转轴结构及设计概要

转轴结构及设计

转轴端部加载方案与结构设计

【摘要】 加载是试验机与试验台设计的一个重要部分。加深对加载的研究对提高试验机与试验台的性能来说很有意义。本文从机械可拆卸快速联接设计入手对转轴端部加载方案与结构设计进行了研究。本文先是介绍了转轴的强度计算、结构设计、刚度校核及电机选择，为后面的方案和结构设计作了准备工作。然后在此基础上根据课题的要求为转轴端部加载系统设计了四套旋转台方案和四套加载方案，并分析了各自的优缺点。其中在旋转台方案四中本文设计了一种比较特殊的自锁装置。最后根据转轴端部加载的方案设计和结构设计画出了四套旋转台方案和四套加载方案的CAD图。

【关键词】 机械加载，可拆卸联接，旋转台自锁，同心圆柱体，转轴

第1章 绪论

本章介绍了试验机在国内外的发展状况，并着重介绍了其加载方式及发展，最后阐明本文研究的内容及意义。 1.1试验机简介

试验机是一种产品或材料在投入使用前，对其质量或性能按设计要求进行验证的仪器[1]。

试验机作为一种单独的产品，诞生于二百多年前的西欧。当时没有独立的生产厂商，都是依附或从属于机械或建筑行业里的一个检验部门为试验和检测而自行制造并继而兼之销售的。所以试验机在起初可以说是还没形成一个市场的。最初的产品很简单，品种也少，当时只有采用机械杠杆、砝码加载的原理制成的拉力试验机， 用以测定钢铁和其它金属材料的抗拉强度，即抵御外部载荷而不被破坏的最大抗力。随着材料科学和材料力学的发展试验机便逐渐成为一种专门用于研究各类材料机械性能(力学性能)的手段和工具。

试验机在起初的需求量并不大，所以各国企业创建的初期规模都不大，最多四、五十人，产品产值在该国的国民经济及工业统计数字中都占不上角色。但伴随工业、建筑的不断发展， 各种新材料的不断涌现， 从安全设计和节约材料的基点出发，社会对试验机产品的需求日益迫切和扩大。试验机产业也逐渐形成了一个比较大的市场。

经过大约一百多年的发展， 到了二十世纪初， 在世界范围内基本建成了世界试验机产业的四大生产体系：英国试验机生产体系， 以瑞士、德国为主的欧洲大陆试验机生产体系，远东日本试验体机生产体系和北美洲(美国)试验机生产系。

这其中以英国试验机生产体系与欧洲大陆试验机生产体系规模最大，产品系列最为齐全， 产业的企业结构和产业的技术结构变化最为迅速。但到了八十年代中期以后试验机产业就其规模、品种，先进程度、销售量而言，就转移到美国、德国和日本这方面来了[2] 。 1.1.1试验机类型

试验机的分类按照传统分类方法可以分为金属材料试验机、非金属材料试验机、动平衡试验机、振动台和无损探伤机等五大类；按用途分类:测定机械性能用试验机和工艺试验用试验机；按加荷方法分类:静负荷试验机(静态)和动负荷试验机(动态)；按测力方式分类:机械测力试验机和电子测力试验机；按控制方式分类:手动控制和微机伺服控制试验机；按油缸位置分类:油缸上置式和油缸下置式试验机[1]。

1.1.2试验机现状和发展趋势

试验机最初产品简单、品种稀少，所依据的原理也很简单向产品品种扩大，技术结构趋于复杂，产品本身的精度提高发展。由于社会需求的要求，试验机产品越来越复杂、品种越来越多、所依据的原理越来越复杂。单纯的机械杠杆、砝码加载的原理已无法满足试验机的研发要求。它的分类也越来越细，为了满足生产科研的需要，试验机的研究方向也朝着专业化发展。这使得试验机的分类非常的细，品种也非常多。

从上世纪九十年代中期至今仅10年多的时间，我国试验机制造技术得到了较快的发展。我国在试验机行业技术的发展体现在以下几方面[8]：

（1） 静态力学性能测试设备的关键技术实现了突破。 （2） 动态力学性能测试设备的关键技术有较大提高。

（3） 多通道协调加载动静态力学性能测试系统和多自由度实际工况模拟试验系统的开发有较快进展，有些

产品已开始投入国内市场并被用户选用。 （4） 试验机制造厂商自主研发的能力逐渐提高。 （5） 试验机的性能指标和稳定性有较大提高。 1.1.3加载方式及发展

试验机的加载装置是试验机的重要组成部分。加载方式的不同对于试验机的性能有着重要影响。试验机加载的方式很多，比如机械加载、液压加载、电力加载等。根据加载时是否有接触又可分为接触式加载和非接触式加载。

在试验机发展的初期，大多采用机械加载。机械加载所依据的原理简单，实现起来比较容易。所以在试验机发展的初期阶段都是用机械加载。机械加载在试验机发展的初期发挥了很大的作用。其缺点是结构复杂，加载装置中的受力零件易被磨损而引起功率的损失，易产生振动和噪声，且在加载器的设计与制造时对于零件的材料和热处理有较高的要求，制造成本高[22]。随着生产的不断发展，人们对试验机的性能的要求越来越高。这使得试验机对其加载系统的要求也越来越来高。为了精确模拟零部件在实际工作中受载的实际情况，单纯的机械加载就比较复杂了，采用电力加载就简单多了，而且机械加载成本也较高，所以机械加载方式已逐渐被其它的加载方式所取代。虽然单纯的机械加载精确模拟零部件在实际工作中受载的实际情况比较复杂，但模拟加载再怎么精确模拟还终归是模拟。而机械加载则可以完全再现零部件受载的实际情况，虽然成本会高一点，实现起来也复杂一些。直到目前在大功率和大扭矩的场合机械加载还是比较有优势的。

随着液压技术的发展，试验机的加载装置开始采用液压泵、旋转液压伺服器等作为负载装置。液压加载可以实现较大加载功率，而且液压加载在加载过程中改变载荷是很容易的。也正是因为采用液压的原理，液压加载在加载过程中载荷很不稳定。这一点机械加载就具有明显优势。因而在小功率条件下的试验结果是不准确的[22]。

电力加载是利用电涡流测功机、磁粉制动器、发电机等电力设备作为负载装置的加载方式。它的优点是运行平稳、易于控制、加载精度高。[22] 1.2本课题研究意义及主要工作

本课题的任务实际上就是在一根成悬臂状的轴端装了一个滚动轴承，现在要在轴承外圈上加上不同的载荷，在轴旋转状态下，载荷的方向可由径向逐步变换为轴向。但加载后不能对轴承外圈的自由转动带来附加阻力矩而且加载装置也不能影响转轴的动平衡。这正是本课题的难点，它使得采用普通的加载是不可行的

1.2.1本课题的研究意义

随着机械工业的发展，人们对于机械产品性能的要求越来越高。这使得人们对试验机性能的要求也越来越高。所以提高试验机的任何一部分装置的性能对试验机整体性能的提高都是有重要作用的。本课题所研究的转轴端部加载是机械试验机与试验台设计的一个重要部分。而加载又是试验机设计的一个重要部分。所以加深对加载的研究对试验机的设计很有帮助。 1.2.2本课题的研究内容及主要工作

本课题的任务实际上就是在一根成悬臂状的轴端装了一个滚动轴承，现在要在轴承外圈上加上不同的载荷，在轴旋转状态下，载荷的方向可由径向逐步变换为轴向。但加载后不能对轴承外圈的自由转动带来附加阻力矩而且加载装置也不能影响转轴的动平衡。所以常规的加载方法是不行的。本课题可以进行研究的思路有三条。

（1）模拟加载技术

模拟加载技术是在计算机辅助测试技术的基础上提出的一种加载技术。它是指控制加载装置使其按照给定运行方式和预定的载荷谱运转，从而模拟各种实际工作情况[22]。当然它也可以模拟本课题的轴端部加载的情况。

（2）电磁加力器加载

本课题要求在轴承外圈上加上不同的载荷，但加载后不能对轴承外圈的自由转动带来附加阻力矩而且加载装置也不能影响转轴的动平衡。采用直接式非接触电磁加力原理，设计制造电磁加力器，配以非接触的精密电容式位移计进行加载性能试验无疑是一个不错的选择。 （3）机械加载

机械加载的思路是在轴端部套上同心圆环。问题是如何实现这些圆环的快速可靠的联接。

因为模拟加载技术和电磁加力器加载分别在参考文献[22,23]和参考文献[13]中有详细而完整的研究。虽然不是专门针对轴端部加载的，但方法是一样的。所以本文只研究机械加载的方法。本文从机械可拆卸快速联接入手研究本课题。

本文的主要工作为：

（1）转轴强度刚度计算以及电机选择

虽然本课题主要是方案和结构设计，但必要的强度刚度计算也是要的。根据滚动轴承内部摩擦力矩，还要计算电机的功率并选择合适的电机。 （2）整个系统的旋转方案的设计

由于在加载过程中轴本身也要能从水平到垂直摆动，以使载荷从径向变为轴向。所以在本课题还要设计整个转轴系统的旋转方案。旋转方案可以由人工完成就可以，不用再为旋转方案选电机。所以要设计的就是旋转台的自锁方案。

（3）圆柱体零件的快速联接设计

该选题的基本方法就是往外圈上套上不同的同心圆柱体，主要解决的问题是这些圆柱体如何方便连接。