吕伟伟

(中交二公局第二工程有限公司，陕西 西安 710119)

0 引 言

主缆缠丝施工是以一定的张力使镀锌软钢丝密匝牢固地缠绕在主缆上的作业，用以保护主缆钢丝免受大气、雨水侵蚀及防止意外碰撞，保证涂装防护效果，延长大桥使用寿命。

CSJ560型主缆缠丝机由缠丝部分、前后移动机架、前后机架和齿条导向连结梁组成。带活动门的大齿圈，自动跨越索夹机构，动作可靠，越过索夹时平稳、连续、无停顿，能保证密匝缠丝质量；走行靠自身动力，不需另设卷扬设备拖拉。可分别采用S型和圆形钢丝对主缆进行缠丝作业。

图1 缠丝机侧视图

图2 缠丝机缠丝部分、前后机架、前后移动机架正视图

1 计算条件

按照缠丝施工技术要求，缠丝张力应最大不超过3 000 N；按照悬索桥的垂跨比1/8～1/10计算，主缆的最大斜度为不大于30°；适用于索夹宽度不大于800 mm的主缆进行缠丝，通常适应范围为Φ220～Φ560 mm直径主缆；缠丝头最大缠丝速度按30 r/min进行计算。

2 缠丝机驱动系统校核

缠绕设计最大直径主缆时，需要的缠丝驱动力及力矩最大，此时按主缆直径Φ560 mm进行计算。

(1)缠丝动力

缠绕力矩：T=2×Fw×Dc/2-其中Fw为最大缠丝张力，取3 000 N；Dc为主缆直径，取0.56 m。求得T=1 680 Nm。

电机功率：P=T×n/9 550-其中T为缠绕力矩，n为设计齿轮转速，取30 rpm。求得P=5.28 KW。考虑机械效率，取η=0.9，则P=5.28/0.9=5.87 KW。

(2)瞬间最大过载转矩

电机的瞬间最大过载转矩，并不是出现在缠丝回转过程中，而是当安装完第一个储丝轮，向上旋转至储丝轮与回转齿圈中心的连线水平位置时发生。储丝轮(带钢丝)总重约为300 kg。

Ts=G×S

式中：G为储丝轮重量+钢丝最大缠绕重量之和，取3 000 N；S为储丝轮中心制回转中心之间距离，取732 mm。求得Ts=2 196 Nm

所需电机转矩T=Ts×(17/166)×1/6×1/η

式中：17为主动齿轮齿数；166为被动齿轮齿数；1/6为减速电机的减速比；η为机械效率，取0.9。求得T=41.6 Nm。

(3)电机的选型

选取电机功率为7.5 KW，4级减速(n=1 750 rpm)，速比为1/6的带润滑带制动室外型电机减速机(根据不同厂商电机减速机参数可适当调整)。电机需含回旋系统，启动力矩达到200%以上，保证在1 min之内超过额定负荷150%情况下没有问题。

(4)驱动齿轮设计

模数：m=10，齿数：Z=17，齿宽：40 mm，齿轮节圆直径：D=0.17 m

转数：1 750/6=291.6 rpm

齿根受力F=Tg/(D/2)

式中：Tg取减速机输出转矩为221 Nm，D为齿轮节圆直径，求得F=2 600 N

齿轮弯曲系数计算：

载荷系数：K=KAKVKβ

式中：KA为使用系数，取1.25；KV为动载系数，取1.25，Kβ为荷载分布系数，取1.1，求得K=1.72。

齿根弯曲疲劳强度

σf=K×F×Yfa×Ysa/(b×m)

式中：Yfa为齿形系数，取2.76;Ysa为应力校正系数，取1.56。

求得σf=48.14 MPa<[σbb]=220 MPa。-[σbb]为45#钢调质处理状态下的允许弯曲疲劳强度。

3 缠丝头及移动支架行走系统

精密螺母旋转型滚珠丝杠是把单螺母滚珠丝杠与支撑轴承一体化的螺母旋转式滚珠丝杠装置。相对于齿条传动，其具有小型化、容易建立精度、优异的平衡性能、运动平滑、低噪音、高刚性、安装简便等优点，使用于缠丝机设计能使行走更为平稳。

(1)缠丝头行走系统参数设定

缠丝机最大缠丝速度为30 r/min，钢丝直径为4 mm，按最高运转速度时计算得回转支架进给速度V=30 r/min×4 mm×2=240 mm/min。丝杠导程为10 mm，故螺母旋转转速n=V/10 mm=24 r/min。

(2)缠绕系统移动阻力

缠绕系统重量G=G1+G2-其中G1位回转齿圈及缠丝结构重量，取15 320 N；G2为储丝轮重量，取2×300 kg=6 000 N。求得G=21 320 N

倾斜阻力Fe=G×sinθ=11 979 N

摩擦阻力Fu=μ×G×cosθ=2 074.8 N

式中：μ为滚动摩擦系数，取0.1

移动阻力F移=Fe+Fu=14 053.8 N

(3)螺母旋转型滚珠丝杠计算

①丝杠校核

每条丝杠受力，则Fg=F移/4=3 513.45 N

齿轮选择模数为10，直径φ50 mm的滚压滚珠丝杠，表面镀铬处理，该型螺母旋转型丝杠动载荷为6.2 KN，静载荷为181 KN，能够满足设备在最大角度工作时的载荷要求。

传动所需力矩

M=Fg×P×1.8×10-4=6.32 Nm

②螺母旋转型丝杠寿命验算

最高转速且在30°最不利状态下进行螺母丝杠副验算，此时载荷Fg=3 513.45 N

额定寿命(回转次数)

L=(C/Fg)3×106=5.5×109r

额定寿命(小时数)

Lh=L/( Nm×60)=4.6×107h

③螺母转动校核及电机减速机的选择

螺母上套模数为5，齿数27的双排链轮，齿轮之间传动系数为0.9。

电机驱动力矩T=Tg/0.9=6.32/0.9=7.0 Nm

电机输出转速为1 339 r/min，齿圈最大转速30 r/min时螺母转速需为24 r/min。

所需减速比i=1 339/24=55.8，此时减速比较大，通过主从链轮齿数进行调节减速比。

设计电机减速机上链轮齿数为21，配合10A链条，节距P=15.875，驱动螺母旋转轴承上所配链轮齿数为27，此时所需减速比

i=(1 339×21)/(24×27)=43.4

选用输入功率为1.5 KW，输出转矩大于400 Nm，减速比为43的电机减速机。实际使用中,通过调频对转速进行控制,来达到准确的缠丝行走匹配。

4 结 语

螺母旋转型滚珠丝杠近些年来已广泛应用于航空航天、机床、工业机器人等高精度设备领域，其运动平稳、精度高、刚度大的特性已逐步在机械设计领域被频繁利用。该类丝杠运用于缠丝机设计后，将赋予缠丝机更高的可靠性及传动平稳性，并将更好的运用于悬索桥的主缆缠丝施工。

(1)相对于齿条传动和普通丝杠导杆传动，螺母旋转型滚珠丝杠结构简单，减少了减速器的数量，同时利用杠体自身刚度及耐磨性能，减少了普通传动中摩擦副的损耗。

(2)螺母旋转型滚珠丝杠寿命更长，综合其加工及使用成本，可使缠丝机整体结构更为轻便，且成本更低。

(3)国内电机减速机近年来发展迅速，已可适配于缠丝机各种工况，使用螺母旋转型滚珠丝杠可大大减小对减速机扭矩的要求。