管件扭轉試驗機結構設計

摘 要：文章主要研究了扭轉試驗機的機械傳動部分，設計了三種扭轉試驗機機械傳動方案，其內容涵蓋了機身、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、鏈齒輪傳動方案進行了重要的計算與數據分析。文中涉及的裝置均滿足金屬的強度、剛度和穩定性等設計要求，橫梁、工作主軸、交流電動機等均為管件扭轉試驗機的重要部件和核心裝置。通過實驗比較、排查、測量、計算及參考重要文獻等方式，設計了一款節約能源、精確度較高、操作方便、性能較高的扭轉試驗機傳動設計方案。

關鍵詞：扭轉試驗機 機械傳動 管件

1 扭轉試驗機傳動方案設計

1.1 錐齒輪傳動方案設計

該方案先通過變頻式異步電動機通過變頻驅動使變速器增大速率，蝸輪蝸桿隨之降速至制動狀態，絲杠螺母由靜止狀態加速旋轉，帶動錐齒輪加速旋轉。另一端滾珠絲杠與絲杠螺母通過變速箱內的錐齒輪間接相連，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行扭轉運動，隨著變速頻率的增大，蝸輪蝸桿的轉速會達一個峰值后隨之減小，直到整個系統的驅動力也會達到峰值后穩定，扭轉達到穩定狀態后至此完成試驗。

1.2 絲杠傳動方案設計

該方案采用恒頻式異步電動機輸出系統動能后，先輸出給離合器，間接帶動減速器工作。變速箱內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，絲杠的運動速率隨蝸桿運動幅度增大而變快。當減速器達到最小速率時，蝸桿的運動會伴隨轉動中絲杠進行同向運動或反向運動，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。橫梁的運動方式與錐齒輪傳動方案設計中橫梁的運動方式保持一致（即做簡諧振動），橫梁中端放置的錐形塊受絲杠的作用下進行扭轉運動，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，而錐形塊的扭轉方式不變，整個系統的驅動力也會隨變速頻率增大達到峰值后穩定，至此完成試驗。

1.3 鏈輪傳動方案設計

該方案由異步變頻電動機產生系統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。在保證絲杠進給速度穩定的前提下，通過改變鏈輪的轉動方向，隨后變速箱內的動力轉化為絲杠的旋轉勢能，由于絲杠與蝸輪蝸桿相連，絲杠作用下隨之運動。橫梁在螺母的帶動下，會在豎直方向向上或向下運動，方向不會改變，當橫梁從原始位置移動到最頂或最低端，此時的鏈輪轉速達到峰值并穩定不變，若使橫梁繼續運動，僅需將電動機轉速調整至初始狀態，即可完成第二個運動過程，（以此類推，每當橫量運動至最頂端或最低端都需要通過改變轉速的方式來維持其運動）頂端的錐形塊放置在橫梁中心，在橫梁的作用下開始扭轉，底端夾具體由變速箱內鏈輪帶動扭轉至此完成試驗。

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

設計方案中運用了滾珠絲杠初始力矩小和精準度高的優勢，減少了在高速傳動下出現“爬行”的可能性，確保了錐齒輪傳動的進給連續操作，傳動平穩，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、扭轉過程的穩定性，降低了輪齒塑性變形的可能（錐齒輪不會因屈服導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，增大了系統傳動系統機械效率，其中滾珠絲杠可由平行水平面的旋轉轉化為豎直方向的往復運動，亦可由從豎直方向的往復運動變成平行于水平面的旋轉。

由于滾珠絲杠的精準度要求過高，光滑度要求過高，裝置中錐形塊扭轉所具備的條件嚴格，試驗趨于穩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微零件加工操作繁瑣，精準度要求也很高，這就導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

設計方案中絲杠的在豎直方向進行安裝，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動狀態，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，直接導致了牽引桿故障的概率增大，根據杠桿原理，需通過增加牽引桿長度的方法來分擔拉伸力，同時要求試驗設備具有較高的外部功率用于推進連桿和增加牽引桿長度。

2.3 鏈輪傳動方案的分析與評價

同樣運用了滾珠絲杠的進給連續操作，傳動平穩度高，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、扭轉過程的穩定性。

傳動過程鏈輪可以保證系統傳動比穩定不變、結構簡單易操控、載荷能力強、傳輸效率大，能量傳遞效率高，確保試驗的可靠性。

當傳動結構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，當傳動結構停止工作時而具有慣性，仍保持原來的運動狀態，無法自鎖，所以應在原有的結構上增加制動裝置。

隨著試驗的進行，由鏈輪傳動產生的噪聲不斷增大，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，鏈輪傳動精準度條件不高，試驗的可操作性強，且在遠距傳動時，鏈輪傳動效果遠高于預期錐齒輪傳動效果。

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行扭轉測試，利用液力變矩器或液力耦合器或其他液力傳輸方式，在傳動過程中平穩度較高，在相同的前提下，液壓傳動耗能低，降低了系統工作強度的同時增強了機械的耐用性，同時液壓傳動可以實現扭轉變速，在其他變量相同的前提下，液壓裝置所占空間小，傳動穩定，但是液壓傳動的過程中，液體可能發生泄漏造成環境污染，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，另外液壓系統零部件價格昂貴，成本較高，且液壓裝置如果出現系統阻滯，無法快速找到解決的辦法，消除運行故障。

根據以上設計方案分析以及當今市場上最受歡迎的試驗機形式，將錐齒輪傳動作為文章的重點核實方案進行具體計算。

根據實際要求，并確保上述試驗的穩定性，對交流電動機的選取應根據系統負載的啟動特性與輸出特性，預算傳動過程中電動機大致的功耗和容量。由于扭轉試驗機方案測試傳動速率理論值過大，選取了兩款適合本設計方案的電動機規格分別為Y138S1-6、Y315L1-4，其中Y315L1-4可變頻式交流電動機，其電動機最大轉速可調至1700r/min，Y315L1-4為常用的160kW三相異步電動機，電動機轉速為1490r/min，但由于方案中電動機功率因數較高，導致電動機初始扭矩與負載量均提高，電動機具有較大的過載性能，綜合考慮以上內容，本研究選取的電動機的規格為Y138S1-6。

3 傳動方案中傳動參量的計算與核實

3.1 蝸輪蝸桿傳動系統的計算

根據之前設計方案，并對蝸輪蝸桿傳動進行分析。

系統額定功率：

轉速：5.07

脈沖頻率：

轉速比：≈4

根據《實用機械傳動裝置設計手冊》，考慮本設計方案的綜合因素，優先選取圓錐蝸輪與阿基米德蝸桿（ZA蝸桿）。

3.2 錐齒輪傳動系統的計算

對比蝸輪蝸桿傳動的計算方法，對錐齒輪傳動進行校核。

系統額定功率：

轉速：

脈沖頻率：

轉速比：

使用期限：約12500小時

錐齒輪通常具備較高的彎曲疲勞強度，根據其規格與材質的差異，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到60HRC～68HRC，中心硬度可達到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 傳動軸的結構設計與校核

已知，，，求得其他參數大小，其二維結構示意圖如圖1。

頻率：

當力彎矩：

選材時要根據傳動軸的具體幾何尺寸、強度、剛度與抗磨性等，以及欲實現最大傳動效率采用的加工方式，同時還要符合實際生產中制造工藝技術，在考慮生產要求的同時，力求性價比最大化。在制造行業中，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鋼材質的使用最為廣泛，具有較高的強度與剛度，價格低廉且符合此方案傳動軸的力學性能，故選取的材質為40Cr鋼。

根據傳動軸的中心軸徑計算公式，預測中心軸徑的長度范圍，由于傳動軸材質是40Cr鋼，查閱《材料力學》可知的取值范圍為，不妨取則有：

由于傳動軸結構中鍵槽深度尺寸偏差較大而導致軸應力過大，所以實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：

假設此絲杠為單頭絲杠，其導程與螺距相等，取。

傳動部件的最大尺寸為，計算出傳動絲杠DmN值為：

絲杠配合滾珠的內徑為12.8mm，外徑為16.3mm，為了保證絲杠在旋轉過程中不受系統轉速過高引起打滑現象，故應在傳動絲杠兩端留有緩沖長度，取螺桿長度，螺紋圈數為120，即：

根據《實用機械手冊》可知，螺桿的螺旋葉片直徑滿足關系：

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：

結合前面所設計的絲杠結構，不妨取，參閱《實用機械手冊》選取合適的結構材質，為保證材質的淬透性好，淬火回火硬度、強度高，選用絲杠結構、螺桿與螺母的材質均為Cr12MoV。

則，結構同軸距離：

有效同軸高度：

參閱《實用機械手冊》可知絲杠旋轉阻力系數大小關系為，絲杠豎直壓力角取，則絲杠中心距大小：。

4 結語

文章主要敘述了三種不同工作原理的試驗機方案，嚴格遵循課程設計的要求，設計了試驗機傳動系統，并對其參數、工作原理進行了計算與核實。

在這次設計中，參考了關于扭轉實驗的期刊、資料，將試驗機傳動方案設計與傳動系統計算分為兩個部分撰寫，設計了錐齒輪、鏈輪與絲杠為主體的三種方案，并經過比對選取了最佳方案進行具體分析，通過數據的核實與分析計算，設計的總體扭轉試驗機方案符合實際要求。

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