螺旋升降机的选用

王宇， 王艳丰

（1.郑州嘉盛科技有限公司，郑州 450007；2.力姆泰克（北京）传动设备有限公司，北京 100022）

1 引言

螺旋升降机又称为丝杆升降机，内部结构为蜗轮蜗杆+丝杠螺母，采用电动驱动实现升降功能丝杠又分为梯形丝杠、滚珠丝杠、行星丝杠三种，常用推力范围：2.5～120t，既可单台使用也可多台联动，并且提升高度可按需定制。

不同的结构形式和装配形式，使螺旋升降机具有安装方便、使用灵活、结构紧凑、体积小、重量轻、动力源广泛、无噪音、功能多、配套形式多、可靠性高、使用寿命长等许多优点，所以在轻工行业、光伏行业、冶金机械、机器人、汽车生产线、军工行业等螺旋升降机应用比较广泛。

在实际应用中，由于参考资料有限，许多技术人员对升降机的特性、选型、应用还了解甚少，给升降机的推广使用造成很大的困难，鉴于此，综合厂家样本、网站等资料并结合实践应用，本文重点对如何选好、用好螺旋升降机问题进行剖析。

2 设计和选型计算

2.1 计算总机的当量载荷Ws

总机的当量载荷即为理论最大承载量，在升降机使用过程中，应避免超载使用，否则易导致升降机毁坏、设备倒塌等，严重的会造成机毁人亡的后果，所以，计算总机的当量载荷时常乘以一定的安全系数，其计算公式为：Ws=最大载荷Wmax×使用系数fs，fs参考值见表1。

表1 使用系数fs参考值

2.2 计算单台升降机的当量载荷W

总机的当量载荷计算完成后，载荷要均匀分解到单台升降机上，计算时，升降机如果单独使用，则当量载荷W=Wmax；多台连动时，其单台升降机的当量载荷W的计算公式为：W=Ws/使用台数×连动系数fd；连动系数fd参考值见表2。

2.3 单台升降机的负荷时间率（%ED）

单台升降机的负荷时间率（%ED）以30分为单位计算，其中，梯形丝杠的负荷时间率不得超过20%ED，普通滚珠丝杠的负荷时间率不得超过30%ED

表2 连动系数fd参考值

2.4 输入功率计算校核

式中：V-升降机丝杠轴（活动螺母）升降速度，mm/min。

L-丝杠螺距，mm；i-减速比；W-单台升降机的当量载荷，N；η-升降机的综合效率；T0-空载扭矩，N·m。

考虑到系统效率低下和长待工期，选择电机力矩要高于计算值，如果计算负载所需输入功率超过拟选用升降机容许最大输入功率，则提高型号或降低丝杠轴转速后再重新计算负载。

2.5 丝杆轴稳定性校验

在压力负载下过于纤细的丝杆会弯曲，因此丝杆在压力负载下必须检查极限轴向负载，因此当丝杠承受轴向压缩载荷时，要对其进行稳定性校验，如超过其临界载荷值要提高型号后再计算。

式中：PCR-临界载荷，N；d-丝杆底径，mm；La-作用点间距离，mm；fm-支撑系数；SF-安全系数，一般 SF=4。

2.6 蜗杆轴伸的许用径向力

蜗杆轴伸上，由于安装齿轮、链轮或带轮所产生的径向力Fr，其最大许用力与起升力和型号有关。

为避免超出蜗杆的最大径向负载Frmax，必须计算蜗杆的最小直径Dmin。

式中：Dmin-蜗杆的最小直径，m；Frmax-最大径向力，N；n-蜗杆转速，r/min；Mt-驱动扭矩，N·m。

2.7 其它校核项目

（1）当所选类型为活动螺母时，旋转丝杆受到振动时，应该检查丝杆转速和极限转速，并且丝杆的极限转速nc要大于丝杆的理论转速n2，结果见图1。

式中：nc-丝杆的极限速度，1/min；n2-丝杆的理论速度，1/min；Lb-支撑间距离，mm。

（2）当有横向载荷时，需校核允许侧向力

侧向负载 Fs作用在丝杆和运动螺母上，增加了丝杆压力，丝杆摩擦增加升降机寿命变短，所以要根据欧拉公式计算允许的侧向负载力，若超过允许值则要外加导向器。

（3）当升降机传动配置为串联时，即同一轴线配置了两个或以上数量的升降机，需对各升降机输出轴端进行强度校核。

（4）行程校核

选择的行程在使用行程上留有余量，同时充分考虑输出丝杠有无防尘伸缩罩、丝杠轴运动惯性、各种顶端输出部件等。

3 选型注意事项

（1）选择升降机时，不论静载、动载、冲击载荷均不得超过升降机允许承受的最大载荷，根据安全系数、使用行程、校对丝杆的稳定性选择具有充分容量的升降机。

（2）丝杆转速要与承受的载荷进行搭配，对于升降机的容许最大载荷、容许外加载荷、容许丝杆的旋转速度进行校验，如果超过产品的数据将会造成升降机设备整体的重大损伤。

（3）升降机在工作时，其减速部表面温度应控制在-15℃～80℃的范围之内，确保活动螺母的表面温度也在上述范围之内；在零摄氏度以下工作时，因受润滑油粘性变化的影响使得整机效率下降，所以必须选择充足的驱动源。

（4）输入轴容许转速为1500r/min，输入轴不得超过此转速；驱动源的启动扭矩应确保在使用扭矩的200%以上；另外尽量避免选用扭矩限制器，因为目前扭矩限制器技术不够稳定，功能性没有保障，小扭矩尤其突出。

（5）对于在同一轴线上连接数台升降机时，请务必对输入强度进行校核，使每台升降机的扭矩都在其容许输入扭矩之内。

图1 丝杆极限转速和丝杆长度关系

（6）梯形丝杠升降机理论上具有自锁功能，但工作在振动较大的场合会导致自锁功能失灵，因此须外加一制动装置或选择带有制动的驱动源；滚珠丝杠升降机本身不具有自锁功能，为了防止由于轴向载荷和丝杠的自重而产生逆转，必须加制动装置或选择带有制动的驱动源，并确保制动扭矩大于保持扭矩。表3为两种升降机比较。

表3 梯形丝杠升降机和滚珠丝杠升降机比较

（7）选择制动电机时一般都要带释放功能，如果不带释放功能，在电机断电后，制动系统会将电机轴抱死，在不拆电机的情况下，升降机将无法维修。

（8）输出顶端及附加部件的确认

根据使用条件、灰尘的多少来选择防尘伸缩罩；根据输出顶端的联接方式来选择顶端输出部件及其它（如计数器）。

（9）回程误差一般控制在0.02mm以内。

4 升降机的安装与维护

（1）布置：通常由偶数台升降机组成（升降台是圆面时为3台），升降机的丝杆在外侧、蜗杆在内侧，电机或减速电机布置在升降台内（布置在升降台外时第一台升降机的蜗杆受力大易断裂），一般每台升降机只可以带动另一台从动，多了则蜗杆受力大易断裂。

（2）安装：总的原则“横平竖直”，传动轴与电机、换向器、升降机的联结平行不能吃劲，丝杆上下垂直，升降台的运动方向与导轨平行、间隙合适。平行误差和由其产生的压力将会增加动力的消耗，并且会导致过热和磨损。

（3）当升降机工作在多灰尘的场所中请务必选择防尘罩伸缩套附件来保护丝杆，在室外使用时请务必考虑使用罩壳等装置，使机器不直接受到风吹雨打，常见使用环境见表4。

（4）升降机的启动、制动对电机都有冲击，升降台有颤动，最好选用软启动方式；试运行前要检查功能和限位开关，初次测试提升系统不要加负载，无异常时再逐渐增加负载，检查任何发热点和齿轮箱的温升。

（5）在有负载的情况下，不要将滚珠丝杠的输入轴驱动方式变为手动操作，负载有可能会造成输入轴旋转非常危险；在升降机工作时，不得进行人为的强行停机，否则将使升降机受到严重破损。

（6）对梯形齿丝杠外径进行磨削，达不到提高寿命的目的，因为磨丝杠外径是为了加工长丝杠时保证丝杠中径公差，与寿命无关；如果磨中径齿面提高寿命，但价格将成倍增加。

表4 升降机的使用环境

（7）工作环境温度对电机功率有较大影响（见图2），电机实际最大输入功率=额定最大输入功率×温度系数ft。

图2 温度系数ft随温度的变化曲线

（8）丝杆要定期清洁和润滑，每500h或每18个月齿轮箱油脂必须更换，完成维护后，检查丝杆螺母的磨损，测量丝杆和螺母之间的轴向活动量，如果超过了最大值，要全面检查和修理，最好是送回厂家修复。如果轴向间隙磨损超过了丝杆导程的四分之一，必须更换螺母。

5 多台升降机联动的应用注意事项

（1）同步：多台电机或减速电机驱动时，应相联接以保证同步，联接轴以万向传动轴较好，刚性传动轴则用柔性联轴器以调整安装误差；此外还有用伺服电机保证同步、PLC和变频器保证同步等方案。

（2）速度：以小于10mm/s合适，速度大于10mm/s需加导向，否则升降台运行时会振动；螺母运动升降机的丝杆顶端要有固定轴承座，否则丝杆会摆动。

（3）导向：导向机构应考虑X-Y方向的受力平衡，且多种选择方式：杆在管中运动的直线滑轨形式；有像火车车轮在铁轨滚动的形式；还有V型轮在角钢滚动的形式等等。

（4）限位：升降机限位开关不能用来控制动作，它只是保护升降机不超行程，如要控制动作，则要自备限位开关直接装在升降台上。