謝雄飛
（東華機(jī)械有限公司，廣東東莞， 523118）
摘要：絲桿副冷卻機(jī)構(gòu)是在絲桿中間加工一個(gè)冷卻進(jìn)通道，然后在絲桿周邊均勻加工若干冷卻回通道，再增加一個(gè)冷卻后蓋和冷卻前蓋，使得冷卻介子在絲桿和冷卻發(fā)生裝置之間形成一個(gè)閉環(huán)通道，直接冷卻滾珠絲桿。
關(guān)鍵詞：冷卻后蓋;冷卻前蓋;冷卻通道;冷卻槽
1.技術(shù)背景
滾珠絲桿副在結(jié)構(gòu)上主要由以下核心部件組成：絲杠軸，作為直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向軸，表面有螺旋槽結(jié)構(gòu)。螺母，與絲杠軸配合，通過螺旋槽形成運(yùn)動(dòng)軌道。滾珠，在螺旋槽內(nèi)滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低摩擦直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換。反向裝置，引導(dǎo)滾珠循環(huán)返回起點(diǎn)，形成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)路徑。預(yù)壓組件，調(diào)節(jié)滾珠循環(huán)時(shí)的預(yù)緊力，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。防塵裝置，保護(hù)絲杠免受污染物影響，延長(zhǎng)使用壽命。滾珠絲桿的剖面視圖如圖1。
圖1
絲桿副運(yùn)動(dòng)精密、噪音低、精度高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種場(chǎng)合，在某些運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合下，絲桿副的運(yùn)行載荷大、運(yùn)行頻率快，在高速重載工況下易因摩擦發(fā)熱導(dǎo)致滾珠和絲桿和螺母滾道的金相變化進(jìn)而絲桿性能下降，使用壽命短。另外，溫度升高導(dǎo)致絲桿螺母密封件、滾珠隔離套等老化變形，進(jìn)而滾珠的潤(rùn)滑導(dǎo)致滾珠和絲桿滾道磨損，產(chǎn)生不可逆的機(jī)械損壞。損壞的絲桿螺母圖如圖2。
圖2
2.現(xiàn)有的絲桿冷卻方式
絲桿冷卻方式一般分為內(nèi)部冷卻和外部冷卻兩種，它們的作用都是為了使絲桿能夠在高溫高壓環(huán)境下正常工作，并盡可能延長(zhǎng)其壽命。
外部冷卻最容易實(shí)施，但是冷卻效果也最差，常見的外部冷卻方式有外部噴水冷卻，是通過在絲桿外部設(shè)置冷卻通道，并通過噴頭向絲桿表面噴水，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿表面的冷卻。該方式具有簡(jiǎn)單、易操作、冷卻效果好的特點(diǎn)，但也存在噴頭易堵塞、冷卻效果不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。再就是外部風(fēng)冷，即在絲桿螺母附近增加風(fēng)扇，利用空氣流動(dòng)增加絲桿螺母的散熱，如圖3所示。此種散熱模式能在一定程度上緩解絲桿運(yùn)行中的發(fā)熱問題，但是冷卻效率太低，效果不理想。
圖3
內(nèi)部冷卻一般是通過在絲桿內(nèi)部設(shè)置冷卻溝槽，并通過冷卻管將冷卻介質(zhì)引入溝槽內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿內(nèi)部的冷卻。內(nèi)部冷卻也分為內(nèi)部噴水冷卻和內(nèi)部通油冷卻，內(nèi)部噴水冷卻即是將水或冷卻劑引入絲桿內(nèi)部的冷卻溝槽中，通過噴頭向絲桿內(nèi)部噴水，從而達(dá)到冷卻的目的。該方式具有簡(jiǎn)單、易操作、冷卻效果好的特點(diǎn)，但也存在噴頭易堵塞、需定期清洗的缺點(diǎn)。內(nèi)部通油冷卻是將潤(rùn)滑油同時(shí)作為冷卻介質(zhì)，經(jīng)過絲桿內(nèi)部的冷卻溝槽，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)絲桿內(nèi)部的冷卻。該方式具有冷卻效果好、不容易堵塞、對(duì)潤(rùn)滑油有保護(hù)作用的特點(diǎn)，但也存在成本高、廢油難以處理等缺點(diǎn)。
3.本新型絲桿副冷卻機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
本新型的絲桿副冷卻機(jī)構(gòu)，屬于絲桿的內(nèi)部冷卻范圍，而且能將能卻裝置和冷卻本體一體化聯(lián)接控制，能滿足各種冷卻介子的冷卻要求，能直接在絲桿軸上對(duì)滾珠絲桿副進(jìn)行冷卻，絲桿冷卻介子能循環(huán)使用，不受絲桿螺母結(jié)構(gòu)限制，能有效解決絲桿副的冷卻問題，提高絲桿的運(yùn)行精度和壽命。與傳統(tǒng)的散熱方式相比較，本絲桿冷卻機(jī)構(gòu)能保證較為穩(wěn)定的溫度，提高機(jī)械設(shè)備的可靠性，減少了機(jī)械設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)的成本。
4.本冷卻機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
本方式的一種新型絲桿副冷卻機(jī)構(gòu)，首先是需要在絲桿中間加工一個(gè)冷卻進(jìn)通道，通道不能太大，太大了影響絲桿軸的強(qiáng)度和受力，也不能太小，太小了冷卻介子通過量不足，冷卻效果不佳。然后在絲桿周邊均勻加工若干冷卻回通道，這些冷卻回通道的單個(gè)截面積要小于絲桿的冷卻進(jìn)通道的截面積，但是合起來的截面積要略大于冷卻進(jìn)通道的截面積, 絲桿結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。冷卻通道的截面積需要先明確絲桿副運(yùn)動(dòng)的工況及要求的絲桿溫度和熱交換量，然后按照公式Q=m×c×Δt（Q：換熱量（kW 或 kJ），m：冷卻介子質(zhì)量流量（kg/s），C：冷卻介子的定壓比熱容，Δt：冷卻介子進(jìn)出口溫差（℃）），計(jì)算出需要的冷卻介子的質(zhì)量流量，再依據(jù)質(zhì)量流量得出冷卻進(jìn)通道和冷卻回通道的截面積。
圖4
為了使得冷卻進(jìn)通道和冷卻回通道聯(lián)通還需要在絲桿的兩端增加前后冷卻板，前后冷卻板的進(jìn)通道和絲桿的進(jìn)通道聯(lián)通，回通道和絲桿的回通道聯(lián)通，前冷卻板可以直接固定在絲桿前端，隨絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)。前冷卻板上有冷卻回孔和冷卻進(jìn)孔以及密封件，冷卻回孔均布在前冷卻板的周邊并且與冷卻板中間的冷卻進(jìn)孔聯(lián)通，前冷卻板的冷卻回孔和絲桿的冷卻回通道對(duì)接，冷卻進(jìn)孔和絲桿的冷卻進(jìn)通道對(duì)接，密封件將前冷卻板的冷卻回孔和冷卻進(jìn)孔分開，同時(shí)防止冷卻介子溢出前冷卻板，如圖5所示。同樣，也可以在前冷卻板上開冷卻回槽和冷卻進(jìn)槽，冷卻回槽和冷卻進(jìn)槽聯(lián)通，冷卻回槽和絲桿上的冷卻回通道對(duì)接，冷卻進(jìn)槽和絲桿的進(jìn)通道對(duì)接，密封件將冷卻回槽和冷卻進(jìn)槽分開，并且防止冷卻介子溢出前冷卻板，如圖6所示。
圖5
圖6
滾珠絲桿的后冷卻板結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，首先，后冷卻板的端面需要和絲桿的軸端面配合，后冷卻板通過軸承固定在絲桿的軸徑上，軸承內(nèi)徑與絲桿軸過盈配合與絲桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承外圈和后冷卻板過盈固定，冷卻后板固定后不隨絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)；因?yàn)楹罄鋮s板不隨絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，為了保證冷卻回通道和冷卻板的冷卻回通道聯(lián)通，在后冷卻板上開有冷卻回槽和冷卻回口，還開有冷卻進(jìn)槽和冷卻進(jìn)口，冷卻進(jìn)槽和絲桿的冷卻進(jìn)通道對(duì)接，冷卻回槽和絲桿的冷卻回通道對(duì)接，密封件將冷卻進(jìn)槽和冷卻回槽分開，并且防止冷卻介子溢出后冷卻板。如圖7所示。
圖7
在后冷卻板、前冷卻板都安裝在滾珠絲桿上后，就能形成一個(gè)從后冷卻板進(jìn)口到絲桿的冷卻通道，再到前冷卻板進(jìn)孔、前冷卻板的冷卻回孔、再到絲桿的冷卻回通道，最后到后冷卻板的冷卻回槽、冷卻回孔的一個(gè)冷卻循環(huán)，而且這個(gè)冷卻循環(huán)直接作用在絲桿上，不受絲桿螺母結(jié)構(gòu)限制，能直接從絲桿內(nèi)部對(duì)滾珠絲桿進(jìn)行冷卻。
5.具體實(shí)施過程
現(xiàn)在結(jié)合實(shí)際工況對(duì)此新型絲桿副冷卻機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行說明。正常情況下絲桿運(yùn)行狀態(tài)需要相關(guān)的配套零部件，例如：需要控制電腦接收溫度檢測(cè)裝置的溫度反饋信號(hào)，并且控制伺服電機(jī)和冷卻發(fā)生裝置的動(dòng)作；需要溫度檢測(cè)裝置負(fù)責(zé)檢測(cè)絲桿螺母的溫度；需要伺服電機(jī)帶動(dòng)同步帶、帶輪以及滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)；滾珠絲桿通過軸承固定在支撐裝置上，并且絲桿螺母和負(fù)載裝置連接一起；需要冷卻發(fā)生裝置提供冷卻介子等等。其中同步帶帶輪連接伺服電機(jī)和滾珠絲桿，電機(jī)通過同步帶和同步帶輪帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿螺母和負(fù)載在支撐平臺(tái)上前后運(yùn)動(dòng)，溫度檢測(cè)裝置安裝在絲桿螺母上；
實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中，絲桿螺母帶動(dòng)負(fù)載在絲桿上做負(fù)載運(yùn)動(dòng)，過程中絲桿螺母逐漸升溫，當(dāng)控制電腦通過溫度檢測(cè)裝置檢測(cè)到絲桿螺母的溫度超過設(shè)定值T0時(shí)，控制系統(tǒng)控制冷卻發(fā)生裝置將冷卻介子通過冷卻管，經(jīng)過后冷卻板的冷卻進(jìn)口輸送進(jìn)絲桿的冷卻進(jìn)通道，冷卻介子流過絲桿中間的冷卻進(jìn)通道，經(jīng)過前冷卻板的冷卻進(jìn)孔流向冷卻回孔，然后，冷卻介子經(jīng)過冷卻回孔后繼續(xù)流經(jīng)絲桿四周均勻分布的冷卻回通道，通過冷卻回通道后經(jīng)過后冷卻板的冷卻回槽以及冷卻回口，最后通過冷卻管流回冷卻發(fā)生裝置，此次冷卻介子帶走滾珠絲桿的熱量為Δt，然后重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)，直到控制系統(tǒng)通過溫度檢測(cè)裝置檢測(cè)到絲桿螺母的溫度低于設(shè)定值T0時(shí)，控制系統(tǒng)控制冷卻放生裝置停止運(yùn)動(dòng)輸出冷卻介子。如圖8所示。
圖8
當(dāng)前冷卻板上加工的不是冷卻進(jìn)孔和冷卻回孔，而是冷卻進(jìn)槽和冷卻回槽時(shí)，冷卻介子經(jīng)過后冷卻板的冷卻進(jìn)口輸送進(jìn)絲桿的冷卻進(jìn)通道，冷卻介子流過絲桿中間的冷卻進(jìn)通道，經(jīng)過前冷卻板的冷卻進(jìn)槽流向冷卻回槽，然后，冷卻介子經(jīng)過冷卻回孔后繼續(xù)流經(jīng)絲桿四周均勻分布的冷卻回通道，通過冷卻回通道后經(jīng)過后冷卻板的冷卻回槽以及冷卻回口，最后通過冷卻管流回冷卻發(fā)生裝置，此次冷卻介子帶走滾珠絲桿的熱量為Δt，同樣等到控制系統(tǒng)通過溫度檢測(cè)裝置檢測(cè)到絲桿螺母的溫度低于設(shè)定值T0時(shí)，控制系統(tǒng)控制冷卻放生裝置停止運(yùn)動(dòng)輸出冷卻介子。
此種新型的絲桿副冷卻方式冷卻效率較傳統(tǒng)的冷卻方式高出很多，冷卻介子可以是冷卻水、冷卻油乃至冷卻氣體等等，冷卻介子可以循環(huán)使用，不必?fù)?dān)心冷卻介子的污染和回收問題，還可以依據(jù)滾珠絲桿的實(shí)際使用工況選擇不同的冷卻介子冷卻滾珠絲桿，提高滾珠絲桿的使用壽命和運(yùn)行精度，并且，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，易于安裝，可大幅提高機(jī)械設(shè)備的效率和可靠性。適合應(yīng)用在多種滾珠絲桿副的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。
此外，本絲桿冷卻機(jī)構(gòu)也可以應(yīng)用于高精密的機(jī)械設(shè)備中，此類設(shè)備對(duì)溫度要求非常嚴(yán)格，需要運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。本絲桿冷卻機(jī)構(gòu)可以保持相對(duì)恒定的溫度，減少因溫度波動(dòng)帶來的不利影響。
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