蜗轮蜗杆自锁失效原因分析_张天才

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推 介

Design 摘　要：蜗轮蜗杆机构在具备一定条件后就会具有较好的自锁性，但是传动机构却会出现失效的状态。通过对失效的机理进行分析得出结论，同时对驱动制动装置的功能作用进行深入分析。关键词：自锁 摩擦角 螺旋升角

蜗轮蜗杆自锁失效原因分析

张天才 河南省新乡市第134厂

高群永 上海宝钢集团

一、 轧钢作业时立辊轧机的主要功能

轧钢作业时立辊轧机的主要功能有两个：其一是对板坯进行宽度方向侧压、其二是限制穿带板坯的宽度方向的延展。其传动机构为马达驱动蜗轮蜗杆推动立辊开度变化。

在传动设备中，因为蜗轮蜗杆机构具备良好的自锁性而应用于广泛。但是在实际运用的过程中存在这种情况：当马达驱动蜗轮蜗杆传动时，当在承载过程中如果马达制动机构失效的时候，立辊开度就无法保持，这就意味着蜗轮蜗杆的自锁性能丧失了。蜗轮蜗杆机构一般都具备良好的自锁性，而为什么此蜗轮蜗杆机构的自锁性会失效呢，本文着重论述影响其自锁性的因素。

二、自锁原理

蜗轮蜗轮传动时，当蜗杆的螺旋升角γ小于摩擦角ψ时（γ∠ψ），该机构具有很好的自锁性。如图1所示：摩擦力F达到最大值Fmax时，这时的夹角也达到最大值ψ,把ψ定义为摩擦角。

tan ψ=F/N=μN/N=μ 摩擦角ψ的正切等于静摩擦系数。因为根据力平衡与分解可得：当主动力R在摩擦角之内，其与法线（N方向）夹角小于摩擦角ψ，法向分力必于与N平衡，同时切向分力则必小于最大静摩擦力，摩擦力F未达到最大值，则力系平衡。

如果作用于物体的主动力R的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总有一个全反力R＇与之平衡，物体保持静止；反之，如果主动力R的作用线在摩擦角之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。这种与力大小无关而与摩擦角有关的平衡条件称为自锁条件。

因此，对应于蜗轮蜗杆机构的传递性质分析：蜗杆的螺旋升角γ，蜗轮作用于蜗杆上的力始终为竖直方向，主作用力与法线夹角也为γ，根据自锁原理，若存在自锁则摩擦角必须涵盖于γ，即存在γ∠ψ，此为蜗轮蜗杆的自锁条件。

三、失效原因分析

在确认蜗轮蜗杆机构未存在变形磨损的情况下，对自锁条

件进行分析，因为螺旋升角γ=C，摩擦角ψ=arctanμ,摩擦系数为相对变量，因此对摩擦系数μ进行分析。

在机械传动摩擦中，摩擦系数除了材料的材质以外，接触表面的粗糙度、硬度、润滑条件等都会对摩擦系数都有不同程度的影响。例如当。蜗轮蜗杆为油浴方式润滑，接触表面形成薄膜，表面粗糙度很小，因此摩擦系数μ大大降低，因此摩擦角ψ也相应大大降低，当摩擦角ψ小于螺旋升角γ时，即γ＞ψ传动机构的自锁性能就会消失（如图所示）。因此根据机械选型产生的摩擦系数显然在工况条件下是非常不适用的。对立辊传动机构的蜗轮蜗杆进行分析：蜗杆的螺旋升角γ=29°40′37″，蜗杆材质SCM440-QT，涡轮材质FH20。

根据机械设计手册，常态情况下钢对青铜的摩擦系数为0.18,因此，摩擦角为10.2°，润滑状态下摩擦系数为0.12，摩擦角为6.84°，均小于螺旋升角。在上述两种条件下取摩擦系数显然是不合适的。

因此在选型时未对润滑条件进行充分考虑是蜗轮蜗杆在工况条件下自锁功能不强的原因。

四、制动机构分析

自锁失效异常现象发生时，都伴随有马达的制动装置失效

的情况，但是当把抱闸的功能恢复以后，整个传动机构的自锁性能同时恢复。根据一般理解，抱闸的作用仅仅是对马达停止时的起到制动作用，当马达速度降至5%时抱闸执行动作。

但是为什么抱闸的制动作用会对整个传动系统的自锁性能有所增益呢？其实如上所说，当外力合力R的作用线不位于摩擦角范围内就不会产生自锁，因此自锁功能必然实现在外力合力上。

当抱闸发挥作用时，相当于在原合力的基础上新产生一个外力，形成新的合理R’，而新的合力的方向与法线方向的夹角γ’(形成新意义上的螺旋升角)小于润滑条件下的摩擦角ψ’，即γ’＜ψ’，因此重新达到传动机构的自缩条件，机构重新实现自锁功能，如图所示。

因此可以判断：以往认为抱闸仅仅对马达制动一种作用的观点是并不正确的，抱闸还存在另一作用，对整个传动机构的自锁性能具有增强作用，当系统自身因为润滑等原因自锁功能丧失时，抱闸就会有产生新外力对整个外力合力产生影响，减小螺旋升角γ’，因此，抱闸一定程度上也是整个传动机构自缩性提高的关键组成部分。

五、结论

（一）当蜗杆的螺旋升角γ小于摩擦角ψ时具有很好的自锁性，蜗轮蜗轮机构传动时。（二）蜗轮蜗杆润滑状态是影响其自锁性的重要原因。（三）设备的制动装置也是影响整个传动机构的自锁性的重要原因，通过施加外力造成螺旋升角的降低从而小于摩擦角达到继续实现传动机构自锁性能。