消除螺纹间隙的结构和方法

周文浩，赵西韩，马强，沈少华，倪伟民

（.中国重型机械研究院股份公司，西安 710032；2.浙江久立特材科技股份有限公司 吴兴分公司，浙江 湖州 313008）

0 引言

许多机械设备在使用过程中采用丝杆螺母机构来调节一些关键部位的行程。由于制造过程中加工精度不高造成的误差，以及设备长时间工作后发生的机械磨损等原因，导致螺纹副配合间隙量过大。它们不仅会降低设备的调整精度和工作效率，还会造成振动冲击，从而影响整个设备的使用寿命。

本文针对几种典型的丝杆螺母机构，提出了不同的消除螺纹间隙的结构和方法，以减小丝杆螺母之间的冲击，从而达到延长设备的使用寿命的目的。

1 几种典型机构

1.1 第一种机构

图1 是最简单的一种消除螺纹间隙的方法，它通过螺栓的预紧力来平衡丝杆的重量，从而将螺纹间隙消除。采用这种机构的优点是螺栓不仅起到了消除螺纹间隙的作用，还起到了轴向定位的作用。缺点也很明显，每次丝杆调整完成之后，必须重新调整锁紧螺钉3 才能重新消除间隙量。

图1 第一种机构

1.2 第二种机构

图2 机构和图1 第一种机构原理基本相同，两个工件通过螺纹副做相对运动，螺母固定不动，丝杆旋转送进。所不同的是，丝杆前进过程中，锁紧螺母6 可以持续为螺母提供平衡力。本结构采用弹簧装置来平衡丝杆重量，使得螺纹副的运动更加精确。对于重载机构，弹簧3 可以更换为碟簧。这种结构简单易行，而且也便于拆装维护。

1.3 第三种机构

图3 中，主螺母2 和辅螺母3 均与丝杆1 组成螺旋副，辅螺母3 还和主螺母2 使用细牙螺纹配合。装配完成之后，将辅螺母3 向外旋，从而拉紧主螺母2 和丝杆1，直至消除他们之间的间隙，然后再使用止动垫片嵌入辅螺母3 的止动槽内将其固定。这种机构巧妙地利用了螺纹螺距的不同从而将主螺母制动的原理，在滚珠丝杆机构中，得到了广泛应用。

图2 第二种机构

图3 第三种机构

1.4 第四种机构

图4 第四种机构

在重型机械行业中，许多丝杆需要承受重载，弹簧机构一是承载能力有限，二是由于载荷的增加，调整起来非常不易，因此考虑使用液压缸来代替弹簧装置。图4 就是一种典型的结构，图中，铜螺母轴向固定，在蜗杆的作用下沿着轴线旋转，丝杆沿着轴线往复运动但是不能旋转。在丝杆上方液压缸活塞杆向上拉动拉杆，拉杆再拉动丝杆，从而消除螺纹丝杆之间的间隙。当丝杆进行调整时，液压缸压力调整到活塞杆向上的作用力恰好与丝杆及丝杆下方零部件重力达到平衡状态时，丝杆与铜螺母之间的阻力将会变小，从而降低磨损。调整完成之后，调整液压缸的压力，使得丝杆向上紧密贴合铜螺母，当丝杆受到向上的冲击时，冲击直接通过螺纹的刚性接触传递给铜螺母，并最终传递到机架。这种机构的优点是可以实现带负荷调整，从而降低电机的负载，缺点也很明显，由于机械结构的局限性它只能应用于丝杆不能旋转的部位。

1.5 第五种机构

如图5，这种结构中，螺母固定不动，丝杆沿着轴线旋转送进，活塞杆内部和丝杆也组成螺纹副。采用这种机构时，液压系统压力的调节至关重要。调整过程中，如果液压系统采用平衡压力进行调节，全部载荷都将集中在活塞杆这一小段，使得局部机械磨损急剧增加，并且容易发生螺纹副抱死事故。因此在调整过程中，液压系统需要卸荷，使得丝杆在调整过程中受力均匀分布从而减小磨损。当丝杆调节到工作位置后，再将液压系统压力升高，活塞杆拉紧丝杆从而消除螺纹间隙造成的对设备的冲击。采用这种机构时，活塞杆的材料必须采用铜或者其他耐磨金属，防止丝杆长时间磨损发生刚性粘连损坏丝杆；另外，这种机构的调整当量与最终平衡后的当量误差较大，因此设计过程中尽量不要采用这种机构。

图5 第五种机构

图6 第六种机构

1.6 第六种机构

如图6，这种机构采用液压平衡缸将丝杆下方的设备提起，从而消除整个机构机械配合之间的间隙量。采用这种机构时，设计师可以灵活地调整液压缸的位置，使整个机构受力达到平衡。这种机构的优点是当液压缸作用时，不仅将螺纹丝杆间隙全部拉紧消除，而且还将设备其它轴向配合间隙尺寸也一并消除，同时，当液压缸的压力调整合适时，它还可以实现无间隙调整。这种机构广泛应用于冶金行业中，尤其是各种轧机设备中。

1.7 第七种机构

如图7，这种机构采用液压缸来平衡丝杆的重量。由于丝杆在调整过程中一边旋转，一边前进，因此在液压缸顶部布置有推力轴承，使用推力轴承来承受平衡力，同时液压缸活塞杆随着丝杆的前进一起随动。这种机构的优点是：

1）可以进行无间隙调整，保障了设备的调整精度。采用这种机构时，调整过程中，液压缸活塞杆始终伴随着丝杆动作，并且通过推力轴承机构给丝杆一个向上的推力，使得丝杆始终向上紧紧贴合螺母，因而其调整精度较高。2）这种机构在调整过程中，对于液压系统的要求没有第五种机构要求的那么严格，不需要频繁进行压力调节。液压缸的推力通过推力轴承传递给丝杆，整个螺纹副的受力较为均衡。3）由于平衡力的存在，丝杆螺母之间的摩擦力减小，从而减小磨损，提高了整个螺纹副的使用寿命。4）通过调整液压系统卸荷压力到合适的大小，使得丝杆不管是向上还是向下调整，都能够自始至终得到一个平衡压力，从而实现丝杆行程的精密调节。

这种机构整合了图4 和图6 的优点，可以实现丝杆旋转前进过程中的同步平衡。但是由于它结构较为复杂，对机械加工和装配的要求较高，因此一般应用于调整精度要求较高的场合。

图7 第七种机构

2 平衡机构应用示例

图8 为某国产4 200厚板轧机上的上轧辊平衡装置简图，上轧辊通过安装在压下螺丝两端的4 个柱塞缸进行平衡，4个柱塞缸向上的作用力作用在平衡机构上，平衡机构通过4 个拉杆拉紧上轧辊的轴承座。该机构中，蜗轮旋转，带动丝杆上下移动以调节轧辊辊缝，该机构与图6 原理本质上是一致的，都是直接拉紧轴承座以消除压下丝杆与螺母、以及轧辊轴承座与丝杆之间等各部位之间的间隙量，最终达到轧辊平稳工作的目的。

图8 四缸式液压平衡装置

3 结语

通过上面几种机构我们可以看出，对于不同的螺纹配合方式，应当采用合适的方法来减小并消除螺纹间隙，以消除工作过程中间隙量造成的危害。在许多设备中，对于设备间隙量的消除，往往几种办法一起实施，使得间隙量对设备使用性能的影响最小化。灵活运用各种方法来调整不同的机械结构之间的间隙量，在重型机械和一些特种机械设备中，具有举足轻重的作用，甚至有时会关系到整个设计的成败。

［1］黄庆学.轧钢机械设计［M］.北京：冶金工业出版社，2007.

［2］（美）Sclater N.机械设计实用机构与装置图册［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］周文浩.一种消除螺纹间隙的系统：中国，CN201220200223［P］.2012-12-19.