管件扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 要：文章主要研究了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)部分，設(shè)計(jì)了三種扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)方案，其內(nèi)容涵蓋了機(jī)身、橫梁、蝸輪蝸桿、絲杠、錐齒輪、工作主軸、傳動(dòng)軸等，其中對(duì)錐齒輪、絲杠、鏈齒輪傳動(dòng)方案進(jìn)行了重要的計(jì)算與數(shù)據(jù)分析。文中涉及的裝置均滿足金屬的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)要求，橫梁、工作主軸、交流電動(dòng)機(jī)等均為管件扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的重要部件和核心裝置。通過實(shí)驗(yàn)比較、排查、測(cè)量、計(jì)算及參考重要文獻(xiàn)等方式，設(shè)計(jì)了一款節(jié)約能源、精確度較高、操作方便、性能較高的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī) 機(jī)械傳動(dòng) 管件

1 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

1.1 錐齒輪傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

該方案先通過變頻式異步電動(dòng)機(jī)通過變頻驅(qū)動(dòng)使變速器增大速率，蝸輪蝸桿隨之降速至制動(dòng)狀態(tài)，絲杠螺母由靜止?fàn)顟B(tài)加速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)錐齒輪加速旋轉(zhuǎn)。另一端滾珠絲杠與絲杠螺母通過變速箱內(nèi)的錐齒輪間接相連，帶動(dòng)頂端橫梁做周期性的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而橫梁上放置的錐形塊通過變頻離合器與滾珠絲杠的作用下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨著變速頻率的增大，蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)速會(huì)達(dá)一個(gè)峰值后隨之減小，直到整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力也會(huì)達(dá)到峰值后穩(wěn)定，扭轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后至此完成試驗(yàn)。

1.2 絲杠傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

該方案采用恒頻式異步電動(dòng)機(jī)輸出系統(tǒng)動(dòng)能后，先輸出給離合器，間接帶動(dòng)減速器工作。變速箱內(nèi)絲杠隨減速器減速而逐漸制動(dòng)，絲杠的中心部位上固定橫梁的兩端，另一方面絲杠與蝸輪相連，絲杠的運(yùn)動(dòng)速率隨蝸桿運(yùn)動(dòng)幅度增大而變快。當(dāng)減速器達(dá)到最小速率時(shí)，蝸桿的運(yùn)動(dòng)會(huì)伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)中絲杠進(jìn)行同向運(yùn)動(dòng)或反向運(yùn)動(dòng)，即兩桿間的距離會(huì)隨時(shí)間線性增大或減小，其距離-時(shí)間圖像呈周期性變化。橫梁的運(yùn)動(dòng)方式與錐齒輪傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)中橫梁的運(yùn)動(dòng)方式保持一致（即做簡(jiǎn)諧振動(dòng)），橫梁中端放置的錐形塊受絲杠的作用下進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一方面，橫梁在蝸輪蝸桿、液壓伺服控制及其他作用下亦可完成此過程，而錐形塊的扭轉(zhuǎn)方式不變，整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力也會(huì)隨變速頻率增大達(dá)到峰值后穩(wěn)定，至此完成試驗(yàn)。

1.3 鏈輪傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

該方案由異步變頻電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生系統(tǒng)動(dòng)能后直接傳遞給變速器，變速器啟動(dòng)力增大帶動(dòng)蝸輪蝸桿水平旋轉(zhuǎn)。在保證絲杠進(jìn)給速度穩(wěn)定的前提下，通過改變鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，隨后變速箱內(nèi)的動(dòng)力轉(zhuǎn)化為絲杠的旋轉(zhuǎn)勢(shì)能，由于絲杠與蝸輪蝸桿相連，絲杠作用下隨之運(yùn)動(dòng)。橫梁在螺母的帶動(dòng)下，會(huì)在豎直方向向上或向下運(yùn)動(dòng)，方向不會(huì)改變，當(dāng)橫梁從原始位置移動(dòng)到最頂或最低端，此時(shí)的鏈輪轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值并穩(wěn)定不變，若使橫梁繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，僅需將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至初始狀態(tài)，即可完成第二個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，（以此類推，每當(dāng)橫量運(yùn)動(dòng)至最頂端或最低端都需要通過改變轉(zhuǎn)速的方式來維持其運(yùn)動(dòng)）頂端的錐形塊放置在橫梁中心，在橫梁的作用下開始扭轉(zhuǎn)，底端夾具體由變速箱內(nèi)鏈輪帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)至此完成試驗(yàn)。

2 傳動(dòng)方案的評(píng)析及整體方案的選取

2.1 錐齒輪傳動(dòng)方案的分析與評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)方案中運(yùn)用了滾珠絲杠初始力矩小和精準(zhǔn)度高的優(yōu)勢(shì)，減少了在高速傳動(dòng)下出現(xiàn)“爬行”的可能性，確保了錐齒輪傳動(dòng)的進(jìn)給連續(xù)操作，傳動(dòng)平穩(wěn)，不易打滑。

滾動(dòng)絲杠與橫梁、橫梁與絲杠螺母之間均為滾動(dòng)摩擦，各零部件間的相互阻礙作用較小，摩擦力受傳動(dòng)快慢的影響可以忽略不計(jì)，增加了整個(gè)傳動(dòng)、扭轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定性，降低了輪齒塑性變形的可能（錐齒輪不會(huì)因屈服導(dǎo)致塑性流動(dòng)而形成的齒面變形）。

在不考慮其他外界因素的情況下，錐齒輪與滾珠絲杠間的阻力幾乎為零，增大了系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率，其中滾珠絲杠可由平行水平面的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為豎直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，亦可由從豎直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成平行于水平面的旋轉(zhuǎn)。

由于滾珠絲杠的精準(zhǔn)度要求過高，光滑度要求過高，裝置中錐形塊扭轉(zhuǎn)所具備的條件嚴(yán)格，試驗(yàn)趨于穩(wěn)定過程中的功耗較大，一方面也對(duì)電動(dòng)裝置的選材的要求苛刻，另一方面，滾珠與絲杠螺母等細(xì)微零件加工操作繁瑣，精準(zhǔn)度要求也很高，這就導(dǎo)致了整個(gè)裝置的造價(jià)過高。

2.2 絲杠傳動(dòng)方案的分析與評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)方案中絲杠的在豎直方向進(jìn)行安裝，有助于絲杠的自鎖。由于絲杠受其他外力的影響較小，所以在其他條件一定的前提下更容易保持原有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而滾珠絲杠與絲杠螺母間為滾動(dòng)摩擦，阻礙作用小，且不易打滑，但滾珠大多使用貴金屬制成（如銀、鋨或鉑等），制作成本較高。

變速箱與絲杠間拉伸力過大，直接導(dǎo)致了牽引桿故障的概率增大，根據(jù)杠桿原理，需通過增加牽引桿長(zhǎng)度的方法來分擔(dān)拉伸力，同時(shí)要求試驗(yàn)設(shè)備具有較高的外部功率用于推進(jìn)連桿和增加牽引桿長(zhǎng)度。

2.3 鏈輪傳動(dòng)方案的分析與評(píng)價(jià)

同樣運(yùn)用了滾珠絲杠的進(jìn)給連續(xù)操作，傳動(dòng)平穩(wěn)度高，不易打滑，各個(gè)單體均為滾動(dòng)摩擦，各零部件間的相互阻礙作用較小，摩擦力受傳動(dòng)速度大小的影響可以忽略不計(jì)，增加了整個(gè)傳動(dòng)、扭轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定性。

傳動(dòng)過程鏈輪可以保證系統(tǒng)傳動(dòng)比穩(wěn)定不變、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操控、載荷能力強(qiáng)、傳輸效率大，能量傳遞效率高，確保試驗(yàn)的可靠性。

當(dāng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)受作用制動(dòng)力而傳動(dòng)速率降低時(shí)，由于滾珠絲杠和鏈輪均不具備自鎖功能，當(dāng)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)停止工作時(shí)而具有慣性，仍保持原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無法自鎖，所以應(yīng)在原有的結(jié)構(gòu)上增加制動(dòng)裝置。

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，由鏈輪傳動(dòng)產(chǎn)生的噪聲不斷增大，沖擊振動(dòng)力度也會(huì)逐漸增大，鏈齒輪在嚙合過程中容易跳齒，導(dǎo)致傳動(dòng)過程斷鏈的可能增大。

對(duì)比錐齒輪傳動(dòng)的方案，鏈輪傳動(dòng)精準(zhǔn)度條件不高，試驗(yàn)的可操作性強(qiáng)，且在遠(yuǎn)距傳動(dòng)時(shí)，鏈輪傳動(dòng)效果遠(yuǎn)高于預(yù)期錐齒輪傳動(dòng)效果。

2.4 整體方案的確定

除了以上方案，也可采取液壓傳動(dòng)方案進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測(cè)試，利用液力變矩器或液力耦合器或其他液力傳輸方式，在傳動(dòng)過程中平穩(wěn)度較高，在相同的前提下，液壓傳動(dòng)耗能低，降低了系統(tǒng)工作強(qiáng)度的同時(shí)增強(qiáng)了機(jī)械的耐用性，同時(shí)液壓傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變速，在其他變量相同的前提下，液壓裝置所占空間小，傳動(dòng)穩(wěn)定，但是液壓傳動(dòng)的過程中，液體可能發(fā)生泄漏造成環(huán)境污染，液壓傳動(dòng)會(huì)受液體密度和外部溫度影響，這說明了外界因素對(duì)這種方案影響較大，另外液壓系統(tǒng)零部件價(jià)格昂貴，成本較高，且液壓裝置如果出現(xiàn)系統(tǒng)阻滯，無法快速找到解決的辦法，消除運(yùn)行故障。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案分析以及當(dāng)今市場(chǎng)上最受歡迎的試驗(yàn)機(jī)形式，將錐齒輪傳動(dòng)作為文章的重點(diǎn)核實(shí)方案進(jìn)行具體計(jì)算。

根據(jù)實(shí)際要求，并確保上述試驗(yàn)的穩(wěn)定性，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的選取應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載的啟動(dòng)特性與輸出特性，預(yù)算傳動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)大致的功耗和容量。由于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)方案測(cè)試傳動(dòng)速率理論值過大，選取了兩款適合本設(shè)計(jì)方案的電動(dòng)機(jī)規(guī)格分別為Y138S1-6、Y315L1-4，其中Y315L1-4可變頻式交流電動(dòng)機(jī)，其電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速可調(diào)至1700r/min，Y315L1-4為常用的160kW三相異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1490r/min，但由于方案中電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)較高，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)初始扭矩與負(fù)載量均提高，電動(dòng)機(jī)具有較大的過載性能，綜合考慮以上內(nèi)容，本研究選取的電動(dòng)機(jī)的規(guī)格為Y138S1-6。

3 傳動(dòng)方案中傳動(dòng)參量的計(jì)算與核實(shí)

3.1 蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算

根據(jù)之前設(shè)計(jì)方案，并對(duì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)進(jìn)行分析。

系統(tǒng)額定功率：

轉(zhuǎn)速：5.07

脈沖頻率：

轉(zhuǎn)速比：≈4

根據(jù)《實(shí)用機(jī)械傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)手冊(cè)》，考慮本設(shè)計(jì)方案的綜合因素，優(yōu)先選取圓錐蝸輪與阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）。

3.2 錐齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算

對(duì)比蝸輪蝸桿傳動(dòng)的計(jì)算方法，對(duì)錐齒輪傳動(dòng)進(jìn)行校核。

系統(tǒng)額定功率：

轉(zhuǎn)速：

脈沖頻率：

轉(zhuǎn)速比：

使用期限：約12500小時(shí)

錐齒輪通常具備較高的彎曲疲勞強(qiáng)度，根據(jù)其規(guī)格與材質(zhì)的差異，采用各自的熱處理方式，錐齒輪具備較高的硬度，通常情況下其材質(zhì)選用含碳量在0.8%～1.2%的高碳鋼，綜合上述因素考慮，熱處理后齒面滲碳硬度可達(dá)到60HRC～68HRC，中心硬度可達(dá)到45HRC～49HRC，并具有較高的抗磨性與淬透性，正火處理HB197-223，滲碳深度為0.8～2.0mm。

3.3 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核

已知，，，求得其他參數(shù)大小，其二維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

頻率：

當(dāng)力彎矩：

選材時(shí)要根據(jù)傳動(dòng)軸的具體幾何尺寸、強(qiáng)度、剛度與抗磨性等，以及欲實(shí)現(xiàn)最大傳動(dòng)效率采用的加工方式，同時(shí)還要符合實(shí)際生產(chǎn)中制造工藝技術(shù)，在考慮生產(chǎn)要求的同時(shí)，力求性價(jià)比最大化。在制造行業(yè)中，35號(hào)鋼、45號(hào)鋼、40Cr鋼、Q235A碳素鋼等被用作傳動(dòng)軸的制造較普及，其中40Cr鋼材質(zhì)的使用最為廣泛，具有較高的強(qiáng)度與剛度，價(jià)格低廉且符合此方案?jìng)鲃?dòng)軸的力學(xué)性能，故選取的材質(zhì)為40Cr鋼。

根據(jù)傳動(dòng)軸的中心軸徑計(jì)算公式，預(yù)測(cè)中心軸徑的長(zhǎng)度范圍，由于傳動(dòng)軸材質(zhì)是40Cr鋼，查閱《材料力學(xué)》可知的取值范圍為，不妨取則有：

由于傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)中鍵槽深度尺寸偏差較大而導(dǎo)致軸應(yīng)力過大，所以實(shí)際中心軸徑的大小為。

3.4 絲杠的計(jì)算與校核

螺紋長(zhǎng)度計(jì)算：

假設(shè)此絲杠為單頭絲杠，其導(dǎo)程與螺距相等，取。

傳動(dòng)部件的最大尺寸為，計(jì)算出傳動(dòng)絲杠DmN值為：

絲杠配合滾珠的內(nèi)徑為12.8mm，外徑為16.3mm，為了保證絲杠在旋轉(zhuǎn)過程中不受系統(tǒng)轉(zhuǎn)速過高引起打滑現(xiàn)象，故應(yīng)在傳動(dòng)絲杠兩端留有緩沖長(zhǎng)度，取螺桿長(zhǎng)度，螺紋圈數(shù)為120，即：

根據(jù)《實(shí)用機(jī)械手冊(cè)》可知，螺桿的螺旋葉片直徑滿足關(guān)系：

其中為螺旋軸相對(duì)水平面的夾角大小，取，為螺桿工作載荷大小，?。粸槁輻U所受載荷大小取。

代入原式中，得：

結(jié)合前面所設(shè)計(jì)的絲杠結(jié)構(gòu)，不妨取，參閱《實(shí)用機(jī)械手冊(cè)》選取合適的結(jié)構(gòu)材質(zhì)，為保證材質(zhì)的淬透性好，淬火回火硬度、強(qiáng)度高，選用絲杠結(jié)構(gòu)、螺桿與螺母的材質(zhì)均為Cr12MoV。

則，結(jié)構(gòu)同軸距離：

有效同軸高度：

參閱《實(shí)用機(jī)械手冊(cè)》可知絲杠旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)大小關(guān)系為，絲杠豎直壓力角取，則絲杠中心距大?。?。

4 結(jié)語

文章主要敘述了三種不同工作原理的試驗(yàn)機(jī)方案，嚴(yán)格遵循課程設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)其參數(shù)、工作原理進(jìn)行了計(jì)算與核實(shí)。

在這次設(shè)計(jì)中，參考了關(guān)于扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的期刊、資料，將試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)與傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算分為兩個(gè)部分撰寫，設(shè)計(jì)了錐齒輪、鏈輪與絲杠為主體的三種方案，并經(jīng)過比對(duì)選取了最佳方案進(jìn)行具體分析，通過數(shù)據(jù)的核實(shí)與分析計(jì)算，設(shè)計(jì)的總體扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)方案符合實(shí)際要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁衛(wèi)征，張瑞成.材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2019（03）：17-19.

[2]張宇翔，胡新玲，劉志山，等.立式扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的研制[J].工程與試驗(yàn)，2013（01）：25-28.

[3]濟(jì)南恒瑞金試驗(yàn)有限公司.電子材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010（19）：44-46.

[4]丁乃平，陰元鋒.彈簧扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)中的問題與解決方法[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2010（Z2）：11-13.

[5]姚劍敏，韓文輝，宋明，等.彈簧/扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)微機(jī)控制檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014（09）：95-97.

[6]趙陽升，萬志軍，張淵，等.伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)的研制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018（01）：133-135.

[7]尹廷林，麻曉寧.橡膠球關(guān)節(jié)專用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的研制與應(yīng)用[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2017（03）：149-151.

[8]姚劍敏，韓文輝，宋明.NJ-100B型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)微機(jī)控制檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2014（08）：46-48.