扭力校验机的改进设计

李辉

摘要：文章叙述了扭力校验机的设计过程，包括新旧设备的比较与改进，介绍了扭力校验机的组成、各部件结构及工作原理，并对关键部件选取进行了计算与校核。该设备通过几年的使用情况反馈，验证其良好的安全性和可靠性，得到了用户的认可。

关键词：扭力校验机；角位移传感器；大速比减速机；专用机床；设备技术参数 文献标识码：A

中图分类号：TH715 文章编号：1009-2374（2017）11-0064-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.033

扭力校验机是用大扭力将铝合金等不同形状、尺寸的零件扭转变形的专用机床，该机床是铝合金零件强度测试的专用关键设备。作为专用设备，经过调查，市场上无相应的生产厂家，与其原理相近的扭力扳手校验机与扭力校验机有很多的不同。本文是针对扭力校验机设计时的几个关键点进行分析，在现有扭力机上进行改进，为国内其他相关零件生产厂提供一定的借鉴作用。

1 设备技术参数

第一，设备输出最大扭力：50000N·m。

第二，角位移传感器主要参数：（1）输入、输出信号电压：0～5V；（2）转角测试范围：±45°。

第三，减速机传动比：1∶3000。

第四，电机规格：Y132M-4，960rpm，50Hz，4kW。

第五，设备电压：380V。

第六，设备外形尺寸（mm）：3200×850×1250。

第七，整机重量：3000kg。

2 设计中的关键点

第一，工作时产生的大扭力容易使床身产生变形，影响工作精度，也为长期使用埋下安全隐患，因此整机框架要有足够的强度。

第二，大扭力传动机构以前往往通过二级涡轮蜗杆+三级齿轮传动，长时间的使用使整机产生微量变形后，势必影响各个齿轮之间、蜗轮蜗杆之间的啮合效果，因此需选用可靠性高的大速比减速机。

第三，目前现有的扭力机其操作者更多的是一边观察零件的受力变形情况，一边观察与转动轴尾部同轴链接的角度刻度盘，很不方便，影响工作效率。

3 整体设计方案及解决关键问题

3.1 扭力校验机设计方案的选取

扭力校验机在其支架轨道一端装有可沿轨道前后移动的夹持机构，该机构通过T型槽螺钉固定在机架上的两根T型槽内，使用T型槽螺钉固定优点是便于安放不同尺寸的被测工件。另一端装有不可移动却可旋转的夹持机构，该机构上部顶丝为丝杠结构，这样保证加紧强度的同时又产生自锁，防止工作时加紧顶丝松动。电机+减速器输出端口为胀紧盘形式，将转动轴夹紧，通过传动轴带动可旋转的夹持机构转动，校验的工件两端分别固定在两个夹持机构上，可旋转夹持机构，转动时产生扭转力使工件一端随之旋转，角位移传感器安放在可旋转夹持机构上部（尽量安装在正中间轴线上），与夹持机构同步转动。这样被测工件的扭转情况通过角位移传感器的输出信号传递给数显测控仪表，操作人员可一边直观地观察盘一边观测工件的状态。

电机+减速器及轨道、夹持机构、角位移传感器分别安放在加速剂架子和轨道架子上，待安放就位后，将两个支撑架焊接，使之成为一整体。整体结构如图1所示：

3.2 解决扭力校验机关键问题

3.2.1 对于工作时产生的大扭力，有针对性地加强了框架受力支撑点，保证整机框架强度。框架大部分受力为扭转力，特别是通过经验分析和实践观察，相对于轨道固定夹持机构部分，由于力臂和传送扭转力输出点的关系，减速机处所受应力最大也最集中，会造成减速机框架中部产生很大的挠曲变形，因此将构筑框架所用型钢规格增大，另外对加速剂支架结构进行重新设计，特别增加了减速机支架的支撑点。减速机支架和轨道支架用螺栓分别固定在地面上后将其焊接为一整体框架，增大稳定性。

3.2.2 为保证输出扭力稳定、可靠，选用可靠性高的大速比减速机。本次设计中，减速机为目前比较新式的行星齿轮三级传动减速机，箱体整体采用球墨铸铁，且下部支座用35mm厚钢板，大大提高了整体刚性及抗震性，箱体内的太阳轮、行星轮、螺旋锥齿轮均采用可控气氛渗碳淬火处理，得到高硬耐磨表面，且热处理后全部磨齿，这样增加了配合精度，降低了噪音。减速机输出方式为胀紧盘形式，由于被测零件所需扭力很难量化，以胀紧盘输出形式可起到超载保护的作用。胀紧盘原理如图2所示：

本减速机的不足之处在于成本较高（国内的几万到十几万不等），且输出扭矩为理论计算值，与实际测量值均有较大差异，其主要原因是由于多级机械传动累计误差精度，机械加工精度和热处理精度等因素所致。例本次设计选用的为89kN·m减速機（实际值约为56kN·m，同型号规格的减速机之间也有一定的差异），据调查，即使世界上最先进的德国制造此类减速机，其实际测量扭矩值也只是理论值的84%。

3.2.3 为更便于操作人员工作，提高工作效率。本设计中，采用角位移传感器+数显测控仪表来检测旋转角度，避免了人为肉眼观测刻度盘指针的误差，也减小了传动轴和减速机轴刚度产生的工作中轴自身扭转变形产生的测量误差，同时测控仪表体积小巧，观察直观，便于操作。测控仪表盘如图3所示：

4 设备主要结构的相关计算

4.1 传动系统电机功率计算及选型

式中：

P——电机功率，kW

T——输出轴最大扭矩，N·m

n——输出轴传动速度，r/min

为便于操作者工作观察，转动速度n不大于0.333r/min，扭矩T=50000N·m，则：

由于机械传递功率损失较大，取安全系数2，则电机选取4kW。由于输出转速较小，为尽量减小传送比，取6级电机，转动速度n=960r/min，求得传动比约为3000∶1。

4.2 输出轴计算与校核

该输出轴主要传递转矩，其弯矩力可视为忽略，故按扭转刚度计算轴径，按扭转刚度计算：

轴结构如图4所示：

5 结语

本文对扭力校验机设计过程、整体结构和主要部件的选型、校核进行了论述，重点解决了动力传动机构可靠性低，操作者操作不便的问题。但一些新的思路由于经费的限制没有实现，如：在轨道固定夹持机构下部安装电机+丝杠，使其改进为可移动式的；将扭力测试器安装在扭力校验机上等。本设计在满足工作需求的同时抛砖引玉，为其他相关生产厂提供了一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 吴宗泽.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 陈祝平.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 荆秀芝.金属材料应用手册[M].西安：陕西科学技术出版社，1989.

（责任编辑：黄银芳）