法，以減小絲桿螺母之間的沖擊，從而達(dá)到延長設(shè)備的使用壽命的目的。

1 幾種典型機(jī)構(gòu)

1.1 第一種機(jī)構(gòu)

圖1 是最簡(jiǎn)單的一種消除螺紋間隙的方法，它通過螺栓的預(yù)緊力來平衡絲桿的重量，從而將螺紋間隙消除。采用這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是螺栓不僅起到了消除螺紋間隙的作用，還起到了軸向定位的作用。缺點(diǎn)也很明顯，每次絲桿調(diào)整完成之后，必須重新調(diào)整鎖緊螺釘3 才能重新消除間隙量。

圖1 第一種機(jī)構(gòu)

1.2 第二種機(jī)構(gòu)

圖2 機(jī)構(gòu)和圖1 第一種機(jī)構(gòu)原理基本相同，兩個(gè)工件通過螺紋副做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，螺母固定不動(dòng)，絲桿旋轉(zhuǎn)送進(jìn)。所不同的是，絲桿前進(jìn)過程中，鎖緊螺母6 可以持續(xù)為螺母提供平衡力。本結(jié)構(gòu)采用彈簧裝置來平衡絲桿重量，使得螺紋副的運(yùn)動(dòng)更加精確。對(duì)于重載機(jī)構(gòu)，彈簧3 可以更換為碟簧。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行，而且也便于拆裝維護(hù)。

1.3 第三種機(jī)構(gòu)

圖3 中，主螺母2 和輔螺母3 均與絲桿1 組成螺旋副，輔螺母3 還和主螺母2 使用細(xì)牙螺紋配合。裝配完成之后，將輔螺母3 向外旋，從而拉緊主螺母2 和絲桿1，直至消除他們之間的間隙，然后再使用止動(dòng)墊片嵌入輔螺母3 的止動(dòng)槽內(nèi)將其固定。這種機(jī)構(gòu)巧妙地利用了螺紋螺距的不同從而將主螺母制動(dòng)的原理，在滾珠絲桿機(jī)構(gòu)中，得到了廣泛應(yīng)用。

圖2 第二種機(jī)構(gòu)

圖3 第三種機(jī)構(gòu)

1.4 第四種機(jī)構(gòu)

圖4 第四種機(jī)構(gòu)

在重型機(jī)械行業(yè)中，許多絲桿需要承受重載，彈簧機(jī)構(gòu)一是承載能力有限，二是由于載荷的增加，調(diào)整起來非常不易，因此考慮使用液壓缸來代替彈簧裝置。圖4 就是一種典型的結(jié)構(gòu)，圖中，銅螺母軸向固定，在蝸桿的作用下沿著軸線旋轉(zhuǎn)，絲桿沿著軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)但是不能旋轉(zhuǎn)。在絲桿上方液壓缸活塞桿向上拉動(dòng)拉桿，拉桿再拉動(dòng)絲桿，從而消除螺紋絲桿之間的間隙。當(dāng)絲桿進(jìn)行調(diào)整時(shí)，液壓缸壓力調(diào)整到活塞桿向上的作用力恰好與絲桿及絲桿下方零部件重力達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，絲桿與銅螺母之間的阻力將會(huì)變小，從而降低磨損。調(diào)整完成之后，調(diào)整液壓缸的壓力，使得絲桿向上緊密貼合銅螺母，當(dāng)絲桿受到向上的沖擊時(shí)，沖擊直接通過螺紋的剛性接觸傳遞給銅螺母，并最終傳遞到機(jī)架。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)帶負(fù)荷調(diào)整，從而降低電機(jī)的負(fù)載，缺點(diǎn)也很明顯，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的局限性它只能應(yīng)用于絲桿不能旋轉(zhuǎn)的部位。

1.5 第五種機(jī)構(gòu)

如圖5，這種結(jié)構(gòu)中，螺母固定不動(dòng)，絲桿沿著軸線旋轉(zhuǎn)送進(jìn)，活塞桿內(nèi)部和絲桿也組成螺紋副。采用這種機(jī)構(gòu)時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)至關(guān)重要。調(diào)整過程中，如果液壓系統(tǒng)采用平衡壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，全部載荷都將集中在活塞桿這一小段，使得局部機(jī)械磨損急劇增加，并且容易發(fā)生螺紋副抱死事故。因此在調(diào)整過程中，液壓系統(tǒng)需要卸荷，使得絲桿在調(diào)整過程中受力均勻分布從而減小磨損。當(dāng)絲桿調(diào)節(jié)到工作位置后，再將液壓系統(tǒng)壓力升高，活塞桿拉緊絲桿從而消除螺紋間隙造成的對(duì)設(shè)備的沖擊。采用這種機(jī)構(gòu)時(shí)，活塞桿的材料必須采用銅或者其他耐磨金屬，防止絲桿長時(shí)間磨損發(fā)生剛性粘連損壞絲桿；另外，這種機(jī)構(gòu)的調(diào)整當(dāng)量與最終平衡后的當(dāng)量誤差較大，因此設(shè)計(jì)過程中盡量不要采用這種機(jī)構(gòu)。

圖5 第五種機(jī)構(gòu)

圖6 第六種機(jī)構(gòu)

1.6 第六種機(jī)構(gòu)

如圖6，這種機(jī)構(gòu)采用液壓平衡缸將絲桿下方的設(shè)備提起，從而消除整個(gè)機(jī)構(gòu)機(jī)械配合之間的間隙量。采用這種機(jī)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以靈活地調(diào)整液壓缸的位置，使整個(gè)機(jī)構(gòu)受力達(dá)到平衡。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)液壓缸作用時(shí)，不僅將螺紋絲桿間隙全部拉緊消除，而且還將設(shè)備其它軸向配合間隙尺寸也一并消除，同時(shí)，當(dāng)液壓缸的壓力調(diào)整合適時(shí)，它還可以實(shí)現(xiàn)無間隙調(diào)整。這種機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)中，尤其是各種軋機(jī)設(shè)備中。

1.7 第七種機(jī)構(gòu)

如圖7，這種機(jī)構(gòu)采用液壓缸來平衡絲桿的重量。由于絲桿在調(diào)整過程中一邊旋轉(zhuǎn)，一邊前進(jìn)，因此在液壓缸頂部布置有推力軸承，使用推力軸承來承受平衡力，同時(shí)液壓缸活塞桿隨著絲桿的前進(jìn)一起隨動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：

1）可以進(jìn)行無間隙調(diào)整，保障了設(shè)備的調(diào)整精度。采用這種機(jī)構(gòu)時(shí)，調(diào)整過程中，液壓缸活塞桿始終伴隨著絲桿動(dòng)作，并且通過推力軸承機(jī)構(gòu)給絲桿一個(gè)向上的推力，使得絲桿始終向上緊緊貼合螺母，因而其調(diào)整精度較高。2）這種機(jī)構(gòu)在調(diào)整過程中，對(duì)于液壓系統(tǒng)的要求沒有第五種機(jī)構(gòu)要求的那么嚴(yán)格，不需要頻繁進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。液壓缸的推力通過推力軸承傳遞給絲桿，整個(gè)螺紋副的受力較為均衡。3）由于平衡力的存在，絲桿螺母之間的摩擦力減小，從而減小磨損，提高了整個(gè)螺紋副的使用壽命。4）通過調(diào)整液壓系統(tǒng)卸荷壓力到合適的大小，使得絲桿不管是向上還是向下調(diào)整，都能夠自始至終得到一個(gè)平衡壓力，從而實(shí)現(xiàn)絲桿行程的精密調(diào)節(jié)。

這種機(jī)構(gòu)整合了圖4 和圖6 的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)絲桿旋轉(zhuǎn)前進(jìn)過程中的同步平衡。但是由于它結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)機(jī)械加工和裝配的要求較高，因此一般應(yīng)用于調(diào)整精度要求較高的場(chǎng)合。

圖7 第七種機(jī)構(gòu)

2 平衡機(jī)構(gòu)應(yīng)用示例

圖8 為某國產(chǎn)4 200厚板軋機(jī)上的上軋輥平衡裝置簡(jiǎn)圖，上軋輥通過安裝在壓下螺絲兩端的4 個(gè)柱塞缸進(jìn)行平衡，4個(gè)柱塞缸向上的作用力作用在平衡機(jī)構(gòu)上，平衡機(jī)構(gòu)通過4 個(gè)拉桿拉緊上軋輥的軸承座。該機(jī)構(gòu)中，蝸輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲桿上下移動(dòng)以調(diào)節(jié)軋輥輥縫，該機(jī)構(gòu)與圖6 原理本質(zhì)上是一致的，都是直接拉緊軸承座以消除壓下絲桿與螺母、以及軋輥軸承座與絲桿之間等各部位之間的間隙量，最終達(dá)到軋輥平穩(wěn)工作的目的。

圖8 四缸式液壓平衡裝置

3 結(jié)語

通過上面幾種機(jī)構(gòu)我們可以看出，對(duì)于不同的螺紋配合方式，應(yīng)當(dāng)采用合適的方法來減小并消除螺紋間隙，以消除工作過程中間隙量造成的危害。在許多設(shè)備中，對(duì)于設(shè)備間隙量的消除，往往幾種辦法一起實(shí)施，使得間隙量對(duì)設(shè)備使用性能的影響最小化。靈活運(yùn)用各種方法來調(diào)整不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的間隙量，在重型機(jī)械和一些特種機(jī)械設(shè)備中，具有舉足輕重的作用，甚至有時(shí)會(huì)關(guān)系到整個(gè)設(shè)計(jì)的成敗。

［1］黃慶學(xué).軋鋼機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［2］（美）Sclater N.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用機(jī)構(gòu)與裝置圖冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］周文浩.一種消除螺紋間隙的系統(tǒng)：中國，CN201220200223［P］.2012-12-19.