试论蜗轮蜗杆自锁失效原因分析

试论蜗轮蜗杆自锁失效原因分析

周大炎

（国网江苏省电力公司检修分公司221000）

摘要：自锁性是蜗轮蜗杆机构的特点，然而，传动机构在某些情况下会出现失效的情况。笔者通过对徐州供电公司220kV倪村输变电工程中GW22B-126配套的蜗轮蜗杆自锁失效进行分析，研究其失效的机制，并且深入探讨驱动制动装置的功能。

关键词：自锁性；蜗轮蜗杆；自锁失效；分析

引言

机械传动形式中必不可少的就是涡轮蜗杆传动，是其组成中最重要的一部分。这种传动形式可以使得升降台在升降过程中避免了台面发生自动回落的事故进而可以维持整个生产线的运转。

蜗轮传动的主要组成结构

其主要组成包括涡轮和蜗杆两个部分。一般情况下，二者成90°的方向角。因此，交错轴的运动通常会应用蜗杆蜗轮机构。

二、立辊轧机在轧钢过程中的重要作用

立辊轧机在轧钢过程中的重要作用有如下两个方面。一方面，可以在宽度方向上侧压板坯。另外一方面，可以阻碍穿带板坯在宽度方向上的延伸。立辊轧机的传动机制就是利用马达来推动蜗轮蜗杆驱动立辊发生开度变化。

蜗轮蜗杆系统因具有较好的自锁性功能而广泛应用于传动设备中。然而，在现实的操作中会存在不好的一面。就是在承载的过程中，一旦马达驱动这个蜗轮蜗杆传动失去作用时，立辊开度就无法持续进而其自锁的功能就会消失。一般情况下蜗轮蜗杆系统都具有较好的自锁功能，可为何会产生自锁功能失效这个问题。本文就自锁性功能影响因素进行系列综述。

蜗杆蜗轮系统自锁性功能失效原因

蜗杆蜗轮机构具有传动比稳定、紧密结构、无噪声以及性能稳定等优点。此外，蜗杆蜗轮的主动件的反向变化可以使得蜗轮蜗杆发生自锁从而防止了事故的发生。比如，起重装置就是利用了蜗轮蜗杆可以自锁的作用，使得其吊起的工程材料等能够稳固的悬空在空中。基于对机构传动的自锁性能的评估，蜗杆蜗轮自锁性的内在机制要摸清。

关于自锁性问题的讨论

目前机械行业的减速机构一般采用蜗杆蜗轮机构。蜗轮蜗杆的自锁性功能在那些要求安装蜗杆涡轮机机构的机械装置中起着重要的不可或缺的作用。然而，在现实的生产中，我们又很难把握好自锁功能。比如，正在处于上升通道中的保温罩，即使电动机电源被切断了，蜗轮蜗杆立马会自锁，但是保温罩却不会下降。而一旦切断电源后，保温罩就会下降，机构的自锁现象却时有时无。而当这个保温罩下降速度超过一定阶段后，自锁现象基本消失完全。

2.蜗轮蜗杆的自锁机制

当机构在传动时，蜗轮蜗杆的摩擦角ψ大于螺旋升γ（γ〉ψ）时，则会有良好的自锁功能。在图1中，我们发现当摩擦力F增加到最大值Fmax时，此时，夹角ψ为最大值，我们把角ψ规定为摩擦角。

由图可知，tanψ=μN/N=F/N=μ静摩擦系数等于摩擦角ψ的正切值。

根据力的平衡与分解原理可知，当主动力R方向与法线方向的家教小于摩擦角ψ，也就是主动力R在摩擦角ψ下方也就是内部，这个时候其法线方向的分力与N是一对平衡力。同时，平行于斜面方向的分力必须小于最大静摩擦力，当这个摩擦力未达到最大值，则系统保持力平衡状态从而处于静止状态。

因此，当主动力R的作用线在ψ下方也就是在摩擦角之内，则不管主动力R的大小，会存在一个反力R＇与之保持力平衡，从而使得物体保持静止状态；相反，当主动力R的作用线处于摩擦角之外，那么不管这个力大小，物体由于力系统不平衡而不能保持平衡状态。这种情况下的平衡状态与力大小无关而仅摩擦角方向有关条件叫做自锁条件。

因而，关于蜗轮蜗杆机构在传递过程中的功能研究：蜗杆的螺旋升角γ，蜗轮对蜗杆的作用力方向为竖直方向，作用力R作用线与法线夹角也是γ，因此，当螺旋升角γ在摩擦角内ψ，即存在γ∠ψ，这个时候就会发生自锁作用。

3、自锁功能失效解析

分析研究自锁功能的前提是确保蜗轮蜗杆机构尚未发生磨损变形等异常，设螺旋升角r等于C，因为tanψ=u，即ψ=arctanμ，相对变量为摩擦系数，对摩擦系数u的变化进行研究分析。

机械传动摩擦的过程中，除原材料自身外，摩擦洗漱还跟接触面的粗糙程度、润滑系数以及硬度等因素相关。假设蜗轮蜗杆为油浴润滑模式，接触面产生薄膜，因为其粗糙程度比较小，从而摩擦系数u就会相应比较小。根据ψ=arctanμ可知，磨擦角ψ也会相应减小。当摩擦角ψ小到不能再大于螺旋升角γ时，如图所示可以使得自锁作用失去。

所以，基于机械型发生的摩擦系数f在工况条件下显然是不合适的。研究分析对立辊传动机构的蜗轮蜗杆情况：其螺旋升角r=29°40′37″，蜗杆和涡轮材质型号分别为SCM440-QT，FH20。参照机械手册，一般状态下，钢和铜的磨擦角ψ等于10.2°，相对应的摩擦系数等于f等于0.18，而在润滑状态下，摩擦角ψ减小为6.84°，而摩擦系数f也相应的减小为0.12.两种状态下的摩擦角ψ均小于螺旋升角r。但相应的摩擦系数不太妥当。所以，润滑条件未充分考虑的影响选型的蜗轮蜗杆在工况状态下自锁功能弱的一个重要因素。

机构制动机制的研究

自锁功能失败后，常有马达制动失败的情况发生。而当恢复了包闸的功能时，整体的传动机构自锁效果也立马恢复正常状态。据一般的推敲研究，抱闸对马自达也只是起到一个制动的效果。当马达速度下降到5%时，抱闸也停止工作。然而，抱闸的制动作用会提高整个传动系统的自锁功能究竟为何？简言之，如图所示，当外部动力的合力R’的作用线不在摩擦角的范围内，自锁功能就会消失。所以，外力合力是导致自锁功能产生的重要原因。

如图所示，当抱闸产生效果时，就等于是在原来合力R之外又产生了一个新的动力R1，动力R与R1又合成新的动力R’，当动力R’作用线与法线的夹角γ’小于润滑状态下的摩擦角ψ’，又产生了自锁功能恢复的条件了。这样，传动机构的自锁功能又出现了。

所以可以断定：之前对抱闸仅仅对马达起一个制动的效果的传统观点是不准确的。其另外一个功能就是提高整个传动机构的自锁作用。当传动系统因因润滑等一些不可避免的状况时，系统的自锁功能失去后，抱闸会立马产生一个新的力与原来的合力重新合成一个新的动力R’，这个新的动力R’的作用线位于摩擦力作用线的下方，也就是γ∠ψ，自锁功能重新显现。所以，对整个传动系统中自锁功能影响的另外一个重要因素就是抱闸的作用。

5.振动对自锁功能的影响及相应的对策

在传动过程中，不可避免会产生振动，而振动会磨损蜗轮蜗杆，造成严重损害，从而影响其自锁功能，此外振动还会使蜗轮和蜗杆的轴线发生偏离，导致相应的齿轮不能正常的契合。因此，将涡轮与蜗杆合理的布置在合适的位置对自锁功能的蜗杆而言非常重要，这可以大大的减小因振动对机构损害。

结束语

（一）在蜗轮蜗杆机构传动时，当其摩擦角ψ大于γ时，会具有良好的自锁功能。（二）蜗轮蜗杆的自锁功能重要影响因素为其润滑程度。（三）蜗轮蜗杆的另外一个重要影响因素为设备的制动装置。因此，增加摩擦角降低螺旋升角增大摩擦角来实现传动机构的自锁功能。

参考文献

[1]刘其兵,严红.蜗轮蜗杆参数化设计及运动仿真[J].航空精密制造技术.2012(04)

[2]宋伟刚,王力.蜗轮蜗杆油的选用方法[J].黑龙江造纸.2007(01)