機械傳動(dòng)技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展

機械系統由原動(dòng)機、傳動(dòng)機構和執行機構3部分組成，其中，原動(dòng)機為系統的運動(dòng)提供動(dòng)力。而執行機構隨機器功能的不同其運動(dòng)方式和結構形式也不同，其是實(shí)現具體功能的執行器。正是由于動(dòng)力機構比較單一、簡(jiǎn)單，而執行機構相對復雜多變，所以才需要用傳動(dòng)機構將動(dòng)力源提供的動(dòng)力進(jìn)行相應的變化，以適應不同的執行機構。因此，只要有運動(dòng)的地方，就一定會(huì )有傳動(dòng)機構存在。機械傳動(dòng)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(jìn)機械行業(yè)的振興。
隨著(zhù)當今科技的發(fā)展，機械傳動(dòng)形式已經(jīng)不僅僅局限于傳統的齒輪傳動(dòng)等接觸式傳動(dòng)，也出現了像電磁軸承、電磁傳動(dòng)等非接觸式傳動(dòng)，大大擴寬了機械傳動(dòng)的研究范疇。對機械傳動(dòng)技術(shù)的研究，我們一方面應該著(zhù)眼于繼續尋找新的傳動(dòng)形式，但更為重要的一方面，我們應該更加注重對現有傳動(dòng)形式進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。改進(jìn)的目標有以下2個(gè)方面：首先是要提高承載能力和傳動(dòng)效率，同時(shí)要盡可能降低傳動(dòng)機構的成本；其次，要使傳動(dòng)機構的適應性更強，可以在特殊環(huán)境下完成任務(wù)，比如在狹小空間中傳動(dòng)，甚至是在高溫或強腐蝕環(huán)境中實(shí)現非接觸式的傳動(dòng)。因此，本文重點(diǎn)介紹一種傳統的機械傳動(dòng)方式——蝸輪蝸桿傳動(dòng)的發(fā)展，以及一種新的機械傳動(dòng)方式——電磁非接觸傳動(dòng)的研究情況。
1、蝸輪蝸桿傳動(dòng)
蝸輪蝸桿傳動(dòng)是一種傳統的傳動(dòng)方式，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現很大的傳動(dòng)比，而且機構非常緊湊，傳動(dòng)平穩，噪音小。但是，它也存在著(zhù)致命的缺點(diǎn)，如：傳動(dòng)效率低，壽命不長(cháng)，成本較高等。近年來(lái)，渦輪傳動(dòng)的研究主要著(zhù)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，國內外做過(guò)很多研究工作。通過(guò)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?。ㄒ环N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(dòng)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。
國內也有很多關(guān)于蝸輪材料的研究，如河南周口石軸瓦廠(chǎng)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，可以采用對現有產(chǎn)品進(jìn)行填充改性的方法，把各不相同的材料進(jìn)行混合，構成復合材料，而合成的目標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(jìn)
蝸輪蝸桿在傳動(dòng)過(guò)程中容易磨損，要經(jīng)常更換，又因為蝸輪蝸桿有漸開(kāi)線(xiàn)、阿基米德螺旋線(xiàn)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(wèn)題。近年來(lái)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(gè)方面。傳統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(lèi)，效率不高。西華大學(xué)數控研究所研究的一種四軸聯(lián)動(dòng)的數控機床，對平面二次包絡(luò )蝸桿加工有較強的適應性，不受蝸桿中心距的限制，可加工中心距80～500 mm、蝸桿頭數1～8 頭的相應模數蝸桿，這為蝸桿加工工藝的研究開(kāi)辟了一條新的道路。
2、非接觸傳動(dòng)
非接觸傳動(dòng)是通過(guò)電磁感應原理來(lái)傳遞動(dòng)力的。與傳統傳動(dòng)方式相比，非接觸傳動(dòng)不需表面接觸，無(wú)磨損，壽命長(cháng)。
2.1 磁力傳動(dòng)的歷史及現狀
磁力傳動(dòng)技術(shù)早在20 世紀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(méi)能取得較大的進(jìn)展。近年來(lái)，隨著(zhù)稀土永磁材料的發(fā)展和應用，磁力傳動(dòng)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動(dòng)器，在傳遞相同轉矩時(shí)，與采用鐵氧體永磁材料制成的磁力驅動(dòng)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，從而可使磁力驅動(dòng)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(dòng)設備已經(jīng)廣泛應用于石油、化工、制藥等許多領(lǐng)域中。
磁力傳動(dòng)技術(shù)在泵工業(yè)上的應用zui為典型。目前英國的HMD無(wú)密封泵公司，Seal Loss 無(wú)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動(dòng)泵的研制。這些公司生產(chǎn)的磁力驅動(dòng)泵機構相近，功率大多在2.2～7.5 kW。目前，上功率zui大的磁力驅動(dòng)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動(dòng)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(kāi)展了磁力驅動(dòng)泵的研制，試制了稀土鈷磁力驅動(dòng)器和磁力驅動(dòng)泵的系列產(chǎn)品，其磁力驅動(dòng)泵功率可達185 kW。
2.2 磁力傳動(dòng)的技術(shù)特點(diǎn)
2.2.1 無(wú)摩擦，無(wú)需潤滑
由于感應傳動(dòng)器件在傳遞動(dòng)力的過(guò)程中無(wú)接觸，無(wú)摩擦，這就從根本上消除了摩擦磨損現象。沒(méi)有摩擦磨損，也就不需要接觸面的潤滑，所以磁力傳動(dòng)不需要定期更換潤滑劑，減少了維護費用。
2.2.2 無(wú)振動(dòng)
傳統的傳動(dòng)形式如齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)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(huì )引起強烈的振動(dòng)和噪聲。而非接觸式傳動(dòng)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(huì )引起振動(dòng)。
2.2.3 傳動(dòng)效率高
磁力傳動(dòng)的另一個(gè)特點(diǎn)在于傳動(dòng)效率高。傳統的傳動(dòng)形式，需要消耗很大的功率來(lái)克服接觸面間的摩擦阻力。而磁力傳動(dòng)的主要功率損失在于導體對磁場(chǎng)的感應，這可以通過(guò)選用絕緣材料制作機體來(lái)消除。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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)設計結構，以便把感應損耗降到zui低，這樣才能達到更高的傳動(dòng)效率。
2.2.4 使用壽命長(cháng)
傳統的機械傳動(dòng)壽命主要表現在疲勞壽命和磨損壽命，而感應傳動(dòng)無(wú)接觸，無(wú)磨損，因此使用壽命長(cháng)。但是磁力傳動(dòng)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(guò)高時(shí)會(huì )發(fā)生退磁現象，影響壽命。目前磁性材料耐溫可達150 ℃，一般的傳動(dòng)過(guò)程不需要這么高的溫度。
2.2.5 高速性能好
傳統機械傳動(dòng)時(shí)，會(huì )因為摩擦、振動(dòng)而導致系統發(fā)熱，產(chǎn)生噪聲，這嚴重制約著(zhù)傳動(dòng)機構的運轉速度。而非接觸傳動(dòng)不存在這些問(wèn)題，*的制約因素就在于軸承。隨著(zhù)磁懸浮軸承等技術(shù)的采用，非接觸傳動(dòng)的傳動(dòng)速度將可達傳統傳動(dòng)速度的幾十倍甚至上百倍。
2.3 磁力傳動(dòng)存在的問(wèn)題
縱然磁力傳動(dòng)的好處很多，但其同樣存在著(zhù)很多問(wèn)題制約著(zhù)它的發(fā)展。首先，磁場(chǎng)的存在會(huì )干擾周?chē)沫h(huán)境，有可能使周?chē)h(huán)境中存在的儀器和設備工作不正常。其次，在啟動(dòng)過(guò)程中，主動(dòng)磁轉子的磁轉角與從動(dòng)磁轉子的磁轉角存在著(zhù)轉角差并隨時(shí)間變化而變化；在正常運轉中，負載轉矩變化時(shí)磁場(chǎng)力矩也同樣發(fā)生變化。這就會(huì )導致磁力傳動(dòng)設備在啟動(dòng)過(guò)程中容易產(chǎn)生滯后。對于要求傳動(dòng)的設備不易使用磁力傳動(dòng)。
3、結語(yǔ)
對于其他的機械傳動(dòng)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(jìn)。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(dòng)元件的改進(jìn)與發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。同時(shí)，隨著(zhù)太空、深海等技術(shù)的發(fā)展，應用于特殊條件下，如超高溫、超低溫、真空、強腐蝕等條件下的機械傳動(dòng)元件的開(kāi)發(fā)也為我們提出了新的課題與挑戰。