机械设计实验指导书(2012.06)

--1实验指导书编写《机械设计》课程课程编号：428015实验指导书主撰人：朱连池审核人：聂时君单位：通信与控制工程系二〇一二年六月--2目录实验序号实验名称实验一螺栓组连接实验二带传动的滑动率和效率测定实验三轴系结构组合分析--3前言1．实验总体目标通过实验要求学生掌握机械的机构组成和工作原理、工作与性能参数的测量原理和方法、常用实验装置和仪器的使用方法、实验测试步骤、数据采集、误差分析及处理方法等以及进行与本课程有关的实验研究的初步能力。⒉适用专业年级适用于第五学期开设《机械设计》课程的机械设计制造及其自动化专业学生。⒊实验课时分配实验项目实验要求实验类型每组人数实验学时螺栓组连接必做验证122带传动的滑动率和效率测定必做验证122轴系结构组合分析必做验证1224.实验环境计算机、多功能螺栓组联接实验装置、带传动实验台、组合式轴系结构设计实验箱等5.实验总体要求要求学生在规定的课时内完成实验指导书所提出的任务与要求，通过实验要求学生掌握理论课中已学过的有关机械设计方面的基本知识、机械零件实验的基本方法和力学参数、机械量（如：力、压力、力矩、转速、效率等）的测定方法、培养学生运用实验方法研究机械零件特性的能力，提高分析问题和解决问题的能力、设计机械传动装置和一般机械的方法，培养创新机械设计的意识和能力。6.本课程的重点、难点及教学方法建议本课程的重点与难点：机械设计方面的基本理论，机械零件实验的基本方法和力学参数、机械量（如：力、压力、力矩、转速、效率等）的测定方法、运用实验方法研究机械零件特性。教学方法建议：要求每个学生熟练掌握实验相关的理论知识、实验设备结构和工作原理，做实验前预习实验内容并能认真解决相关知识问题，在实验时通过设备操作核对结果的正确性，发现问题并逐步解决问题，实验结束后写体会。--4实验一螺栓组连接一、实验目的1.在受倾覆力矩时螺栓组联接中各螺栓的受力情况；2.螺栓相对刚度系数即被联接件间垫片材料对螺栓受力的影响；3.单个螺栓预紧力的大小对螺栓组中其它各螺栓受力的影响；4.根据实验结果计算出螺栓相对刚性系数，填入实验报告；5.了解和部分掌握电阻应变片技术、计算机技术在力测量中的应用。从而验证螺栓组联接受力分析理论和现代测量技术在机械设计中的应用。二、实验设备与器件1.螺栓组实验台一台2.计算机一台3.12通道A/D转换板（包括放大器）一块4.程控静态电阻应变仪一台三、实验要求：1.实验前预习实验指导书和教科书中有关本实验的相关内容；2.实验中按指导教师要求和实验指导书中实验步骤进行实验，注意观察实验中各螺栓载荷的变化情况，并能用螺栓组联接受力分析理论解释其现象；3.根据实验结果计算出螺栓相对刚性系数，填入实验报告。4.按指导教师要求完成指定思考题。四、实验内容与步骤：1.实验方法1）仪器联线用导线从实验台的接线柱上把各个螺栓的应变片引出端及补偿片的联线联接到电阻应变仪上。采用半桥测量的方法：如每个螺栓上只贴一个应变片其，其联线如（图一）；如每个螺栓上对称两侧各粘贴应变片，其联线如（图二）；后者可消除螺栓偏心受力的影响。--5图一图二2）螺栓预紧抬起杠杆加载系统，使加载系统的自重不加载到螺栓组联接件上，用手将右端各个螺母拧紧，然后把左端的各个螺母尽力旋紧。3）应变测量点预调平衡以各螺栓初预紧后的状态为初始状态，先将杠杆加载系统安装好，使加载秤砣的重力通过杠杆放大，加到联接件上；然后再进行各个螺栓应变测量的“调零”（预调平衡），即把应变仪上各测量点的应变量都调到“零”读数。4）螺栓预紧实现预调平衡之后，再用扳手拧螺栓右端的螺母来增加预紧力。为防止预紧时螺栓测试端受到扭矩产生扭转变形，在螺栓的左端设有“腰形孔”，它嵌入联接件吻合面的槽内，以平衡拧紧力矩。在预紧过程中，为防止各螺栓预紧变形的影响，各螺栓应先后交叉并重复预紧（可按1、10、5、6、7、4、2、9、8、3），使螺栓均预紧到相同的设定应变量（应变量显示为）。因此，要反复调整预紧3～4次或更多。在预紧过程中，用应变仪来检测。螺栓预紧后，加载杠杆一般会呈左端上翘状态。5）加载实验--6完成螺栓预紧后，在杠杆加载系统上依次增加秤砣，实现逐步加载。加载后，记录各螺栓的应变值（据此计算各螺栓的总拉力）。2.实验步骤1）检查各螺栓处于卸载状态。2）将各螺栓的电阻应变片接到应变仪预调箱上（按半桥接线方法联接）。1A、1B、C、2A、2B...5A、5B分别对应CH1...CH5通道的A和B——航空插座1（前面）6A、6B、C、7A、7B...10A、10B分别对应CH8...CH12通道的A和B——航空插座2（后面）3）在计算机上运行“螺栓组实验”软件，点击【进入螺栓组实验】，进入螺栓组实验界面。①检查各参数是否正确。（一般不需要修改）；②检查串口连接及波特率设置是否正确。（一般不需要修改）；4）在不加载的情况下（将加载杆立起来，不加载到连接件上），先用手拧紧螺栓组左端各螺母，再用手拧紧右端各螺母，实现螺栓初预紧，点击【基准校零】把应变仪上各个测量点的应变量都调到“零”实现预紧平衡，校零成功后点击【读全通道预紧值】查看各通道值是否在零值附近，如果有部分通道与零相距较远，则重新校零（方法：分别点击【预紧确认】—【预紧数据清零】—【基准校零】）。5）点击【读全通道预紧值】后用扳手交叉重复拧紧各螺栓右端螺母（可安照1、10、5、6、7、4、2、9、8、3依次进行）使螺栓预紧，边预紧边观看对应螺栓的预紧数据框，使各螺栓均预紧到相同的设定预紧应变量（应变仪显示值为=200为宜，误差在±5～10）后，点击【预紧确认】。6）放下加载杠杆，加载秤砣，等稳定后点击【负荷1实验】键，读出所有螺栓负荷数据1应变值，【负荷1实验】键变为【负荷2实验】。点击【负荷2实验】键，读出所有螺栓负荷数据2应变值，【负荷2实验】键变为【负荷3实验】。点击【负荷3实验】框，读出所有螺栓负荷应变值，则点击【实验结束】，【绘制受力图】键变亮。7）点击【绘制受力图】后，绘制总拉力和负荷拉力受力图，【实验报告】键变亮。8）点击【实验报告】后，生成Word文档实验报告，可打印。9）测试完毕后，逐步卸载，并去除预紧。3.实验结果处理与分析1）实验总拉力受力图:--72）实验负荷拉力受力图:3）螺栓组联接实测工作载荷图根据实测记录的各螺栓的应变量，计算各螺栓所受的总拉力:式中：---螺栓材料弹性模量（）---螺栓测试段的截面积（）---第i个螺栓在倾覆力矩作用下的拉伸变量根据绘出螺栓组联接实测工作载荷图4）螺栓组联接受力理论计算秤砣加载后，螺栓组受到横向力和倾覆力矩的作用，即：式中：--8---加载秤砣重力（N）---杠杆系统自重折算的载荷（808N）---力臂长（0.1595m）在倾覆力矩作用下，各螺栓所受到的工作载荷：式中：Z---螺栓各数---螺栓中德最大拉力---螺栓轴线到底板翻转力矩的矩。五、注意事项1.加载后，任一螺栓的总应变值（预紧应变+工作应变）不应超过允许的最大应变值（），以免螺栓超载损坏。2.由于实验台结构不同和应变的灵敏系数有所差异，通过加载系统放大倍数后，作用在螺栓上的力产生差异。所以在进行实验时，不同的实验台所采集到的数据是不同的。六、实验报告在预习报告的基础上写出详细操作实验过程；根据实验操作及加载情况，计算并绘制总拉力受力图、实验负荷拉力受力图、螺栓组联接实测工作载荷图。七、预习要求1、复习《机械设计》教材有关内容，熟悉实验步骤。2、写出预习实验报告。在预习实验报告中，要求写出实验原理和操作的步骤。八、问题讨论1.在翻转力矩作用下，螺栓组联接中的各螺栓的总拉力与预紧力和传到螺栓上工作力的关系。2.螺栓的刚度C1和被联接件的刚度C2与螺栓的总拉力F0之间的关系。--9实验二带传动的滑动率和效率测定一、实验目的1.了解带传动试验台的结构和工作原理。2.掌握转矩、转速、转速差的测量方法，熟悉其操作步骤。3.观察带传动的弹性滑动及打滑现象。4.了解改变预紧力对带传动能力的影响。二、实验设备与器件1．计算机1台；2.打印机1台；3.THMDC-3型智能型皮带测试台1台。三、实验要求：1.实验前预习实验指导书和教科书中有关本实验的相关内容；2.实验中按指导教师要求和实验指导书中实验步骤进行实验，注意观察实验中带传动的弹性滑动及打滑现象；3.测定滑差率和传动效率，绘制滑动曲线及效率曲线填入实验报告。4.按指导教师要求完成指定思考题。四、实验内容与步骤：1.实验台电源仪表控制部分操作说明本实验台由电源仪表控制部分和机械部分两部分组成。电源仪表控制部分包括电源总开关（即漏电保护器）、电源指示灯、两只数显转速表、两只数显转矩表、控制按键和电机调速部分。1）实验前先将实验台左后侧的单相电源线插头与实验室内电源接通。2）实验台面板左侧的漏电保护器是整个实验台的电源总开关，打开后，红色指示灯亮，四只数显仪表可以正常显示。3）“功能设定”区有三个按键：“加载”、“清零”、“保持”。“加载”键：可以控制发电机加载的大小，每按一次“加载”键，就会在发电机电枢电路上并联一个负载电阻，使发电机负载逐步增加，电枢电流增大，发电机电磁转矩随之增大，即发电机的负载转矩增大，实现了带传动负载的变化。每按一次“加载”键，对应的“负荷指示”灯就会点亮--10一个，连续按八次，八个指示灯全亮。继续按第九次时，第一个指示灯亮，其它指示灯不亮，再继续按“加载”键，指示灯会根据按键次数，依次循环点亮。“清零”键：可以控制发电机的卸载，按一次“清零”键，“负荷指示”灯全部熄灭，即发电机所带负载全部卸掉。“保持”键：可以控制实验台面板上数显转速表和转矩表的显示数值变化，便于记录数据。每次加载数据基本稳定后，按一下“保持”键，可使转速和转矩稳定在当时的显示值不变；再按“保持”键可脱离“保持”状态。4）实验台面板右边是电机调速部分，控制直流电机的转动，由“调速开关”和“电机调速”电位器组成。按下红色“调速开关”按钮，“调速开关”指示灯亮，顺时针旋转“电机调速”电位器，主动电机会带动从动电机顺时针旋转。2.实验台的结构特点1）机械结构本实验台的机械部分，主要由两台直流电机组成。其中一台作为原动机，另一台则作为负载的发电机。对原动机，由直流调速器供给电动机电枢以不同的电压实现无级调速。原动机的机座设计成浮动结构，由张紧装置提供带传动的预紧力，顺时针或逆时针旋动螺丝，即可改变带传动的预拉力。两台电机均为悬挂支承，由压力传感器检测主动电机力矩和从动电机力矩，并以数字仪表显示。采用直流调速电路和光电测速电路，对电机进行转速控制，并以数字仪表显示。可分级控制发电机负载大小，能直观的观察到发电机的功率变化。2）结构装置两个直径相同的带轮分别安装在实验台的固定支座和可移动支座上，左边主动带轮由直流电动机驱动，右边从动带轮与发电机相连。实验前，调整张紧装置的螺丝，使移动支座沿导轨方向移动，从而使带具有一定的初始预紧力。实验时，启动直流电动机，依靠带的驱动，使发电机随之转动。3）加载实验过程中带传动上负载的改变是通过改变并联在发电机输出口上的电阻负载来实现加载的。4）转速为了求出不同负载下的带传动的滑差率，必须测出主动轮和从动轮的转速，本实验台上主、从动轮的转速分别通过两套光电式转速传感器测量，由面板上两只数显转速表显示。5）转矩--11主动带轮的驱动转矩T1和从动带轮的负载转矩T2是通过直流电机外部的反力矩来测定的。当主动电动机启动，并且从动发电机加负载后，由于定子与转子间磁场的相互左右，电动机的外壳（定子）将朝转子回转的反向（逆时针）反转，而从动发电机的外壳将朝转子回转的同向（顺时针）反转。主动带轮上的转矩（即电动机的输出转矩）和从动带轮的转矩（即输入发电机的转矩）分别通过两个压力传感器测量，由面板上两只数显转矩表显示。3.实验参数计算1）电机的输出功率可由输出的转矩及转速值计算得到，计算公式为：P=T×n/9550式中：P--输出功率（kW），T--转矩值（N·m），n--转速值（r/min）。2）带传动的滑差率ε由于带传动存在弹性滑动，