摘 要：在諸多傳動(dòng)系統(tǒng)即工程機(jī)械的動(dòng)力裝置和驅(qū)動(dòng)裝置之間的傳動(dòng)部件的設(shè)備應(yīng)用中，為了有效地保護(hù)其中的動(dòng)力裝置的主要元件或者主要部件時(shí)，最基本的保護(hù)措施就是加設(shè)機(jī)械過(guò)載保護(hù)機(jī)構(gòu)。在機(jī)械過(guò)載保護(hù)機(jī)構(gòu)中，簡(jiǎn)單有效的零件就是剪斷銷。

關(guān)鍵詞：傳遞動(dòng)力 保護(hù)措施 機(jī)械過(guò)載保護(hù)機(jī)構(gòu) 剪斷銷

中圖分類號(hào)：TD355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）02（a）-0009-02

眾所周知，機(jī)械傳動(dòng)的過(guò)載會(huì)引起嚴(yán)重后果，輕者可能導(dǎo)致部件變形，卡死斷裂，重者可能會(huì)引起重大事故，故我們務(wù)必研究過(guò)載保護(hù)，重視過(guò)載保護(hù)機(jī)構(gòu)。

機(jī)械過(guò)載保護(hù)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于很多傳動(dòng)系統(tǒng)中，傳動(dòng)系統(tǒng)的類型主要分為機(jī)械式、液力機(jī)械式、全液壓式和電動(dòng)輪式等。這里主要分析機(jī)械式的傳動(dòng)系統(tǒng)中的過(guò)載保護(hù)機(jī)構(gòu)，比如有齒輪傳動(dòng)，鏈輪傳動(dòng)，帶傳動(dòng)等等。

現(xiàn)以鏈輪傳動(dòng)中的過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)分析為例。

鏈傳動(dòng)是在兩個(gè)或多于兩個(gè)鏈輪之間用鏈作為撓性元件的一種嚙合傳動(dòng)，因其經(jīng)濟(jì)、可靠，故廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、采礦、冶金、起重、運(yùn)輸、石油、化工、紡織等各種機(jī)械的動(dòng)力傳動(dòng)中。

1 過(guò)載保護(hù)機(jī)構(gòu)的安裝使用位置

在鏈輪傳動(dòng)中，最基本結(jié)構(gòu)組成是電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)減速，把轉(zhuǎn)矩傳遞給減速機(jī)輸出軸上的鏈輪（這里稱為主動(dòng)鏈輪）。再通過(guò)一定距離的鏈條傳動(dòng)，把轉(zhuǎn)矩傳遞給下一組鏈輪（這里稱為傳動(dòng)鏈輪）。其中主動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速高，所受扭矩相對(duì)小，傳動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速低，所傳遞的扭矩大。

因?yàn)椋汗β蔖=力F×速度V（速度V=半徑r×角速度ω）

所以：功率P=力F×半徑r×角速度ω；

又：扭矩=力F×半徑r；

功率P=扭矩×角速度ω。

上述功率：P為發(fā)動(dòng)機(jī)功率；力F為輸出軸上圓周的推力；扭矩為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩；半徑R為曲軸半徑；角速度ω為曲軸角速度。

由式子功率P=扭矩×角速度ω可以看出：

當(dāng)轉(zhuǎn)速提高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)到最大時(shí)，增加轉(zhuǎn)速，扭矩降低了。

以此類推，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高時(shí)，通過(guò)減速之后，輸出的扭矩大。

過(guò)載保護(hù)應(yīng)該布置轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大的傳動(dòng)鏈輪中，要求當(dāng)輸出軸發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象時(shí)能及時(shí)中斷力和運(yùn)動(dòng)，但是輸入端驅(qū)動(dòng)軸仍可繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就需將其中的傳動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2 過(guò)載保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)

為了達(dá)到能保護(hù)主要元件的功能，其中傳動(dòng)鏈輪作為過(guò)載保護(hù)裝置，結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為達(dá)到一定載荷要求時(shí)，主運(yùn)動(dòng)（外鏈輪）和從運(yùn)動(dòng)（輪轂）應(yīng)脫離?；窘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中1—鏈輪通過(guò)鏈條傳動(dòng)與電機(jī)鏈輪連接傳動(dòng)，2—輪轂通過(guò)連接平鍵與輸出軸連接。鏈輪與輪轂通過(guò)剪斷銷周向連接進(jìn)行傳動(dòng)，如圖2所示。這樣，當(dāng)輸出軸上的負(fù)載產(chǎn)生的扭矩過(guò)大，超出動(dòng)力元件能承受的范圍，此時(shí)，12—剪斷銷被剪斷，1—鏈輪和2—輪轂在轉(zhuǎn)動(dòng)方向可脫離，有效的保護(hù)了動(dòng)力元件，使其工作不能超出額定工作范圍。1—鏈輪和2—輪轂在轉(zhuǎn)動(dòng)方向脫離后，11—拐臂被彈起，可以外接行程開(kāi)關(guān)，用于剪斷銷被剪斷后的信號(hào)輸出顯示或報(bào)警等。

3 剪斷銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)剪斷銷的工作原理及安裝使用位置，剪斷銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓柱體型，如圖2所示。其中兩端分別銷型式連接于鏈輪和輪轂上，剪斷銷中間部位根據(jù)使用設(shè)計(jì)要求應(yīng)設(shè)計(jì)為一變徑的結(jié)構(gòu)型式。

當(dāng)輪轂所在軸的載荷過(guò)大時(shí)，鏈輪與輪轂之間就會(huì)形成一個(gè)周向的剪切力，此作用力作用在剪斷銷上，使剪斷銷中部受到剪切力，根據(jù)設(shè)計(jì)扭矩的要求即可設(shè)計(jì)剪斷銷的尺寸及結(jié)構(gòu)。

4 剪斷銷的設(shè)計(jì)實(shí)例

確定設(shè)計(jì)任務(wù)：

輸入端驅(qū)動(dòng)軸的輸出扭矩額定輸出轉(zhuǎn)矩M主已確定，要求設(shè)計(jì)一種能保證≤的結(jié)構(gòu)，即≤。當(dāng)過(guò)載保護(hù)起作用時(shí)，應(yīng)當(dāng)為0。這種結(jié)構(gòu)即為剪斷銷結(jié)構(gòu)。

以圖3所示的實(shí)際尺寸，來(lái)進(jìn)行剪斷銷的設(shè)計(jì)說(shuō)明。

圖3中的部件參數(shù)如下：

已知電動(dòng)機(jī)的選擇，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷，《天津減速機(jī)股份有限公司》中，二級(jí)直聯(lián)型選型表：

功率為P=5.5 kW，額定轉(zhuǎn)速1500 r/min；

減速機(jī)的選擇，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四卷，《天津減速機(jī)股份有限公司》行星擺線針輪減速機(jī)中的二級(jí)立式直聯(lián)型減速機(jī)的選擇：

為二級(jí)直連式減速，傳動(dòng)比為i減=1/187；

輸出軸許用轉(zhuǎn)矩為M減=4070 N·m

主動(dòng)鏈輪：

傳動(dòng)節(jié)距P=31.75 mm，齒數(shù)為Z1=23；

鏈輪：

傳動(dòng)節(jié)距P=31.75 mm，齒數(shù)為Z2=35；

兩鏈輪中心距為a=878 mm

根據(jù)轉(zhuǎn)矩通過(guò)變速結(jié)構(gòu)傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)比和轉(zhuǎn)矩的傳遞關(guān)系。

減速機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)矩：

M主=M減=4070 N·m

減速機(jī)輸出軸上的主動(dòng)鏈輪，通過(guò)P=31.75 mm鏈條與負(fù)載軸上的鏈輪進(jìn)行鏈接傳動(dòng)，傳動(dòng)比為兩鏈輪的齒數(shù)比值，

則，鏈輪所受轉(zhuǎn)矩則為：

N·m

鏈輪周圓上所受力為：，其中M從=6.2×103N·m，=167 mm

剪斷銷離軸心的距離為90 mm，則有以下關(guān)系：

，

剪斷銷發(fā)生剪斷，是所產(chǎn)生周向力使剪斷銷受到一個(gè)剪切力的作用，。

此時(shí)，剪斷銷發(fā)生剪切時(shí)所能承受的最大剪切應(yīng)力為[]，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，45號(hào)鋼[]=178 MPa（MN/m2）；理論計(jì)算數(shù)據(jù)之上擴(kuò)大約3%～5%；

即滿足條件：≥時(shí)，剪斷銷被剪斷。其中

其中，F(xiàn)為剪切力；A為剪斷銷截面積；d—剪斷銷的截面直徑。

綜上可得：

d≤×（1.03～1.05）

=×（1.03～1.05）

=12.8～13.1 mm

因此，剪斷銷的最佳直徑應(yīng)設(shè)定為13 mm。

綜上實(shí)例的設(shè)計(jì)過(guò)程，在已知?jiǎng)恿υ念~定輸出時(shí)，根據(jù)各級(jí)的傳動(dòng)情況，就可以設(shè)計(jì)出過(guò)載保護(hù)機(jī)構(gòu)中剪斷銷的所需用規(guī)格尺寸。另外，如果已知輸出軸能承受的最大的負(fù)載時(shí)，也能根據(jù)額定負(fù)載設(shè)計(jì)剪斷銷的規(guī)格。

眾所周知電路上經(jīng)常安裝有“保險(xiǎn)絲”，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，保險(xiǎn)絲首先被熔斷，可保證電路上其它電路元件的安全。機(jī)器上有時(shí)也需要安裝“保險(xiǎn)器”，即機(jī)械式過(guò)載保護(hù)裝置，使它成為機(jī)械中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，一旦機(jī)器過(guò)載，過(guò)載保護(hù)裝置首先破壞或自動(dòng)脫開(kāi)直接或間接相連的工作零部件，以免使其他零部件遭到破壞，起到過(guò)載保護(hù)的作用。

5 結(jié)論

目前，不僅僅是在常用的常見(jiàn)的機(jī)械方面、電子方面等應(yīng)用廣泛，在很多其他大型或精密系統(tǒng)設(shè)備中也加設(shè)使用。過(guò)載保護(hù)的類型也多種多樣，破壞式過(guò)載保護(hù)，脫離復(fù)位式過(guò)載保護(hù)，過(guò)載保護(hù)開(kāi)關(guān)等等。過(guò)載保護(hù)，看似簡(jiǎn)單，但是要做好并不容易，也需要綜合考慮很多方面的因素來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)使用。

參考文獻(xiàn)

[1]邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008，1.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008，4.

[4]天津減速機(jī)股份有限公司[J].天津：行星擺線針輪減速機(jī)，2000.