螺杆变幅传动故障分析及改进

摘要：螺杆变幅传动中，由于螺杆螺母传动比大，因此螺杆机构与齿条机构相比尺寸相对紧凑，传动平稳无噪声，但是由于螺母传動效率低，故而需要专门的强制润滑设备，并且对密封要求较高。文章对螺丝杆变幅传动故障进行了分析和改进。

关键词：螺杆变幅；传动故障；摇架；润滑设备；螺杆机构 文献标识码：A

中图分类号：TH21 文章编号：1009-2374（2017）02-0029-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.013

1 螺杆变幅传动原理分析

螺杆传动运动幅中，采用螺母驱动螺杆，推动臂架实现变幅，螺母连同其传动装置和电动机都布置在能绕水平轴线摆动的摇架上，摇架的支承轴线须与螺杆中心线相交，同时为了补偿间隙、变形与安装公差，摇架的支承还必须保证螺杆可绕垂直轴线略微偏摆，因此摇架支承处实际上是一个十字铰结构。

为了减少变幅启动和制动的冲击，并消除振动，此外，变幅机构承受的载荷其符号常是改变的，这些载荷是由物体摆动、变幅时物品产生加速度、起重机旋转离心力、风力作用、物品及自重未平衡引起的，为了适应载荷的变化特性，常在机构与臂架之间的连接构件上装设弹簧或橡胶的缓冲与减震装置。

由于螺杆螺母传动比大，因此螺杆机构尺寸相当紧凑，传动平稳无噪声。但对螺杆传动要特别注意密封和润滑，目前都采用伸缩式密封套管来防护螺杆。螺杆螺母的传动效率低，现今通常使用双螺旋线式螺杆代替单螺旋线式螺杆，则传动效率可以在一定程度上得到提高，通常传动效率达到60%左右。

2 使用过程中存在的主要问题

以往润滑泵内油封采用老式聚氨酯O型圈密封，使用寿命短，并且润滑泵整体安置于机房之中，润滑油一旦泄漏便将电缆等电器元件浸泡其中，带来严重的安全隐患。

目前强制润滑的工艺如下：液压油泵吸取油池内的液压润滑油，将其注射到螺母与螺杆的运动副当中去，从而带走产生的额外热量并使之润滑。之后润滑油在自身的重力以及液压油泵的助推力之下重新返回油池内进行下一次润滑工艺循环。为了保证进油路有足够的压强和回油路能够流畅的回流，进油管和回油管的直径分别为23mm和84mm，同时采用双回油管回流。

由于机房与变幅传动机构的距离相对较远，润滑管路长度长达5.3m，并且润滑油主要依靠重力进行回流，如此长的管路使其沿程压力损失较大。润滑油流速较慢，尤其当气温降低时润滑油黏稠度增大，流动性减弱，致使机构无法正常散热。同时螺杆机构的当量摩擦角大于螺纹升角，传动效率约为60%，如果不能及时散热，螺杆表面极易发生点蚀胶合的现象，螺杆失效，机构损坏。

综上所述，原变幅强制润滑工艺主要缺点如下：（1）老式聚氨酯油封使用寿命短；（2）润滑泵安置于机房当中，润滑油一旦泄漏会浸泡电缆，带来安全隐患；（3）润滑泵与变幅传动系统距离远，润滑油沿程损失压力较大，润滑散热效果差；（4）没有恒温调控装置，温度下降时润滑油黏稠度增加，不易流动。

3 确定改进方案

将强制润滑设备由机房内部整体移动到变幅平台上面，确保泄漏的润滑油不会直接与电缆电器相接触。同时提高润滑油的流动性，增强其润滑效率。并且增加其密封性能，延长其密封件的使用寿命，避免润滑油泄漏影响车容车貌。并且设置自动调温装置，当温度过低时其自动加热，降低润滑油的黏度，确保其润滑效率。具体实施步骤如下：（1）将老式O型圈聚氨酯单层油封升级改造为新型的聚四氟乙烯双唇式油封，避免灰尘进入油封内部，降低油封磨损，增大油封的使用寿命；（2）将原润滑设备整体吊装于变幅平台上部，使其拥有较大的维修空间，同时缩短了回油距离，减少了润滑油的沿程压力损失，从而提高润滑油的回流速度，增加其润滑效率；（3）设置自动调温装置，当温度过低时其自动加热，降低润滑油的黏度，确保其润滑效率。

4 对上述技术改进进行理论论证

4.1 对老式油封进行升级改造

使用新型聚四氟乙烯双主唇式油封代替原来老式聚氨酯O型圈油封。

新式油封具备以下优点：（1）在油封内毂部分包覆一层波浪状橡胶，能适应旋转轴比较大的偏心度和轴较大范围的尺寸偏差，有较佳的轴向及径向缓冲性能，有良好的密封性能，同时也有非常长的使用寿命；（2）由于密封是在油封唇部与内毂之间实现的，故对轴的不圆度、表面粗糙度要求不高，对轴表面的轻微损伤也不敏感，提高了油封的可靠性；（3）在内毂上包覆一层橡胶，能使油封稳固地安装在轴上，如在安装前在橡胶表面涂点润滑脂，则安装就会变得更容易；（4）在油腔与外界之间设计了一个迷宫式通道，且在通道中布置了两道防尘唇，使主唇与灰尘及水保持一段距离，延长了油封的使用寿命。

4.2 缩短润滑管路，提高润滑效率

将油泵等润滑设备整体吊装于变幅平台上部，从而使管路长度由原来的5.3m缩短为现在的1.7m。如果按照20℃时润滑油的密度900kg/m3计算，沿程压力损失将减少60%以上，有效地促进了润滑油的流动性。

4.3 设置安装温控装置，降低润滑油的黏稠度

由于将润滑泵整体从机房内移至室外，同时考虑到润滑油的黏稠度随温度的降低而增高，当冬季气温下降时，油泵启动时油温较低，由于润滑油的黏度较高，油泵吸油阻力大，吸入量减少甚至吸不上油来，极易导致“烧轴”的事故。

针对此种情况可以在曲轴箱侧面加工一个螺纹孔采用电加热棒对润滑油进行预热，可以利用油池内的温度传感器来控制加热温度。

现今润滑油的质量为25kg，油温从-15℃加热至20℃。则所需热量：

Q=mcp△t

=25×1.87（20+15）

=1636kJ

式中：m为质量，kg；cp为定压比热容，1.87c/kJ·kg-1k-1；△t为温升，℃。

如果采用2kW、220V的加热棒对其进行预热由公式P=UI可得：

I=P/U=2000/220=9.09A

加熱棒电阻为：

R=U/I=220/9.09=24.2Ω

如将润滑油从-15℃加热至20℃时所需的时间：

Q=I2Rt

t=Q/I2R

=1636/9.092×24.2

=818S

即大约14分钟，如果考虑到油箱散热的因素，大约在20分钟左右。

在本地冬季温度最低时，门机供电后仅需要20分钟左右的时间就能够使润滑油的温度达到作业要求。

5 改造后的技术性能

（1）油封使用寿命提高5倍以上，避免了润滑油频繁泄漏的现象；（2）避免了润滑油和电缆等电气元件发生接触而带来的安全隐患；（3）有效缩短了管路距离，减少了润滑油的沿程压力损失；（4）自动温控器能够在温度较低时自动加热，当温度达到20℃左右时停止加热，保证润滑油的适宜润滑温度。

6 改造后的总体性能指标

（1）变幅螺母及螺杆的使用寿命提高7倍以上；（2）全年共减少拆修频率以及保养维护等工时共1000小时；（3）改造后门机运行更加平稳。

7 经济效益分析

（1）目前已完成M37的螺杆变幅机构强制润滑工艺改进，油封改造、设备吊装、温控器购置及安装各项费用共计约为1.2万元；（2）在改造完成以后，油封的使用寿命提高了3～4倍，变幅螺杆的故障率降低到原来的30%以下，极大地降低了变幅机构的拆修频率。全年节约各项材料费以及人工费用共23万元以上；（3）螺杆变幅机构强制润滑工艺革新改造成本低，使用寿命长，提高了润滑效率，满足了生产的需要。

8 应用效果分析

根据生产实际需要，创造性地完善了螺杆式变幅门机的强制润滑工艺：升级改造了老式的聚氨酯油封，增加了润滑泵的密封性能，提高其使用寿命，最大限度地避免了润滑油的泄漏。在通过分析螺杆式变幅门机的传动原理以及传动优缺点的基础上，对其进行了革新改造，避免了润滑油的泄漏带来的安全隐患，同时极大地提高了其润滑效率。降低了机构的故障率，减少了整体的拆修频率，减轻了工人的劳动强度，并且投入成本低、操作简单、温控精确，非常适合于螺杆式门机变幅机构的需要。该项目改造成功，为我港提高生产效率、降低生产成本起到积极的作用。

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作者简介：姜涵文（1988-），男，山东烟台人，烟台港股份有限公司联合港埠分公司固机队助理工程师，研究方向：港口起重设备管理与维护。

（责任编辑：黄银芳）