【文章內(nèi)容簡介】 降低，而其使用功能與性能卻不斷提高，使得變頻器在生產(chǎn)和生活中得到大量應(yīng)用。且變頻器在節(jié)能、自動化、提高生產(chǎn)率、提高質(zhì)量、減少維修等多方面具有突出的優(yōu)點，變頻調(diào)速技術(shù)成為了我國政府重點推廣的節(jié)能技術(shù)之一[14]。 變頻調(diào)速器的工作原理及選擇要求 變頻調(diào)速器是一種把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機(jī)變速運行的設(shè)備。a、工作原理已知交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： 式中：n：交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速； f：交流異步電動機(jī)的頻率； s：電動機(jī)轉(zhuǎn)差率（s=(n1n)/n1 式中： n1為同步轉(zhuǎn)速, n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速）； p：電動機(jī)極對數(shù)。由上式可知，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與電流頻率f成正比，變頻調(diào)速器就是通過改變電源頻率來實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的可控調(diào)節(jié)的，使用變頻調(diào)速器來實現(xiàn)檢測臺的檢測頻率可控是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。b、選擇要求由于變頻器[15]的正確選用對于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運行以及設(shè)備能效的正常發(fā)揮至關(guān)重要，同時還可以達(dá)到節(jié)能的效果。在選用變頻調(diào)速器時，首先要了解機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、起動轉(zhuǎn)矩以及使用環(huán)境等技術(shù)要求，然后確定何種控制方式，最后確定變頻器的型號。同時還需要考慮的是經(jīng)濟(jì)性問題，在使變頻器滿足機(jī)械設(shè)備的實際生產(chǎn)工藝要求和使用條件的前提下，選擇性價比最高的變頻器。 型號及參數(shù)的確定根據(jù)變頻器的選擇要求，需要了解檢測臺以及所采用的電動機(jī)的性能參數(shù)。根據(jù)設(shè)計要求，此試驗臺為實現(xiàn)周期性振動采用的是偏心輪設(shè)計（偏心圓的偏心距為3mm），且檢測臺臺板受恒定載荷的作用，因此偏心輪受恒定縱向載荷的作用。隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸所受的力矩也是不斷變化的，因此根據(jù)檢測設(shè)備這一特點認(rèn)為檢測臺所用電動機(jī)在一定頻率范圍內(nèi)是定功率的。此外檢測臺轉(zhuǎn)軸受最大轉(zhuǎn)矩時應(yīng)該是偏心輪的橫向偏心距最大時（位置如圖34所示），即 圖34 偏心輪轉(zhuǎn)矩最大示意圖 最小轉(zhuǎn)矩即為力臂為零時，其轉(zhuǎn)矩亦為零。由此可見隨著轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸所受轉(zhuǎn)矩（電動機(jī)需提供的轉(zhuǎn)矩），做周期性的變化，而電動機(jī)的輸出功率卻基本保持不變，即在一定頻率范圍內(nèi)為恒定功率。由于電動機(jī)已經(jīng)確定為額定功率3kW，根據(jù)功率匹配的原則并且根據(jù)已有變頻調(diào)速器的型號。此外根據(jù)設(shè)計要求，此檢測臺的頻率變化范圍為0~25Hz，變化范圍較小，對其變化精度要求較高。針對檢測臺的啟動要求，其啟動轉(zhuǎn)矩較大（在靜載的情況下，偏心輪受到檢測臺臺板正壓力和汽車壓力載荷以及回位彈簧的拉力作用，使偏心輪的圓心在正下方，故啟動轉(zhuǎn)矩較大）?？紤]到所選電動機(jī)的額定功率比實際所需功率大，且變頻器的容量也比電動機(jī)的額定功率大，則根據(jù)功率要求所選變頻器符合實際應(yīng)用需求。此外，該檢測臺的設(shè)計參數(shù)中提到，該檢測臺的使用環(huán)境為環(huán)境溫度范圍為0～40℃，相對濕度范圍為≤85%，根據(jù)此環(huán)境條件可選變頻器（艾默生變頻器）及相應(yīng)參數(shù)如下表 表33 變頻器技術(shù)參數(shù)列表項 目參 數(shù)ITEM 1180127 型號EV10004T0037G產(chǎn)品系列EV1000功率(KW) 傳動零件的設(shè)計計算 承重橫梁的設(shè)計及校核承重橫梁處于檢測臺臺板的下方，偏心輪的正上方，其既起到對檢測臺臺板的支承作用，又起到將偏心輪的偏心旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為檢測臺臺板周期性的上下激振運動。此外，其還通過直線軸承和回位彈簧與整個檢測臺的底座相連以保證運動是在垂直方向上的。正因為承重橫梁尺寸較大，承受載荷較小，線性速度較小，對其性能無特殊要求，因此僅僅需要選用合適的材料，使其具有較好的耐磨性和抗壓能力，然后對其外部尺寸進(jìn)行設(shè)計即可。I、承重橫梁的材料選擇由于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45鋼[16]的塑性和韌性較好，具有較高的強(qiáng)度，切削性能良好，調(diào)質(zhì)處理后具有較好的耐磨性和很好的綜合力學(xué)性能，還具有價格低廉等優(yōu)勢。因此，可以初步選定承重橫梁的材料為45鋼，其力學(xué)性能如表34所示 表34 牌號為45的碳素結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能參數(shù)牌號統(tǒng)一數(shù)字代號直徑式樣d/mmHBW45U204522535560016197 根據(jù)承重橫梁的安裝特點可知，在橫梁上與之直接接觸的是稱重傳感器，稱重傳感器將檢測臺臺板上的正壓力以面接觸的形式傳給承重橫梁，橫梁的下方便是偏心輪，偏心輪與其接觸的形式是線接觸，因此此橫梁相當(dāng)于中間部分承受來自偏心輪的縱向線性集中載荷的作用（如圖35所示為承重橫梁的受力圖）。 圖35 承重橫梁的受力分析圖 由于承重橫梁采用的材料為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其為塑性材料，且橫梁上部受到均布壓力載荷的作用，抗壓強(qiáng)度極限無法確定，因此無需對其強(qiáng)度進(jìn)行校核且可視為符合實際檢測要求。對于橫梁的下部受到的是線性壓力載荷，故僅需對其進(jìn)行硬度校核。采用布氏硬度（HBW，單位是公斤力/）的方法進(jìn)行校核。即： 式中：D：鋼球的直徑/mm，一般為10mm； d：壓痕直徑/mm； F：加載在鋼球的實驗力/N，一般為3000kg； h：壓痕深度/mm。則在進(jìn)行試驗時，鋼球的壓痕深度為： 在檢測臺中，由于承重橫梁所受載荷為750kg（遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)實驗值3000kg），偏心輪的直徑亦遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)實驗時的鋼球直徑，所以通過估算可知，該橫梁的硬度亦滿足實際使用要求，即承重橫梁的材料選擇是合理的。II、承重橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成對承重橫梁的材料的選擇，使其滿足強(qiáng)度和硬度要求后，為使其能夠滿足安裝條件，還需要對其進(jìn)行外部尺寸的設(shè)計。從其安裝位置來考慮，要求在長度和寬度上滿足一定的尺寸要求。在長度上，其下部與安裝在轉(zhuǎn)軸偏心輪兩側(cè)的直線軸承和回位彈簧直接相連，為防止直線軸承與偏心輪套筒干涉，應(yīng)使其有較大的安裝空間，其單側(cè)長度應(yīng)該略大于檢測臺臺板的寬度，初步估取為30mm，其總長度為340mm。在寬度上要為套在偏心輪上且與其同軸的滾柱軸承留有一定的軸向攢動，并保證其上為稱重傳感器留有合適的安裝尺寸，則取其寬度b為50mm。橫梁的厚度即高度方向上，在其中間部位需要加工有兩個螺紋孔用于安裝稱重傳感器，此螺紋孔應(yīng)該是盲孔，應(yīng)使其有足夠的厚度來加工螺紋孔，其厚度h初步設(shè)計為40mm。則橫梁的設(shè)計參數(shù)如表35所示。 表35 承重橫梁的設(shè)計參數(shù)長度l/mm寬度b/mm厚度（高度）h/mm3405040 轉(zhuǎn)軸的設(shè)計及校核轉(zhuǎn)軸在此檢測臺中扮演著重要的角色，其在檢測過程中既是傳力元件又是傳遞運動的元件，因其既受到電動機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩作用，又受到通過臺板、承重橫梁傳遞的正壓力作用，即其既承受轉(zhuǎn)矩又承受彎矩的作用。I、選擇軸的材料考慮到此軸在工作過程中既受到轉(zhuǎn)矩的影響又受到彎矩的影響，其產(chǎn)生應(yīng)力為循環(huán)變應(yīng)力，則其失效形式為疲勞破壞。因此在選擇軸的材料時應(yīng)使軸具有足夠的疲勞強(qiáng)度，且對應(yīng)力集中敏感性較小，同時還應(yīng)具有良好的耐磨性，耐腐蝕性和加工性能?？蛇x擇對應(yīng)力集中敏感性較低的碳鋼，45鋼經(jīng)過熱處理[17]或者是化學(xué)處理后可提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，并且價格低廉。通過查閱機(jī)械設(shè)計手冊可知其機(jī)械性能如下表34所示： 表36 45鋼性能參數(shù)項目參數(shù)材料牌號45熱處理調(diào)質(zhì)毛坯直徑/mm硬度/HBS217~255抗拉強(qiáng)度極限640屈服強(qiáng)度極限355彎曲疲勞極限275剪切疲勞極限155許用彎曲應(yīng)力60II、初估軸的最小直徑 在轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計未完成之前，是無法確定支反力的作用點，及彎矩的大小和分布情況，可以按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來初步估算轉(zhuǎn)軸最小直徑，然后用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法考慮彎矩對軸強(qiáng)度的影響。已知電動機(jī)的功率P為3kW，轉(zhuǎn)軸的最大旋轉(zhuǎn)頻率為25Hz，偏心輪的偏心距e為3mm。則根據(jù)傳動路徑得 按傳動軸計算軸的最小直徑。對于傳動軸，按轉(zhuǎn)矩計算軸的強(qiáng)度，則軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 式中：：扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa； T：軸所受的轉(zhuǎn)矩，； ：軸的抗扭截面系數(shù)，； ：軸的轉(zhuǎn)速，r/min； P：軸傳遞的功率，kW； d：軸的直徑，mm； ：許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。由上式可得到軸的直徑為 式中的可以通過查表得A=110。則初步估算的軸的最小直徑為： 由于軸的一端需要通過聯(lián)軸器與電動機(jī)聯(lián)接以傳遞轉(zhuǎn)矩和運動，故在安裝有聯(lián)軸器的一端有鍵槽，則考慮鍵槽的對軸的削弱影響，軸徑需要增大5%~7%，則轉(zhuǎn)軸的最小直徑為 III、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于軸上零件的布置和固定方式，軸承的類型及尺寸，軸的材料及毛坯的制造、加工要求，零件的裝配要求等條件對軸的設(shè)計均有不同程度上的影響，在對軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時要充分考慮這些因素的影響。綜合考慮以上因素對各軸段進(jìn)行設(shè)計，由于此軸段除安裝聯(lián)軸器的軸1外，其余部分為對稱結(jié)構(gòu)，故僅對安裝聯(lián)軸器一側(cè)進(jìn)行設(shè)計即可，其分段圖如圖36所示。 圖36 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 已知：轉(zhuǎn)軸選用有軸承NJ2207E d=35mm D=72mm B=23mm 　　　　 　　帶座外球面球軸承UCP310　　　　　　　根據(jù)零件的安裝要求以及軸的強(qiáng)度和剛度要求對各軸段的直徑設(shè)計如下表37所示 　　　　　　 　 表37 各軸段直徑設(shè)計列表　　　　軸段名稱設(shè)計依據(jù)單位設(shè)計結(jié)果軸端需要安裝聯(lián)軸器，查聯(lián)軸器的安裝標(biāo)準(zhǔn)同時根據(jù)設(shè)計的最小軸徑以及比較電動機(jī)的輸出軸直徑，確定軸段１的直徑為24mm24考慮需要安裝軸承，為方便軸承的安裝設(shè)置此過渡軸肩，同時考慮要求檢測臺臺板能夠激振，此軸段應(yīng)該也采用偏心結(jié)構(gòu)，且偏心距為3mm，為防止聯(lián)軸器的軸向攢動，確定此軸段直徑為34mm34為防止安裝的滾柱軸承的軸向攢動，需要設(shè)置彈性擋圈，根據(jù)GB/[18]的安裝要求為，故此軸段的直徑設(shè)計為32mm（此軸段依然采用偏心設(shè)計）32此軸段需安裝軸承NJ2207E，故此軸段根據(jù)軸承安裝要求，設(shè)計直徑為35mm35此軸段是為方便帶座外表面球軸承的安裝，同時防止?jié)L柱軸承的軸向攢動，故此軸段軸徑設(shè)計為48mm48此軸段需安裝帶座外球面球軸承UCP310，故此軸段根據(jù)軸承安裝要求，設(shè)計直徑為50mm50從方便加工的角度考慮，為減少加工余量，降低加工要求，設(shè)計此軸肩，其直徑為54mm54 根據(jù)零件的安裝要求，設(shè)計各軸段的長度，如下表38 表38 各軸段的長度設(shè)計列表 軸段名稱設(shè)計依據(jù)單位設(shè)計結(jié)果由于HL2型聯(lián)軸器的軸孔長度為52mm，則此軸段的長度應(yīng)略短語聯(lián)軸器軸孔的長度，故設(shè)計長度為50mm50考慮偏心輪的轉(zhuǎn)動慣量，其長度不宜太長，同時綜合考慮軸承的安裝問題，將其長度設(shè)計為10mm10根據(jù)彈性擋圈的安裝要求，根據(jù)所安裝軸承NJ2207E的安裝要求，將其長度設(shè)計為23mm23綜合考慮承重橫梁的寬度以及方便帶座外球面球軸承UCP310的安裝，將其長度設(shè)計為25mm25根據(jù)帶座外球面球軸承UCP310的安裝要求，將其長度設(shè)計為65mm65此長度是根據(jù)檢測臺臺板以及設(shè)計好的各軸段的長度計算得出的357總長支座軸承間距449IV、校核軸的強(qiáng)度　　通過對軸的各段長度和直徑的設(shè)計，為確定所設(shè)計的軸符合實際的檢測要求，還需對設(shè)計的此軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。由于被檢汽車根據(jù)汽車的不同類型其輪距是一個變量，需要對檢測臺受載位置的極限值進(jìn)行校核，即被檢汽車車輪位于檢測臺臺板的中間和兩側(cè)這兩個極限位置。（1） 、當(dāng)被檢汽車車輪位于檢測臺臺板中間時 A、按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行校核 圖37 軸的受力簡圖 安裝聯(lián)軸器處軸的轉(zhuǎn)矩： 安裝滾柱軸承處的轉(zhuǎn)矩： ，并作圖 已知軸段BE長度為：l2=其所受彎矩為 根據(jù)所計算的彎矩和轉(zhuǎn)矩分別作彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖，如圖38軸的受力計算圖所示 （如圖38軸的受力計算圖） 圖38 軸的受力計算圖 轉(zhuǎn)矩按對稱循環(huán)變化計算，取得 通過比較發(fā)現(xiàn)，危險截面在E處，即帶座外球面球軸承處，進(jìn)行校核時僅需對承受最大彎矩及轉(zhuǎn)矩的截面進(jìn)行強(qiáng)度校核，即 比較發(fā)現(xiàn)，軸的強(qiáng)度足夠。 B、按疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)校核計算 危險截面應(yīng)是彎矩和轉(zhuǎn)矩較大，截面積較小且應(yīng)力集中較嚴(yán)重處。通過圖38軸的受力計算圖分析知帶座外球面球軸承