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摘 要：回柱绞车又称慢速绞车，是供煤矿井下采煤工作面回柱放顶之用。回柱绞车的结构有如下特点：传动系统都有一级减速比很大的蜗轮蜗杆传动，皆具备自锁功能，不会发生自重下重物拉动滚筒旋转情况，目前，在回柱绞车的设计、制造以及应用上存在着一定程度上的缺点，重要的问题如：轮齿的根切、蜗杆传动的正确设计等。本文针对回柱绞车中蜗轮蜗杆传动的设计进行讨论分析。
一、蜗轮蜗杆传动的特点
蜗杆传动的主要特点是：传动比大、结构紧凑、工作平稳、无噪声、自锁性能好。回柱绞车由于总减速比较大，因而采用蜗杆减速器。对于回柱绞车，要求卷筒能够自锁。即卷筒的正反转只能由电动机的正反转来控制；当电源切断时绞车马上停止工作；卷筒本身不能自由转动，以免发生事故。这就需要设计一个装置来控制卷筒的自转，而蜗轮蜗杆传动就起到了这个作用。但是，采用蜗杆减速器也有一缺点，就是传动效率低。因此，在回柱绞车蜗轮蜗杆传动设计中应重视效率的提高和自锁性。
二、蜗轮蜗杆传动的设计
1、蜗轮蜗杆传动类型的选择
按照蜗杆的形状不同分为：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥面蜗杆传动。
直廓环面蜗杆是一种新型的传动装置。它与普通的蜗杆传动相比，其不同在于，具有良好的润滑条件使齿面之间建立连续的润滑油膜形成液体摩擦，从而降低摩擦系数，减轻磨损，提高了承载能力和效率，它具有承载能力大，使用寿命长，效率高（高10-15%）等优点，因此，采用直廓环面蜗杆，图形如下图所示。
2.材料的选择及热处理
蜗轮和蜗杆材料要有一定的强度，还要有良好的减摩性、耐摩性和抗胶合能力。蜗杆传动常用青铜（低速时用铸铁）做蜗轮齿圈，与淬硬并磨制的钢制蜗杆相匹配。
（1）蜗杆材料及热处理
一般不重要的蜗杆用45钢调质处理；高速、重载但载荷平稳时用碳钢、合金钢，表面淬火处理；高速、重载且载荷变化大时，可采用合金钢渗碳淬火处理。
（2）蜗轮材料
锡青铜：减摩性、耐磨性好，抗胶合能力强，但价格高，用于相对滑动速度vs≤25m/s的高速重要蜗杆传动中；铸铝青铜：强度好、耐冲击而且价格便宜，但抗胶合能力和耐磨性不如锡青铜，一般用于vs ≤10m/s的蜗杆传动中；灰铸铁：用于vs ≤2m/s的低速、轻载、不重要的蜗杆传动中。
根据回柱绞车设计要求，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度是慢速，故蜗杆用40Cr，因需要效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45-55HRC.蜗轮用铝铁青铜ZQAl9-4，金属模铸造.为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，蜗轮芯用灰铸铁HT25-47铸造. 根据GB /T16848-1997≤直廓环面蜗杆、蜗轮精度≥的规定，蜗轮蜗杆精度等级选用8级精度。
3、蜗杆传动的主要参数设计
（1）蜗轮蜗杆传动的自锁条件
根据回柱绞车，要求卷筒能够自锁的特点，在蜗轮蜗杆设计中应考虑蜗轮蜗杆自锁的条件。蜗轮蜗杆传动中发生自锁的条件是：蜗杆的导程角小于蜗轮蜗杆接触的摩擦角，即λ<μ，λ为蜗杆的导程角，μ为摩擦角；tgμ=f，f为摩擦系数。 tanλ=Z1*m1/d1=Z1/q其中，Z1为蜗杆头数，m为模数，q为特性系数。根据蜗轮蜗杆自锁性，在设计中应注意以下几个方面：尽量减小蜗杆的导程角λ，以满足λ<μ；从tanλ=Z1*m1/d1=Z1/q可以看出，减少蜗杆头数Z1，增大特性系数q均可使λ减小，一般选用蜗杆头数为1 ；适当的选用较大的特性系数q，不仅对自锁有利，还可保证蜗杆的机构强度。
（2）蜗杆传动的主要参数
①中心距的确定
在大批量、多品种的生产中应采用标准设计，在同一中心距不同传动比的情况下，将蜗杆顶圆直径或螺旋长度尽可能分别设计成相同的尺寸，以减少蜗杆毛坯规格。根据绞车传动比分配、蜗杆转速和输出功率，由JB/T7936-2010≤直廓环面蜗杆减速器≥查得中心距a。需设计非标准传动时，可给出中心距a的初值计算输入功率，根据蜗杆许用功率值，经过修正后得到a的终值。蜗杆许用功率如下计算：[P1]=0.75KaKbKiKvn1/i≥Pc
式中 P1-许用功率
Ka-中心距系数
Kb-齿宽和材料系数
Ki-传动比系数系数
Kv-速度系数
n1- 蜗杆转速（r/min）
Pc-计算功率
②齿厚的计算
通常蜗杆和蜗轮的齿厚角分别为0.45τ和0.55τ，当中心距a≤160mm、传动比i>25 时，为防止蜗轮刀具刀顶过窄，可按齿厚分配。式中τ为齿距角。
4、寿命计算
直廓环面蜗杆传动发生断齿的情况是比较少见的。由于蜗轮轮齿在受力时的变形造成卸载，引起载荷沿齿高方向分布不均，使力的作用位置向齿根方向偏移。在满足强度要求和润滑要求的正常使用情况下，蜗杆传动的寿命取决于齿面磨损。蜗轮齿厚的许用磨损量为齿厚的35%。 蜗杆副使用寿命为： L=0.35sn2/ Vnw 其中： Sn2为蜗轮分度圆法向齿厚，Vnw 为正常磨损时，蜗轮分度圆法向齿厚磨损速度。
参考文献
[1] 环面蜗杆传动设计和修形.董学朱.机械工业出版社.
[2] 机械设计手册第三卷.成大先.化学工业出版社.
[3] 机械设计.程志红.中国矿业大学出版社.
[4] 齿轮啮合原理.吴序堂.机械工业出版社.
一、蜗轮蜗杆传动的特点
蜗杆传动的主要特点是：传动比大、结构紧凑、工作平稳、无噪声、自锁性能好。回柱绞车由于总减速比较大，因而采用蜗杆减速器。对于回柱绞车，要求卷筒能够自锁。即卷筒的正反转只能由电动机的正反转来控制；当电源切断时绞车马上停止工作；卷筒本身不能自由转动，以免发生事故。这就需要设计一个装置来控制卷筒的自转，而蜗轮蜗杆传动就起到了这个作用。但是，采用蜗杆减速器也有一缺点，就是传动效率低。因此，在回柱绞车蜗轮蜗杆传动设计中应重视效率的提高和自锁性。
二、蜗轮蜗杆传动的设计
1、蜗轮蜗杆传动类型的选择
按照蜗杆的形状不同分为：圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥面蜗杆传动。
直廓环面蜗杆是一种新型的传动装置。它与普通的蜗杆传动相比，其不同在于，具有良好的润滑条件使齿面之间建立连续的润滑油膜形成液体摩擦，从而降低摩擦系数，减轻磨损，提高了承载能力和效率，它具有承载能力大，使用寿命长，效率高（高10-15%）等优点，因此，采用直廓环面蜗杆，图形如下图所示。
2.材料的选择及热处理
蜗轮和蜗杆材料要有一定的强度，还要有良好的减摩性、耐摩性和抗胶合能力。蜗杆传动常用青铜（低速时用铸铁）做蜗轮齿圈，与淬硬并磨制的钢制蜗杆相匹配。
（1）蜗杆材料及热处理
一般不重要的蜗杆用45钢调质处理；高速、重载但载荷平稳时用碳钢、合金钢，表面淬火处理；高速、重载且载荷变化大时，可采用合金钢渗碳淬火处理。
（2）蜗轮材料
锡青铜：减摩性、耐磨性好，抗胶合能力强，但价格高，用于相对滑动速度vs≤25m/s的高速重要蜗杆传动中；铸铝青铜：强度好、耐冲击而且价格便宜，但抗胶合能力和耐磨性不如锡青铜，一般用于vs ≤10m/s的蜗杆传动中；灰铸铁：用于vs ≤2m/s的低速、轻载、不重要的蜗杆传动中。
根据回柱绞车设计要求，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度是慢速，故蜗杆用40Cr，因需要效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45-55HRC.蜗轮用铝铁青铜ZQAl9-4，金属模铸造.为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，蜗轮芯用灰铸铁HT25-47铸造. 根据GB /T16848-1997≤直廓环面蜗杆、蜗轮精度≥的规定，蜗轮蜗杆精度等级选用8级精度。
3、蜗杆传动的主要参数设计
（1）蜗轮蜗杆传动的自锁条件
根据回柱绞车，要求卷筒能够自锁的特点，在蜗轮蜗杆设计中应考虑蜗轮蜗杆自锁的条件。蜗轮蜗杆传动中发生自锁的条件是：蜗杆的导程角小于蜗轮蜗杆接触的摩擦角，即λ<μ，λ为蜗杆的导程角，μ为摩擦角；tgμ=f，f为摩擦系数。 tanλ=Z1*m1/d1=Z1/q其中，Z1为蜗杆头数，m为模数，q为特性系数。根据蜗轮蜗杆自锁性，在设计中应注意以下几个方面：尽量减小蜗杆的导程角λ，以满足λ<μ；从tanλ=Z1*m1/d1=Z1/q可以看出，减少蜗杆头数Z1，增大特性系数q均可使λ减小，一般选用蜗杆头数为1 ；适当的选用较大的特性系数q，不仅对自锁有利，还可保证蜗杆的机构强度。
（2）蜗杆传动的主要参数
①中心距的确定
在大批量、多品种的生产中应采用标准设计，在同一中心距不同传动比的情况下，将蜗杆顶圆直径或螺旋长度尽可能分别设计成相同的尺寸，以减少蜗杆毛坯规格。根据绞车传动比分配、蜗杆转速和输出功率，由JB/T7936-2010≤直廓环面蜗杆减速器≥查得中心距a。需设计非标准传动时，可给出中心距a的初值计算输入功率，根据蜗杆许用功率值，经过修正后得到a的终值。蜗杆许用功率如下计算：[P1]=0.75KaKbKiKvn1/i≥Pc
式中 P1-许用功率
Ka-中心距系数
Kb-齿宽和材料系数
Ki-传动比系数系数
Kv-速度系数
n1- 蜗杆转速（r/min）
Pc-计算功率
②齿厚的计算
通常蜗杆和蜗轮的齿厚角分别为0.45τ和0.55τ，当中心距a≤160mm、传动比i>25 时，为防止蜗轮刀具刀顶过窄，可按齿厚分配。式中τ为齿距角。
4、寿命计算
直廓环面蜗杆传动发生断齿的情况是比较少见的。由于蜗轮轮齿在受力时的变形造成卸载，引起载荷沿齿高方向分布不均，使力的作用位置向齿根方向偏移。在满足强度要求和润滑要求的正常使用情况下，蜗杆传动的寿命取决于齿面磨损。蜗轮齿厚的许用磨损量为齿厚的35%。 蜗杆副使用寿命为： L=0.35sn2/ Vnw 其中： Sn2为蜗轮分度圆法向齿厚，Vnw 为正常磨损时，蜗轮分度圆法向齿厚磨损速度。
参考文献
[1] 环面蜗杆传动设计和修形.董学朱.机械工业出版社.
[2] 机械设计手册第三卷.成大先.化学工业出版社.
[3] 机械设计.程志红.中国矿业大学出版社.
[4] 齿轮啮合原理.吴序堂.机械工业出版社.