摘 要：文章主要研究了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械傳動部分，設(shè)計了三種扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)機(jī)械傳動方案，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、傳動軸等，其中對錐齒輪、絲杠、鏈齒輪傳動方案進(jìn)行了重要的計算與數(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)計要求，橫梁、工作主軸、交流電動機(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、測量、計算及參考重要文獻(xiàn)等方式，設(shè)計了一款節(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)傳動設(shè)計方案。

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

1 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)傳動方案設(shè)計

1.1 錐齒輪傳動方案設(shè)計

該方案先通過變頻式異步電動機(jī)通過變頻驅(qū)動使變速器增大速率，蝸輪蝸桿隨之降速至制動狀態(tài)，絲杠螺母由靜止?fàn)顟B(tài)加速旋轉(zhuǎn)，帶動錐齒輪加速旋轉(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，帶動頂端橫梁做周期性的簡諧振動，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，隨著變速頻率的增大，蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)速會達(dá)一個峰值后隨之減小，直到整個系統(tǒng)的驅(qū)動力也會達(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 絲杠傳動方案設(shè)計

該方案采用恒頻式異步電動機(jī)輸出系統(tǒng)動能后，先輸出給離合器，間接帶動減速器工作。變速箱內(nèi)絲杠隨減速器減速而逐漸制動，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)動速率隨蝸桿運(yùn)動幅度增大而變快。當(dāng)減速器達(dá)到最小速率時，蝸桿的運(yùn)動會伴隨轉(zhuǎn)動中絲杠進(jìn)行同向運(yùn)動或反向運(yùn)動，即兩桿間的距離會隨時間線性增大或減小，其距離-時間圖像呈周期性變化。橫梁的運(yùn)動方式與錐齒輪傳動方案設(shè)計中橫梁的運(yùn)動方式保持一致（即做簡諧振動），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，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，整個系統(tǒng)的驅(qū)動力也會隨變速頻率增大達(dá)到峰值后穩(wěn)定，至此完成試驗(yàn)。

1.3 鏈輪傳動方案設(shè)計

該方案由異步變頻電動機(jī)產(chǎn)生系統(tǒng)動能后直接傳遞給變速器，變速器啟動力增大帶動蝸輪蝸桿水平旋轉(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)動方向，隨后變速箱內(nèi)的動力轉(zhuǎn)化為絲杠的旋轉(zhuǎn)勢能，由于絲杠與蝸輪蝸桿相連，絲杠作用下隨之運(yùn)動。橫梁在螺母的帶動下，會在豎直方向向上或向下運(yùn)動，方向不會改變，當(dāng)橫梁從原始位置移動到最頂或最低端，此時的鏈輪轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值并穩(wěn)定不變，若使橫梁繼續(xù)運(yùn)動，僅需將電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至初始狀態(tài)，即可完成第二個運(yùn)動過程，（以此類推，每當(dāng)橫量運(yùn)動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）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)鏈輪帶動扭轉(zhuǎn)至此完成試驗(yàn)。

2 傳動方案的評析及整體方案的選取

2.1 錐齒輪傳動方案的分析與評價

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

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

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，亦可由從豎直方向的往復(fù)運(yùn)動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，一方面也對電動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)致了整個裝置的造價過高。

2.2 絲杠傳動方案的分析與評價

設(shè)計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)動狀態(tài)，而滾珠絲杠與絲杠螺母間為滾動摩擦，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度的方法來分擔(dān)拉伸力，同時要求試驗(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度。

2.3 鏈輪傳動方案的分析與評價

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

傳動過程鏈輪可以保證系統(tǒng)傳動比穩(wěn)定不變、結(jié)構(gòu)簡單易操控、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)傳動結(jié)構(gòu)受作用制動力而傳動速率降低時，由于滾珠絲杠和鏈輪均不具備自鎖功能，當(dāng)傳動結(jié)構(gòu)停止工作時而具有慣性，仍保持原來的運(yùn)動狀態(tài)，無法自鎖，所以應(yīng)在原有的結(jié)構(gòu)上增加制動裝置。

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

對比錐齒輪傳動的方案，鏈輪傳動精準(zhǔn)度條件不高，試驗(yàn)的可操作性強(qiáng)，且在遠(yuǎn)距傳動時，鏈輪傳動效果遠(yuǎn)高于預(yù)期錐齒輪傳動效果。

2.4 整體方案的確定

除了以上方案，也可采取液壓傳動方案進(jìn)行扭轉(zhuǎn)測試，利用液力變矩器或液力耦合器或其他液力傳輸方式，在傳動過程中平穩(wěn)度較高，在相同的前提下，液壓傳動耗能低，降低了系統(tǒng)工作強(qiáng)度的同時增強(qiáng)了機(jī)械的耐用性，同時液壓傳動可以實(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，傳動穩(wěn)定，但是液壓傳動的過程中，液體可能發(fā)生泄漏造成環(huán)境污染，液壓傳動會受液體密度和外部溫度影響，這說明了外界因素對這種方案影響較大，另外液壓系統(tǒng)零部件價格昂貴，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)計方案分析以及當(dāng)今市場上最受歡迎的試驗(yàn)機(jī)形式，將錐齒輪傳動作為文章的重點(diǎn)核實(shí)方案進(jìn)行具體計算。

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

3 傳動方案中傳動參量的計算與核實(shí)

3.1 蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)的計算

根據(jù)之前設(shè)計方案，并對蝸輪蝸桿傳動進(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)械傳動裝置設(shè)計手冊》，考慮本設(shè)計方案的綜合因素，優(yōu)先選取圓錐蝸輪與阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）。

3.2 錐齒輪傳動系統(tǒng)的計算

對比蝸輪蝸桿傳動的計算方法，對錐齒輪傳動進(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

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 傳動軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核

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：

選材時要根據(jù)傳動軸的具體幾何尺寸、強(qiáng)度、剛度與抗磨性等，以及欲實(shí)現(xiàn)最大傳動效率采用的加工方式，同時還要符合實(shí)際生產(chǎn)中制造工藝技術(shù)，在考慮生產(chǎn)要求的同時，力求性價比最大化。在制造行業(yè)中，35號鋼、45號鋼、40Cr鋼、Q235A碳素鋼等被用作傳動軸的制造較普及，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，價格低廉且符合此方案傳動軸的力學(xué)性能，故選取的材質(zhì)為40Cr鋼。

根據(jù)傳動軸的中心軸徑計算公式，預(yù)測中心軸徑的長度范圍，由于傳動軸材質(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 絲杠的計算與校核

螺紋長度計算：

假設(shè)此絲杠為單頭絲杠，其導(dǎo)程與螺距相等，取。

傳動部件的最大尺寸為，計算出傳動絲杠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)在傳動絲杠兩端留有緩沖長度，取螺桿長度，螺紋圈數(shù)為120，即：

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

其中為螺旋軸相對水平面的夾角大小，取，為螺桿工作載荷大小，取；為螺桿所受載荷大小取。

代入原式中，得：

結(jié)合前面所設(shè)計的絲杠結(jié)構(gòu)，不妨取，參閱《實(shí)用機(jī)械手冊》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》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，則絲杠中心距大小：。

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)計的要求，設(shè)計了試驗(yàn)機(jī)傳動系統(tǒng)，并對其參數(shù)、工作原理進(jìn)行了計算與核實(shí)。

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

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