扭力校驗機的改進設計

李輝

摘要：文章敘述了扭力校驗機的設計過程，包括新舊設備的比較與改進，介紹了扭力校驗機的組成、各部件結構及工作原理，并對關鍵部件選取進行了計算與校核。該設備通過幾年的使用情況反饋，驗證其良好的安全性和可靠性，得到了用戶的認可。

關鍵詞：扭力校驗機；角位移傳感器；大速比減速機；專用機床；設備技術參數 文獻標識碼：A

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

扭力校驗機是用大扭力將鋁合金等不同形狀、尺寸的零件扭轉變形的專用機床，該機床是鋁合金零件強度測試的專用關鍵設備。作為專用設備，經過調查，市場上無相應的生產廠家，與其原理相近的扭力扳手校驗機與扭力校驗機有很多的不同。本文是針對扭力校驗機設計時的幾個關鍵點進行分析，在現有扭力機上進行改進，為國內其他相關零件生產廠提供一定的借鑒作用。

1 設備技術參數

第一，設備輸出最大扭力：50000N·m。

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

第三，減速機傳動比：1∶3000。

第四，電機規格：Y132M-4，960rpm，50Hz，4kW。

第五，設備電壓：380V。

第六，設備外形尺寸（mm）：3200×850×1250。

第七，整機重量：3000kg。

2 設計中的關鍵點

第一，工作時產生的大扭力容易使床身產生變形，影響工作精度，也為長期使用埋下安全隱患，因此整機框架要有足夠的強度。

第二，大扭力傳動機構以前往往通過二級渦輪蝸桿+三級齒輪傳動，長時間的使用使整機產生微量變形后，勢必影響各個齒輪之間、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。

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

3 整體設計方案及解決關鍵問題

3.1 扭力校驗機設計方案的選取

扭力校驗機在其支架軌道一端裝有可沿軌道前后移動的夾持機構，該機構通過T型槽螺釘固定在機架上的兩根T型槽內，使用T型槽螺釘固定優點是便于安放不同尺寸的被測工件。另一端裝有不可移動卻可旋轉的夾持機構，該機構上部頂絲為絲杠結構，這樣保證加緊強度的同時又產生自鎖，防止工作時加緊頂絲松動。電機+減速器輸出端口為脹緊盤形式，將轉動軸夾緊，通過傳動軸帶動可旋轉的夾持機構轉動，校驗的工件兩端分別固定在兩個夾持機構上，可旋轉夾持機構，轉動時產生扭轉力使工件一端隨之旋轉，角位移傳感器安放在可旋轉夾持機構上部（盡量安裝在正中間軸線上），與夾持機構同步轉動。這樣被測工件的扭轉情況通過角位移傳感器的輸出信號傳遞給數顯測控儀表，操作人員可一邊直觀地觀察盤一邊觀測工件的狀態。

電機+減速器及軌道、夾持機構、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，將兩個支撐架焊接，使之成為一整體。整體結構如圖1所示：

3.2 解決扭力校驗機關鍵問題

3.2.1 對于工作時產生的大扭力，有針對性地加強了框架受力支撐點，保證整機框架強度。框架大部分受力為扭轉力，特別是通過經驗分析和實踐觀察，相對于軌道固定夾持機構部分，由于力臂和傳送扭轉力輸出點的關系，減速機處所受應力最大也最集中，會造成減速機框架中部產生很大的撓曲變形，因此將構筑框架所用型鋼規格增大，另外對加速劑支架結構進行重新設計，特別增加了減速機支架的支撐點。減速機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，增大穩定性。

3.2.2 為保證輸出扭力穩定、可靠，選用可靠性高的大速比減速機。本次設計中，減速機為目前比較新式的行星齒輪三級傳動減速機，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。減速機輸出方式為脹緊盤形式，由于被測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的作用。脹緊盤原理如圖2所示：

本減速機的不足之處在于成本較高（國內的幾萬到十幾萬不等），且輸出扭矩為理論計算值，與實際測量值均有較大差異，其主要原因是由于多級機械傳動累計誤差精度，機械加工精度和熱處理精度等因素所致。例本次設計選用的為89kN·m減速機（實際值約為56kN·m，同型號規格的減速機之間也有一定的差異），據調查，即使世界上最先進的德國制造此類減速機，其實際測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。本設計中，采用角位移傳感器+數顯測控儀表來檢測旋轉角度，避免了人為肉眼觀測刻度盤指針的誤差，也減小了傳動軸和減速機軸剛度產生的工作中軸自身扭轉變形產生的測量誤差，同時測控儀表體積小巧，觀察直觀，便于操作。測控儀表盤如圖3所示：

4 設備主要結構的相關計算

4.1 傳動系統電機功率計算及選型

式中：

P——電機功率，kW

T——輸出軸最大扭矩，N·m

n——輸出軸傳動速度，r/min

為便于操作者工作觀察，轉動速度n不大于0.333r/min，扭矩T=50000N·m，則：

由于機械傳遞功率損失較大，取安全系數2，則電機選取4kW。由于輸出轉速較小，為盡量減小傳送比，取6級電機，轉動速度n=960r/min，求得傳動比約為3000∶1。

4.2 輸出軸計算與校核

該輸出軸主要傳遞轉矩，其彎矩力可視為忽略，故按扭轉剛度計算軸徑，按扭轉剛度計算：

軸結構如圖4所示：

5 結語

本文對扭力校驗機設計過程、整體結構和主要部件的選型、校核進行了論述，重點解決了動力傳動機構可靠性低，操作者操作不便的問題。但一些新的思路由于經費的限制沒有實現，如：在軌道固定夾持機構下部安裝電機+絲杠，使其改進為可移動式的；將扭力測試器安裝在扭力校驗機上等。本設計在滿足工作需求的同時拋磚引玉，為其他相關生產廠提供了一定的借鑒作用。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）