螺旋传动性能测试实验台的设计

张丽， 陆天炜， 苏超

（西南交通大学机械工程学院，成都 610031）

0 引言

螺旋传动是通过螺杆和螺母的旋合来实现运动和力的传递，它一般是将旋转运动转变为直线运动。螺旋传动按摩擦性质可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋，按用途可分为传力螺旋、传动螺旋和调整螺旋[1]。相较于其他传动方式，螺旋传动具有结构简单、易加工、能自锁、传动平稳等特点，在各个领域应用广泛，占有重要的地位，如机床的进给螺旋、起重器的传力螺旋、螺旋压力机构、起重机构等。但螺旋传动也存在很多问题，比如摩擦阻力大、易磨损、有侧向间隙、定位精度差、轴向刚度较差等，这些都会影响螺旋传动的传动精度和效率。因此，不仅要比较不同螺旋副之间传动效率的差别，以便在实际应用中选择适合的螺旋传动以及合适的材料，而且还要研究在实际使用条件下各个因素对螺旋传动的性能的影响情况。所以设计一台能够测试各项参数下螺旋传动的传动效率，并且搭配一套专门的测试系统是十分必要的。

1 实验台结构设计

1.1 效率测试原理

在实际测试中，机械传动效率一般被定义为输入功率与输出功率之比，因此在不考虑联轴器和轴承造成的功率损失，将负载与螺母运动方向相反和相同的螺旋传动效率分别计算，其计算式如下：

式中：F为加载负荷；n为螺纹线数；P为螺纹螺距；M为输入转矩。

1.2 实验台结构设计

本实验台主要用于测试在不同负载下，不同滑动螺旋传动的效率。实验台包括机械、测试和控制三个系统，如图1所示为实验台系统构成框图。其中动力装置向螺杆提供动力使其运转，利用螺杆带动螺母沿轴向运动；通过调速装置控制转速；加载机构向螺母施加负荷，并通过传感器得到输入转矩；传感器将测得的数据通过系统硬件传入软件进行数据处理，并在用户界面上显示相应图形。

图1 实验台系统构成框图

在对实验台的使用条件反复论证后，最终确定了图2所示的实验台总体设计方案。电动机1提供动力带动螺杆8转动，螺母9通过行程开关6、11沿着直线导轨做往复运动，直线位移传感器4与螺母9相连，用于测试螺母9的实时位置。在电动机1与螺杆8之间串联转矩转速传感器3实现螺杆转速和输入转矩的信号输出。加载装置通过滑轮12、13添加砝码实现负载的稳定变化。图3为安装好的实验台实物图。

图2 螺旋传动总体方案

图3 实验台实物图

2 实验台测试系统设计

2.1 系统硬件构成

本实验台系统硬件关键部分主要是由两种传感器、数据采集卡以及计算机组成。其中转矩转速传感器和采集卡是本实验台的核心部件，关系着整个测试系统的性能。本实验台采用的YT－302转矩转速传感器是北京天宇恒创传感器技术有限公司提供的，其参数如表1所示。转矩转速传感器配有调理电路，输出时的转矩和转速即为频率信号，此信号被采集卡接收，经过处理将其转为数字信号，然后传入计算机进行数据运算。本实验台使用的是川星科技有限公司提供的基于FPGA开发的数据采集卡，其性能、可靠性较好且具有较高性价比。

表1 转矩转速传感器参数

2.2 系统软件设计

比较多种虚拟仪器开发平台，其中LabVIEW软件编程较为简单，很多程序可以直接调用，能缩短开发周期，用户操作起来也更加便捷、轻松，因此本实验台采用LabVIEW软件来开发测试系统。基于LabVIEW软件的系统软件设计分为用户操作界面设计和程序框图设计，前面板作为操作界面，主要包括参数输入、数据图表显示和功能按钮等控件。如图4所示，本实验台数据采集的主要包括串口参数设置、实验员信息、螺旋传动参数设置、图形显示、模块选择和控制等区域。串口参数设置区主要包含四个参数：串口号、波特率、数据比特和奇偶校验。实验员信息包含姓名、班级、学号和指导老师，这些信息最后将显示在最后生成实验报表中。螺旋传动参数设置区可选择螺旋副类型、输入负载、控制转速。模块选择区通过选项卡实现不同模块的切换，实时查看效率、转矩、速度、位移等曲线图,以及对应的实时数据。控制区主要有开始/停止采集、保存数据、清空数据、生成报表和停止等五个按钮。

图4 数据采集前面板

本软件的数据采集程序以VISA函数作为软件的通信接口函数，采集到的十六进制数据通过数据转换模块变为十进制，再通过数据计算并经滤波处理后得到平滑的曲线图。图5所示为实现用户操作界面功能所编制的程序框图。

3 实验台应用情况

图5 程序框图

图6 螺旋传动正反转效率曲线图

为测本实验台的实际应用，以梯形螺旋传动在摩擦状态下为例进行了测试，实验时所使用的梯形螺纹参数为：螺距P=12 cm，直径d=48 mm，线数L=1，摩擦因数f=0.1。通过实验得到螺旋传动正反转效率曲线如图6所示。

由实验图形可以看出，实际效率曲线随着转矩的变化波动符合实际情况，而且无润滑状态下实测效率与理论效率曲线相差接近，说明该实验台具有一定的传动精度。

5 结语

螺旋传动性能测试实验台机械结构与测试系统于一体，结构简单，具有良好的经济效益，能够更加便捷地更换螺旋副，对多种螺旋副在不同负载、不同转速、摩擦/润滑状态下进行测试，可以通过测试软件快速、准确、实时、生动地反映螺旋传动效率，并在保存数据后进行比较、分析各种状态对螺旋传动效率的影响，这对研究螺旋传动性能具有重要的作用。