機械系統(tǒng)由原動機、傳動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)3部分組成,其中,原動機為系統(tǒng)的運動提供動力。而執(zhí)行機構(gòu)隨機器功能的不同其運動方式和結(jié)構(gòu)形式也不同,其是實現(xiàn)具體功能的執(zhí)行器。正是由于動力機構(gòu)比較單一、簡單,而執(zhí)行機構(gòu)相對復(fù)雜多變,所以才需要用傳動機構(gòu)將動力源提供的動力進行相應(yīng)的變化,以適應(yīng)不同的執(zhí)行機構(gòu)。因此,只要有運動的地方,就一定會有傳動機構(gòu)存在。機械傳動技術(shù)作為機械制造業(yè)研究的重要領(lǐng)域之一,其發(fā)展必將極大地推進機械行業(yè)的振興。
隨著當(dāng)今科技的發(fā)展,機械傳動形式已經(jīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)的齒輪傳動等接觸式傳動,也出現(xiàn)了像電磁軸承、電磁傳動等非接觸式傳動,大大擴寬了機械傳動的研究范疇。對機械傳動技術(shù)的研究,我們一方面應(yīng)該著眼于繼續(xù)尋找新的傳動形式,但更為重要的一方面,我們應(yīng)該更加注重對現(xiàn)有傳動形式進行優(yōu)化和改進。改進的目標(biāo)有以下2個方面:首先是要提高承載能力和傳動效率,同時要盡可能降低傳動機構(gòu)的成本;其次,要使傳動機構(gòu)的適應(yīng)性更強,可以在特殊環(huán)境下完成任務(wù),比如在狹小空間中傳動,甚至是在高溫或強腐蝕環(huán)境中實現(xiàn)非接觸式的傳動。因此,本文重點介紹一種傳統(tǒng)的機械傳動方式——蝸輪蝸桿傳動的發(fā)展,以及一種新的機械傳動方式——電磁非接觸傳動的研究情況。
1、蝸輪蝸桿傳動
蝸輪蝸桿傳動是一種傳統(tǒng)的傳動方式,它的優(yōu)點在于可以實現(xiàn)很大的傳動比,而且機構(gòu)非常緊湊,傳動平穩(wěn),噪音小。但是,它也存在著致命的缺點,如:傳動效率低,壽命不長,成本較高等。近年來,渦輪傳動的研究主要著眼于渦輪材料以及渦輪蝸桿的加工工藝。
1.1 探索更好的蝸輪材料
關(guān)于蝸輪材料,國內(nèi)外做過很多研究工作。通過改善蝸輪的材料,可以減小蝸輪蝸桿接觸面間的摩擦力,降低齒面工作溫度,使齒面不容易膠合,從而提高承載能力和效率。例如國外有研究表明,使用卡普隆(一種具有高耐磨性的材料)制作的普通圓柱蝸輪,與ZQ419-4 材料制作的普通圓柱蝸輪相比,額定扭矩可提高1~2倍,傳動效率可提高5%~20%。再如在碎石送料機中使用卡普隆蝸輪,可以提高壽命2 倍之多。使用石墨、石英砂填充MC 尼龍材料制作蝸輪,具有良好的自潤滑特性,可以提高蝸輪的使用壽命,降低成本。
國內(nèi)也有很多關(guān)于蝸輪材料的研究,如河南周口石軸瓦廠研制的高耐磨鋅基合金ZnAlCuMn,性能優(yōu)于錫青銅,成本也比錫青銅低很多。
采用高性能的工程塑料制造蝸輪是現(xiàn)在的研究方向之一,一些常用的高性能工程塑料,如聚酰亞胺等,具有良好的機械性能和耐磨性能。但是它們的合成成本高,成形困難,因此使用范圍很受限制。為了獲得高性能的工程塑料,可以采用對現(xiàn)有產(chǎn)品進行填充改性的方法,把各不相同的材料進行混合,構(gòu)成復(fù)合材料,而合成的目標(biāo)就是使其具有更高的機械性能和耐摩擦及耐高溫性能。
1.2 蝸輪蝸桿加工工藝的改進
蝸輪蝸桿在傳動過程中容易磨損,要經(jīng)常更換,又因為蝸輪蝸桿有漸開線、阿基米德螺旋線等多種齒面齒形,加工方法都不相同。所以研究蝸輪蝸桿的加工,尤其是蝸桿的加工便成為了很重要的問題。近年來關(guān)于蝸輪蝸桿加工工藝的研究,集中于如何提高加工效率和加工精度這2 個方面。傳統(tǒng)的加工方法受蝸桿齒形、蝸桿中心距等因素的限制,一種機床往往只能加工有限的蝸桿種類,效率不高。西華大學(xué)數(shù)控研究所研究的一種四軸聯(lián)動的數(shù)控機床,對平面二次包絡(luò)蝸桿加工有較強的適應(yīng)性,不受蝸桿中心距的限制,可加工中心距80~500 mm、蝸桿頭數(shù)1~8 頭的相應(yīng)模數(shù)蝸桿,這為蝸桿加工工藝的研究開辟了一條新的道路。
2、非接觸傳動
非接觸傳動是通過電磁感應(yīng)原理來傳遞動力的。與傳統(tǒng)傳動方式相比,非接觸傳動不需表面接觸,無磨損,壽命長。
2.1 磁力傳動的歷史及現(xiàn)狀
磁力傳動技術(shù)早在20 世紀(jì)30 年代就已經(jīng)被人們所提出,但是因為受到永磁材料發(fā)展的制約,一直沒能取得較大的進展。近年來,隨著稀土永磁材料的發(fā)展和應(yīng)用,磁力傳動技術(shù)有了很大的發(fā)展,如采用釤鈷永磁體材料制成的磁力驅(qū)動器,在傳遞相同轉(zhuǎn)矩時,與采用鐵氧體永磁材料制成的磁力驅(qū)動器相比,質(zhì)量差距很大。釹鐵硼永磁體的磁能積已達到以上,從而可使磁力驅(qū)動器傳遞扭矩的能力提高3~4 倍,傳遞的zui大功率已達到400 kW。到目前為止,磁力傳動設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥等許多領(lǐng)域中。
磁力傳動技術(shù)在泵工業(yè)上的應(yīng)用zui為典型。目前英國的HMD無密封泵公司,Seal Loss 無密封泵公司,德國的Dicker 泵公司及Klaus、Kcacs 泵公司,美國的Dresser 泵公司都在從事磁力驅(qū)動泵的研制。這些公司生產(chǎn)的磁力驅(qū)動泵機構(gòu)相近,功率大多在2.2~7.5 kW。目前,上功率zui大的磁力驅(qū)動泵可以做到300 kW 以上,英國的HMD 公司今年研制的兩級磁力驅(qū)動泵,其功率可達350 kW。我國甘肅省科學(xué)院磁性器件研究院較早開展了磁力驅(qū)動泵的研制,試制了稀土鈷磁力驅(qū)動器和磁力驅(qū)動泵的系列產(chǎn)品,其磁力驅(qū)動泵功率可達185 kW。
2.2 磁力傳動的技術(shù)特點
2.2.1 無摩擦,無需潤滑
由于感應(yīng)傳動器件在傳遞動力的過程中無接觸,無摩擦,這就從根本上消除了摩擦磨損現(xiàn)象。沒有摩擦磨損,也就不需要接觸面的潤滑,所以磁力傳動不需要定期更換潤滑劑,減少了維護費用。
2.2.2 無振動
傳統(tǒng)的傳動形式如齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動都要求有較高的制造精度、安裝精度、接觸表面粗糙度,否則會引起強烈的振動和噪聲。而非接觸式傳動因為不存在接觸表面,因此對器件表面粗糙度、制造安裝精度等要求較低,也不會引起振動。
2.2.3 傳動效率高
磁力傳動的另一個特點在于傳動效率高。傳統(tǒng)的傳動形式,需要消耗很大的功率來克服接觸面間的摩擦阻力。而磁力傳動的主要功率損失在于導(dǎo)體對磁場的感應(yīng),這可以通過選用絕緣材料制作機體來消除。但是在實際生產(chǎn)過程中,因為考慮到機體的磁屏蔽作用,我們不可能全部使用絕緣材料。因此,合理選用機體材料,科學(xué)設(shè)計結(jié)構(gòu),以便把感應(yīng)損耗降到zui低,這樣才能達到更高的傳動效率。
2.2.4 使用壽命長
傳統(tǒng)的機械傳動壽命主要表現(xiàn)在疲勞壽命和磨損壽命,而感應(yīng)傳動無接觸,無磨損,因此使用壽命長。但是磁力傳動機械的使用壽命受永磁體磁性材料壽命的影響,永磁體在溫度過高時會發(fā)生退磁現(xiàn)象,影響壽命。目前磁性材料耐溫可達150 ℃,一般的傳動過程不需要這么高的溫度。
2.2.5 高速性能好
傳統(tǒng)機械傳動時,會因為摩擦、振動而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱,產(chǎn)生噪聲,這嚴(yán)重制約著傳動機構(gòu)的運轉(zhuǎn)速度。而非接觸傳動不存在這些問題,*的制約因素就在于軸承。隨著磁懸浮軸承等技術(shù)的采用,非接觸傳動的傳動速度將可達傳統(tǒng)傳動速度的幾十倍甚至上百倍。
2.3 磁力傳動存在的問題
縱然磁力傳動的好處很多,但其同樣存在著很多問題制約著它的發(fā)展。首先,磁場的存在會干擾周圍的環(huán)境,有可能使周圍環(huán)境中存在的儀器和設(shè)備工作不正常。其次,在啟動過程中,主動磁轉(zhuǎn)子的磁轉(zhuǎn)角與從動磁轉(zhuǎn)子的磁轉(zhuǎn)角存在著轉(zhuǎn)角差并隨時間變化而變化;在正常運轉(zhuǎn)中,負載轉(zhuǎn)矩變化時磁場力矩也同樣發(fā)生變化。這就會導(dǎo)致磁力傳動設(shè)備在啟動過程中容易產(chǎn)生滯后。對于要求傳動的設(shè)備不易使用磁力傳動。
3、結(jié)語
對于其他的機械傳動元件,如聯(lián)軸器、離合器、滾珠絲杠等,都可以從元件的材料、加工工藝等方面嘗試加以改進。而材料科學(xué)的發(fā)展,陶瓷材料、高分子聚合物、納米材料、智能材料等,因為其*的機械特性和摩擦特性,也必將對機械傳動元件的改進與發(fā)展起到巨大的推動作用。同時,隨著太空、深海等技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用于特殊條件下,如超高溫、超低溫、真空、強腐蝕等條件下的機械傳動元件的開發(fā)也為我們提出了新的課題與挑戰(zhàn)。
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