屏蔽門(mén)高速絲杠副傳動(dòng)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)的改進(jìn)

摘　要　屏蔽門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉是由高速絲杠副傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。要求該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很高的傳動(dòng)精度及較長(zhǎng)的使用壽命。高速絲杠副傳動(dòng)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)是對(duì)以前的絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的改進(jìn),可以解決高速絲杠傳動(dòng)中絲杠因負(fù)載、變形、安裝誤差等造成的傳動(dòng)、偏差及使用壽命等問(wèn)題。
關(guān)鍵詞　屏蔽門(mén),傳動(dòng)機(jī)構(gòu),高速絲杠,無(wú)偏載傳動(dòng)
城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門(mén)系統(tǒng)是現(xiàn)代城市地和輕軌采用的一種專(zhuān)用設(shè)備。屏蔽門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉是由高速絲桿副傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這就要求該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很高的傳動(dòng)精度和較長(zhǎng)的使用壽命。本文討論的是屏蔽門(mén)系統(tǒng)中高速絲杠副傳動(dòng)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)的改進(jìn)。
1 　原機(jī)構(gòu)的工作原理及存在的問(wèn)題
圖1 為屏蔽門(mén)原來(lái)的高速絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。該機(jī)構(gòu)采用高速多頭大導(dǎo)程非自鎖絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副,絲杠(2) 外表套有耐磨螺母(1) ,絲杠通過(guò)聯(lián)軸與電機(jī)軸聯(lián)接,螺母(1) 和門(mén)掛板(5) 通過(guò)夾板(3) 以及鉸鏈機(jī)構(gòu)(4) 連接起來(lái),門(mén)扇(6) 與門(mén)掛板(5) 通過(guò)螺栓連接。當(dāng)電機(jī)開(kāi)始工作時(shí),絲杠(2) 可在電機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng);套在絲杠外面的被螺牙嚙合的螺母隨之做直線運(yùn)動(dòng),在連接叉與鉸鏈機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下,從而使一對(duì)門(mén)掛板(5) 和門(mén)扇(6) 跟著做開(kāi)關(guān)門(mén)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)在手動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)的時(shí)候,需要費(fèi)比較大的人力;而且在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)不是很平穩(wěn),傳動(dòng)阻力大,存在著較大的運(yùn)動(dòng)噪聲。下面結(jié)合圖例分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。
圖2 為手動(dòng)推門(mén)的示意圖。當(dāng)如圖所示施加人力給門(mén)扇(3) 時(shí),必然會(huì)對(duì)絲桿(1) 的軸心A 點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)力矩,這個(gè)力矩迫使絲杠(1) 和螺母(2) 在B 點(diǎn)產(chǎn)生很大的阻力,從而使人所施加的外力會(huì)增加。也就是說(shuō)人需要很大的力才能將門(mén)扇(3) 打開(kāi)或者關(guān)閉。同時(shí)由于絲杠(1) 和螺母(2) 之間存在著較大的阻力,絲杠與螺母之間的磨損必然比較嚴(yán)重。從而造成整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中運(yùn)動(dòng)不是很平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)噪聲較大等現(xiàn)象。由于在安裝過(guò)程存在著安裝誤差,一旦門(mén)掛板(5) 和門(mén)扇(6) 在安裝時(shí)導(dǎo)軌面(7) 沒(méi)有與絲杠(2) 的軸線平行,而螺母(1) 又不能自行調(diào)整其軸線與導(dǎo)軌面(7) 平行,從而整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生偏載,從而造成阻力大、運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)、噪聲較大等現(xiàn)象。

圖1 　屏蔽門(mén)高速絲杠副傳動(dòng)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)示意圖
是改進(jìn)后的絲杠副傳動(dòng)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)的示意圖。該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用高速多頭大導(dǎo)程非自鎖絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副,不銹鋼絲杠(13) 外表套有耐磨螺母(2) 、(4) ,無(wú)刷電機(jī)和絲杠(13) 通過(guò)聯(lián)軸器無(wú)減速直接聯(lián)接。門(mén)扇(12) 成對(duì)聯(lián)接在門(mén)掛板(10) 、(11) 上,門(mén)掛板(10) 、(11) 通過(guò)掛車(chē)(15) 和導(dǎo)軌(14) 聯(lián)接。掛車(chē)(15) 承受門(mén)扇(12) 向下垂直的重量和水平側(cè)擠壓力。門(mén)掛板(10) 、(11) 運(yùn)動(dòng)間隙通過(guò)掛車(chē)(15) 調(diào)整。耐磨螺母(2) 、(4) 和一對(duì)門(mén)掛板(10) 、(11) 都采用無(wú)偏載機(jī)構(gòu),無(wú)偏載機(jī)構(gòu)采用叉形鉸鏈無(wú)偏載機(jī)構(gòu),連接叉(5) 上的可轉(zhuǎn)動(dòng)柱銷(xiāo)(6) 插入與耐磨螺母(2) 、(4) 聯(lián)接的法蘭(1) 及套筒體(3) 內(nèi)。連接叉用可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接軸(7) 與具有活動(dòng)關(guān)節(jié)的鉸(8) 通過(guò)銷(xiāo)軸(9) 連接在左掛板(10) 及右掛板(11) 上。

圖2 　手動(dòng)推門(mén)的示意圖鏈

2 　機(jī)構(gòu)的改進(jìn)
根據(jù)以上分析的原因,對(duì)機(jī)構(gòu)做了改進(jìn)。圖3

圖3 　改進(jìn)后的屏蔽門(mén)高速絲杠副傳動(dòng)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)示意圖

　　下面分析螺母的自由度受限制的情況:假設(shè)以圖3 上端的正視圖的平面作為X -Y 平面。在沒(méi)有任何約束的情況下,螺母(4) 有6 個(gè)自由度,分別是繞X、Y、Z 軸的旋轉(zhuǎn)以及在X、Y、Z 軸方向上的直線運(yùn)動(dòng)。首先分析X 軸的情況:假設(shè)以門(mén)掛板(10) 作為約束體,由于絲杠(13) 的轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)螺母(4) 做直線運(yùn)動(dòng),而不能繞X 軸旋轉(zhuǎn);又由于連接叉(5) 上的柱銷(xiāo)(6) 的限制,使得螺母(4) 相對(duì)于門(mén)掛板(10) 不能做X 軸方向的直線運(yùn)動(dòng),所以無(wú)偏載機(jī)構(gòu)限制了螺母(4) 在X 軸方向的2 個(gè)自由度。Y 軸上,由于連接叉(5) 上的可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接軸(7) 的作用,使得螺母(4) 可繞著Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng);又由于鉸鏈(8) 的作用使得螺母(4) 相對(duì)于門(mén)掛板可以做Y 軸方向的直線微量平移運(yùn)動(dòng)。Z 軸上,由于連接叉(5) 上的柱銷(xiāo)(6) 的作用,使得螺母(4) 可以繞Z 軸旋轉(zhuǎn);又由于鉸鏈(8) 的作用,使得螺母(4) 相對(duì)于門(mén)掛板可以做Z 軸方向的直線微量平移運(yùn)動(dòng)。無(wú)偏載機(jī)構(gòu)不限制螺母(4) 在Y、Z 軸方向的4 個(gè)自由度,這正是我們所希望的。這是因?yàn)榻z杠(13) 的轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)螺母(4) 做直線運(yùn)動(dòng),并通過(guò)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)和門(mén)掛裝置從而帶動(dòng)門(mén)扇運(yùn)動(dòng)。所以必須要求螺母(4) 不能轉(zhuǎn)動(dòng)以及相對(duì)于門(mén)掛板不能沿X 軸移動(dòng)。也就是說(shuō),必須限制螺母(4) 在X 軸上2 個(gè)自由度,而不限制另外4 個(gè)自由度,是因?yàn)樵谥圃旌桶惭b絲杠和導(dǎo)軌過(guò)程中難免存在著誤差。一旦絲杠(13) 和導(dǎo)軌(14) 稍微偏離了它們理論上平行位置,由于不限制螺母(4) 在Y、Z 方向的4 個(gè)自由度,螺母(4) 可以通過(guò)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)上的活關(guān)節(jié)自行調(diào)整軸心,避免螺母(4) 和絲杠(13) 之間產(chǎn)生額外的偏載而增大阻力。通過(guò)這樣的設(shè)置,來(lái)減少磨損、提高使用壽命、降低噪聲、提高傳動(dòng)精度,從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)的運(yùn)行。

3 　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在對(duì)改進(jìn)后的門(mén)機(jī)進(jìn)行了100 萬(wàn)次的壽命實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、傳動(dòng)精度高、噪聲較低。該機(jī)構(gòu)在手動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)的時(shí)候,也不需費(fèi)較大的人力就可以將門(mén)輕松打開(kāi)或關(guān)閉。這說(shuō)明改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)能滿(mǎn)足使用要求。

圖4 　螺母齒形變化簡(jiǎn)圖試驗(yàn)前后螺母齒形變化情況如圖4 , 其它部件的情況:門(mén)導(dǎo)軌測(cè)量不出磨損;雖有磨損,但可繼續(xù)使用。門(mén)機(jī)經(jīng)累計(jì)運(yùn)行無(wú)故障100 萬(wàn)次工作循環(huán)周期后,所有零部件仍可繼續(xù)使用,各項(xiàng)性能不變。
4 　結(jié)語(yǔ)
改進(jìn)后的傳動(dòng)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)通過(guò)高速多頭非自鎖絲杠螺母副,不僅實(shí)現(xiàn)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成門(mén)扇的直線運(yùn)動(dòng),而且能夠滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、低噪聲、壽命長(zhǎng)的要求。采用電機(jī)與絲杠無(wú)減速直接聯(lián)接,減少了運(yùn)動(dòng)噪聲,提高了門(mén)機(jī)的傳動(dòng)效率和可靠性, 制造、安裝、變形、負(fù)載等引起的綜合誤差,改善絲也簡(jiǎn)化了門(mén)機(jī)機(jī)構(gòu)。螺母與門(mén)掛裝置采用無(wú)偏載杠受力狀況,提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,延長(zhǎng)使用壽命,減機(jī)構(gòu)聯(lián)接可以使門(mén)機(jī)的性能更優(yōu),無(wú)偏載機(jī)構(gòu)限制少運(yùn)動(dòng)噪音。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,改進(jìn)后的屏蔽門(mén)高速螺母6 個(gè)自由度中的2 個(gè)自由度運(yùn)動(dòng),從而消除因絲杠副傳動(dòng)無(wú)偏載機(jī)構(gòu)能滿(mǎn)足使用要求。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　陳海苑,龍騰. 水平滑動(dòng)門(mén)門(mén)機(jī)權(quán)利要求書(shū). 2001 (專(zhuān)利號(hào):0127064805)
2 　周本余,楊躍先等. PBM 門(mén)機(jī)100 萬(wàn)次壽命試驗(yàn)后解體測(cè)量結(jié)果. 鄭州機(jī)電工程. 2002
3 　胡志暉,葉霞飛,蔡蔚. 城市軌道交通屏蔽門(mén)系統(tǒng)的適用性分析. 城市軌道交通研究,2002 , (3) :62～65