李輝

摘要：文章敘述了扭力校驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)過程，包括新舊設(shè)備的比較與改進(jìn)，介紹了扭力校驗(yàn)機(jī)的組成、各部件結(jié)構(gòu)及工作原理，并對(duì)關(guān)鍵部件選取進(jìn)行了計(jì)算與校核。該設(shè)備通過幾年的使用情況反饋，驗(yàn)證其良好的安全性和可靠性，得到了用戶的認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：扭力校驗(yàn)機(jī)；角位移傳感器；大速比減速機(jī)；專用機(jī)床；設(shè)備技術(shù)參數(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH715 文章編號(hào)：1009-2374（2017）11-0064-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.033

扭力校驗(yàn)機(jī)是用大扭力將鋁合金等不同形狀、尺寸的零件扭轉(zhuǎn)變形的專用機(jī)床，該機(jī)床是鋁合金零件強(qiáng)度測(cè)試的專用關(guān)鍵設(shè)備。作為專用設(shè)備，經(jīng)過調(diào)查，市場(chǎng)上無相應(yīng)的生產(chǎn)廠家，與其原理相近的扭力扳手校驗(yàn)機(jī)與扭力校驗(yàn)機(jī)有很多的不同。本文是針對(duì)扭力校驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，在現(xiàn)有扭力機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)，為國內(nèi)其他相關(guān)零件生產(chǎn)廠提供一定的借鑒作用。

1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

第一，設(shè)備輸出最大扭力：50000N·m。

第二，角位移傳感器主要參數(shù)：（1）輸入、輸出信號(hào)電壓：0～5V；（2）轉(zhuǎn)角測(cè)試范圍：±45°。

第三，減速機(jī)傳動(dòng)比：1∶3000。

第四，電機(jī)規(guī)格：Y132M-4，960rpm，50Hz，4kW。

第五，設(shè)備電壓：380V。

第六，設(shè)備外形尺寸（mm）：3200×850×1250。

第七，整機(jī)重量：3000kg。

2 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)

第一，工作時(shí)產(chǎn)生的大扭力容易使床身產(chǎn)生變形，影響工作精度，也為長(zhǎng)期使用埋下安全隱患，因此整機(jī)框架要有足夠的強(qiáng)度。

第二，大扭力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以前往往通過二級(jí)渦輪蝸桿+三級(jí)齒輪傳動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間的使用使整機(jī)產(chǎn)生微量變形后，勢(shì)必影響各個(gè)齒輪之間、蝸輪蝸桿之間的嚙合效果，因此需選用可靠性高的大速比減速機(jī)。

第三，目前現(xiàn)有的扭力機(jī)其操作者更多的是一邊觀察零件的受力變形情況，一邊觀察與轉(zhuǎn)動(dòng)軸尾部同軸鏈接的角度刻度盤，很不方便，影響工作效率。

3 整體設(shè)計(jì)方案及解決關(guān)鍵問題

3.1 扭力校驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)方案的選取

扭力校驗(yàn)機(jī)在其支架軌道一端裝有可沿軌道前后移動(dòng)的夾持機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)通過T型槽螺釘固定在機(jī)架上的兩根T型槽內(nèi)，使用T型槽螺釘固定優(yōu)點(diǎn)是便于安放不同尺寸的被測(cè)工件。另一端裝有不可移動(dòng)卻可旋轉(zhuǎn)的夾持機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)上部頂絲為絲杠結(jié)構(gòu)，這樣保證加緊強(qiáng)度的同時(shí)又產(chǎn)生自鎖，防止工作時(shí)加緊頂絲松動(dòng)。電機(jī)+減速器輸出端口為脹緊盤形式，將轉(zhuǎn)動(dòng)軸夾緊，通過傳動(dòng)軸帶動(dòng)可旋轉(zhuǎn)的夾持機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，校驗(yàn)的工件兩端分別固定在兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)上，可旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力使工件一端隨之旋轉(zhuǎn)，角位移傳感器安放在可旋轉(zhuǎn)夾持機(jī)構(gòu)上部（盡量安裝在正中間軸線上），與夾持機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣被測(cè)工件的扭轉(zhuǎn)情況通過角位移傳感器的輸出信號(hào)傳遞給數(shù)顯測(cè)控儀表，操作人員可一邊直觀地觀察盤一邊觀測(cè)工件的狀態(tài)。

電機(jī)+減速器及軌道、夾持機(jī)構(gòu)、角位移傳感器分別安放在加速劑架子和軌道架子上，待安放就位后，將兩個(gè)支撐架焊接，使之成為一整體。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3.2 解決扭力校驗(yàn)機(jī)關(guān)鍵問題

3.2.1 對(duì)于工作時(shí)產(chǎn)生的大扭力，有針對(duì)性地加強(qiáng)了框架受力支撐點(diǎn)，保證整機(jī)框架強(qiáng)度?？蚣艽蟛糠质芰榕まD(zhuǎn)力，特別是通過經(jīng)驗(yàn)分析和實(shí)踐觀察，相對(duì)于軌道固定夾持機(jī)構(gòu)部分，由于力臂和傳送扭轉(zhuǎn)力輸出點(diǎn)的關(guān)系，減速機(jī)處所受應(yīng)力最大也最集中，會(huì)造成減速機(jī)框架中部產(chǎn)生很大的撓曲變形，因此將構(gòu)筑框架所用型鋼規(guī)格增大，另外對(duì)加速劑支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，特別增加了減速機(jī)支架的支撐點(diǎn)。減速機(jī)支架和軌道支架用螺栓分別固定在地面上后將其焊接為一整體框架，增大穩(wěn)定性。

3.2.2 為保證輸出扭力穩(wěn)定、可靠，選用可靠性高的大速比減速機(jī)。本次設(shè)計(jì)中，減速機(jī)為目前比較新式的行星齒輪三級(jí)傳動(dòng)減速機(jī)，箱體整體采用球墨鑄鐵，且下部支座用35mm厚鋼板，大大提高了整體剛性及抗震性，箱體內(nèi)的太陽輪、行星輪、螺旋錐齒輪均采用可控氣氛滲碳淬火處理，得到高硬耐磨表面，且熱處理后全部磨齒，這樣增加了配合精度，降低了噪音。減速機(jī)輸出方式為脹緊盤形式，由于被測(cè)零件所需扭力很難量化，以脹緊盤輸出形式可起到超載保護(hù)的作用。脹緊盤原理如圖2所示：

本減速機(jī)的不足之處在于成本較高（國內(nèi)的幾萬到十幾萬不等），且輸出扭矩為理論計(jì)算值，與實(shí)際測(cè)量值均有較大差異，其主要原因是由于多級(jí)機(jī)械傳動(dòng)累計(jì)誤差精度，機(jī)械加工精度和熱處理精度等因素所致。例本次設(shè)計(jì)選用的為89kN·m減速機(jī)（實(shí)際值約為56kN·m，同型號(hào)規(guī)格的減速機(jī)之間也有一定的差異），據(jù)調(diào)查，即使世界上最先進(jìn)的德國制造此類減速機(jī)，其實(shí)際測(cè)量扭矩值也只是理論值的84%。

3.2.3 為更便于操作人員工作，提高工作效率。本設(shè)計(jì)中，采用角位移傳感器+數(shù)顯測(cè)控儀表來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度，避免了人為肉眼觀測(cè)刻度盤指針的誤差，也減小了傳動(dòng)軸和減速機(jī)軸剛度產(chǎn)生的工作中軸自身扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的測(cè)量誤差，同時(shí)測(cè)控儀表體積小巧，觀察直觀，便于操作。測(cè)控儀表盤如圖3所示：

4 設(shè)備主要結(jié)構(gòu)的相關(guān)計(jì)算

4.1 傳動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)功率計(jì)算及選型

式中：

P——電機(jī)功率，kW

T——輸出軸最大扭矩，N·m

n——輸出軸傳動(dòng)速度，r/min

為便于操作者工作觀察，轉(zhuǎn)動(dòng)速度n不大于0.333r/min，扭矩T=50000N·m，則：

由于機(jī)械傳遞功率損失較大，取安全系數(shù)2，則電機(jī)選取4kW。由于輸出轉(zhuǎn)速較小，為盡量減小傳送比，取6級(jí)電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度n=960r/min，求得傳動(dòng)比約為3000∶1。

4.2 輸出軸計(jì)算與校核

該輸出軸主要傳遞轉(zhuǎn)矩，其彎矩力可視為忽略，故按扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算軸徑，按扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算：

軸結(jié)構(gòu)如圖4所示：

5 結(jié)語

本文對(duì)扭力校驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)過程、整體結(jié)構(gòu)和主要部件的選型、校核進(jìn)行了論述，重點(diǎn)解決了動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性低，操作者操作不便的問題。但一些新的思路由于經(jīng)費(fèi)的限制沒有實(shí)現(xiàn)，如：在軌道固定夾持機(jī)構(gòu)下部安裝電機(jī)+絲杠，使其改進(jìn)為可移動(dòng)式的；將扭力測(cè)試器安裝在扭力校驗(yàn)機(jī)上等。本設(shè)計(jì)在滿足工作需求的同時(shí)拋磚引玉，為其他相關(guān)生產(chǎn)廠提供了一定的借鑒作用。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）