謝雄飛

（東華機械有限公司，廣東東莞， 523118）

摘要：絲桿副冷卻機構是在絲桿中間加工一個冷卻進通道，然后在絲桿周邊均勻加工若干冷卻回通道，再增加一個冷卻后蓋和冷卻前蓋，使得冷卻介子在絲桿和冷卻發生裝置之間形成一個閉環通道，直接冷卻滾珠絲桿。

關鍵詞：冷卻后蓋;冷卻前蓋;冷卻通道;冷卻槽

1.技術背景

滾珠絲桿副在結構上主要由以下核心部件組成：絲杠軸，作為直線運動的導向軸，表面有螺旋槽結構。螺母，與絲杠軸配合，通過螺旋槽形成運動軌道。滾珠，在螺旋槽內滾動，實現低摩擦直線運動轉換。反向裝置，引導滾珠循環返回起點，形成閉環運動路徑。預壓組件，調節滾珠循環時的預緊力，提升系統穩定性。防塵裝置，保護絲杠免受污染物影響，延長使用壽命。滾珠絲桿的剖面視圖如圖1。

絲桿副運動精密、噪音低、精度高，已經廣泛應用在各種場合，在某些運動場合下，絲桿副的運行載荷大、運行頻率快，在高速重載工況下易因摩擦發熱導致滾珠和絲桿和螺母滾道的金相變化進而絲桿性能下降，使用壽命短。另外，溫度升高導致絲桿螺母密封件、滾珠隔離套等老化變形，進而滾珠的潤滑導致滾珠和絲桿滾道磨損，產生不可逆的機械損壞。損壞的絲桿螺母圖如圖2。

2.現有的絲桿冷卻方式

絲桿冷卻方式一般分為內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境下正常工作，并盡可能延長其壽命。

外部冷卻最容易實施，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置冷卻通道，并通過噴頭向絲桿表面噴水，從而實現對絲桿表面的冷卻。該方式具有簡單、易操作、冷卻效果好的特點，但也存在噴頭易堵塞、冷卻效果不穩定等缺點。再就是外部風冷，即在絲桿螺母附近增加風扇，利用空氣流動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行中的發熱問題，但是冷卻效率太低，效果不理想。

內部冷卻一般是通過在絲桿內部設置冷卻溝槽，并通過冷卻管將冷卻介質引入溝槽內，從而實現對絲桿內部的冷卻。內部冷卻也分為內部噴水冷卻和內部通油冷卻，內部噴水冷卻即是將水或冷卻劑引入絲桿內部的冷卻溝槽中，通過噴頭向絲桿內部噴水，從而達到冷卻的目的。該方式具有簡單、易操作、冷卻效果好的特點，但也存在噴頭易堵塞、需定期清洗的缺點。內部通油冷卻是將潤滑油同時作為冷卻介質，經過絲桿內部的冷卻溝槽，從而實現對絲桿內部的冷卻。該方式具有冷卻效果好、不容易堵塞、對潤滑油有保護作用的特點，但也存在成本高、廢油難以處理等缺點。

3.本新型絲桿副冷卻機構特點

本新型的絲桿副冷卻機構，屬于絲桿的內部冷卻范圍，而且能將能卻裝置和冷卻本體一體化聯接控制，能滿足各種冷卻介子的冷卻要求，能直接在絲桿軸上對滾珠絲桿副進行冷卻，絲桿冷卻介子能循環使用，不受絲桿螺母結構限制，能有效解決絲桿副的冷卻問題，提高絲桿的運行精度和壽命。與傳統的散熱方式相比較，本絲桿冷卻機構能保證較為穩定的溫度，提高機械設備的可靠性，減少了機械設備維護與保養的成本。

4.本冷卻機構特點

本方式的一種新型絲桿副冷卻機構，首先是需要在絲桿中間加工一個冷卻進通道，通道不能太大，太大了影響絲桿軸的強度和受力，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截面積要小于絲桿的冷卻進通道的截面積，但是合起來的截面積要略大于冷卻進通道的截面積, 絲桿結構圖如圖4所示。冷卻通道的截面積需要先明確絲桿副運動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：冷卻介子質量流量（kg/s），C：冷卻介子的定壓比熱容，Δt：冷卻介子進出口溫差（℃）），計算出需要的冷卻介子的質量流量，再依據質量流量得出冷卻進通道和冷卻回通道的截面積。

為了使得冷卻進通道和冷卻回通道聯通還需要在絲桿的兩端增加前后冷卻板，前后冷卻板的進通道和絲桿的進通道聯通，回通道和絲桿的回通道聯通，前冷卻板可以直接固定在絲桿前端，隨絲桿轉動。前冷卻板上有冷卻回孔和冷卻進孔以及密封件，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孔聯通，前冷卻板的冷卻回孔和絲桿的冷卻回通道對接，冷卻進孔和絲桿的冷卻進通道對接，密封件將前冷卻板的冷卻回孔和冷卻進孔分開，同時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槽，冷卻回槽和冷卻進槽聯通，冷卻回槽和絲桿上的冷卻回通道對接，冷卻進槽和絲桿的進通道對接，密封件將冷卻回槽和冷卻進槽分開，并且防止冷卻介子溢出前冷卻板，如圖6所示。

滾珠絲桿的后冷卻板結構相對復雜一些，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，軸承內徑與絲桿軸過盈配合與絲桿一起轉動，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動；因為后冷卻板不隨絲桿轉動，為了保證冷卻回通道和冷卻板的冷卻回通道聯通，在后冷卻板上開有冷卻回槽和冷卻回口，還開有冷卻進槽和冷卻進口，冷卻進槽和絲桿的冷卻進通道對接，冷卻回槽和絲桿的冷卻回通道對接，密封件將冷卻進槽和冷卻回槽分開，并且防止冷卻介子溢出后冷卻板。如圖7所示。

在后冷卻板、前冷卻板都安裝在滾珠絲桿上后，就能形成一個從后冷卻板進口到絲桿的冷卻通道，再到前冷卻板進孔、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、冷卻回孔的一個冷卻循環，而且這個冷卻循環直接作用在絲桿上，不受絲桿螺母結構限制，能直接從絲桿內部對滾珠絲桿進行冷卻。

5.具體實施過程

現在結合實際工況對此新型絲桿副冷卻機構的運動方式進行說明。正常情況下絲桿運行狀態需要相關的配套零部件，例如：需要控制電腦接收溫度檢測裝置的溫度反饋信號，并且控制伺服電機和冷卻發生裝置的動作；需要溫度檢測裝置負責檢測絲桿螺母的溫度；需要伺服電機帶動同步帶、帶輪以及滾珠絲桿運動；滾珠絲桿通過軸承固定在支撐裝置上，并且絲桿螺母和負載裝置連接一起；需要冷卻發生裝置提供冷卻介子等等。其中同步帶帶輪連接伺服電機和滾珠絲桿，電機通過同步帶和同步帶輪帶動絲桿轉動，絲桿轉動帶動絲桿螺母和負載在支撐平臺上前后運動，溫度檢測裝置安裝在絲桿螺母上；

實際運動過程中，絲桿螺母帶動負載在絲桿上做負載運動，過程中絲桿螺母逐漸升溫，當控制電腦通過溫度檢測裝置檢測到絲桿螺母的溫度超過設定值T0時，控制系統控制冷卻發生裝置將冷卻介子通過冷卻管，經過后冷卻板的冷卻進口輸送進絲桿的冷卻進通道，冷卻介子流過絲桿中間的冷卻進通道，經過前冷卻板的冷卻進孔流向冷卻回孔，然后，冷卻介子經過冷卻回孔后繼續流經絲桿四周均勻分布的冷卻回通道，通過冷卻回通道后經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生裝置，此次冷卻介子帶走滾珠絲桿的熱量為Δt，然后重復以上運動，直到控制系統通過溫度檢測裝置檢測到絲桿螺母的溫度低于設定值T0時，控制系統控制冷卻放生裝置停止運動輸出冷卻介子。如圖8所示。

圖8

當前冷卻板上加工的不是冷卻進孔和冷卻回孔，而是冷卻進槽和冷卻回槽時，冷卻介子經過后冷卻板的冷卻進口輸送進絲桿的冷卻進通道，冷卻介子流過絲桿中間的冷卻進通道，經過前冷卻板的冷卻進槽流向冷卻回槽，然后，冷卻介子經過冷卻回孔后繼續流經絲桿四周均勻分布的冷卻回通道，通過冷卻回通道后經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，同樣等到控制系統通過溫度檢測裝置檢測到絲桿螺母的溫度低于設定值T0時，控制系統控制冷卻放生裝置停止運動輸出冷卻介子。

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，冷卻介子可以循環使用，不必擔心冷卻介子的污染和回收問題，還可以依據滾珠絲桿的實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行精度，并且，其結構簡單，易于維護，易于安裝，可大幅提高機械設備的效率和可靠性。適合應用在多種滾珠絲桿副的運動場合。

此外，本絲桿冷卻機構也可以應用于高精密的機械設備中，此類設備對溫度要求非常嚴格，需要運轉穩定。本絲桿冷卻機構可以保持相對恒定的溫度，減少因溫度波動帶來的不利影響。

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