剪刀臂傳動系統軸向竄動分析

鄭永平，崔 雨

直連傳動機構由馬達，減速機及絲杠等組成。根據某些特殊行業或設備單一故障要求，需要在抱閘電機之外配置第二剎車組件（見圖1）。電機扭矩與絲杠驅動力關系為

圖1 通用型直連傳動系統

式中：Tmotor—電機扭矩（N.m）；Fa—絲杠產生的驅動力（N）；Ph—絲杠導程（mm）。

直連傳動機構在垂直運動過程中受力恒定，而用作剪刀臂升降機構中的水平絲杠時力隨升降角度不斷變化（見圖2）。由虛功原理推導Q×dy-Fdx=0，得到其受力F=Qcos（）θ 為非線性關系，隨角度減小受力急劇加大，當θ=10°時，cot（）θ ≈5.7，F≈5.7×Q 具有放大作用。

圖2 剪刀臂升降受力簡圖

假設負載為307 kg，考慮機構重量，計算出F 的受力曲線（見圖3），可知當θ≈8.9°時F≈43kN。

圖3 負載與軸向受力關系

1 軸向竄動分析

（1） 有限元分析

首先，對支撐底座單獨進行受力分析。該支撐底座通過6 個地腳螺栓固定于地面（見圖4），筆者提取對軸向傳動有影響的軸承座位置進行分析，可以看出，支撐底座（提取線1～2 位置） 在軸向力的拉升下發生上翹變形，最大值為0.4 mm（見圖5）。

圖4 優化地腳約束條件

圖5 支撐底座變形

加入傳動系統后再進行分析，為提高分析效率對導軌及軸承進行剛性簡化（見圖6～圖7）。提取絲杠沿軸線的伸長量，結果顯示最大伸長0.395 mm（見圖8）。

圖6 導軌剛性簡化

圖7 軸承剛性簡化

圖8 絲杠變形提取

通過以上分析，發現支撐底座的上翹變形對絲杠的軸向伸長有較大貢獻。由此可知傳動系統軸向實際竄動方式（見圖9）。

圖9 系統真實變形

（2） 實測數據

筆者采用端面打表方法測量對應端面的軸向實際竄動量，考察剪刀臂從高端運動到最底端過程中隨受力逐步增大而引起的軸向竄動（見圖10）。

圖10 測量位置示意圖

對比分析數據與實測數據，發現軸承座端面竄動對絲杠軸向竄動的貢獻率達63% （取平均值估測） （見表1）。

2 改進方案

檢測位置 設備A 設備B 設備C 平均值（mm）軸承座中間 0.34 0.4 0.5 0.41絲杠軸肩 0.47 0.45 0.65 0.52絲杠右端 0.65 0.55 0.75 0.65

由以上分析可知，減少絲杠軸向竄動最主要的是防止軸承座發生翻轉變形，而軸承座翻轉變形源于支撐底座發生變形。因此，筆者決定將地腳螺栓數量增加到8 個（見圖11），再次分析顯示軸承座的翻轉變形減小到0.038 mm。改進前軸承座的變形量是改進后的10.5 倍，可見軸承座變形大大降低（見圖12），如此必將大大減少絲杠的軸向變形量。

圖11 優化地腳約束條件

圖12 提取軸承座對應位置變形

3 結 語

本文通過分析剪刀臂直連傳動系統受軸向力作用時引起軸向竄動的原因，找到水平傳動絲杠軸向伸長主要源自軸承座和底座受載后發生變形，通過采取增加軸承座和底座剛性的方法，最終使軸承座變形大大降低，有效減少水平絲杠的軸向伸長量。