螺旋傳動性能測試實驗臺的設計

張麗， 陸天煒， 蘇超

（西南交通大學機械工程學院，成都 610031）

0 引言

螺旋傳動是通過螺桿和螺母的旋合來實現運動和力的傳遞，它一般是將旋轉運動轉變為直線運動。螺旋傳動按摩擦性質可分為滑動螺旋、滾動螺旋和靜壓螺旋，按用途可分為傳力螺旋、傳動螺旋和調整螺旋[1]。相較于其他傳動方式，螺旋傳動具有結構簡單、易加工、能自鎖、傳動平穩等特點，在各個領域應用廣泛，占有重要的地位，如機床的進給螺旋、起重器的傳力螺旋、螺旋壓力機構、起重機構等。但螺旋傳動也存在很多問題，比如摩擦阻力大、易磨損、有側向間隙、定位精度差、軸向剛度較差等，這些都會影響螺旋傳動的傳動精度和效率。因此，不僅要比較不同螺旋副之間傳動效率的差別，以便在實際應用中選擇適合的螺旋傳動以及合適的材料，而且還要研究在實際使用條件下各個因素對螺旋傳動的性能的影響情況。所以設計一臺能夠測試各項參數下螺旋傳動的傳動效率，并且搭配一套專門的測試系統是十分必要的。

1 實驗臺結構設計

1.1 效率測試原理

在實際測試中，機械傳動效率一般被定義為輸入功率與輸出功率之比，因此在不考慮聯軸器和軸承造成的功率損失，將負載與螺母運動方向相反和相同的螺旋傳動效率分別計算，其計算式如下：

式中：F為加載負荷；n為螺紋線數；P為螺紋螺距；M為輸入轉矩。

1.2 實驗臺結構設計

本實驗臺主要用于測試在不同負載下，不同滑動螺旋傳動的效率。實驗臺包括機械、測試和控制三個系統，如圖1所示為實驗臺系統構成框圖。其中動力裝置向螺桿提供動力使其運轉，利用螺桿帶動螺母沿軸向運動；通過調速裝置控制轉速；加載機構向螺母施加負荷，并通過傳感器得到輸入轉矩；傳感器將測得的數據通過系統硬件傳入軟件進行數據處理，并在用戶界面上顯示相應圖形。

圖1 實驗臺系統構成框圖

在對實驗臺的使用條件反復論證后，最終確定了圖2所示的實驗臺總體設計方案。電動機1提供動力帶動螺桿8轉動，螺母9通過行程開關6、11沿著直線導軌做往復運動，直線位移傳感器4與螺母9相連，用于測試螺母9的實時位置。在電動機1與螺桿8之間串聯轉矩轉速傳感器3實現螺桿轉速和輸入轉矩的信號輸出。加載裝置通過滑輪12、13添加砝碼實現負載的穩定變化。圖3為安裝好的實驗臺實物圖。

圖2 螺旋傳動總體方案

圖3 實驗臺實物圖

2 實驗臺測試系統設計

2.1 系統硬件構成

本實驗臺系統硬件關鍵部分主要是由兩種傳感器、數據采集卡以及計算機組成。其中轉矩轉速傳感器和采集卡是本實驗臺的核心部件，關系著整個測試系統的性能。本實驗臺采用的YT－302轉矩轉速傳感器是北京天宇恒創傳感器技術有限公司提供的，其參數如表1所示。轉矩轉速傳感器配有調理電路，輸出時的轉矩和轉速即為頻率信號，此信號被采集卡接收，經過處理將其轉為數字信號，然后傳入計算機進行數據運算。本實驗臺使用的是川星科技有限公司提供的基于FPGA開發的數據采集卡，其性能、可靠性較好且具有較高性價比。

表1 轉矩轉速傳感器參數

2.2 系統軟件設計

比較多種虛擬儀器開發平臺，其中LabVIEW軟件編程較為簡單，很多程序可以直接調用，能縮短開發周期，用戶操作起來也更加便捷、輕松，因此本實驗臺采用LabVIEW軟件來開發測試系統。基于LabVIEW軟件的系統軟件設計分為用戶操作界面設計和程序框圖設計，前面板作為操作界面，主要包括參數輸入、數據圖表顯示和功能按鈕等控件。如圖4所示，本實驗臺數據采集的主要包括串口參數設置、實驗員信息、螺旋傳動參數設置、圖形顯示、模塊選擇和控制等區域。串口參數設置區主要包含四個參數：串口號、波特率、數據比特和奇偶校驗。實驗員信息包含姓名、班級、學號和指導老師，這些信息最后將顯示在最后生成實驗報表中。螺旋傳動參數設置區可選擇螺旋副類型、輸入負載、控制轉速。模塊選擇區通過選項卡實現不同模塊的切換，實時查看效率、轉矩、速度、位移等曲線圖,以及對應的實時數據?？刂茀^主要有開始/停止采集、保存數據、清空數據、生成報表和停止等五個按鈕。

圖4 數據采集前面板

本軟件的數據采集程序以VISA函數作為軟件的通信接口函數，采集到的十六進制數據通過數據轉換模塊變為十進制，再通過數據計算并經濾波處理后得到平滑的曲線圖。圖5所示為實現用戶操作界面功能所編制的程序框圖。

3 實驗臺應用情況

圖5 程序框圖

圖6 螺旋傳動正反轉效率曲線圖

為測本實驗臺的實際應用，以梯形螺旋傳動在摩擦狀態下為例進行了測試，實驗時所使用的梯形螺紋參數為：螺距P=12 cm，直徑d=48 mm，線數L=1，摩擦因數f=0.1。通過實驗得到螺旋傳動正反轉效率曲線如圖6所示。

由實驗圖形可以看出，實際效率曲線隨著轉矩的變化波動符合實際情況，而且無潤滑狀態下實測效率與理論效率曲線相差接近，說明該實驗臺具有一定的傳動精度。

5 結語

螺旋傳動性能測試實驗臺機械結構與測試系統于一體，結構簡單，具有良好的經濟效益，能夠更加便捷地更換螺旋副，對多種螺旋副在不同負載、不同轉速、摩擦/潤滑狀態下進行測試，可以通過測試軟件快速、準確、實時、生動地反映螺旋傳動效率，并在保存數據后進行比較、分析各種狀態對螺旋傳動效率的影響，這對研究螺旋傳動性能具有重要的作用。