王淑琴

(常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213011)

0 引 言

工程機(jī)械是裝備工業(yè)的重要組成部分，主要用于國防建設(shè)工程、交通運(yùn)輸建設(shè)，能源工業(yè)和城市建設(shè)等領(lǐng)域。工程機(jī)械一般包括液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)等。工程機(jī)械中的車輪主要分為兩種：一是帶有驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速機(jī)的動(dòng)輪；二是帶有無動(dòng)力主軸的惰輪。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通電后，電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)通過減速機(jī)帶動(dòng)車輛的動(dòng)輪，拖動(dòng)惰輪使車輛行走和轉(zhuǎn)向。惰輪主軸的疲勞強(qiáng)度直接關(guān)系到車輛行走和使用的安全，以往對(duì)惰輪的主軸設(shè)計(jì)只憑經(jīng)驗(yàn)或者通過整車試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)驗(yàn)不足以支撐惰輪主軸的理論計(jì)算，而整車試驗(yàn)又對(duì)試驗(yàn)的時(shí)間和成本造成一定的浪費(fèi)，因此文中設(shè)計(jì)一款旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)惰輪主軸進(jìn)行1:1臺(tái)架疲勞試驗(yàn)很有必要。主軸疲勞試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。該臺(tái)架采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)惰輪主軸旋轉(zhuǎn)來模擬惰輪旋轉(zhuǎn)，通過液壓驅(qū)動(dòng)來實(shí)施相應(yīng)的載荷，保證主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)能持續(xù)的動(dòng)作來模擬惰輪在運(yùn)行中所受到的載荷，從而達(dá)到對(duì)惰輪主軸的疲勞試驗(yàn)要求。

1 車輛基本參數(shù)及工況設(shè)定

車輛參數(shù)如下：車輛重量：3 700 kg；額定載荷：3 50 kg；車輪直徑：0.38 m；車速：4 km/h；整個(gè)疲勞循環(huán)為1 300 000次。

根據(jù)惰輪主軸的實(shí)際使用情況，加載試驗(yàn)分為兩種工況：常規(guī)工況：當(dāng)車輛行駛在平整路段時(shí)，模擬主軸承擔(dān)1/4車重。動(dòng)態(tài)工況：當(dāng)車輛行駛在坑洼路段時(shí)，模擬主軸承擔(dān)1/2車重。

2 臺(tái)架方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)架整體方案設(shè)計(jì)要求

根據(jù)試驗(yàn)要求，需要在旋轉(zhuǎn)的主軸上施加常規(guī)載荷和動(dòng)態(tài)載荷，故應(yīng)對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)及計(jì)算：

(1) 考慮到皮帶傳動(dòng)有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)勢(shì)。因此選用皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式。

(2) 為降低整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架的高度，施加載荷利用兩個(gè)杠桿原理，將常規(guī)載荷和動(dòng)態(tài)載荷分開施加，常規(guī)載荷采用配重塊持續(xù)施加在主軸上；由于動(dòng)態(tài)載荷是間歇式施加，同時(shí)液壓系統(tǒng)本身有體積小，剛度大，精度高等優(yōu)勢(shì)，故動(dòng)態(tài)載荷采用液壓缸的形式施加在主軸上。

(3) 電機(jī)安裝底座采用4個(gè)U形孔，方便調(diào)整皮帶張緊及電機(jī)安裝。

(4) 載荷實(shí)施的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用滾動(dòng)軸承，為提高試驗(yàn)過程中軸承的使用壽命及降低成本，采用深溝球全密封軸承。

(5) 試驗(yàn)臺(tái)架底架四周設(shè)置6個(gè)螺栓孔，通過地腳螺栓對(duì)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行固定。

(6) 整體結(jié)構(gòu)采用鋼板焊接，方便制造。

(7) 在整個(gè)臺(tái)架的鉸接處，采用卡簧和墊片對(duì)其進(jìn)行限位，如中心軸的安裝。對(duì)于部分旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的鏈接，采用牛耳銷固定，如軸承的安裝。極大的降低了制造成本，提高了安裝的便捷性。

(8) 由于試驗(yàn)臺(tái)架要24 h運(yùn)轉(zhuǎn)，在電源處接入了空氣開關(guān)和過熱保護(hù)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，防止發(fā)生機(jī)械故障導(dǎo)致電機(jī)燒損等危險(xiǎn)。

最終試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方案，如圖1和圖2所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架二維圖

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架三維圖

2.2 電機(jī)、皮帶及皮帶輪的選型

依照車輛參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)電機(jī)、皮帶及皮帶輪進(jìn)行計(jì)算選型。

(1) 電機(jī)選型

根據(jù)車速可以算出主軸的旋轉(zhuǎn)速度為0.93圈/s。為了縮短試驗(yàn)時(shí)間，將試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速ω由0.9圈/秒提高至2.5圈/s。滾動(dòng)軸承徑向載荷摩擦因素μ為0.002，整個(gè)臺(tái)架的傳動(dòng)效率η取85%，因此可算出：

摩擦力：f=Fgμ= 79.38 (N)

轉(zhuǎn)矩：M=fr=12 (N·m)

電機(jī)功率：P=Mω/η=222 (W)

鑒于主軸轉(zhuǎn)速為2.5圈/s且加載盤的直徑為303.5 mm，初定主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑為100 mm和300 mm，因此可以估算出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)為450 r/min，通過電機(jī)選型及電機(jī)功率余量，最終電機(jī)選定為功率550 W, 自帶減速機(jī)(減速比為1:3)的三相交流電機(jī)。

(2) 主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的設(shè)計(jì)

由于整個(gè)試驗(yàn)加載載荷不是很大，保險(xiǎn)起見，初步選用普通B型V帶傳動(dòng)，經(jīng)查閱手冊(cè)，無基準(zhǔn)直徑為100 mm，300 mm的主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的標(biāo)準(zhǔn)件，因此決定自制主、從動(dòng)輪，帶輪的輪槽截面采用GB/T 10412-2002《普通和窄V帶輪(基準(zhǔn)寬度制)》中的普通V帶輪B槽型。

(3) 皮帶長度計(jì)算及選型

設(shè)計(jì)功率：Pd=KAP=1.4×222=310.8 (W)

式中：KA為工況系數(shù)，取1.4；傳動(dòng)比i=1：3；小帶輪基準(zhǔn)直徑：dd1=100 mm；大帶輪基準(zhǔn)直徑：dd2=300 mm；帶速：ν= 2.4 m/s；初定中心距：a0= 600 mm。

基準(zhǔn)長度：

實(shí)際中心距：

經(jīng)查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》：Ld為1 800 mm。

通過上述計(jì)算，可以得出電機(jī)與主軸之間的距離為578 mm，依照主從動(dòng)輪的基準(zhǔn)圓直徑，可以推算出V型皮帶的長度應(yīng)為1 802 mm。

最終，得出試驗(yàn)臺(tái)架所需電機(jī)參數(shù)，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪規(guī)格及V帶型號(hào)和長度，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和制造提供了有利的理論支持。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的力學(xué)分析

對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行有限元分析。分析整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)行工況得出：支撐梁為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，在整個(gè)試驗(yàn)過程中承載4t的載荷。為了保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性能，因此對(duì)支撐梁進(jìn)行有限元分析，在workbench軟件進(jìn)行相應(yīng)的建模并劃分網(wǎng)格。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用工況，對(duì)支撐梁進(jìn)行相應(yīng)的約束和受力加載，計(jì)算得出支撐梁最大應(yīng)力為135.74 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服極限(支撐梁的材料選用Q345B)，因此可得出該結(jié)構(gòu)在理論計(jì)算中安全可靠。詳見圖3、4所示。

圖3 Workbench中的載荷圖

4 試驗(yàn)過程及總結(jié)

通過前期的設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，試驗(yàn)臺(tái)架已制造組裝并進(jìn)行了調(diào)試，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)架

在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)臺(tái)架運(yùn)行時(shí)加載盤與軸承之間有部分鐵屑飛出。經(jīng)分析判斷后認(rèn)為：在加載盤與軸承發(fā)生滾動(dòng)摩擦?xí)r，由于兩者材料的硬度不同(加載盤的材料為低合金鋼，未做熱處理，硬度遠(yuǎn)小于軸承鋼)，在旋轉(zhuǎn)擠壓過程中，加載盤和軸承強(qiáng)烈摩擦產(chǎn)生高溫，冷卻后擦傷出表層金屬脆硬，造成表面上金屬小塊脫落或呈片狀翹起，形成剝離，從而導(dǎo)致有部分鐵屑飛濺出。后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)：在加載盤和軸承的摩擦副中加裝了潤滑裝置，情況改善了很多。在以后的設(shè)計(jì)中，如能對(duì)加載盤的表面進(jìn)行一些必要的熱處理，如碳氮共滲或調(diào)質(zhì)處理，則能避免在試驗(yàn)臺(tái)架運(yùn)行過程中，加載盤表面出現(xiàn)剝離的現(xiàn)象。

經(jīng)過6天6夜不間斷運(yùn)行，整個(gè)試驗(yàn)已順利完成。試驗(yàn)臺(tái)架未發(fā)生任何問題，從而驗(yàn)證了主軸的旋轉(zhuǎn)疲勞，證明前期的設(shè)計(jì)計(jì)算是合理的，主軸結(jié)構(gòu)是可靠安全的。為產(chǎn)品前期的研發(fā)提供了有效試驗(yàn)依據(jù)。