王曉宏

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西咸陽712000）

0 引言

試驗機的機械結(jié)構(gòu)部分包括主傳動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、摩擦盤夾持系統(tǒng)、摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)等主要部分，對這些系統(tǒng)進行不同的組合，就可以得到不同的整體設(shè)計方案。

1 不同設(shè)計方案的制定

通過比較，初步擬定了以下四種方案。

1.1 設(shè)計方案一

圖1是設(shè)計方案一的方案圖。

設(shè)計方案一各部分的組成：1）主傳動系統(tǒng)。變頻器和三相異步電動機通過V帶和帶輪驅(qū)動主軸，帶動摩擦盤旋轉(zhuǎn)。2）加載系統(tǒng)。采用伺服控制連續(xù)加載。3）摩擦盤夾持系統(tǒng)。采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉(zhuǎn)動。4）摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)。通過手動旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動橫梁內(nèi)的1根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運動控制摩擦銷沿摩擦盤的軸向進給；通過步進電機和編碼器帶動立柱上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副改變橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的軸向位置。5）加熱及冷卻系統(tǒng)。加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。

圖1 設(shè)計方案一

1.2 設(shè)計方案二

圖2是設(shè)計方案二的方案圖。

設(shè)計方案二各部分的組成：1）主傳動系統(tǒng)。變頻器和三相異步電動機通過連軸器和主軸直接相連，帶動摩擦盤旋轉(zhuǎn)。2）加載系統(tǒng)。采用彈簧加載。3）摩擦盤夾持系統(tǒng)。采用螺栓螺母副將摩擦盤固定到主軸的上端。4）摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)。通過手動旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動橫梁內(nèi)的1根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運動控制摩擦銷沿摩擦盤的軸向進給；通過步進電機和編碼器帶動立柱上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副改變橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的軸向移動。5）加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。此外，主軸外用螺旋銅制冷卻管包裹，冷卻管內(nèi)通入冷卻水，對主軸進行冷卻。

圖2 設(shè)計方案二的方案圖

1.3 設(shè)計方案三

圖3是設(shè)計方案三的方案圖。

設(shè)計方案三各部分的組成：1）主傳動系統(tǒng)。變頻器和三相異步電動機通過聯(lián)軸器和主軸直接相連，帶動摩擦盤旋轉(zhuǎn)。2）加載系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的彈簧加載。3）摩擦盤夾持系統(tǒng)。采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉(zhuǎn)動。4）摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)。通過步進電機和編碼器帶動底座支架上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副帶動立柱和橫梁一起水平運動，來控制摩擦銷沿摩擦盤的軸向進給；通過手動旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動立柱內(nèi)的1根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運動帶動橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的徑向進給。5）加熱及冷卻系統(tǒng)。加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。

圖3 設(shè)計方案三的方案圖

1.4 設(shè)計方案四

圖4是設(shè)計方案四的方案圖。

設(shè)計方案四各部分的組成：1）主傳動系統(tǒng)。變頻器和三相異步電動機通過V帶和帶輪驅(qū)動主軸，帶動摩擦盤旋轉(zhuǎn)。2）加載系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的砝碼加載。3）摩擦盤夾持系統(tǒng)。采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉(zhuǎn)動。4）摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)。通過手動旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動底座內(nèi)的1根絲杠，絲杠螺母的相互運動控制橫梁和立柱的整體的水平位置，來控制摩擦銷沿摩擦盤的軸向進給；通過立柱結(jié)構(gòu)上的可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使得橫梁可以沿立柱上的某一點旋轉(zhuǎn)一定的角度，用旋轉(zhuǎn)來代替移動控制摩擦銷的豎直位置。5）加熱及冷卻系統(tǒng)。加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主箱之間采用石棉隔熱層。

圖4 設(shè)計方案四的方案圖

2 四種方案的分析比較

方案一中，采用V帶傳動，可以緩和載荷沖擊而且運行平穩(wěn)，低噪聲，制造安裝精度要求不是很嚴格，并且可以防止過載時對電機的損壞。但是帶傳動有彈性滑動和打滑，效率低而且不能保持準確的傳動比，也就是不能保持主軸以一定的速度轉(zhuǎn)動。主軸外無冷卻裝置，使得主軸在工作狀態(tài)的高溫下容易發(fā)生變形和損壞，降低了主軸的壽命和裝置的測量精度。伺服控制連續(xù)加載雖然精確但設(shè)備復(fù)雜且成本很高，安裝維修也不方便。手輪和分度盤控制銷子沿盤的徑向位移，結(jié)構(gòu)簡單，但是橫梁剛性較差，對結(jié)果誤差有較大的影響。立柱上采用步進電機帶動絲杠螺母，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，降低了整個系統(tǒng)的剛度，但對系統(tǒng)測量精度的作用不大。

方案二中，電機通過聯(lián)軸器直接和主軸相連，結(jié)構(gòu)簡單且緊湊。但減震性能不好，系統(tǒng)的振動較大。而且主軸和電機之間有直接的熱量傳遞，降低了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。主軸外有冷卻裝置，但由于上述的熱傳遞作用，使得其作用不是很明顯，而且由于空間較小，對主軸的冷卻無法有效進行，安裝維修也不方便。摩擦盤通過中間的螺栓孔與主軸上端直接相連，不易保持盤的整體性和運動的平穩(wěn)性，而且對于尺寸不大的陶瓷等脆性材料，在摩擦盤的中間打孔也很難實現(xiàn)，并且盤的剛性大大降低。彈簧加載結(jié)構(gòu)簡單，但加載不精確，容易受到彈簧性能等外部因素的干擾，對實驗結(jié)果影響很大。手輪和分度盤控制銷子沿盤的徑向位移，結(jié)構(gòu)簡單，但是橫梁剛性較差，對結(jié)果誤差有較大的影響。立柱上采用步進電機帶動絲杠螺母，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，降低了系統(tǒng)的剛度，但對系統(tǒng)測量精度的作用不大。

方案三中，電機通過聯(lián)軸器直接和主軸相連，結(jié)構(gòu)簡單且緊湊。但減振性能不好，系統(tǒng)的振動較大。主軸和電機之間有直接的熱量傳遞，降低了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。而且主軸外無冷卻系統(tǒng)，使得在工作情況下，加熱爐內(nèi)的熱量通過主軸連軸器直接傳遞給電機，主傳動系統(tǒng)整體的溫度較高，不易散熱，對系統(tǒng)的剛度和壽命影響大，而且對測量結(jié)果會產(chǎn)生很大的誤差。采用專用的摩擦盤夾持器結(jié)構(gòu)較為合理。彈簧加載結(jié)構(gòu)簡單，但加載不精確，容易受到彈簧性能等外部因素的干擾，對實驗結(jié)果影響很大。手輪和分度盤控制銷子的軸向位移，效率低，速度慢，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。步進電機控制銷子沿摩擦盤的軸向位移，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，安裝維修不方便。

方案四中，采用電機通過同步帶帶動主軸，可以緩和載荷沖擊而且運行平穩(wěn)，無噪聲，且同步帶傳動無彈性滑動和打滑，效率高而且能保持準確的傳動比，也就是能保持主軸以某一速度穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動。主軸和電機之間的熱影響很小。專用的摩擦盤夾持器既可以保證摩擦盤旋轉(zhuǎn)時的精度，又可以保證其整體性，對于例如三角形硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等的試件的夾持又有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的砝碼加載簡單易行而且加載準確，誤差較小。左邊立柱和橫梁是相對固定的，可以繞一個軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測量結(jié)果較精確，結(jié)構(gòu)簡單，而且工作效率比較高。手輪和分度盤控制橫梁和立柱的整體位移來控制摩擦銷沿摩擦盤的徑向位移，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，維修方便，而且有足夠高的精度。

3 設(shè)計方案的確定

通過上面對四種設(shè)計方案的優(yōu)缺點的分析比較，可以得出結(jié)論：方案四是這四種設(shè)計方案中比較合理的一種方案。該方案既可以滿足設(shè)計精度的要求，又具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、安裝維修方便等特點。

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