屏蔽門高速絲杠副傳動無偏載機構的改進

摘　要　屏蔽門的開啟和關閉是由高速絲杠副傳動來實現的。要求該傳動機構具有很高的傳動精度及較長的使用壽命。高速絲杠副傳動無偏載機構是對以前的絲杠副傳動機構的改進,可以解決高速絲杠傳動中絲杠因負載、變形、安裝誤差等造成的傳動、偏差及使用壽命等問題。
關鍵詞　屏蔽門,傳動機構,高速絲杠,無偏載傳動
城市軌道交通站臺屏蔽門系統是現代城市地和輕軌采用的一種專用設備。屏蔽門的開啟與關閉是由高速絲桿副傳動來實現的,這就要求該傳動機構具有很高的傳動精度和較長的使用壽命。本文討論的是屏蔽門系統中高速絲杠副傳動無偏載機構的改進。
1 　原機構的工作原理及存在的問題
圖1 為屏蔽門原來的高速絲杠副傳動機構示意圖。該機構采用高速多頭大導程非自鎖絲杠螺母傳動副,絲杠(2) 外表套有耐磨螺母(1) ,絲杠通過聯軸與電機軸聯接,螺母(1) 和門掛板(5) 通過夾板(3) 以及鉸鏈機構(4) 連接起來,門扇(6) 與門掛板(5) 通過螺栓連接。當電機開始工作時,絲杠(2) 可在電機帶動下轉動;套在絲杠外面的被螺牙嚙合的螺母隨之做直線運動,在連接叉與鉸鏈機構的帶動下,從而使一對門掛板(5) 和門扇(6) 跟著做開關門運動。在實驗過程中,發現該機構在手動開關門的時候,需要費比較大的人力;而且在整個系統運行過程中,發現其運動不是很平穩,傳動阻力大,存在著較大的運動噪聲。下面結合圖例分析產生這種現象的原因。
圖2 為手動推門的示意圖。當如圖所示施加人力給門扇(3) 時,必然會對絲桿(1) 的軸心A 點產生一個力矩,這個力矩迫使絲杠(1) 和螺母(2) 在B 點產生很大的阻力,從而使人所施加的外力會增加。也就是說人需要很大的力才能將門扇(3) 打開或者關閉。同時由于絲杠(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重。從而造成整個系統在運行過程中運動不是很平穩、運動噪聲較大等現象。由于在安裝過程存在著安裝誤差,一旦門掛板(5) 和門扇(6) 在安裝時導軌面(7) 沒有與絲杠(2) 的軸線平行,而螺母(1) 又不能自行調整其軸線與導軌面(7) 平行,從而整個系統在運行過程中,會產生偏載,從而造成阻力大、運動不平穩、噪聲較大等現象。

圖1 　屏蔽門高速絲杠副傳動無偏載機構示意圖
是改進后的絲杠副傳動無偏載機構的示意圖。該傳動機構采用高速多頭大導程非自鎖絲杠螺母傳動副,不銹鋼絲杠(13) 外表套有耐磨螺母(2) 、(4) ,無刷電機和絲杠(13) 通過聯軸器無減速直接聯接。門扇(12) 成對聯接在門掛板(10) 、(11) 上,門掛板(10) 、(11) 通過掛車(15) 和導軌(14) 聯接。掛車(15) 承受門扇(12) 向下垂直的重量和水平側擠壓力。門掛板(10) 、(11) 運動間隙通過掛車(15) 調整。耐磨螺母(2) 、(4) 和一對門掛板(10) 、(11) 都采用無偏載機構,無偏載機構采用叉形鉸鏈無偏載機構,連接叉(5) 上的可轉動柱銷(6) 插入與耐磨螺母(2) 、(4) 聯接的法蘭(1) 及套筒體(3) 內。連接叉用可轉動的連接軸(7) 與具有活動關節的鉸(8) 通過銷軸(9) 連接在左掛板(10) 及右掛板(11) 上。

圖2 　手動推門的示意圖鏈

2 　機構的改進
根據以上分析的原因,對機構做了改進。圖3

圖3 　改進后的屏蔽門高速絲杠副傳動無偏載機構示意圖

　　下面分析螺母的自由度受限制的情況:假設以圖3 上端的正視圖的平面作為X -Y 平面。在沒有任何約束的情況下,螺母(4) 有6 個自由度,分別是繞X、Y、Z 軸的旋轉以及在X、Y、Z 軸方向上的直線運動。首先分析X 軸的情況:假設以門掛板(10) 作為約束體,由于絲杠(13) 的轉動,帶動螺母(4) 做直線運動,而不能繞X 軸旋轉;又由于連接叉(5) 上的柱銷(6) 的限制,使得螺母(4) 相對于門掛板(10) 不能做X 軸方向的直線運動,所以無偏載機構限制了螺母(4) 在X 軸方向的2 個自由度。Y 軸上,由于連接叉(5) 上的可轉動的連接軸(7) 的作用,使得螺母(4) 可繞著Y 軸轉動;又由于鉸鏈(8) 的作用使得螺母(4) 相對于門掛板可以做Y 軸方向的直線微量平移運動。Z 軸上,由于連接叉(5) 上的柱銷(6) 的作用,使得螺母(4) 可以繞Z 軸旋轉;又由于鉸鏈(8) 的作用,使得螺母(4) 相對于門掛板可以做Z 軸方向的直線微量平移運動。無偏載機構不限制螺母(4) 在Y、Z 軸方向的4 個自由度,這正是我們所希望的。這是因為絲杠(13) 的轉動從而帶動螺母(4) 做直線運動,并通過無偏載機構和門掛裝置從而帶動門扇運動。所以必須要求螺母(4) 不能轉動以及相對于門掛板不能沿X 軸移動。也就是說,必須限制螺母(4) 在X 軸上2 個自由度,而不限制另外4 個自由度,是因為在制造和安裝絲杠和導軌過程中難免存在著誤差。一旦絲杠(13) 和導軌(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 個自由度,螺母(4) 可以通過無偏載機構上的活關節自行調整軸心,避免螺母(4) 和絲杠(13) 之間產生額外的偏載而增大阻力。通過這樣的設置,來減少磨損、提高使用壽命、降低噪聲、提高傳動精度,從而使整個系統能夠平穩的運行。

3 　實驗結果
在對改進后的門機進行了100 萬次的壽命實驗后,發現整個系統運行平穩、傳動精度高、噪聲較低。該機構在手動開關門的時候,也不需費較大的人力就可以將門輕松打開或關閉。這說明改進后的機構能滿足使用要求。

圖4 　螺母齒形變化簡圖試驗前后螺母齒形變化情況如圖4 , 其它部件的情況:門導軌測量不出磨損;雖有磨損,但可繼續使用。門機經累計運行無故障100 萬次工作循環周期后,所有零部件仍可繼續使用,各項性能不變。
4 　結語
改進后的傳動無偏載機構通過高速多頭非自鎖絲杠螺母副,不僅實現將電機的旋轉運動變成門扇的直線運動,而且能夠滿足運動平穩、低噪聲、壽命長的要求。采用電機與絲杠無減速直接聯接,減少了運動噪聲,提高了門機的傳動效率和可靠性, 制造、安裝、變形、負載等引起的綜合誤差,改善絲也簡化了門機機構。螺母與門掛裝置采用無偏載杠受力狀況,提高運動的平穩性,延長使用壽命,減機構聯接可以使門機的性能更優,無偏載機構限制少運動噪音。經過實驗證明,改進后的屏蔽門高速螺母6 個自由度中的2 個自由度運動,從而消除因絲杠副傳動無偏載機構能滿足使用要求。

參　考　文　獻
1 　陳海苑,龍騰. 水平滑動門門機權利要求書. 2001 (專利號:0127064805)
2 　周本余,楊躍先等. PBM 門機100 萬次壽命試驗后解體測量結果. 鄭州機電工程. 2002
3 　胡志暉,葉霞飛,蔡蔚. 城市軌道交通屏蔽門系統的適用性分析. 城市軌道交通研究,2002 , (3) :62～65