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附錄：英文文獻(xiàn)及譯文
原文：
譯文：
電容換向器
S. A. SCHERBATSKOY, THOMAS H. GILMARTIN, AND GILBERT SWIFT
地球物理學(xué)報(bào)。 5，272（1940）。
?美國(guó)專利23492251944年5月16日; 2361389十月
從1938年的夏天開始，作者從事開發(fā)電離輻射的一個(gè)高度敏感的檢測(cè)器，被應(yīng)用到油井測(cè)試，測(cè)量的是天然地層的放射性強(qiáng)度。
一 耐用性和響應(yīng)速度
普通類型機(jī)械靜電計(jì)和電流計(jì)可以實(shí)現(xiàn)最大理論靈敏度，但在振動(dòng)的存在可以便攜使用，比電子管的靜電都更勝一籌的電子管靜電計(jì)的靈敏度限制主要是由波動(dòng)來(lái)確定在輸入管中，其中的“漂移”是一個(gè)特殊的噪聲固有情況下。作為將被測(cè)量的電信號(hào)的頻譜成分包括低級(jí)和較低的頻率，真空管內(nèi)的波動(dòng)噪聲變得更加嚴(yán)重者。因此，在電子管靜電系統(tǒng)中，是在有限的響應(yīng)于頻率的非常窄的頻帶中的總波動(dòng)噪聲會(huì)為迅速提高而中心頻率降低。使用給定阻力的來(lái)源的同時(shí)，將有一個(gè)頻率低于該管的等效噪聲電阻將超過(guò)的電阻源。在此條件下將管貢獻(xiàn)比源具有更多噪聲，并且靈敏度的理論極限將不會(huì)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于“快速”測(cè)量，涉及相對(duì)高的頻率下，普通靜電計(jì)可認(rèn)為基本上是無(wú)噪音，但在長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量，涉及極低頻率下的真空管天生就是比較吵。
如果有可能轉(zhuǎn)移到表示信號(hào)的頻帶（在該情況下，當(dāng)這個(gè)聲音包括非常低的頻率）到較高的頻率區(qū)域中的波動(dòng)圖。顯示應(yīng)用程序的負(fù)反饋，以穩(wěn)定調(diào)制器型靜電計(jì)系統(tǒng)其性能。電子管的噪音測(cè)量的信號(hào)中包含非常低的頻率。圖1是這樣的布置 ，應(yīng)該指出的是，在閱讀的檢流計(jì)G將先包括三名效果：所施加的電壓（1）的大小， （2）噪聲的系統(tǒng)中，這兩個(gè)固有的聲源在與那些由所引入的測(cè)量系統(tǒng)，該放大器（3）的增益。噪聲上面已很小，那么用它將有可能設(shè)計(jì)出一種基本上無(wú)噪聲的靜電，即使當(dāng)頻帶代表將被經(jīng)討論過(guò)，但改變放大器的增益構(gòu)成還有效的噪聲。但是，可以通過(guò)使用反饋電路F來(lái)克服，如圖所示。改變放大的效果可以通過(guò)增加無(wú)限期地降低了量的反饋。一個(gè)數(shù)字調(diào)制器進(jìn)行了研究，特別是那些可變?nèi)萘康男停ㄒ韵潞?jiǎn)稱為電容換向器）和可變電阻型（接觸器） 。在一般情況下，人們發(fā)現(xiàn)，在接觸型更適用于相對(duì)低電壓源的電路阻抗（小于約歐姆）和電容式換向器更適用于高源電路阻抗。對(duì)于電離電流測(cè)量，電容性換向是優(yōu)選的。已發(fā)現(xiàn)不太理想的可變電感式調(diào)制器，主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)屏蔽實(shí)施限制噪音回升。
圖1
二 更新的基本電路
A、電容換向器
圖2表示的靜電電路基本組成部分。本質(zhì)上，它是一個(gè)直流之間的耦合源裝置，或一個(gè)緩慢變化的和一個(gè)交流放大器。要靜電成功運(yùn)行，耦合電路必須執(zhí)行四個(gè)功能：
1 ，在任何時(shí)候生成一個(gè)交流耦合 。這是通過(guò)以恒定的頻率完成振電容器C （t）振動(dòng)。
2，從源振動(dòng)冷凝器隔離直流的無(wú)功分量。這是由電阻R2與RI 進(jìn)行完成的，比較這 RI可能是作為小源，這是在與外部的電阻電容并行情況下完成的。C （ T）是所述源的電抗，并且平行在C（ t）的幅度增量變化將會(huì)被削弱。
3，提供由RI和R決定的時(shí)間常數(shù)，即與比較期間C （t）振動(dòng)的平均值。這是運(yùn)行的必需因素，以使在振動(dòng)冷凝器基本上充電期間保持振動(dòng)的常數(shù)。
4，隔離R3耦合電路從交流加載的直流源。這是通過(guò)冷凝器Ct進(jìn)行。在交流的第一階段的網(wǎng)格電阻 R 3放大，因?yàn)樗挥糜谄胀ǖ恼婵展軜?，必須防止任何電網(wǎng)電流通過(guò)電阻R1 ，為此CI是非常重要的電路操作。這是必要的C和其安裝的漏電阻在電路中保持比其他電阻高。此耦合電路的基本元件是振動(dòng)冷凝器。它可以表明這個(gè)設(shè)備不僅提供反相直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成一交流信號(hào)的方法，而且同時(shí)還提供了一種擴(kuò)增的手段。該振動(dòng)冷凝器如圖3所示 ，是由一個(gè)固定的剛性板和蘆葦形成驅(qū)動(dòng)諧波在磁驅(qū)動(dòng)電路中形成一個(gè)固定的頻率。振動(dòng)片的能量慢慢在耗散，其作為增加該系統(tǒng)的電能再現(xiàn)。振動(dòng)電極正弦運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)電容由下式給出：C;=KA/(d+m+m sin wt),其中K是介電常數(shù)，A是面積，在電極中，d是電極之間的最小距離，而m是振幅
運(yùn)動(dòng)。當(dāng)R1足夠大時(shí)，在運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期中電極上的電荷沒(méi)有明顯變化。電極間的瞬時(shí)電壓為由下式給出：
其中Q是電極上的恒定的電荷， 因此，電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)（rms輸出電壓/直流輸入電壓）= O.707米/（D+ M）。 這種轉(zhuǎn)換系數(shù)接近0.707,與帶的最小間距相比，其運(yùn)動(dòng)變大。進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，然而是比通常大得多；當(dāng)輸出電壓通常與輸入極低的進(jìn)行比較，阻抗直流由于電容換向器生產(chǎn)。
B、通過(guò)負(fù)反饋幅值穩(wěn)定
由于電容換向器生產(chǎn)交流輸出信號(hào)的幅度是外加直流的函數(shù)電動(dòng)勢(shì)，它的頻率是換向器運(yùn)動(dòng)的相位，其中，反轉(zhuǎn)與輸入信號(hào)的極性，是未能放大的輸出信號(hào)，并將其應(yīng)用到同步整流，以獲得直流電流放大，其幅度和極性的是由輸入直流電動(dòng)勢(shì)在實(shí)踐中確定，同步整流器用于此的目的是方便雙平衡環(huán)調(diào)制器。采用同步整流的作用，并不只保存輸出和輸入之間的極性關(guān)系，而且最大限度地減少了微音及其他電路干擾的影響，因?yàn)橹绷麟娏鲀H產(chǎn)生同相分量的那些信號(hào)，這是是同步的整流作用；其中反過(guò)來(lái)，驅(qū)動(dòng)將同步于電容換向器運(yùn)動(dòng)。圖4顯示出這樣的安排。由于相當(dāng)大的輸出電流是在沒(méi)有明顯的電流消耗在靜電計(jì)的輸入端子得到的靈敏度最好的表達(dá)為跨導(dǎo)電導(dǎo)。在實(shí)踐中，10毫伏的跨導(dǎo)，是很容易實(shí)現(xiàn)的。 可以看出， 這又是振幅的函數(shù)運(yùn)動(dòng)，這種跨導(dǎo)是取決于換向器放大，并且體現(xiàn)所述放大器的穩(wěn)定性。 通過(guò)使用過(guò)所有的負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大的穩(wěn)定性改善，通過(guò)連接“低”換向器得到一個(gè)小電阻電極，通過(guò)該流從同步濾波輸出電流，即整流器。在此條件下，如圖5，系統(tǒng)的性能是大大改變。輸出電流變?yōu)榛旧溪?dú)立的、擴(kuò)增的電容換向器的真空和管電路，輸出相對(duì)于輸入線性增強(qiáng)，并且響應(yīng)于快速，輸入的變化得到了改善?？鐚?dǎo)有反饋，由下式給出：
其中R2是反饋電阻。因此，一個(gè)反饋電阻R 2 = 9.9歐姆，和原始跨導(dǎo)電阻10姆歐，有效跨GF = 10/99號(hào)+1 = 0.1姆歐。在這些變化中有10 ％的變化改變輸出電流。該反饋連接的另一個(gè)作用是減少有效輸入電容?？赏ㄟ^(guò)考慮理解的是，R2兩端電壓很大一部分是輸入信號(hào)E1 ;在該情況下， 99％以上是由于該電壓被施加到一個(gè)整流子電極，而El被施加到另外部分，這兩者之間的有效電容電極是在其原始值降低到1％的這種情況下產(chǎn)生?？傒斎腚娙菔怯捎陔s散電容急劇降低，并且其電容換向器與放大器保持不變。在應(yīng)用中，電容換向器的放大器被用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)圖形，過(guò)度均為陰性為另一種形式反饋， “伺服反饋”，這使我們生活變得方便，商業(yè)的伺服機(jī)制像平衡錄像機(jī)中“ Micro max ”（由利茲和諾思拉普生產(chǎn)公司，費(fèi)城，賓夕法尼亞州）。在這種同步整流器的輸出偏轉(zhuǎn)布置中靈敏電流計(jì)位于記錄部分。
機(jī)械周期性伺服機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)滑線和移動(dòng)錄音筆成比例的檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)量，在連接滑線電阻的手臂到電容換向器的一個(gè)電極系統(tǒng)時(shí)其自動(dòng)尋求滑線，這使得兩個(gè)換向器位置電極等電位，從而得到如下變化的輸入電動(dòng)勢(shì)。靈敏度或比例因子是由電壓?jiǎn)为?dú)確定整個(gè)滑線的應(yīng)用。在實(shí)踐中，刻度偏轉(zhuǎn)幾毫伏很容易被實(shí)現(xiàn)。放大的輸出電流可同時(shí)獲得，如果需要，通過(guò)將該滑線之間的電壓分壓網(wǎng)絡(luò)和整流子電極跨導(dǎo)，在這種情況下，其值等于1 / Ra?？杀皇褂糜诟咚俣鹊挠涗涬娝欧C(jī)構(gòu)。圖6顯示了電容與換向器的兩相伺服馬達(dá)。在這種情況下，交流產(chǎn)量從換向器信號(hào)直接施加（后擴(kuò)增）到一個(gè)繞組的電機(jī)，而另一個(gè)繞組通電以同步于換向器的速度運(yùn)動(dòng)。其差別是換向器的電極之間的電勢(shì)產(chǎn)生的電機(jī)和滑線的旋轉(zhuǎn)反過(guò)來(lái)還原電極等電位條件。為簡(jiǎn)潔起見，抗抖動(dòng)電路的討論中被省略，因?yàn)槭惺劭啼洐C(jī)和伺服機(jī)構(gòu)在這方面已做得很不錯(cuò)。
圖4 庫(kù)容換向器靜電系統(tǒng)
圖5 庫(kù)容換向器通過(guò)靜電穩(wěn)定負(fù)反饋
圖6 采用電容換向器靜電與伺服反饋記錄系統(tǒng)
圖7 完成電容換向器靜電中所用的放射性測(cè)井試G-ING-。
圖8. 響應(yīng)的電容換向器靜電系，
圖中所示， 在突然施加具有0.001伏信號(hào) 100,000兆歐電阻內(nèi)部源，增加的噪音相比于圖9是由在熱攪動(dòng) 100,000兆歐電阻產(chǎn)生生。伺服反饋提供了一個(gè)系統(tǒng)，其中的靈敏度幾乎是完全獨(dú)立的。變化換向器或放大器的增益，伺服機(jī)構(gòu)連續(xù)地保持輸入無(wú)效。然而，變異卻影響獲得再平衡的速度。因此，在這種情況下，響應(yīng)是快速變化的信號(hào)，有必要采取預(yù)防過(guò)度波動(dòng)的措施是很重要的。
三 靜電表現(xiàn)
如前面指出的那樣，電容換向器靜電是特別適合的檢測(cè)小低頻和直流電路中電壓極高的阻抗。當(dāng)這樣使用時(shí)，電容換向器能夠密切接近由所施加的限制熱擾動(dòng)引起的靈敏度。圖7模型的性能顯示突然施加一個(gè)內(nèi)阻為100000兆毫伏信號(hào)的振幅的反應(yīng)速度，在這種情況下，由下式確定源電阻歐姆，并且將50微伏輸入換向器，得到了以5秒為時(shí)間常數(shù)的電容。從這可以看出，其相對(duì)峰值噪聲大約是十分之一的信號(hào)，大約為100毫伏。50微伏量級(jí)的峰值波動(dòng)引起在具有這個(gè)電阻和時(shí)間常數(shù)的電路的熱攪動(dòng)，通過(guò)理論被預(yù)測(cè)。 因此，所觀察到的數(shù)量級(jí)波動(dòng)噪聲大概10分貝，與預(yù)測(cè)的熱擾動(dòng)的平衡。圖3的數(shù)據(jù)表示用于測(cè)內(nèi)部電阻為1000兆歐1毫伏信號(hào)性能，顯示降低噪聲水平，這即使本圖中的噪聲。 實(shí)際上引起熱攪拌或存在其他輸入電路影響，而不是換向器本身固有的。在這種情況下，反應(yīng)速度在很大程度上是由伺服反饋能力來(lái)確定使用。
在這兩種情況中顯示出的電流為是源頭，因?yàn)樾〉娇梢院雎栽撾娙輷Q向器的輸入電導(dǎo)完全是由它的石英或陶瓷絕緣及其間的介電電容上得出的。當(dāng)在40％的氣氛中操作或更低的相對(duì)濕度輸入電阻高于千萬(wàn)兆歐。在相比之下， vacuum tube靜電計(jì)的輸入電導(dǎo)是由幾個(gè)確定因素，包括電網(wǎng)排放和正離子，除了絕緣。
圖9 電容換向器的響應(yīng)
電子系統(tǒng)如圖所示，在突然施加具有1000兆歐內(nèi)阻0001伏的源信號(hào)。該電容換向器因此適應(yīng)在一個(gè)高阻抗電路中測(cè)量極其微小的電流。，當(dāng)與穩(wěn)定的100000兆歐電阻分流，該電容換向器成為電流檢測(cè)器，其表現(xiàn)為方波10 - 14安培振幅，其效果示于圖8 。當(dāng)用1000兆歐的電阻器并聯(lián)，其性能如圖9所示，電流波是10-12安培。在前者情況下10 - 15安培容易被覺(jué)察，更小的電流可被檢測(cè)并通過(guò)使用靜止測(cè)量高值電阻，但不能與100,000兆歐得到快速響應(yīng)。靈敏度與工作時(shí)的極限低電阻分流或低阻抗源是由噪音起源于確定放大器和反饋電路，其漂移由接觸引起的、很小的的緩慢變化的電極之間的整流子電勢(shì)。當(dāng)在干燥氣氛中操作漂移是每小時(shí)超過(guò)0.1毫伏。這種靜電漂移主要是由電容器表面上的振動(dòng)條件決定。早期的實(shí)驗(yàn)表明剛的鋼材表面要比鎂的表面差，貴金屬在進(jìn)一步的改進(jìn)穩(wěn)定性，但膠態(tài)石墨涂層（膠體石墨）已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)是最好的。
圖10 電容換向器耦合響應(yīng)測(cè)試 該曲線由實(shí)驗(yàn)記錄，如圖所示，采用耦合電阻，在一系列的歐姆電離室用混合 γ-射線鐳輻射，通過(guò)過(guò)濾導(dǎo)致等價(jià)的強(qiáng)度，使得所述腔室內(nèi)部的平均強(qiáng)度大約是10 - 6 ?每小時(shí)。
四 電離室表現(xiàn)
一個(gè)換向器電容的響應(yīng)放大器耦合到電離室不是瞬間的。該電容的性質(zhì)使用放置一個(gè)溢價(jià)高值電阻換向器的緩慢反應(yīng)，而這些是可以容忍的。使用電容換向器評(píng)估放射線檢測(cè)器的性能，然而，電離室本身的響應(yīng)不立竿見影。對(duì)于低壓力和高采集字段，所述電離室的響應(yīng)快，但在實(shí)踐中，如果對(duì)檢測(cè)的輻射有非常高效率的需要，該反應(yīng)可能是緩慢的，并且可能影響所有電容換向器系統(tǒng)的響應(yīng)。
較低的電阻值僅僅會(huì)引起不產(chǎn)生反應(yīng)速度相應(yīng)增加，要減少在電容換向器輸入電壓輻射的變化。對(duì)于其中的延遲，引入由該電容換向器放大器殼體發(fā)出的性能，其相應(yīng)于方波輻射是指數(shù)的，如圖所示 10 。其中指數(shù)較大，時(shí)間規(guī)模是相當(dāng)簡(jiǎn)明，高峰和低谷都比較能代表方波輻射強(qiáng)度的高低變化性質(zhì)。在圖10和11中所示的波的結(jié)果是量子輻射隨機(jī)變化的吸收的電離室。宇宙射線，和本地存在 γ-射線，以及低強(qiáng)度被測(cè)量，是小的原因。振幅差在這些的最大值和最小值 波動(dòng)波浪統(tǒng)計(jì)（參見圖11）。
圖11 電容耦合換向器電離室快速響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)本記錄中的原理是一樣的，即用于產(chǎn)生圖2的記錄，不同之處在于串聯(lián)電阻與電離室減少到歐姆。
圖12 用于記錄和放射性測(cè)試控制設(shè)備
湘 潭 大 學(xué)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
論文（設(shè)計(jì)）題目： 換向器性能測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： XXXXX 姓名： XXXXX 專業(yè)： XXXXX
指導(dǎo)教師： XXXXX 系主任： XXXXX
一、主要內(nèi)容及基本要求
研究?jī)?nèi)容：設(shè)計(jì)換向器性能測(cè)試臺(tái)，要求能自動(dòng)完成換向器絕緣耐壓性能測(cè)試和超速實(shí)驗(yàn)。具體內(nèi)容如下：
1．換向器性能測(cè)試臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)
2．動(dòng)力元件的選擇
3．傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
4．傳感器的選擇
5．其他零部件的設(shè)計(jì)
基本要求：
1．技術(shù)指標(biāo)要求符合設(shè)計(jì)要求 。
2．繪制測(cè)試臺(tái)總裝配圖和主要零件圖。要求圖紙不少于2.5張A0圖紙。
3．翻譯一篇不少于3000字的外文文獻(xiàn)。
4．撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書，要求不少于1萬(wàn)字。
二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題
1．換向器性能測(cè)試臺(tái)的總體設(shè)計(jì)中測(cè)試方案的選擇?！ ?
2．關(guān)鍵零部件的計(jì)算與設(shè)計(jì)。
3．技術(shù)指標(biāo)：換向器槽數(shù)33片 額定轉(zhuǎn)速：3000rpm
電壓：0-30V 外形尺寸：140*φ100*φ60(厚度*外徑*內(nèi)徑)
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
查閱文獻(xiàn)，收集資料
第1周
2
確定總體方案
第2~3周
3
開題報(bào)告
第4周
4
主要零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
第5~8周
5
中期檢查
第9周
6
完成所有零部件的設(shè)計(jì)
第10~12周
7
撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
第13~14周
8
準(zhǔn)備答辯
第15周
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
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湘 潭 大 學(xué)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) XXXXX 姓名 XXXXX 專業(yè) XXXXX
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 換向器性能測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
能力
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
綜
合
評(píng)
價(jià)
評(píng)閱人：
年 月 日
湘潭大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書
題 目：換向器性能測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)： XXXXX
姓 名： XXXXX
指導(dǎo)教師： XXXXX
完成日期： 2014-5-4
目錄
第一章、 緒論…………………………………………………………10
第二章、 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算…………………………………13
1、軸的設(shè)計(jì) ………………………………………………………13
2、聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) …………………………………………………14
3、軸端擋圈與銷孔設(shè)計(jì) …………………………………………16
4、軸支撐架的設(shè)計(jì) …………………………………………… 16
5、測(cè)試儀探頭固定架的設(shè)計(jì)……………………………………… 17
6、頂尖設(shè)計(jì)…………………………………………………… 18
7、軌道設(shè)計(jì) …………………………………………………… 20
第三章、 其他零部件的選取…………………………………………20
1、電機(jī)的選取………………………………………………………20
2、耐壓測(cè)試儀的選取 …………………………………………… 17
3、直流調(diào)速器的選取 …………………………………………… 25
4、軸承的選取…………………………………………………… 26
5、螺栓的選取…………………………………………………… 27
第四章、 校核…………………………………………………………27
1、軸的校核 ………………………………………………………28
2、鍵的校核 ………………………………………………………31
3、螺栓的校核…………………………………………………… 32
總結(jié)…………………………………………………………………… 33
致謝…………………………………………………………………… 35
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………… 37
附錄…………………………………………………………………… 30
1、譯文原文……………………………………………………… 38
2、譯文…………………………………………………………… 52
換向器性能測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)
摘要 換向器性能測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了換向器超速與耐壓實(shí)驗(yàn)等多功能平臺(tái)設(shè)計(jì)。換向器是組成電機(jī)必不可少的部件，也是電機(jī)能持續(xù)運(yùn)行的保證。如果沒(méi)有換向器，電機(jī)只能轉(zhuǎn)不到半圈就卡死了。換向器在現(xiàn)代電機(jī)中扮演著舉足輕重的角色，所以換向器的性能測(cè)試是人類科學(xué)發(fā)展的重要內(nèi)容。工作平臺(tái)外型美觀，節(jié)省材料?？梢韵劝惭b換向器器，手動(dòng)頂尖固定轉(zhuǎn)軸，打開電源轉(zhuǎn)軸即轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)換向器超速實(shí)驗(yàn)；當(dāng)選擇表筆固定支撐移向換向器，打開耐壓測(cè)試儀，便可取得不同電壓，實(shí)現(xiàn)其耐壓實(shí)驗(yàn)，在耐壓測(cè)試儀上讀出其數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞 換向器 超速 耐壓測(cè)試 軌道 頂尖
Commutator test bench design
Summary：Commutator test bench designed to achieve a commutator speeding and other multi-platform design pressure experiments. Commutator motor is composed of essential components, but also to ensure continuity of operation of the motor. If there is no commutator, the motor can only turn less than a half circle on the card died. Commutator plays an important role in modern motor, so the commutator performance testing is an important part of human science. Working platform appearance, material savings. You can install the commutator, manual top fixed shaft, turn the power shaft that is rotating commutator speeding experiment can be realized; When choosing a fixed support toward the commutator pen, turn pressure tester, you can get a different voltage, achieve its pressure experiments, which reads the data on the pressure tester.
第1章 緒論
1.1研究背景
社會(huì)發(fā)展迅速，科技日新月異。
人類文明經(jīng)過(guò)蠻長(zhǎng)發(fā)展，科技在歷史進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用。不置可否，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。十八、十九、二十世界以來(lái)，科學(xué)更是以全新面目展現(xiàn)在世界面前，因?yàn)榭茖W(xué)，這個(gè)世界瞬息變遷。馬克思在其名著《資本論》中高度強(qiáng)調(diào)了發(fā)展科學(xué)的重要性。現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)、國(guó)防及民用生活用品無(wú)不需要科學(xué)研究作為先驅(qū)，我們活在一個(gè)充滿著活力的世界，我們也一刻不能離開科學(xué)產(chǎn)品。無(wú)論是今天人們津津樂(lè)道的iphone，還是美國(guó)投在長(zhǎng)崎、廣島的原子彈，盡管有著不同用途與巨大差別，其實(shí)都屬于科學(xué)研究，都來(lái)源于科學(xué)先驅(qū)的貢獻(xiàn)。我們?cè)谙硎苓@個(gè)文明時(shí)代到來(lái)的同時(shí)，也要心懷感恩，感謝那些孜孜不倦、貢獻(xiàn)社會(huì)的先驅(qū)者。
受封建社會(huì)的影響，中國(guó)的現(xiàn)代科技時(shí)代貌似來(lái)得晚了些。中國(guó)從改革開放后，就積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)與資金，迅速發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)。不論西部大開發(fā)，還是深圳從一個(gè)小漁村變成現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)聚焦的貿(mào)易大都市，科技力量在其中都扮演者重要角色。
當(dāng)我們走出去，車水馬龍，人來(lái)人往。交通工具是人們史無(wú)前例地提高了辦事速度和效率，我們不再像以往一樣寸步難行。然而各種設(shè)備中很多都用到了電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)包括發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，其原理剛好互補(bǔ)。各類水電站中用到的都是發(fā)電機(jī)，其利用水的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使之切割磁感線，達(dá)到勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的目的。電機(jī)也分為很多種類，按交直流形勢(shì)有交流電機(jī)和直流電機(jī)，按相角有三相電機(jī)、兩相或單相電機(jī)等等分類。
直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。工作時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用為產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。換向器是組成電機(jī)必不可少的部件，也是電機(jī)能持續(xù)運(yùn)行的保證。如果沒(méi)有換向器，電機(jī)轉(zhuǎn)不到半圈就卡死了。換向器在現(xiàn)代電機(jī)中扮演著舉足輕重的角色，所以換向器的性能測(cè)試是人類科學(xué)發(fā)展的重要內(nèi)容。
從十九世界以來(lái)，電機(jī)及其部件換向器一直在人類文明進(jìn)程中發(fā)揮重大作用。隨著工業(yè)化進(jìn)程與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)與工業(yè)的高發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用已深入到交通運(yùn)輸、工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)、辦公自動(dòng)化、醫(yī)療器械、國(guó)防現(xiàn)代化等領(lǐng)域之中，而換向器性能的鑒定與實(shí)驗(yàn)越來(lái)越成為換向器繼續(xù)發(fā)展的突破性因素。特別是自20世界以來(lái)，隨著設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法的改善，原材料性能和制造工藝水平的提高，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)等高科技領(lǐng)域發(fā)展相結(jié)合，換向器研究與換向器實(shí)驗(yàn)得到了更快更長(zhǎng)足的發(fā)展，不斷滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)中個(gè)行業(yè)每日劇增的多樣化的需求。
1.2課題意義
在使用過(guò)程中，原本生產(chǎn)的換向器不一定具備完好功能滿足于我們的需求，因此我們需要對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。通常我們選擇測(cè)試耐壓性能和做超速實(shí)驗(yàn)，而換向器的性能實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)就成了必不可少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其檢測(cè)實(shí)驗(yàn)必不可少，也為換向器發(fā)展、電機(jī)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。
現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是信息的傳輸、采集和處理，即稱為通信技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于換向器測(cè)試的技術(shù)一般都會(huì)用到這幾種技術(shù)，有的公司為了檢測(cè)換向器性能，自制簡(jiǎn)單粗糙換向器檢測(cè)機(jī)器，因此換向器性能檢測(cè)工作臺(tái)是一項(xiàng)有開發(fā)空間的項(xiàng)目，值得更多經(jīng)濟(jì)資金的投入。
國(guó)外很多公司在電子測(cè)量?jī)x方面已經(jīng)做到高可靠性、高精度、高分辨率的程度。例如如日本IMADA公司與德國(guó)的MAHR公司和EPK公司等等。這些發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域研究水平已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越于中國(guó)，其芯片技術(shù)、傳感技術(shù)均有很先進(jìn)的發(fā)展。
1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容
本次換向器性能測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)主要完成換向器的超速實(shí)驗(yàn)和耐壓性能實(shí)驗(yàn)的原理及機(jī)械部分。了解動(dòng)力原件及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，選擇傳感器及一些簡(jiǎn)單機(jī)械機(jī)構(gòu)。
目標(biāo)設(shè)計(jì)能自動(dòng)完成換向器絕緣耐壓性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)和超速實(shí)驗(yàn)。
換向器原理是：當(dāng)線圈通過(guò)電流之后，其就會(huì)在永久磁鐵作用下，通過(guò)排斥和吸引力轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)它轉(zhuǎn)到與磁鐵平衡時(shí)，以前通著電的線對(duì)著換向器上的觸片就和電刷分離開，然而電刷接到符合產(chǎn)生推動(dòng)力的線圈對(duì)應(yīng)的觸片之上，經(jīng)過(guò)不停的重復(fù)，直流電動(dòng)機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)起來(lái)。
絕緣耐壓測(cè)試的基本原理：把一些高于正常工作的電壓加到被測(cè)設(shè)備的絕緣體上，經(jīng)過(guò)持續(xù)一段規(guī)定的時(shí)間，如果它的絕緣性良好，上面的電壓就只產(chǎn)生很小的漏電流。當(dāng)一個(gè)被測(cè)設(shè)備絕緣體于規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，如果其漏電電流能保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)，這個(gè)被測(cè)設(shè)備能在正常的運(yùn)行條件下安全運(yùn)行就可以確定。
超速實(shí)驗(yàn)原理：檢驗(yàn)電動(dòng)設(shè)備在電動(dòng)機(jī)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速一定范圍時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。通常情況，超速試驗(yàn)是從小的轉(zhuǎn)速1500rpm作為開始，15~20秒之內(nèi)以額定加速度加速到2000rpm，維持2分鐘；之后從2000rpm開始，以1000rpm為單位均勻加速，在3000/min,4000r/min,5000r/min時(shí)分別穩(wěn)定1分鐘；超過(guò)5000rpm時(shí)，再以500rpm作為單位，于20~25內(nèi)進(jìn)行加速，再穩(wěn)定半分鐘，最后試驗(yàn)轉(zhuǎn)速按需要可為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的2.5倍。安全系數(shù)一般為K=2.5。
本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的針對(duì)換向器槽數(shù)33片；額定轉(zhuǎn)速：3000rpm；電壓0~30V；外形尺寸：140*R50*r30（厚度*外徑*內(nèi)徑）。
1、搜集資料，了解國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有換向器的發(fā)展及其性能檢測(cè)儀的發(fā)展情況，分析各種儀器的優(yōu)劣，找出可以改進(jìn)的地方；并弄懂其一般的工作原理、工作特性；
2、總體方案設(shè)計(jì)，包括方案的提出與確定，方案的實(shí)現(xiàn)，必要的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核；
3、學(xué)習(xí)軟件制圖，并完成說(shuō)明書等。
第2章 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
2.1 軸的計(jì)算
在超速實(shí)驗(yàn)中需要用到轉(zhuǎn)軸承載換向器轉(zhuǎn)動(dòng)，軸與電機(jī)鏈接，中間搭配聯(lián)軸器。軸的材料選取45鋼，正火處理，由《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表10-2得，當(dāng)d≦100mm時(shí)，σb=588，σs=294，σ-1=238，τ-1=138，【σ+1】=196，【σ0】=93，【σ-1】=54.軸的工作圖如圖一所示：
圖一 轉(zhuǎn)動(dòng)軸
2.1.1 軸L1段的計(jì)算
L1為軸插銷處的尺寸，根據(jù)需要取D1=20mm，L1=20mm。
2.1.2 換向器承載處軸L2的計(jì)算
因?yàn)榭紤]到換向器的上緊與拆下，換向器處選擇間隙配合，基孔制配合；由于軸不能對(duì)換向器造成損害，同時(shí)在超速時(shí)也不能使換向器打滑，故選擇一般精度等級(jí)IT8,；又根據(jù)換向器的基本參數(shù)：槽33片，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，電壓0-30v，外形尺寸140*100*60（厚度*外徑*內(nèi)徑），確定軸L2的基本尺寸為60，根據(jù)《機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)》P46表3-4選擇其上偏差為es=0um，下偏差為ei=-10um。所以軸L2的直徑D2=60.
l2長(zhǎng)度可根據(jù)換向器厚度140得l2=140mm。
2.1.3軸段3處的計(jì)算
其直徑可根據(jù)換向器外徑D=100確定：
D3=100，其長(zhǎng)度亦可確定為5mm，即L3=5mm。
2.1.4關(guān)于軸5段的計(jì)算
L4可根據(jù)操作空間的需要定位20mm，即L4=20mm。
D4大小需要根據(jù)轉(zhuǎn)矩計(jì)算，根據(jù)所選電機(jī)（見第四章-其他零部件的選?。﹨?shù)P=0.035，轉(zhuǎn)矩T=54.88N.mm，由材料45鋼查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)A=125，因?yàn)檩S為實(shí)心軸，所以β=0，換向器的起始速度為3000rpm，根據(jù)公式有
為了安全起見和軸自身重量考慮，以及軸長(zhǎng)期受彎矩等其他各方面因素綜合考慮，取d5=15mm。
L5的長(zhǎng)度根據(jù)電機(jī)安裝尺寸確定為58mm，即L5=58mm.
2.1.5關(guān)于軸4段部分尺寸確定
軸4為臺(tái)階軸，作用是和尖頂一起卡緊軸，方便加工。其尺寸可確定為D4=30mm，L4=20mm。
2.1.6關(guān)于軸6段尺寸確定
可根據(jù)軸與電機(jī)軸的相連確定D6=D5=15mm，L6=16mm.
為了減輕軸的重量，避免給軸造成巨大載荷，軸2處采取去除多余材料的方法，將軸2處每隔20°除去100°扇形材料，中心直徑為20部分不去除材料。這樣既能滿足設(shè)計(jì)需求，又能避免過(guò)多材料浪費(fèi)和減少軸的負(fù)載。
2.1.7軸上鍵槽的設(shè)計(jì)
根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P491表9-4的直徑選取軸上鍵槽尺寸，選取普通平鍵，據(jù)手冊(cè)可得軸上鍵槽尺寸為
軸的基本尺寸為：b=5 mm，h=5 mm，l=10 mm，t=3.0，r=0.4用公式編輯器編寫
；
孔的基本尺寸為：t1=2 mm，b=5,r=0.25 mm.
再由P496表9-9鍵和鍵槽尺寸公差表查得鍵與鍵槽尺寸公差，故有軸和鍵槽尺寸如下：
軸的尺寸：b=5 mm,精度選擇h9；h=5 mm,精度選擇h11；l=10 mm,精度選擇h14；r=0.4 mm。
鍵槽的尺寸為：，，，取較緊配合，精度選取P9;l=10 mm，精度選取H14.
2.2聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中選取的55SZ08號(hào)電機(jī)的尺寸如下：b=2 mm;d=7 mm;G=4.3 mm,其精度為h11;L=12 mm.聯(lián)軸器工作三維圖如圖二所示：
圖二 聯(lián)軸器
2.3電機(jī)鍵的選擇設(shè)計(jì)
根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》491頁(yè)表9-4選擇普通平鍵作為電機(jī)用鍵，再根據(jù)電機(jī)鍵槽的尺寸確定其尺寸如下：
b=2 mm，其精度等級(jí)為h9;
h=4 mm，其精度等級(jí)為h11;
L=12 mm,其精度等級(jí)為h14;
r=0.25 mm.
根據(jù)鍵的尺寸確定鍵槽公差后有鍵槽尺寸如下：
t=2.5 mm;
t1=1.5 mm;
b=2 mm,取較緊配合，配合精度等級(jí)為P9;
L=12 mm，配合精度等級(jí)為H14;
R=0.16 mmm;
2、 聯(lián)軸器尺寸及配合設(shè)計(jì)
由于國(guó)標(biāo)中很難找到符合此標(biāo)準(zhǔn)配合的聯(lián)軸器，因此聯(lián)軸器由自己設(shè)計(jì)加工，材料選取45鋼，中間采取環(huán)形鏈接，采用六個(gè)螺紋的聯(lián)接方式，其設(shè)計(jì)工作圖如下所示：
根據(jù)圖中所示計(jì)算各尺寸如下：
d1=d6=15mm；
d2=d=7mm；
令D1=25mm，D2=17mm；
孔1的深度L1=L6=16mm；
孔2的深度L2=L=12mm。
為了軸與聯(lián)軸器能穩(wěn)定進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，選取間隙配合為軸與聯(lián)軸器的配合，選用基軸制進(jìn)行配合，查《機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)》選擇孔1配合精度為，采用精銑加工，表面粗糙度為Ra=1.6；因?yàn)殡姍C(jī)軸的精度為h11，故孔2的配合精度選擇，孔2采用鉆孔加工方法，取Ra=3.2.根據(jù)多選取配合精度確定偏差得：
對(duì)于孔1有：
軸的偏差：es=0mm,ei=0mm;
孔的偏差：ES=+0.10mm，EI=0mm.
T1=T+T=0+0.01=0.01mm.
對(duì)于孔2有：
軸的偏差：es=0，ei=0；
孔的偏差：ES=+0.080mm,EI=0mmm.
T2=T+T=0+0.08=0.08mm。
3、螺栓的確定及載荷計(jì)算
根據(jù)前面計(jì)算有l(wèi)6=16mm，d6=15mm。選擇六角頭螺栓A級(jí)M3作為鏈接螺栓，L為14mm，b=12，c=0.4，d=3，d=4.6，e=6.07，k=2，s=5.5.
在螺栓的固定中，我們于螺栓尾人為加工銷孔如下圖所示：
其直徑為d=1.2，螺栓采用預(yù)緊方法連接。
根據(jù)公式
Kn為可靠系數(shù)，Kn=1.1~1.3,取1.3；
T為轉(zhuǎn)矩54.88W；
f為結(jié)合面摩擦系數(shù)，依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表7-3fc得f=0.40；
z為螺栓數(shù)量6；
r為螺栓中心距離載荷中心長(zhǎng)度，r=…=r=15.5mm。
帶入數(shù)據(jù)求得：
F0=1.92N
2.4軸端擋圈與銷孔的設(shè)計(jì)
2.4.1擋圈設(shè)計(jì)
為了講換向器固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，防止加速過(guò)程換向器發(fā)生偏離或脫落，設(shè)計(jì)軸端擋圈與銷孔，用普通鐵絲插入銷孔使之固定。擋圈的半徑可根據(jù)換向器外徑大小得來(lái)，即R=R=100mm，擋圈厚度b=5mm，為了避免加速過(guò)程中擋圈對(duì)換向器造成一定程度的微笑變形影響，所以擋圈與換向器接觸面精度要求較高，擋圈選擇七級(jí)精度，采用半精銑加工方式進(jìn)行加工，表面粗糙度去Ra=1.6；
其他面則無(wú)要求。
2.4.2銷孔設(shè)計(jì)
銷孔用普通鐵絲插入卡緊，對(duì)精度并無(wú)要求，取R=5mm即可。
4、軸支撐架的設(shè)計(jì)計(jì)算
支撐結(jié)構(gòu)起到支撐轉(zhuǎn)軸和鏈接軌道的作用，在整個(gè)結(jié)構(gòu)中占有重要位置。選取材料為45鋼，為了方便電機(jī)安裝，整個(gè)材料設(shè)計(jì)為“7”字型，既可以支撐軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以方便電機(jī)的安裝，亦可以節(jié)省材料，其工作圖如下：
根據(jù)前面軸的計(jì)算與電機(jī)選擇，整個(gè)孔分為兩個(gè)部分，一部分與軸5段接觸，另一部分是聯(lián)軸器處（與聯(lián)軸器不接觸），此處令與軸接觸的孔為孔1，其基本尺寸為軸5尺寸，聯(lián)軸器處的孔為孔2.軸支撐架工作三維圖如下所示：
圖三 軸支撐架
1、 孔的計(jì)算
（1）孔1的計(jì)算
根據(jù)前面選取的配合，孔1的精度定為6級(jí)精度，采用鉸孔加工方式，基本尺寸為D5=15mm,
配合選取為，
根據(jù)《機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)》表3-2有公差T=11um，再查表3-5選取軸的偏差，es=0，ei=-0.003mm，尺寸為d=
，根據(jù)公差計(jì)算公式T=T+TT=0.008mm。
又根據(jù)《機(jī)械精度設(shè)計(jì)》選取EI=0.006mm,T=ES-EIES=0.006+0.008=0.014 mm，孔1的完整尺寸為。表面粗糙度選Ra=1.6.L=L5=58mm.
(2)孔2 的確定
孔2 無(wú)需與軸進(jìn)行結(jié)合，只需留出聯(lián)軸器空間即可，故可簡(jiǎn)單確定其直徑為40mm，長(zhǎng)度為軸6段長(zhǎng)度即16mm。對(duì)其表面質(zhì)量無(wú)太大要求。
2、 軸支撐架的外部尺寸
根據(jù)電機(jī)安裝尺寸P=58mm,確定支撐架寬度b=58mm，c=l6+l5=28mm，a=l5+l6+l7=58+12+16=86mm；根據(jù)設(shè)計(jì)需要定h=158mm，h1=158-58=100mm。
支撐材料按對(duì)稱設(shè)計(jì)，令下端角α=45°，β=135°，其余尺寸分別是：
e=20mm；f=10mm;
g=10mm;i=30mm;
m=mm;j=15mm;
n=mm,k=15mm;
u=28mm.
其中以m、j、h、n、k為邊的整個(gè)底面取6級(jí)精度，采用拉銷加工，表面粗糙度Ra取1.6；支撐架的其余沒(méi)確定精度的表面均取10級(jí)精度，采用半精銑加工，表面粗糙度取Ra=6.3。
支撐架上端臨軸4 29mm處設(shè)立油孔，直徑為4mm。
5、測(cè)試儀探頭固定支撐架的設(shè)計(jì)
測(cè)試儀探頭固定支撐架的作用是，換向器進(jìn)行絕緣耐壓測(cè)試時(shí)，需要用兩支探頭接觸換向器槽的兩端，支撐架可以固定兩支來(lái)自耐壓測(cè)試儀的探頭。支撐架分兩部分加工，然后再把其進(jìn)行結(jié)合，上端可以拆下，工作時(shí)便插入豎直孔，用邊上銷孔給固定。其工作圖如圖四：
圖四 探頭支撐架
根據(jù)換向器基本尺寸140*100*60（厚度*外徑*內(nèi)徑），即有換向器R=50換向器為33槽， θ=，
兩探頭固定處中心距O= 2Rsinθ =2×50× sin5.455°=9.5mm。根據(jù)所選耐壓儀的兩支探頭直徑為確定孔的直徑為8mm，孔的精度選為8級(jí)精度，采用鏜孔加工。探頭固定孔如圖五所示：
圖五 探頭固定孔
根據(jù)上述數(shù)據(jù)確定尺寸：a為30mm，b為16mm，厚度c=10mm；
根據(jù)前面軸的支撐架尺寸確定，采用下面加壓方式可節(jié)省材料， h=129-50=79mm，
C取20mm，d3為12，q=25mm，加緊孔d4取4mm；
L=79-28=51mm；
手柄長(zhǎng)度取22；
F、j、n、k、u、α、β等底端尺寸可以根據(jù)前面支撐架的底端尺寸得來(lái)，即有：
F=10mm；
i=30mm；
j=15mm；
n=mm；
k＝30mm;
u=28mm;
α=45°;
β=135°.
支撐架下半部分厚度取45mm，取前面對(duì)齊的方式；其中以m、j、h、n、k為邊的整個(gè)底面取6級(jí)精度，采用拉銷加工，表面粗糙度Ra取1.6；支撐架的其余沒(méi)確定精度的表面均取10級(jí)精度，采用半精銑加工，表面粗糙度取Ra=6.3。
6、頂尖的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)頂尖的目的是在超速實(shí)驗(yàn)時(shí)不至于使轉(zhuǎn)動(dòng)軸滑落出來(lái)，屬于實(shí)驗(yàn)固定部件。
頂尖由軸承、芯軸和外圓筒組成，在各種機(jī)床中均有見。本次設(shè)計(jì)的換向器工作臺(tái)在進(jìn)行超速實(shí)驗(yàn)時(shí)聯(lián)軸器不能對(duì)軸進(jìn)行軸向固定而設(shè)計(jì)。選取材料為45鋼。
頂尖頂角取60°，根據(jù)前面數(shù)據(jù)，為了使耐壓儀器部分不與頂尖在同一直線上，圖中R定位35mm，r的大小則根據(jù)軸承確定。頂尖芯軸圖如圖五所示：
圖六 頂尖芯軸
據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表12-17，選擇深溝球軸承作為頂尖設(shè)計(jì)軸承，根據(jù)實(shí)際需求選取d為17的軸承，其基本數(shù)據(jù)如下：
軸承尺寸
軸承尺寸
/mm
基本載荷/KN
極限轉(zhuǎn)速 /r.min-
軸承代號(hào)
原軸承代號(hào) /mm
d
D
B
r
動(dòng)
靜
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
17
30
7
0.3
4.60
2.60
19000
24000
61903
1000903
由R=35mm，r=d=17mm，設(shè)孔的截面尺寸為38×38，空長(zhǎng)取L=120mm，分別將芯軸按照?qǐng)D中標(biāo)示為L(zhǎng)1、L2、L3、L4，其中L4為頂尖對(duì)應(yīng)尺寸，L2為臺(tái)階處，L3為孔對(duì)應(yīng)出軸，L4為末端軸處。于是有圖形分析得：
=L1=30.3mm
設(shè)L2=50mm，L3=180mm，L4=100mm；
故芯軸的總長(zhǎng)L=L1=L2=L3=L4=360.5mm。
頂尖末端軸承安裝于孔的末端處，另外一個(gè)軸承安裝里孔末端73mm處，即可實(shí)現(xiàn)芯軸的自由伸縮。
根據(jù)平臺(tái)需求取工作圖中尺寸b=80mm，a=35mm。根據(jù)下端固定處總寬度為118，且工作臺(tái)為對(duì)稱安裝，可得下端尺寸：
c=21.5mm;
e=30mm;
i=10mm;
m=15mm;
u=28mm;
k=30mm;
h=129-=110mm.
頂尖支撐架工作三維圖如圖六所示：
圖七 頂尖支撐架
孔的內(nèi)部取8級(jí)精度，采用鉸孔加工方法進(jìn)行加工，孔與軸承為間隙配合，軸與軸承為過(guò)盈配合。
其他表面去10級(jí)精度，表面粗糙度為Ra=3.2.
其中g(shù)、m、h所在的地面均為6級(jí)精度，采用拉銷加工，表面粗糙度Ra取1.6；支撐架的其余沒(méi)確定精度的表面均取10級(jí)精度，采用半精銑加工，表面粗糙度取Ra=6.3，軸承與孔、軸承內(nèi)部均采用脂潤(rùn)滑。
7、 軌道設(shè)計(jì)
軌道設(shè)計(jì)為此次換向器性能測(cè)試臺(tái)的特色之一，采用這種方式可使得測(cè)量與拆卸方便，簡(jiǎn)單易行，使其具備直觀、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)。選取軌道常用鋼材Q235作為設(shè)計(jì)材料，其初步工作圖如圖八所示：
圖八 軌道
根據(jù)前面各部件的計(jì)算，知圖中，a=c=mm，b=15mm，對(duì)于e相對(duì)于上面的移動(dòng)支撐架把其深度變大些，可取
e=35mm；
f=28mm；
h=30mm。
記過(guò)計(jì)算，軌道為轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)應(yīng)部分留280mm長(zhǎng)度，為耐壓測(cè)試儀探頭部分留120mm，為頂尖部分留310mm，長(zhǎng)度可維持各部件的運(yùn)行。
再根據(jù)前面所算各部件長(zhǎng)度L=280+120+310=710mm。
軌道寬度b=15×6+28=128mm。
其中g(shù)、m、h所在的地面均為6級(jí)精度，采用拉銷加工，表面粗糙度Ra取1.6；其余各面取12級(jí)精度，采用沖壓得到，表面粗糙度取Ra=6.3.
第3章 其他零部件的選取
在設(shè)計(jì)過(guò)程中除了關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)之外還需要選取電機(jī)、耐壓測(cè)試儀、直流調(diào)速器、軸承及螺栓等零件或輔助儀器選用。下面將分別列舉選取的各部件。
3.1電機(jī)的選取
電機(jī)是現(xiàn)代大量應(yīng)用的一種能量形式，這種能量形式有許多優(yōu)點(diǎn)，如生產(chǎn)和變換比較經(jīng)濟(jì)，傳輸和分配比較容易，使用和控制比較方便等。電機(jī)的生產(chǎn)、變換、傳輸、分配、使用和控制等都必須利用電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換或信號(hào)變換的幾點(diǎn)裝置。在電力工業(yè)中，發(fā)電機(jī)和變壓器是電站和變電所中的主要設(shè)備。在工業(yè)企業(yè)中，大量應(yīng)用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)去拖動(dòng)各類生產(chǎn)機(jī)械。如在機(jī)械行業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)中，機(jī)床、挖掘機(jī)械、軋鋼機(jī)起重機(jī)械、抽水機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等都要用大大小小的電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)；在自動(dòng)控制技術(shù)中，各式各樣的小巧靈敏的控制電機(jī)廣泛地被作為檢測(cè)、放大、執(zhí)行和結(jié)算原件。
本次設(shè)計(jì)中根據(jù)超速實(shí)驗(yàn)的速度要求，再根據(jù)原換向器基本速度為3000rpm，電機(jī)選取的另一個(gè)重要因素就是實(shí)際所需轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式如下：
其中T為實(shí)際產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，J為軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的所有負(fù)載的質(zhì)量，為軸的回轉(zhuǎn)半徑，β為轉(zhuǎn)軸的角加速度，根據(jù)不同軸段上面公式可化為：
各質(zhì)量可以根據(jù)公式
m==
計(jì)算。查資料得45鋼密度為7870kg/，由此得各質(zhì)量如下：
m1=7870××=0.0494kg
m2=7870××=0.80725kg
M3=7870×××0.005=0.3089kg
M4=7870×××0.02=0.048794kg
M5=7870×××0.058=0.322489kg
M6=7870×××0.016=0.08896kg
換向器質(zhì)量查閱相關(guān)資料得=1.5kg。
各回轉(zhuǎn)半徑可根據(jù)
=（圓柱）
或（圓筒、換向器）
計(jì)算。
1==0.00707；
2==0.021216
3==0.03536
4==0.00707
5==0.005304
6==0.005304
換==0.041
角加速度β根據(jù)轉(zhuǎn)速最初加速為2min從零加到3000rpm計(jì)算：
β==
據(jù)以上數(shù)據(jù)可得：
T=
=0.01991N.m=19.91N.mm
根據(jù)以上轉(zhuǎn)矩，又選用額定轉(zhuǎn)速為6000rpm的電機(jī)，為了達(dá)到此轉(zhuǎn)速，根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用SZ系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)中的55SZ08電機(jī)作為本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，SZ系列電磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)具有體積小，重量輕，伺服性能好，力能指標(biāo)高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件或驅(qū)動(dòng)元件。
其符號(hào)含義如下：
55 SZ 05 F1 H1
派生代號(hào)
勵(lì)磁方式代號(hào)（C-串勵(lì)方式；F-復(fù)
勵(lì)式；不標(biāo)注表示他勵(lì)（并勵(lì)式）
規(guī)格代號(hào)（01~49表示短鐵心；51~
99表示長(zhǎng)鐵心；101~149表示特長(zhǎng)鐵
心。）
產(chǎn)品名稱代號(hào)（電磁式直流伺服電
動(dòng)機(jī)。）
機(jī)座號(hào)
其基本參數(shù)如下：
型號(hào)
轉(zhuǎn)矩
N.mm
轉(zhuǎn)速r/min
功率 w
電壓v
電流
外形尺寸
mm
重量/kg
電樞
電磁
電樞
電磁
總長(zhǎng)
直徑
軸徑
55SZ08
54.88
6000
35
110
110
0.54
0.09
118
Ф55
Ф5
0.75
前面零部件計(jì)算章節(jié)電機(jī)尺寸取自此表，電機(jī)在工作時(shí)屬于橫向安裝，端面有安裝輔助固定塊。所選電機(jī)的安裝簡(jiǎn)圖和基本安裝尺寸如下：
3.2耐壓測(cè)試儀的選取
耐壓測(cè)試儀是測(cè)量耐電壓強(qiáng)度的儀器，它可以直觀、準(zhǔn)確、快速、可靠地測(cè)試各種被測(cè)對(duì)象的擊穿電壓、漏電流等電氣安全性能指標(biāo)，并可以作為交（直）流高電壓源用來(lái)測(cè)試元器件和整機(jī)性能。
根據(jù)換向器基本參數(shù)電壓為0~30v，選取ZHZ8耐壓測(cè)試儀作為實(shí)驗(yàn)安裝耐壓測(cè)試儀器。ZHZ8耐壓測(cè)試產(chǎn)品系列是按照IEC、ISO、BS、UL、JIS等國(guó)際國(guó)內(nèi)的安全標(biāo)準(zhǔn)要求而設(shè)計(jì)，耐壓為0~1000v，漏電流從0~200mA，特殊要求另定。適合各種家用電器、電源、電纜線、變壓器、接線端子、高壓膠木電器、開關(guān)電源插頭座、電機(jī)、電子儀器、儀表、整機(jī)等，以及強(qiáng)電系統(tǒng)的安全耐壓和漏電流的測(cè)試、同時(shí)也是科研實(shí)驗(yàn)室、技術(shù)監(jiān)督部門不可少的耐壓試驗(yàn)設(shè)備。
其技術(shù)規(guī)格如下：
技術(shù)規(guī)格
技術(shù)規(guī)格
ZHZ8
電壓測(cè)試范圍 V
AC 0~5 ±3% ±3個(gè)字
漏電流測(cè)試范圍 mA
AC：0.1~2/2~20 ±3% ±3個(gè)字
報(bào)警值預(yù)置范圍 （連續(xù)設(shè)定）
AC（kV）
0.3~2/2~20 ±5% ±3個(gè)字
時(shí)間測(cè)試范圍
1~99s (連續(xù)設(shè)定和手動(dòng))±1%
變壓器容量
500VA
輸出波形
50Hz 正弦波
工作條件
環(huán)境溫度：0~40℃；相對(duì)濕度：≤75%；大氣壓力：101.25kPa
體積（mm3）
315′165′320
重 量
15kg
供電電源
220V±10% 50Hz±2Hz
附 件
資料袋一只；測(cè)試探頭一副；說(shuō)明書一份；電源線一根
3.3直流調(diào)速器的選取
超速實(shí)驗(yàn)要求電機(jī)旋轉(zhuǎn)在不同的速度，并保持一段時(shí)間，本設(shè)計(jì)所選為直流電機(jī)，故選用直流調(diào)速器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。實(shí)驗(yàn)需要用到小型調(diào)速電機(jī)，選擇依據(jù)是直流110v和電流大小，根據(jù)這兩個(gè)因素，選擇濟(jì)南科亞電機(jī)科技有限公司MMT-DC110RT15BL01。
1、產(chǎn)品性能指標(biāo)如下：
電源輸入范圍：VDC
110（72-130）
輸出電壓：VDC
0-110
輸出電流：A
20mA
軟啟動(dòng)時(shí)間：S
0.2-20
軟停止時(shí)間：S
0.2-20
控制信號(hào)：V
0-5
力矩信號(hào)：V
0-5
輸入阻抗kΩ
50
轉(zhuǎn)速精度
1%
調(diào)速范圍
100:1
調(diào)速比
80:1
環(huán)境溫度：℃
0-50
相對(duì)濕度
無(wú)結(jié)露
重量：kg
0.75
匹配KZ010實(shí)現(xiàn)使用0-5v或0-5v控制速度和方向。
2、產(chǎn)品特點(diǎn)有：脈寬調(diào)制，四象限再生運(yùn)轉(zhuǎn)模式，無(wú)觸點(diǎn)換向、可頻繁正反轉(zhuǎn)，再生制動(dòng)，使能/制能/換向端子，狀態(tài)指示燈，正反向轉(zhuǎn)速可分別設(shè)定，力矩控制功能、輸出電流設(shè)定功能、制動(dòng)電流設(shè)定功能、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償功能、標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)控制、邊熱保護(hù)功能等。
3、外型尺寸：150*103*34（mm）。
3.4軸承的選取
根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表12-17，選擇深溝球軸承61903，其直徑為17mm，其工作圖如下：
基本尺寸如下：
軸承尺寸
/mm
基本載荷/KN
極限轉(zhuǎn)速 /r.min-
軸承代號(hào)
原軸承代號(hào) /mm
d
D
B
r
動(dòng)
靜
脂潤(rùn)滑
油潤(rùn)滑
17
30
7
0.3
4.60
2.60
19000
24000
61903
1000903
3.5螺栓的選取
根據(jù)孔的直徑選取六角頭螺栓A級(jí)，M3號(hào)螺栓。為14mm，b=12，c=0.4，d=3，d=4.6，e=6.07，k=2，s=5.5.在螺栓的固定中，我們于螺栓尾人為加工銷孔如下圖所示：
其直徑為d=1.2，螺栓采用預(yù)緊方法連接。
第4章 校核
4.1軸的校核
4.1.1軸的疲勞強(qiáng)度校核
（1）軸的受力分析
根據(jù)軸的轉(zhuǎn)矩及兩端的受力情況，可初步確定軸右端受到軸的自身重量（重量對(duì)軸的影響巨大）造成的彎矩，軸的右端因?yàn)殡姍C(jī)有凸緣安裝，故電機(jī)的重量可不考慮，另外轉(zhuǎn)軸受到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。
（2） 危險(xiǎn)截面的確定
根據(jù)軸的直徑及所處位置，可斷定L5處即與支撐架接觸處為危險(xiǎn)截面，軸的校核計(jì)算即可。
（3）軸的受力計(jì)算
1）軸的彎矩
軸的受力情況可化為如下圖形：
其中F1為軸的末端孔對(duì)軸的作用力，F(xiàn)2為軸與孔配合出左端對(duì)軸的作用力，F(xiàn)3為右端軸的重量對(duì)危險(xiǎn)截面的作用力，即L2的自身重力。根據(jù)45鋼的質(zhì)量7870kg/m，G=10計(jì)算軸的質(zhì)量（m前面已計(jì)算完畢），得軸的重量G=36.2N，根據(jù)公式
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：F3=36.2N,X=58mm，Y=92.5mm，Z=150.5mm，F(xiàn)1=51.35mm，F(xiàn)2=83.55mm，F(xiàn)3=32.22mm。
1=,=,.
帶入數(shù)據(jù)：1=-51.35N,2=32.20N,M=3N.m。
受力圖和彎矩圖如下：
2） 軸的轉(zhuǎn)矩
軸的轉(zhuǎn)矩由前面計(jì)算得來(lái)T=54.88N.mm。
3） W取值
查《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表10-24帶有平鍵槽軸的截面數(shù)據(jù)=0.1=0.1×=337.5，=0.2=675.
4） 、的選擇
查《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表10-22得=0.34，=0.21.
5）、的選擇
由《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表10-15得=1.30，=1.20.
6） β的計(jì)算
由危險(xiǎn)截面軸的表面為拉銷加工，Ra=0.4um，由《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表10-18得β=1.。
7）、的選取
由d=15mm，查《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表10-21得=0.91，=0.87.
8) 、
===8.89MPa,=0.
9)、的計(jì)算
==。
10） 的計(jì)算
=，代入數(shù)據(jù)=18.74.
11）的計(jì)算
=，帶入數(shù)據(jù)=1264
12） n的計(jì)算
n=，帶入數(shù)據(jù)n=18.7.
13） 【n】的確定
查《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表10-14，選取【n】=1.5.
結(jié)論：n>【n】=1.5，疲勞強(qiáng)度足夠安全。
2、 軸的靜強(qiáng)度校核
1）Tmax的計(jì)算
Tmax=2×T=2×0.05488=0.10976mm。
2）Mmax的計(jì)算
Mmax=2×M=2×3=6N..m
3)W的計(jì)算
查《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表10-24，由d=15mm，得W=0.642×m。
4）Wp的計(jì)算
查《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表10-24，由d=15mm，查得Wp=1.43×m。
5）的計(jì)算
=，帶入數(shù)據(jù)，=3.37.
6）[]的選擇
查《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表10-14，取=1.4.
結(jié)論：>[],靜強(qiáng)度足夠安全。
4.2鍵的校核
本設(shè)計(jì)中用到兩個(gè)鍵，承受的都是同樣的轉(zhuǎn)矩，因電機(jī)鍵較小，只校核吊機(jī)鍵即可。由前面鍵的設(shè)計(jì)有：T=19.91N.mm，d=7mm，l=12mm，k==2mm，b=2mm。
鍵的校核公式
帶入數(shù)據(jù)得=0.653，=0.3267.
鍵在工作中屬于微型沖擊，屬于動(dòng)聯(lián)接，根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》查取=40,[]=90.
結(jié)論：≤，≤，故鍵的使用安全。
4.3螺栓的校核
本次設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)所選螺栓為六角頭螺栓，采用預(yù)緊方式安裝，正對(duì)單個(gè)螺紋，按以下公式進(jìn)行校核：
根據(jù)《袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》表7-11得：，將數(shù)據(jù)帶入直徑公式得d=0.1275。
結(jié)論：d
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