塞拉門機(jī)構(gòu)中絲杠磨損分析

段東梅 黃兵 張毅迪

摘 要：絲杠的磨損過(guò)程與潤(rùn)滑狀態(tài)、受力、材料等多種方面有關(guān)，文章以塞拉門機(jī)構(gòu)中絲杠螺母副為例，定量的研究絲杠的磨損量。首先分析確定絲杠的磨損類型為磨粒磨損，通過(guò)simulation仿真確定絲杠最大允許磨損深度為設(shè)計(jì)尺寸Δ?；贏rchard磨損模型對(duì)絲杠的磨損建立磨損模型，同時(shí)建立絲杠受力模型，通過(guò)計(jì)算得出保證絲杠在允許磨損范圍Δ內(nèi)絲杠表面硬度至少應(yīng)為401.85HV。最終通過(guò)壽命試驗(yàn)，將試驗(yàn)現(xiàn)象與驗(yàn)證理論計(jì)算進(jìn)行擬合，對(duì)后續(xù)塞拉門機(jī)構(gòu)絲杠選材及表面處理提供了一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：絲杠;磨損;Archard模型;硬度

中圖分類號(hào)：TH132.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-129-04

Wear analysis of the Lead screw of the Sliding Plug door Mechanism

Duan Dongmei， Huang Bing， Zhang Yidi

（?Ningbo CRRC times Electrical Equipment Co.， Ltd.，?Zhejiang Ningbo 315200?）

Abstract：?The wear process of the lead screw is related to the lubrication state， stress， material and other aspects. This paper takes the lead screw nut pair in the lead screw of the sliding gate mechanism as an example to quantitatively study the wear amount of the lead screw. Firstly， the wear type of the lead screw is determined to be abrasive wear， and the maximum allowable wear depth of the lead screw is determined to be the design dimensionΔby simulation. Based on the arcard wear model， the wear model of the lead screw is established， and the stress model of the lead screw is established. Through calculation， the surface hardness of the lead screw in the allowable wear rangeΔis at least 401.85HV. Finally， through the life test， the test phenomenon is fitted with the verification theoretical calculation， which provides a certain reference value for the selection of screw material and surface treatment of the subsequent sliding gate mechanism.

Keywords：?Lead screw; Wear; Archard model; Hardness

CLC NO.： TH132.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）04-129-04

引言

塞拉門機(jī)構(gòu)中通過(guò)絲杠螺母副實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化與傳遞，絲杠螺母將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)螺母的直線運(yùn)動(dòng)完成雙門扇的運(yùn)動(dòng)，所以絲杠螺母運(yùn)行的平穩(wěn)性關(guān)系到塞拉門系統(tǒng)是否能正常開(kāi)關(guān)。

實(shí)際中，在完成一定次數(shù)的塞拉門系統(tǒng)開(kāi)關(guān)后，由于沖擊、振動(dòng)等各種原因絲杠表面往往出現(xiàn)劃痕、凹坑甚至表面涂層剝落漏出金屬母材等各種磨損狀態(tài)，磨損量越多，絲杠螺母的配合間隙越大，最終導(dǎo)致兩門扇運(yùn)動(dòng)不同步，塞拉門系統(tǒng)運(yùn)行噪聲增大，甚至出現(xiàn)開(kāi)關(guān)門卡頓等問(wèn)題。絲杠表面的失效與絲杠的材料、受力、磨損類型、表面處理、允許磨損深度等各方面有關(guān)。塞拉門機(jī)構(gòu)中絲杠的磨損是一門復(fù)雜學(xué)科，一直以來(lái)，對(duì)磨損研究都處于定性的研究，張巖^[1]對(duì)車輛機(jī)械的磨損形式進(jìn)行了分類總結(jié)并提出了三種控制磨損的方法，對(duì)零件的磨損提出預(yù)防性措施，增加延長(zhǎng)了機(jī)械零件的壽命;趙義鵬^[2]等基于視覺(jué)聽(tīng)覺(jué)信息對(duì)磨損位置及磨損量進(jìn)行了檢測(cè)計(jì)算;李聰波^[3]等以機(jī)床為例，基于修正的Archard模型形成一種磨損深度的計(jì)算，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證證明在一定條件下，磨損次數(shù)與磨損深度的關(guān)系。桂長(zhǎng)林^[4]等建立了Archard的磨損設(shè)計(jì)計(jì)算模型及其應(yīng)用方法，并通過(guò)試驗(yàn)確定了磨粒磨損的磨損系數(shù)，該文也得出Archard磨損模型只適用于一定的條件，即正壓力與材料硬度符合;劉曉敘^[5]介紹了計(jì)算機(jī)械磨損磨損壽命的常用方法，并對(duì)不同方法進(jìn)行了比較;蔡振兵^[6]等以硬質(zhì)涂層為研究對(duì)象，總結(jié)了其耐沖擊、沖蝕性的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，朱華^[7]等分析了多種非線性理論研究，確定了分形、混沌、小波理論對(duì)摩擦學(xué)理論研究的作用。以上研究都只是基于物理模型的定性說(shuō)明，對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)合不同磨損狀態(tài)的研究及對(duì)磨損的定量研究較少，對(duì)于磨損的定量研究，胡波^[8]建立了漸開(kāi)線齒輪計(jì)算模型，對(duì)齒輪的磨損進(jìn)行了定量計(jì)算;吳保群等^[9]軋機(jī)壓裝置重載絲杠螺母副的摩擦學(xué)特性與載荷之間的關(guān)系進(jìn)行了研;魏國(guó)慶^[10]對(duì)金屬的磨損失效形式及改善措施進(jìn)行了分類總結(jié)。

本文以塞拉門機(jī)構(gòu)絲杠螺母副為研究對(duì)象，在絲杠母材、表面處理方式一定的條件下，研究分析絲杠的磨損類型，通過(guò)Archard磨損模型計(jì)算在工程允許的磨損范圍內(nèi)材料表面的最小硬度。

1 塞拉門機(jī)構(gòu)中絲杠磨損類型的確定

金屬材料的磨損指金屬材料部件自身的相關(guān)副表面之間的產(chǎn)生的相互接觸與摩擦以及相關(guān)運(yùn)動(dòng)作用導(dǎo)致的金屬材料表面出現(xiàn)的損耗，金屬材料按其表面的磨損機(jī)理可將磨損劃分為：磨粒磨損、黏著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損等。

在實(shí)際應(yīng)用中，為減小絲杠磨損，螺母通常采用非金屬，同時(shí)在絲杠螺母副中間，往往涂有二硫化鉬進(jìn)行潤(rùn)滑，正常良好潤(rùn)滑狀態(tài)應(yīng)為絲杠與螺母之間存在一層潤(rùn)滑油膜，如圖1，潤(rùn)滑油膜對(duì)磨損進(jìn)行自補(bǔ)償及保護(hù)，理論分析，磨損應(yīng)發(fā)生在為非金屬的螺母上，但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，絲杠表面也會(huì)存在劃痕、凹坑等磨損。將絲桿拆卸后觀察，絲杠表面存在金屬渣、沙塵等顆粒浸在潤(rùn)滑脂中，附著在絲杠表面。絲杠表面的金屬與非金屬雜質(zhì)，將絲杠與螺母分開(kāi)，打破了原有的良好的潤(rùn)滑界面，且雜質(zhì)與絲杠及螺母分別形成了新的潤(rùn)滑界面，如圖2。這種潤(rùn)滑界面存在金屬-非金屬、金屬-金屬等多種復(fù)雜的潤(rùn)滑臨界面，甚至出現(xiàn)金屬渣與絲杠的直接接觸，這種有一定的潤(rùn)滑作用又存在松散的雜質(zhì)磨粒，使絲杠螺母間形成了復(fù)雜的磨損的狀態(tài)，機(jī)械上稱為磨粒磨損，同時(shí)由于沖擊、振動(dòng)等各種影響，使絲杠表面產(chǎn)生凹坑甚至表面涂層剝落。

2 塞拉門機(jī)構(gòu)中絲杠磨損分析計(jì)算

2.1 絲杠磨損因素分析

本文以塞拉門機(jī)構(gòu)絲杠為例，假設(shè)安裝調(diào)試后絲杠與螺母軸線重合，即不存在安裝誤差導(dǎo)致的絲杠螺母副的磨損。關(guān)于絲杠相關(guān)參數(shù)如下表：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并考慮絲杠螺母的實(shí)際配合為間隙配合，對(duì)絲杠的最大允許磨損深度設(shè)計(jì)為Δ=0.025mm，當(dāng)磨損量超過(guò)Δ，絲杠螺母間隙增大，絲杠螺母副不能正常運(yùn)行。考慮到在塞拉門機(jī)構(gòu)中，由于負(fù)載的存在會(huì)使絲杠發(fā)生變形，變形量過(guò)大時(shí)導(dǎo)致絲杠螺母副運(yùn)動(dòng)卡滯并加劇絲杠磨損。為確定絲杠變形對(duì)絲杠磨損影響的大小，用simulation模擬出絲杠最大變形量，如果絲杠在載荷下的最大變形量小于Δ，即絲杠的變形對(duì)絲杠的磨損在最大允許磨損深度Δ內(nèi)，所以絲杠變形導(dǎo)致的磨損可不考慮。

假設(shè)門扇的全部重量都在絲杠上，根據(jù)實(shí)際工況，絲杠為兩段固定支撐方式，根據(jù)力學(xué)知識(shí)知，將力集中加載在桿中間，絲杠的變形量最大，加載力為單扇門門扇的重量。固定及加載方式如圖3（a），模擬結(jié)果如圖3（b）。

根據(jù)模擬結(jié)果，絲杠的最大變形量為3×10^-4mm，遠(yuǎn)小于絲杠的設(shè)計(jì)公差Δ=0.025mm，根據(jù)仿真結(jié)果絲杠變形引起的磨損量可不考慮。

2.2 絲杠磨損模型的建立

在正常工況下，絲杠作為傳動(dòng)零部件，其所受正壓力與絲杠表面硬度的關(guān)系滿足，符合Archard磨粒模型建立的條件。根據(jù)Archard磨粒磨損設(shè)計(jì)計(jì)算模型，如圖4所示，當(dāng)一固緊磨粒在法向載荷δN的作用下，壓入被磨表面深Z并在表面上滑動(dòng)δL的距離后，得到以下關(guān)系式：

則絲杠最大磨損量為：

式中：

V—磨損量（磨損體積）;

l—磨損行程;

z—磨損深度。

又，根據(jù)Archard磨損計(jì)算公式：

根據(jù)式（1）可知，絲杠的磨損量與磨損系數(shù)K、法向載荷N、最大磨損行程L、硬度H相關(guān)。

2.3 最大允許磨損深度Δ下絲杠表面硬度計(jì)算

在實(shí)際應(yīng)用中，絲杠膜厚要求為AA40-AA60，該膜厚比最大允許磨損深度Δ大，即絲杠在最大允許磨損深度要求之內(nèi)時(shí)，只有絲杠表面氧化層被磨損，磨損深度并未到達(dá)金屬母材層。又絲杠螺母磨損類型為磨粒磨損，選取磨粒磨損系數(shù)取K=2×10^-3，K是無(wú)量綱參數(shù)。

下面確定絲杠所受正向載荷N，為降低理想理論值對(duì)整個(gè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的影響，采用試驗(yàn)法先測(cè)量電機(jī)輸出力矩，同時(shí)采用力矩扳手測(cè)試絲杠上實(shí)際接收到的力，將力矩通過(guò)測(cè)力扳手轉(zhuǎn)換成力。通過(guò)大量數(shù)據(jù)分析，當(dāng)電機(jī)電壓相同時(shí)，在電機(jī)額定功率內(nèi)電機(jī)輸出不同的電流時(shí)，電機(jī)的輸出力矩與絲杠上接受到的力的關(guān)系為：電機(jī)上輸出力矩為3.4N·m時(shí)，絲杠上的輸出力約為100N。在門扇開(kāi)關(guān)過(guò)程中，電機(jī)輸出電流在0.5A～8A之間波動(dòng)，為排除電機(jī)本身的影響，選取了四種不同型號(hào)的電機(jī)A、B、C、D在110V相同電壓下分別測(cè)試了不同電流下電機(jī)的輸出力矩，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2，最終取平均值進(jìn)行同比例計(jì)算得出絲杠中實(shí)際接收到的力。

根據(jù)關(guān)系式同比得出絲杠受力為：

式中：

T—平均力矩;

F—絲杠平均受力;

又電機(jī)對(duì)絲杠的驅(qū)動(dòng)力與絲杠所受正壓力之間的關(guān)系如圖5：

根據(jù)圖5，絲杠所受正壓力與絲杠上所測(cè)受力間的關(guān)系為：

式中：

N—絲杠所受正壓力;

將N、K、L、V帶入式（1）得：

即絲杠表面硬度至少為401.85HV才能保證絲杠的磨損量在最大允許磨損范圍之內(nèi)。

2.4 塞拉門機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)后絲杠磨損量

下面根據(jù)上述模型對(duì)絲杠螺母副進(jìn)行實(shí)際工況模擬，為降低試驗(yàn)的偶然性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，隨機(jī)抽取兩根同類型同批次經(jīng)入庫(kù)檢合格的絲杠1號(hào)、絲杠2號(hào)，在同樣負(fù)載及運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，在完成相同次數(shù)壽命試驗(yàn)后每根絲杠取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了尺寸測(cè)量，得出結(jié)果如下表3：

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在完成壽命試驗(yàn)后，絲杠都會(huì)存在不同情況的磨損，但絲杠磨損量都在最大允許磨損深度Δ之內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)基本符合，由此可知，在正常塞拉門機(jī)構(gòu)絲杠運(yùn)行工況下，要保證絲杠在最大允許磨損量?jī)?nèi)，絲杠的表面硬度至少為401.85HV。

3 討論

絲杠表面為硬質(zhì)陽(yáng)極氧化AA40～AA60，經(jīng)入庫(kù)檢，絲杠表面硬度為HV400～HV600之間，但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Achard磨損模型中對(duì)絲杠磨損基本適用，但絲杠局部尤其靠近門扇關(guān)閉的位置也出現(xiàn)磨損嚴(yán)重，甚至漏出金屬母材，如圖6。

Achard磨損模型中磨損量與法向載荷成正比的條件是，正壓力不超過(guò)H/3，一旦正壓力超過(guò)H/3，意味著整個(gè)接觸表面的表層下材料開(kāi)始發(fā)生塑性變形，磨損量急劇增大。

經(jīng)分析為以下原因：

（1）在門靠近關(guān)閉位置，由于門扇沖擊等原因?qū)е陆z杠受到的正壓力，已不符合Archard磨損模型條件;

（2）文中計(jì)算未考慮絲杠變形，但實(shí)際中由于加工誤差、安裝誤差絲杠變形是肯定存在的，由于絲杠的變形導(dǎo)致絲杠受力，在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的壽命試驗(yàn)后，絲杠磨損加劇;

（3）絲杠本身在加工時(shí)，局部陽(yáng)極氧化膜厚不符合設(shè)計(jì)要求，或陽(yáng)極氧化過(guò)程中局部硬度未達(dá)到要求，導(dǎo)致局部硬度降低，磨損量加重。

4 總結(jié)

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，確定了絲杠的磨損為磨粒磨損，在Archard磨損模型基礎(chǔ)上，分析了正常應(yīng)用條件下的絲杠磨損的理論計(jì)算，得出在塞拉門機(jī)構(gòu)絲杠螺母副中，絲杠最大允許磨損深度為設(shè)計(jì)尺寸Δ=0.025mm時(shí)，材料的表面硬度至少應(yīng)為401.85HV，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果較好的擬合了理論計(jì)算值，所建立的物理計(jì)算過(guò)程基本符合絲杠實(shí)際磨損過(guò)程。

研究也發(fā)現(xiàn)，沖擊振動(dòng)對(duì)絲杠的磨損作用相當(dāng)明顯，沖擊振動(dòng)導(dǎo)致絲杠受力增大加劇絲杠磨損，所以如何設(shè)計(jì)有效的緩沖裝置使絲桿受到的沖擊振動(dòng)有效的釋放將會(huì)是未來(lái)設(shè)計(jì)和研究的重點(diǎn)。

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