黃福友，陳世超，黃 杰

氣壓輔助螺旋支腿試驗(yàn)研究

黃福友1，陳世超1，黃 杰2

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，包頭，014040）

介紹一種利用氣壓輔助承載減小調(diào)整時(shí)螺旋副之間載荷的螺旋支腿及試驗(yàn)情況，并提出了螺旋支腿增加氣壓輔助結(jié)構(gòu)，提高帶載調(diào)整能力的應(yīng)用建議。研究結(jié)果表明：氣壓輔助螺旋支腿通過氣動(dòng)力平衡螺旋副調(diào)整過程所受的負(fù)載，從而能夠減少轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力，減小驅(qū)動(dòng)功率，提高其承載能力。

螺旋傳動(dòng)；氣缸；摩擦力

0 引 言

導(dǎo)彈、火箭地面支持設(shè)備上廣泛采用螺桿-螺母的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)承載狀況下的升降調(diào)整，通過液壓馬達(dá)、減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[1～3]。因其滑動(dòng)螺旋副的螺旋升角小于摩擦角時(shí)具有自鎖特性，調(diào)整后位置不會(huì)變化，對(duì)于有位置保持要求的負(fù)載高度調(diào)整裝置應(yīng)用較多，如：運(yùn)載火箭發(fā)射臺(tái)支撐裝置、火箭垂調(diào)裝置、部分導(dǎo)彈發(fā)射車支腿等。

螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由齒輪盤、軸承、外套筒、螺桿、螺母、內(nèi)套筒、襯套、球頭及基座等組成，如圖1所示。

由于傳力螺旋主要失效形式是螺旋表面的磨損、螺桿拉斷或螺牙強(qiáng)度破壞。設(shè)計(jì)時(shí)常以耐磨性計(jì)算和強(qiáng)度計(jì)算確定螺旋傳動(dòng)的主要尺寸。普通傳力螺旋升降調(diào)整時(shí)的載荷，即耐磨性計(jì)算載荷與強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的載荷相同，通常靜強(qiáng)度余量較大。

圖1 螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

1 螺旋傳動(dòng)靜動(dòng)載荷分析[4]

以某螺旋支腿為例按文獻(xiàn)[4]進(jìn)行螺旋傳動(dòng)靜動(dòng)載荷分析，設(shè)計(jì)要求最大載荷F為10 t，并能自鎖。

螺桿材料選40Cr調(diào)質(zhì)處理，許用應(yīng)力sσ=540 MPa,由文獻(xiàn)[4]可得：

螺母材料選棒QAl10-4-4R &95 GB4429-84，由文獻(xiàn)[4]可得：許用抗拉強(qiáng)度[σb]=40～60 MPa，取[σb]=50 MPa；許用剪切強(qiáng)度[τ]=30～40 MPa，取[τ]=30 MPa。

1.1 耐磨性計(jì)算

許用比壓[p]=7～10 MPa，取[p]=8 MPa。30°鋸59.4 mm，由JB/ZQ432-86可選：外螺紋大徑（公稱直徑）d=69 mm，螺距P=10 mm，外螺紋中徑d2=62.5 mm，內(nèi)螺紋大徑D=70 mm，外螺紋小徑d3=52.645 mm，內(nèi)螺紋小徑D1=55 mm的30°鋸齒形螺紋，中等精度。

螺母高度H=ψd2=1.5×62.5=93.75 mm，取H=100 mm。則螺紋圈數(shù)n=H P=100/10=10 圈。

1.2 螺杠扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算

螺紋摩擦力矩：

式中 λ為螺旋升角，λ=8.24°；ρ′為螺牙錐角，此鋸齒螺紋為0°。

將式（1）代入文獻(xiàn)[4]表12-1-4中的式（4）得：

1.3 螺母螺紋強(qiáng)度驗(yàn)算

因螺母材料強(qiáng)度低于螺桿，故只算螺母螺紋強(qiáng)度即可。由文獻(xiàn)[4]中表12-1-4得，牙根寬度b=0.74P=0.74×10=7.4 mm，基本牙型高H1=0.75P= 0.75×10=7.5 mm。代入文獻(xiàn)[4]表12-1-4中的式（7）、式（8）有：

由計(jì)算可以看出，根據(jù)耐磨性計(jì)算設(shè)計(jì)出的螺旋副，螺桿、螺母的承載能力還有近3倍的余量，如果能使傳力螺旋升降調(diào)整時(shí)作用在螺紋表面的壓力減小70%以上，可以在結(jié)構(gòu)尺寸沒有較大變化的情況下，提高近3倍的承載能力，且驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功率下降至原來的1/3左右。

2 氣壓輔助螺旋支腿方案及試驗(yàn)情況

基于以上計(jì)算分析，研制了氣壓輔助螺旋支腿，如圖2所示。該氣壓輔助螺旋支腿主要由進(jìn)氣端蓋、活塞、上軸承、缸筒、螺桿、蓋板、下軸承、球座、支撐盤等組成。需調(diào)整時(shí)將一定壓力的氣體充入活塞上部，氣動(dòng)力平衡掉大部分載荷，螺紋副之間載荷較小，轉(zhuǎn)動(dòng)阻力主要有平衡后的剩余螺旋副滑動(dòng)摩擦力及兩個(gè)球軸承的滾動(dòng)摩擦力，所以轉(zhuǎn)動(dòng)阻力大大減小。此螺旋支腿試驗(yàn)時(shí)采用三點(diǎn)支撐重物方式，調(diào)整過程中受力基本不變，試驗(yàn)情況如表1所示。

圖2 氣壓輔助螺旋支腿及試驗(yàn)工裝

表1 實(shí)測(cè)不同充氣壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

從表1可以看出，通過氣壓力平衡螺旋支腿的負(fù)載，調(diào)整過程轉(zhuǎn)動(dòng)力矩下降至10%左右，有效降低了摩擦力矩。

3 氣壓輔助螺旋支腿應(yīng)用建議[5～11]

當(dāng)螺旋傳動(dòng)載荷達(dá)到幾百噸甚至上千噸時(shí)，滑動(dòng)摩擦副的設(shè)計(jì)有一定困難，結(jié)構(gòu)尺寸、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都會(huì)比較笨重，如利用氣壓輔助螺旋支腿工作原理設(shè)計(jì)的更大噸位的任意位置能夠鎖止的升降調(diào)節(jié)裝置應(yīng)能避免以上問題。比如將圖1所示螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)增加氣壓輔助結(jié)構(gòu)（見圖3）——包括傳力密封套、充氣口、活塞，把螺母所受大部分負(fù)載通過傳力密封套下部的氣動(dòng)力，傳遞給外套筒，從而減少轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力，減小驅(qū)動(dòng)功率，提高其承載能力。

圖3 氣壓輔助螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

氣壓輔助螺旋支腿實(shí)際應(yīng)用需具備相應(yīng)的措施，保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)其氣壓腔的容積變化，氣壓腔內(nèi)的壓力基本穩(wěn)定，否則試驗(yàn)結(jié)果也可以看出壓力過高、過低都會(huì)使摩擦阻力相對(duì)理想狀況升高。對(duì)于載荷變化較大的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以通過設(shè)置輸出力傳感器，通過采集判斷所受負(fù)載的大小，控制充放氣閥門，調(diào)節(jié)氣壓腔壓力；對(duì)于載荷基本恒定的，也可以在氣壓腔設(shè)置壓力傳感器，通過控制系統(tǒng)采集判斷壓力，開關(guān)充放氣閥門維持壓力基本穩(wěn)定；也可在螺母和螺桿之間設(shè)置位移傳感器，利用螺紋間隙，判斷、調(diào)整使螺紋受力維持在較小的水平。

4 結(jié)束語

通過計(jì)算分析，試驗(yàn)研究證明氣壓輔助螺旋支腿通過氣動(dòng)力平衡螺旋副調(diào)整過程所受的負(fù)載，從而能夠減少轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力，減小驅(qū)動(dòng)功率，提高其承載能力。另外本文針對(duì)常用的任意位置能夠鎖止的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)給出了氣壓輔助初步建議及維持氣動(dòng)力平衡負(fù)載的幾種可應(yīng)用的措施。

[1] 張利平. 液壓氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1997.

[2] 雷天覺. 液壓工程手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1990.

[3] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（單行本）[M]. 北京:北京化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[4] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）第3卷[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[5] 方旭. 油囊式浮力調(diào)節(jié)裝置的研制[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

[6] 李高衛(wèi), 梅瑛, 李瑞琴, 等. 車輛輔助坡起柔性助力安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2014, (6): 46-48.

[7] 賈晨輝, 楊偉, 邱明. 錐面螺旋槽氣體軸承靜特性分析[J]. 潤滑與密封, 2013, (2): 63-67.

[8] 楊鋼, 郭晨冰, 李寶仁. 浮力調(diào)節(jié)裝置實(shí)驗(yàn)研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2008, 36(10): 52-53.

[9] 彭歡, 張懷亮, 鄒偉, 章國亮. 硬巖掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2014, (21): 76-83.

[10] 王傳禮, 何濤, 喻曹豐, 魏本柱, 馬丁. 水液壓技術(shù)在煤礦支護(hù)裝備中的應(yīng)用及其研究進(jìn)展[J]. 液壓與氣動(dòng), 2016,(5): 1-7.

[11] 郭秦陽, 施光林, 何常玉, 王冬梅. 蓄能器變壓力供油電液位置控制系統(tǒng)的復(fù)合補(bǔ)償控制[J]. 液壓與氣動(dòng), 2016,(9): 1-9.

Experimental Research on Screw Lifting-leg with Air Cylinder

Huang Fu-you1, Chen Shi-chao1, Huang Jie2
(1.Beijing Ιnstitute of Space Launch Technology, Beijing, 100076; 2. Ιnner Mongolia University of Science & Technology School of Energy & Environment, Baotou, 014040)

Ιn this article, we introduce a helical leg (and its experimental conditions) which utilizes pneumatic auxiliary bearing to reduce the load between helical pairs during adjustment, propose an auxiliary structure of the helical leg to decrease pressure between helical pairs, and advise on how to improve the capacity of load adjustment. The research result shows that air pressure assisted spiral leg can adjust the suffered loading during the process through aerodynamic force balancing spiral pair, then to reduce the rotating frictional resistance,decrease the driving power and improve the load bearing capacity.

Spiral transmission; Cylinder; Friction resistance

V414

A

1004-7182(2017)04-0078-04

DOΙ：10.7654/j.issn.1004-7182.20170418

2016-12-02；

2017-06-29

黃福友（1973-），男，研究員，主要研究方向?yàn)橥七M(jìn)劑加注與供配氣、流體機(jī)械等