徐戚，張偉

（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230088）

機(jī)械設(shè)備及傳動(dòng)系統(tǒng)在生產(chǎn)中有著較為廣泛的應(yīng)用，為了保證生產(chǎn)的效率，應(yīng)當(dāng)不斷提升機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量，加強(qiáng)改進(jìn)系統(tǒng)工作方式。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)故障問題分析

在本研究中，傳動(dòng)系統(tǒng)主要存在的故障存在于電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、設(shè)備噪聲等，究其原因，主要為以下幾點(diǎn)。

1.1 電機(jī)過載原因

（1）安裝的電機(jī)功率小，額定扭矩小，滿足不了現(xiàn)場設(shè)備的負(fù)載質(zhì)量。（2）減速比配比不足，沒有合理降低電機(jī)使用扭矩。（3）蝸輪蝸桿等傳動(dòng)形式機(jī)械效率過低，增加了電機(jī)的負(fù)荷。

1.2 切換驅(qū)動(dòng)卡死原因

電機(jī)驅(qū)動(dòng)和手搖切換是用撥桿將滑動(dòng)齒輪從中間過渡齒輪撥到與手搖軸齒輪相嚙合，此過程很難掌握好角度讓兩齒相嚙合，容易出現(xiàn)齒輪嚙合困難，即造成卡死現(xiàn)象。

1.3 時(shí)間過長原因

一些已安裝的限高架控制系統(tǒng)，電機(jī)采用轉(zhuǎn)速為2500r/min，減速比為430，末端輸出轉(zhuǎn)速為5.8 r/min，在工作中需要至少1分45秒才能完成一個(gè)2.5m的升/降過程。而額定轉(zhuǎn)速為3000，若將工作轉(zhuǎn)速適當(dāng)提高或者減速比適當(dāng)減小，就可以大大降低工作的時(shí)間周期。

1.4 噪聲原因

在一些實(shí)例中，個(gè)別控制系統(tǒng)選擇了400W電機(jī)和減速比為5的減速機(jī)，在一些裝配不是很理想的情況下，增加了驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，容易造成短時(shí)間內(nèi)的過載，短時(shí)間內(nèi)提升力矩不能滿足提升橫桿的要求，橫桿在高架上小幅回蕩。

2 結(jié)構(gòu)方案改進(jìn)

該傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)中應(yīng)當(dāng)做好各個(gè)部位的分析，合理設(shè)計(jì)，不斷優(yōu)化，從而保證改進(jìn)方案的可行性。

2.1 傳動(dòng)方案改進(jìn)設(shè)計(jì)

電機(jī)和減速機(jī)固定在殼體上，通過斜齒輪驅(qū)使中間過渡齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況下，中間過渡齒輪與手搖軸上的齒輪嚙合，并通過與蝸桿齒輪的嚙合將運(yùn)動(dòng)傳輸?shù)轿佪單仐U裝置中，從而帶動(dòng)卷筒卷繞鋼絲繩，全程手搖軸隨著中間過渡齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)停機(jī)時(shí)，通過手搖操作帶動(dòng)卷筒纏繞鋼絲繩，同時(shí)也帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。這有利于現(xiàn)場操作。同時(shí)由于手搖操作無需撥動(dòng)滑動(dòng)齒輪，所以省去了一個(gè)過渡齒輪，縮小了力矩傳動(dòng)空間，可以使該部位做的更小更簡單，降低了制造成本。故選擇方案II中的傳動(dòng)形式。

2.2 結(jié)構(gòu)總體改進(jìn)

根據(jù)上述方案所分析的傳動(dòng)系統(tǒng)，將其他組件進(jìn)行三維建模裝配后，結(jié)構(gòu)總體如圖1所示。

圖1 限高架傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 卷筒設(shè)計(jì)

卷筒有單層卷繞單聯(lián)卷筒、單層卷繞雙聯(lián)卷筒。卷筒表面帶有導(dǎo)向螺旋槽，鋼絲繩進(jìn)行單層卷繞。一般情況都采用標(biāo)準(zhǔn)槽，只有當(dāng)鋼絲繩有脫軌危險(xiǎn)時(shí)才采用深槽。但實(shí)際中多采用不帶螺旋槽的光面，鋼絲繩排列凌亂，互相交叉擠壓，鋼絲繩壽命降低。目前，多層卷繞卷筒大多數(shù)制成帶有繩槽。第一層鋼絲繩卷入卷筒螺旋槽，第二層鋼絲繩以相同的螺旋方向卷入內(nèi)層鋼絲繩形成的螺旋溝，鋼絲繩的接觸情況大為改善，延長了使用壽命。

2.3.1 鋼絲繩選型

根據(jù)GB/T24811的規(guī)定，鋼絲繩的計(jì)算方法采用“C系數(shù)法”，鋼絲繩的直徑應(yīng)滿足下述公式：

式中：dmin為鋼絲繩最小直徑；C為鋼絲繩選擇系數(shù)F為鋼絲繩最大工作靜拉力（N）。

根據(jù)限高系統(tǒng)的工況，選擇其安全系數(shù)為3.15，此時(shí)對應(yīng)的鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度為1470MPa，其C值為0.078,（參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表17.1-10），限高桿的載荷大小為200kg，重力系數(shù)g取9.8，為了便于卷曲，需選擇鋼絲繩的剛度較小，根據(jù)現(xiàn)場情況限高桿會增加重量，因此選擇鋼絲繩的直徑為4mm。

2.3.2 多層卷繞卷筒計(jì)算

（1）卷筒直徑計(jì)算

卷筒名義直徑采用公式：

式中h為與機(jī)構(gòu)工作級別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)。

（2）卷筒長度計(jì)算

由此類推：

則，即

考慮鋼絲繩在卷筒上排列可能不均勻，應(yīng)將卷筒長度增加10%，即：

（參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表17.1-66）

其中：P為繩槽節(jié)距，P=1.1～1.2d；D1、D2、D3..Dn為各層直徑；Z為每層圈數(shù)；n為卷繞層數(shù)，取2；d為鋼絲繩直徑；l為卷筒總卷繩長；L為卷筒長。

則 L=23.9mm，Z=5。

另根據(jù)以上可計(jì)算出限高架系統(tǒng)單個(gè)形成所卷入的圈數(shù)λ：

故

（3）卷筒強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》卷筒材料應(yīng)不低于GB/T9439-1998中規(guī)定的HT200灰鑄鐵，或GB/T11352-2009中規(guī)定的ZG 270-500鑄鋼，且鑄造完成后需進(jìn)行時(shí)效處理消除內(nèi)應(yīng)力。其所受外應(yīng)力主要由壁內(nèi)表面最大壓應(yīng)力和彎矩拉應(yīng)力組成，當(dāng)時(shí)，彎曲和扭應(yīng)力不超過10%的正應(yīng)力，只計(jì)算正應(yīng)力即可；當(dāng)L＞3D 時(shí)，。

由此可見L＞3D，即

式中：A1為應(yīng)力減小系數(shù)，一般取A1=0.75；A為卷繞系數(shù)，當(dāng)卷繞層數(shù)n是1的時(shí)候A=1，n為2的時(shí)候 A=1.75，n為 3的時(shí)候，A=2；Fmax為鋼絲繩最大靜拉力（N）；P 為鋼絲繩卷繞節(jié)距（mm）；δ為卷筒壁后（mm）；為許用正壓力（MPa），鋼：，鑄鐵：；

故。

2.4 減速比配比

根據(jù)不同電機(jī)轉(zhuǎn)速和不同減速比搭配下的提升時(shí)間計(jì)算所得六種減速比方案，且原方案四選取的減速配比：減速機(jī)減速比i1=10，蝸輪蝸桿減速比i2=35，中間齒輪減速比為i3=32/26，在實(shí)際中已經(jīng)運(yùn)用過，且由于速比小，力矩不足，工作不穩(wěn)定，產(chǎn)生了噪聲。在滿足不同減速比下的提升時(shí)間的設(shè)計(jì)輸入中，可能還會造成噪聲現(xiàn)象。

2.5 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)與校核

根據(jù)GB/T10085-1988，采用漸開線蝸桿，蝸桿材料選用40Cr鋼，整體調(diào)制處理，表面硬度HB240-260。蝸輪齒圈材料選用QT-500球墨鑄鐵鑄造，滾銑后加載跑合，8級精度。本設(shè)計(jì)中蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有反向自鎖功能。

2.5.1 接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)公式

（1）選z1，z2

根據(jù)GB/T10085-1988，取z1=1，

z2=z1i=35，初步估計(jì)η=0.35。

（2）蝸輪轉(zhuǎn)矩T2

T2=200×9.8×0.035=68.6Nm。

（3）確定載荷系數(shù)K

因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均悉數(shù)KB=1，選取使用系數(shù)取KA=1，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取KV=11.05，則。

（4）確定彈性影響系數(shù)ZE

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表8.5-12，可知

（5）許用接觸應(yīng)力σHP

根據(jù)蝸輪材料為QT-500，砂模鑄造。蝸桿螺旋面齒面硬度≤350HBW，且根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)第四版》圖 12.18， 可 知σH0=500MPa，σF0=125MPa (硬度200HB)。采用浸油潤滑，速度低于1m/s，故選取。

輪齒應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（以5年為例）：

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》圖8.5-4得ZN=1.5，YN=1。

（6）m2d1值：

，再根據(jù)GB/T10085-1988相關(guān)規(guī)定，取，選取m=2，d=22.4。

（7）導(dǎo)程角γ

（8）計(jì)算效率，檢驗(yàn)自鎖性

蝸桿傳動(dòng)效率為：

式中常數(shù)0.98用于近似考慮軸承損耗和攪油及濺油損耗的效率，ψ為當(dāng)量摩擦角。又ψ=arctanf ，f為摩擦系數(shù) 0.1～0.3，取 0.13。

則：，本方案蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有自鎖功能。

且，以下計(jì)算選用極值0.3 計(jì)算。

（9）蝸輪齒面接觸強(qiáng)度校核

根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度驗(yàn)算公式：

2.5.2 齒根彎曲強(qiáng)度校核

根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算公式：

按及x2=?0.5查看《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》圖8.2-26，得。

2.6 負(fù)載計(jì)算及電機(jī)選型

傳動(dòng)系統(tǒng)的主要負(fù)載包括三個(gè)方面：限高桿自重、摩擦阻力和慣性載荷。

2.6.1 自重載荷

需要吊裝的載荷大小為200kg，重力系數(shù)g取9.8，并使用鋼絲繩纏繞于卷筒上，形成一個(gè)向上的提升力矩，但隨著鋼絲繩在卷筒內(nèi)不斷纏繞，卷繞半徑逐漸增大，導(dǎo)致提升力矩不斷增加。減速機(jī)減速比為10，中間齒輪減速比為32/26，蝸輪蝸桿減速比為35的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2500r/min時(shí)的卷筒卷繞情況（參照實(shí)例），本系統(tǒng)提升力矩最大為88.2Nm。

2.6.2 摩擦阻力

摩擦力矩主要是由于卷筒和鋼絲繩、鋼絲繩與鋼絲繩以及蝸輪蝸桿之間的摩擦所產(chǎn)生的，其他地方的摩擦可忽略。計(jì)算如下：

式中：P為摩擦面正壓力，取1960N；dm為卷筒直徑和蝸輪的分度圓直徑，均為70mm；μ為摩擦系數(shù)，卷筒和鋼絲繩的摩擦系數(shù)取0.3，渦輪蝸桿摩擦系數(shù)取0.13。

2.6.3 慣性載荷

限高架的傳動(dòng)系統(tǒng)中總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按折算到末級卷筒來計(jì)算如下：

其中：J為總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J1為卷起物體的負(fù)載慣量，；JM為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取0.000087；JC為減速機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取 0.0075；i為傳動(dòng)比。

則由上式可得：

慣性力矩計(jì)算如下：

求得慣性力矩為5.17Nm。

式中：t為加速時(shí)間，取2s；n為卷筒轉(zhuǎn)速，此處取 5.8r/min。

2.6.4 驅(qū)動(dòng)功率與電機(jī)選型

天線方位風(fēng)力矩、慣性力矩及摩擦力矩，計(jì)算出負(fù)載最大時(shí)電機(jī)的功率為：

式中：h為傳動(dòng)效率，且η=η1η2η3η4η5；η1為減速機(jī)傳動(dòng)效率，取0.97；η2為斜齒輪傳動(dòng)效率，取0.98；η3為齒輪傳動(dòng)效率，取0.98（兩個(gè)）；η4為蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率，取0.38；η5為軸承傳動(dòng)效率，取0.9；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

經(jīng)計(jì)算，若選用400w電機(jī)，方案一會出現(xiàn)功率不夠，扭矩不足的情況；而其他方案下，如果現(xiàn)場裝配不理想或者發(fā)生意外的工況，可能造成扭矩過載，對電機(jī)造成傷害。選擇750w電機(jī)，方案一的情況也可能出現(xiàn)上述類似情況，另外由于要滿足提升時(shí)間90s的指標(biāo)要求。

2.7 殼體設(shè)計(jì)

原殼體采用灰鑄鐵HT250鑄造而成，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、笨重，且安裝空間小，組件不方便安裝。為解決上述問題，合理降低總體重量，現(xiàn)將殼體改進(jìn)為以下模型，材料選擇鑄鋁ZL101，并進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，改進(jìn)后的殼體重量減輕2/3，從原先的16kg降低到5kg。改進(jìn)后殼體的最大應(yīng)力為18.6MPa，小于鑄鋁ZL101的屈服極限（133MPa），安全系數(shù)為7.2，因此結(jié)構(gòu)安全可靠。

2.8 滑輪設(shè)計(jì)

滑輪設(shè)計(jì)的參考依據(jù)和滾筒一樣，其直徑滿足公式：

故滑輪直徑選擇80mm，采用鑄鋼材質(zhì)，做噴涂處理?；喌陌惭b位置主要考慮鋼絲繩的變向，在兩個(gè)滑輪之間距離較長時(shí)，中間加一輔助滑輪用于支撐。一般滑輪之間的鋼絲繩距離不大于5mm。

3 關(guān)鍵技術(shù)或工程實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)分析

3.1 減重設(shè)計(jì)

按照小型化、輕量化設(shè)計(jì)原則，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了以下措施。

在不影響強(qiáng)度的前提下，選擇鑄鋁101代替鑄鋼加工減速箱體，減少了整體的質(zhì)量將近10kg。

合理去除撥桿，減小撥動(dòng)需要的空間，縮小減速箱的體積。

將過渡齒輪從原先的3個(gè)減為2個(gè)，增加了結(jié)構(gòu)的緊湊性，提高了整體的剛度。

3.2 加工工藝要求及難點(diǎn)

工程設(shè)備動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)工程系統(tǒng)的關(guān)鍵，其加工工藝必須滿足圖紙要求，并符合有關(guān)質(zhì)量工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)。

一是必須按照圖紙要求采購優(yōu)質(zhì)鋼材、鋁材，不得有氣孔、裂縫等瑕疵。

二是所有焊縫均為連續(xù)焊縫，焊縫高度、外形應(yīng)均勻、美觀，不得有任何氣泡、焊渣等瑕疵，焊接完畢后，必須進(jìn)行焊縫探傷檢查。

三是工件焊接完畢后，應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力處理，應(yīng)力完全釋放后，才能進(jìn)行機(jī)加工。

[1] 邱宣懷等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1997.

[2] 葉尚輝,李在貴.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.