滚珠丝杆升降机的一种制动结构设计与分析

(陕西理工学院陕西省工业自动化重点实验室，陕西汉中 723000)

(陕西理工学院陕西省工业自动化重点实验室，陕西汉中 723000)

滚珠丝杆升降机是一种利用蜗杆副带动滚珠丝杠副进行运动的精密升降部件，在工作过程中主要依靠蜗杆副的自锁实现锁定，但是在实际应用中出现过锁定失效的状况，说明蜗轮蜗杆自锁性并不十分可靠。针对此问题，设计了一种简单灵活的制动结构，并对制动结构的摩擦力矩进行了计算校核，计算结果满足设计要求;然后利用Solidworks软件完成了相关零部件的三维设计及整体装配，最后利用Simulation模块完成了摩擦片支架的有限元分析，分析结果满足工程要求。

滚珠丝杆升降机;制动结构;Solidworks;三维设计;有限元分析

0 前言

滚珠丝杆升降机是一种利用蜗杆副带动滚珠丝杠副进行升降的精密起重部件，具有传动效率高、体积小、控制方便、运动平稳等优点，广泛应用于舞台升降、雷达天线座升降机构、火箭、火炮发射装置以及建筑医疗等领域。滚珠丝杆升降机在工作过程中主要利用滚珠丝杠副进行升降，滚珠丝杠副不具备自锁功能，用于垂直升降传动系统时，一旦失去动力源，就会产生逆转动，所以滚珠丝杆升降机利用具有自锁性的蜗杆副实现锁定，以防止升降物品时丝杠下落。

蜗轮蜗杆传动，当蜗杆的螺旋升角γ小于摩擦角Ψ时(γ＜Ψ)，该机构具有很好的自锁性［1-2］，但是在实际例子中，也出现过因自锁失效而导致事故发生的例子［3-4］，由此可见，蜗轮蜗杆自锁性并不十分可靠，在对安全性、可靠性要求较高的使用场合，滚珠丝杆升降机必须外加制动装置，以确保安全，因此对滚珠丝杆升降机设计一种结构简单、使用方便、价格低廉的制动结构很有必要。文中选用JWB005型号的升降机进行制动结构设计。

1 制动结构设计计算

1.1 滚珠丝杆升降机的组成及工作原理

如图1所示，滚珠丝杆升降机主要有蜗轮蜗杆减速器、滚珠丝杠副、推力球轴承、防旋转罩及底座等零部件组成。其工作原理为伺服电机带动蜗杆8旋转，蜗杆8带动蜗轮3转动，蜗轮3通过蜗轮轴带动丝杠螺母9旋转，丝杠螺母9带动滚珠丝杠10上下运动，滚珠丝杠10通过法兰1实现物体的升降。为了防止滚珠丝杠10在上下运动过程中旋转，在其最下端装有方形块6，方形块6与防旋转罩5之间间隙配合，从而实现滚珠丝杠只能上下运动而不能旋转运动。

图1 滚珠丝杆升降机结构简图Fig.1The sketch map of structure of ball screw lifter

1.2 制动结构的组成及工作原理

滚珠丝杆升降机制动结构简图如图2所示。整个制动结构主要有梯形丝杆、梯形丝杆螺母、摩擦片支架、角接触球轴承、组合蝶形弹簧及摩擦片等组成。其工作原理为减速电机带动梯形丝杆1、1-1做旋转运动，梯形丝杆带动梯形丝杆螺母3、3-1做上下移动，梯形丝杆螺母和摩擦片支架6之间用销轴连接，当螺母3、3-1向下运动时，它们向下推摩擦片支架，组合碟形弹簧7被压缩，摩擦片8和9分开，制动松闸;当螺母3、3-1向上运动时，它们和摩擦片支架分开，摩擦片支架在组合碟形弹簧的作用下向上运动，摩擦片8和9接触压紧，蜗轮和丝杠螺母被制动，即丝杠螺母不能逆旋转，从而滚珠丝杠不能上下移动，实现滚珠丝杆升降机制动。

图2 滚珠丝杆升降机制动结构简图Fig.2The sketch map of brake structure of ball screw lifter

当摩擦片8将制动力矩传给摩擦片支架时，摩擦片支架的两个臂和底座切槽4、4-1接触，阻止摩擦片8的转动，从而实现制动。滚珠丝杆升降机用于精密升降场合，当物体快接近预定位置时，接近开关灯亮，伺服电机迅速减速，此时蜗轮转速极低，物体缓慢逼近预定位置，当物体到达预定位置时，蜗轮停止转动，故制动时两摩擦片之间的相对转速很低，对摩擦片支架的冲击也就很小，不需要加缓冲弹簧，如果冲击很大，则需要在摩擦片支架的侧面加缓冲弹簧，以减少对底座的冲击。

1.3 摩擦力矩计算校核

(1)由参考文献［5］可知，当滚珠丝杠副受轴向载荷Fa作用时，在滚珠丝杠公称直径d0处产生螺纹力矩Mt，在丝杠螺母无预紧及忽略轴承的摩擦力矩情况下，螺纹力矩Mt等于其驱动力矩M，即

式中，Fa为轴向外载荷，N;L为丝杠导程，mm;φ为螺纹升角，(°)，φ=tan-1;ρd为当量摩擦角，一般取ρd=8.6';η为传动效率，η

(2)当摩擦片8和9之间产生相对转动时，接触面间将产生摩擦力，摩擦力对回转轴线的力矩即为摩擦力矩Mf。如图3所示，在摩擦片接触面上取环形微面积ds=2πρdρ，则环形微面积上所受的正压力为dFN=pds(p为环形微面积上的压强)，摩擦力为dFf=fdFN=fpds(f为摩擦片摩擦系数)，对回转轴线的摩擦力矩dMf=ρdFf=ρfpds，故摩擦片端面所受的总摩擦力矩为

图3 摩擦片的摩擦力矩计算示意图Fig.3The calculation sketch map of friction moment of friction plate

对式(2)的解可分为以下两种情况来计算［6］:

1)对于新的摩擦片或很少相对转动的摩擦片，可假设p为常数，则

其中，F为摩擦片所受的轴向力，联立(3)、(4)两式，可得

2)摩擦片经过一段时间的工作后，会产生磨损，此时摩擦片接触面各处的压强不能再假设为处处相等，较为符合实际的假设是接触面间的磨损处处相等，即pρ为常数，设pρ= k，则

JWB005型号的升降机最大载荷为5 kN，丝杠公称直径为16 mm，导程为5 mm，摩擦片r= 15 mm，R=25 mm，f=0.5，当Mf≥M时，可实现制动，为了保证安全，可以乘一个安全系数，提高升降机制动的可靠性，即Mf≥3M，将数据带入公式(1)、(8)可得，M=4.08 N·m，F≥1 224 N，则一根梯形丝杆所承受的推力为F'==612 N。参照表1所示的选型参数，选取外径为9 mm，导程R'为24 mm的梯形丝杆，则丝杆的驱动扭矩为T'==2.41 N·m小于梯形丝杆的动态容许扭矩3.24 N·m，故所选丝杆满足使用要求。梯形丝杆动力源可选取60JX300K47G12型号永磁直流行星减速电机，行星减速电机具有功率低、体积小、转矩大等特点。

表1 梯形丝杆选型参数Tab.1Selection and parameters of trapezoidal screw

2 关键零部件设计及分析

2.1 关键零部件设计

零件设计是三维设计的基础，也是整体装配和仿真分析的前提，Solidworks软件采用基于特征的、参数化的三维建模技术［7］，可以快速准确地建立零件实体模型。

利用Solidworks的拉伸、旋转、扫描、筋、阵列、圆角等命令，可以生成底座、摩擦片支架等零部件的三维实体模型，如图4、5所示。最后，将各个零部件装配起来，从装配的角度进行产品设计，不仅能检测出设备各种工况时是否干涉，提高设备设计的准确性，同时可以缩短机械产品的开发周期，降低设计和生产成本［8-10］，最终升降机整体装配图如图6所示。

2.2 摩擦片支架有限元分析

Simulation模块是基于有限元法技术的分析模块，与Solidworks无缝集成，提供了单一屏幕解决方案来进行静态、频率、扭曲、热力、疲劳、非线性分析等［11］，一般的工程技术人员就可以使用它对产品进行分析，并快速得到相应的计算、分析结果，从而极大地缩短新产品的设计周期，降低试验成本［12］。首先调用Simulation有限元分析模块，然后添加夹具、载荷、材料类型及划分网格，最后进行有限元分析计算，分析结果如图7、8所示。

摩擦片支架的材料为合金钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.28，屈服强度约为620 MPa，质量密度为7 700 kg/m3。从图7的应力分析云图中可以看出支架的最大应力发生在支架臂与支架环的连接处，最大值为8 233 559.5 N/m2，远远小于材料的屈服强度，说明所选材料性能满足使用要求，并且存在很大的优化空间;从图8的变形分析云图中可以看出最大变形发生在支架环的前后两侧，最大变形量为0.4594 μm，变形在所选材料的弹性变形范围内，说明支架在12.24 N·m扭矩下，只发生弹性变形，没发生塑性变形，故扭矩去除后，材料能够回复初始状态。

3 结论

(1)针对现有JWB型滚珠丝杆升降机锁定不可靠问题设计了一种制动结构，该结构简单灵活，操作方便，安全可靠;

(2)对制动结构的摩擦力矩进行了计算校核，计算结果满足设计要求;

(3)利用Solidworks软件的三维建模功能，完成了相关零部件的3D设计及整体装配，并利用Simulation模块对摩擦片支架进行了有限元分析，分析结果满足工程要求，并且存在很大的优化空间;

(4)基于滚珠丝杆升降机在工程机械中的实际应用状况，设计了一种制动结构，提高了滚珠丝杆升降机的安全可靠性，为滚珠丝杆升降机今后的优化设计提供一种可行性方案;

(5)如何保证两个梯形丝杆运动的同步性，本文没有具体研究，说明滚珠丝杠升降机的制动方法还有待于进一步深入研究。

［1］徐平友.蜗杆蜗轮机构的自锁性［J］.现代机械，2002(1):79-80.

［2］张天才，高群永.蜗轮蜗杆自锁失效原因分析［J］.工业设计，2011(9):124.

［3］吴狄.蜗轮传动自锁可靠性的研究［J］.机械设计与制造，2004(02):6-7.

［4］左爱武.螺旋传动机构自锁失效分析［J］.武钢技术，2009(4):31-33.

［5］饶振钢，王勇卫.滚珠丝杠副及自锁装置［M］.北京:国防工业出版社，1990:108-109.

［6］孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006:56-57.

［7］权洁.基于SolidWorks的空气压缩机建模及仿真分析［J］.煤矿机械，2011(8):56-58.

［8］李振伟，李建华.固定式铝锭翻转机构仿真设计研究［J］.重型机械，2012(5):71-73.

［9］许武，李为，凡明，等.基于SolidWorks的冷轧管机动平衡仿真［J］.重型机械，2013(2):76 -80.

［10］王军锋，孙康.基于SolidWorks的颚式破碎机的三维设计与建模［J］.煤炭工程，2012(11):126 -127.

［11］陈胜，章海.卡套式管接头SolidWorks Simulation分析［J］.机械工程师，2012(6):99-101.

［12］陈永当，鲍志强，任慧娟，等.基于SolidWorks Simulation的产品设计有限元分析［J］.计算机技术与发展，2012(9):177-180.

滚珠丝杆升降机的一种制动结构设计与分析

苗玉刚，赵峰

Design and analysis of a brake structure of ball screw lifter

MIAO Yu-gang，ZHAO Feng
(Shannxi Key Laboratory of Industrial Automation，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China)

Ball screw lifter is a precision lifting part by worm gear pair drives ball screw pair lift and lower.It mainly depends on the self-locking of the worm gear pair to lock in the course of its work.But it appeared some failure state that happened because of failure of the self-locking of the worm gear pair in a practical application，which shows that the self-locking of the worm gear pair is not very reliable.For this problem，this paper designs a simple and flexible brake structure.The friction moment of brake structure is calculated，and the calculation meets the design requirements.Then the paper achieves the design of related parts and the whole assembly by Solidworks software，and completes the finite element analysis of friction plate holder by Simulation module，the analysis results meet the project requirements.

ball screw lifter;brake structure;Solidworks;3D design;finite element analysis

TH122

A

1001-196X(2014)05-0072-05

2014-03-29;

2014-05-18

陕西省工业自动化重点实验室项目(13JS026);陕西省工业自动化重点实验室访问学者项目(12JS035)。

苗玉刚(1988-)，男，陕西理工学院硕士研究生。