李純金，周宏根，石統(tǒng)浚，康 超，劉志強(qiáng)，田桂中，王 磊

（江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

機(jī)械原理課程是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)、機(jī)械電子工程等專業(yè)必開設(shè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課。課程以理論聯(lián)系實(shí)踐為導(dǎo)向，通過理論講授、案例分析為主線展開課堂理論授課，課外需通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證、加固理論授課知識(shí)點(diǎn)的理解、消化[1]。機(jī)械效率是機(jī)械本身的一種固有特性，主要和機(jī)械有關(guān)的因素有：機(jī)械零件材料、運(yùn)動(dòng)副類型、運(yùn)動(dòng)副元素表面加工光潔度、運(yùn)動(dòng)副潤滑狀態(tài)、機(jī)械結(jié)構(gòu)幾何尺寸、機(jī)構(gòu)受力方向等。效率計(jì)算方法主要有：輸出、輸入功比法，輸出、輸入功率比法，在克服同樣阻抗力條件下的所需理想驅(qū)動(dòng)力與實(shí)際驅(qū)動(dòng)力比法[2]。

江蘇科技大學(xué)目前開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都沒有涉及機(jī)械效率知識(shí)點(diǎn)，每每講授效率知識(shí)點(diǎn)時(shí)，學(xué)生都感覺非常迷惑，因而萌發(fā)自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的想法，在我校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)的資助下，開發(fā)了一套用于測試滑動(dòng)螺旋副、蝸桿副的效率實(shí)驗(yàn)裝置。

1 螺旋副效率測試裝置研制

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)方案

圖1 為實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖，實(shí)驗(yàn)裝置采用框架結(jié)構(gòu)布局。設(shè)備架由型材拼焊而成，主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在設(shè)備架上，設(shè)備安裝平臺(tái)裝有扭矩傳感器、磁粉制動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)等器件。安裝平臺(tái)下方設(shè)裝電氣控制柜，控制面板安裝在設(shè)備架一側(cè)，設(shè)備架橫梁裝有用于絲杠加載的動(dòng)態(tài)加載裝置。

圖1 螺旋副效率測試裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，總體傳動(dòng)采用二級(jí)混聯(lián)傳動(dòng)。第一級(jí)：輸入蝸桿（蝸桿副采用非自鎖雙頭蝸桿）帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)；第二級(jí)：采用并聯(lián)傳動(dòng)，一路通過渦輪（渦輪輪轂內(nèi)圈設(shè)有梯形螺紋與絲杠形成滑動(dòng)螺旋）帶動(dòng)梯形絲杠上下運(yùn)動(dòng)（絲杠軸向開設(shè)導(dǎo)向鍵槽與上支柱形成導(dǎo)向鍵互聯(lián)），另一路通過渦輪帶動(dòng)輸出桿轉(zhuǎn)動(dòng)（和輸入蝸桿副同屬非自鎖雙頭蝸桿）。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電氣控制原理圖

測試設(shè)備電控元器件結(jié)構(gòu)如圖3 所示，通過cvb輸入、輸出扭矩傳感器測試輸入與輸出載荷，用于測試蝸輪副效率。利用輸入扭矩傳感器和輸出壓力傳感器測試梯形滑動(dòng)螺旋副效率。利用接近開關(guān)控制傳動(dòng)最大位移，利用功率放大器、磁粉制動(dòng)器施加附加載荷。電控原理如圖4 所示，主要的電器元件規(guī)格型號(hào)見表1。

表1 電氣元件型號(hào)表

圖3 電氣結(jié)構(gòu)圖

圖4 電控原理圖

1.3 加載運(yùn)動(dòng)控制策略

實(shí)驗(yàn)裝置的動(dòng)力輸入采用適配的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)三相混合式步進(jìn)電機(jī)，保證步進(jìn)電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下仍能有高轉(zhuǎn)矩輸出。在步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)和停止設(shè)置斜坡加速和斜坡減速過程，降低電機(jī)低速振動(dòng)的現(xiàn)象，提高運(yùn)行平穩(wěn)性。工控屏與PLC 通信，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和變化趨勢。蝸輪蝸桿傳動(dòng)的輸出端設(shè)有磁粉制動(dòng)器，用來調(diào)整實(shí)驗(yàn)過程中的加載量；絲杠輸出端設(shè)有動(dòng)態(tài)加載裝置，實(shí)現(xiàn)輸出端的加載功能。

2 效率測試路線與測算方法

2.1 效率測試路線

實(shí)驗(yàn)裝置集成了蝸輪蝸桿傳動(dòng)和絲杠傳動(dòng)兩種典型的螺旋副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。圖5 為實(shí)驗(yàn)裝置的混聯(lián)總傳動(dòng)路線，混聯(lián)的第一條傳動(dòng)測試路線，用于測試蝸桿副效率。第二條測試路線，用于測試滑動(dòng)螺旋絲杠副效率。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置總體傳動(dòng)路線

2.2 測算方法

2.2.1 渦輪副測算

渦輪副二級(jí)串聯(lián)測試路線，蝸桿1 正向驅(qū)動(dòng)渦輪效率為η1，渦輪反向驅(qū)動(dòng)蝸桿2 效率為η2，路線測試的總效率為：η12=η1× η2，測算出ρv，帶入（1）（2）式計(jì)算出η1和η2。

2.2.2 滑動(dòng)絲杠螺旋副測算

渦輪副、滑動(dòng)螺旋副二級(jí)串聯(lián)測試路線，蝸桿1正向驅(qū)動(dòng)渦輪效率為η1，渦輪（輪轂內(nèi)圈相當(dāng)于梯形螺母）反向驅(qū)動(dòng)蝸桿2 效率為η3（滑動(dòng)螺旋絲杠副），該路線測試的總效率為：η13=η1×η3，根據(jù)測試的η13和η1解算出η3。

2.2.3 螺旋副制備參數(shù)與效率測試結(jié)果

自制效率測試實(shí)驗(yàn)裝置的渦輪副采用阿基米德螺旋，蝸桿采用雙頭右旋螺旋，蝸桿導(dǎo)程角γ= 11.309°，軸向模數(shù)4 mm，直徑系數(shù)10，齒形角20°，加工制造精度7 級(jí)；滑動(dòng)絲杠螺旋副采用梯形螺紋，螺紋公稱直徑70 mm，螺距10 mm，齒形角15°，螺紋升角2.799°，加工制造精度7 級(jí)。渦輪材料采用HT250，蝸桿、絲杠皆采用45#調(diào)質(zhì)處理硬度230HBS。

根據(jù)以上測試原理和解算方法得到：蝸桿主動(dòng)效率為0.5761，渦輪主動(dòng)效率為0.3035，滑動(dòng)絲杠螺旋副的效率為0.2041。測試結(jié)果與理論分析計(jì)算結(jié)果比較吻合，說明該測試方案切實(shí)可行。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)尚未見報(bào)道與機(jī)械原理課程機(jī)械效率分析知識(shí)點(diǎn)相契合的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。自制一套機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率測試裝置對于提高教學(xué)質(zhì)量、踐行卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃及推進(jìn)機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)課程改革都具有現(xiàn)實(shí)意義。通過對近幾年增開該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的分析，發(fā)現(xiàn)近幾屆學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械原理的興趣明顯變濃厚，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生開發(fā)測試實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新意識(shí)。

本研究的螺旋副效率測試實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)施方案，可作為高等院校機(jī)械類專業(yè)自制效率驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)備參考，也可為產(chǎn)業(yè)界機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)搭建效率測試實(shí)驗(yàn)方案作參考。