2019年中国石油大学.doc

1、中国石油大学多功能力学实验台结构设计及校核姓 名：陈星宇学 号：性 别：男专 业：机械设计制造及其自动化批 次：学习中心：指导教师：赵弘2014年10月1日中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）多功能力学实验台结构设计及校核摘要：为解决大尺寸结构用木材力学性能检测问题，提出了一种新型力矩加载系统的 设计方案。设计了由电机驱动，通过螺旋传动机构实现动态加载的装置，详细阐明了该 加载系统的结构设计以及相关的理论校核计算，并对加载系统进行了动态试验，通过对 试验结果分析，确定了加载系统的动态加载理想区域，证明该加载系统的结构设计是合 理的，并验证了此加载方法的可行性关键字:多功能试验机；加

2、载系统;结构设计;校核计算第一章：前言21.1选题的背景与意义 2第二章：多功能力学实验台结构设计及校核 72.1 加载系统的结构设计 72.1.1加载系统的功能要求 72.1.2加载系统的主要技术 72.1.3加载系统的总体方案设计 72.1.4 加载系统的传动机构设计 82.1.5加载系统的校核计算 92.1.6螺杆稳定性计算 102.1.7加载系统的试验应用 11第三章：结论12参考文献：12致谢13第一章：前言1.1选题的背景与意义材料力学是工科专业的一门重要的专业基础课，而材料力学实验是材料力学课程教 学中一个非常重要的学习环节，它能够检验理论正确程度，为解决实际问题提供依据，也是培

3、养学生动手能力和创新能力的重要组成部分。目前,我国理工科类大、专院校材料力学实验不少，但仍有许多院校还未达到让每个 学生自己动手去做实验，其动手能力和解决实际问题的能力还较差 ，不能适应改革开放 的形势。要改变这种现象，实验设备的需求就显得尤为重要，多功能材料力学实验台应 运而生。多功能材料力学实验台是为材料力学教学实验开发的专用设备，针对本科生材料力学应力分析实验的要求，系统将矩形截面钢梁、叠梁的弯曲变形、材料的拉伸变形、 薄壁圆筒扭转变形、弯扭组合变形、压杆稳定、边界条件对压杆影响等多种试验装置合 为一体,各装置间相对独立，使用螺旋手动加载，通过组合更换等不同的试验方式，改变边界条件扩展其

4、实验功能。该设备能满足教学大纲规定内容多项材力实验，整体刚性好, 结构简单,加载省力，操作方便,工作可靠,适合学生自己动手操作。2,3多功能力学实验台设备小巧，操作方便，极大地简化了十分烦琐的实验准备工作和 实验过程中试件的安装工作。目前，国内的多功能力学实验台已经能满足本科材料力学 实验教学的大部分要求，但是由于国内学生数目基数大，需要实验次数多，因此对于多 功能力学实验设备的可靠性需要进一步加强；另外，随着工程技术的不断发展，需要有 新的实验项目添加进来，从而保证本科实验教学与工程实践相结合，因此其结构功能需 进一步优化设计。1.2研究的问题根据目前国内对于多功能力学实验台的研究进展，实验

5、台所设计的功能大致可分为：1、纯弯曲梁横截面上正应力的分布规律实验；2、电阻应变片灵敏系数的标定；3、材料弹 性模量E、泊松比卩的测定；4、偏心拉伸实验；5、弯扭组合受力分析；6悬臂梁试 验；7、等强度梁试验；8压杆稳定试验；9、组合叠梁的实验。另可根据需要，利用 该装置，增设其它实验。根据其实验功能，实验台的结构可分为四种基本装置， 如图1-1 所示。图1-1实验装置框图清华大学的王习术等设计的多功能材料力学实验装置13,只要改变约束条件、主梁形状以及材料类型，即可实现主梁任意界面的内应力分布测试。主要包括工作平台、稳 定杆、丝杠、上下移动横梁、三角支撑架、立柱、水平移动梁、连接滑块。如图1

6、-2所示。图1-2多功能材料力学实验装置烟台大学的吴江龙等设计的多功能材料力学试验机14，拉、压采用液压油缸加载的方式，扭转采用电动机驱动减速机加载的方式，将拉、压、弯、扭及弯扭组合等试验组 合在一台试验机上完成。如图1-3所示。1514图1-3多功能材料力学试验机中国矿业大学的罗洪波等设计的 CLDT-C材料力学多功能实验台4,15，其前片框上 横梁上设两套（分别作弯扭组合、悬臂梁、等强度梁、弹性模量、偏心拉伸、压杆稳定 等实验）；后片框上横梁正中设一套（可作纯弯矩、组合叠梁、应变片灵敏系数标定实 验），一机多用，节省场地。如图1-4所示。图1-4 CLDT-C材料力学多功能实验台张卫东设计

7、的材料力学多功能组合实验台16，由后侧框向上延伸一段的长方形框架 构成实验台架，在台架前侧框的上下横梁之间设置有拉伸及压杆实验机构，在台架后侧框的上横梁上设有纯弯曲正应力实验机构， 在台架前侧框的上横梁及后侧框的中间横梁 上分别设置有弯扭组合实验及悬臂梁实验加载机构、 拉压实验加载机构和纯弯曲正应力 实验加载机构。如图1-5所示。图1-5材料力学多功能组合实验台1-6所示。12b龚健设计的材料力学多功能实验台18，有效地克服了实验台易变形、测试精度差及 实验易被破坏的问题。通过底板上两侧设置的蜗轮蜗杆传动装置及传动装置上的传感器 来操作实验，使实验数据精度高，实验设备不易被破坏等问题。如图图1

8、-7多功能材料力学实验装置山东省烟台市固光焊接材料有限责任公司的孙仙山设计的多功能材料力学试验机 17，采用电驱动减速加载装置提供全部实验的加载需求，能将拉伸、压缩、弯曲、扭转 及弯扭组合试验全部在一台试验机上完成。如图1-8所示。图1-8多功能材料力学试验机根据相关文献的阅读，笔者总结，多功能力学实验台不外乎以下几种结构组装而成： 简支直梁、简支叠梁、悬臂梁、悬臂圆筒等。加载方式有电机驱动加载、液压油缸加载 和手动加载三种方式。其中，各种梁的固定方式以及加载方式大致相同。通过分析可得 出以下几点问题：1、加载力几乎都没有设置过载保护装置（如纯弯曲梁横截面上正应 力的分布规律实验中，横梁容易因

9、过载超过其弹性模量而无法恢复）；2、多数机构加载力的精度较低；3、结构设计只能满足基础实验要求，对装置二次开发难度较大第二章：多功能力学实验台结构设计及校核2.1加载系统的结构设计2.1.1加载系统的功能要求此加载系统要求能够满足以下功能要求： 可进行静力加载试验，驱动电机以一定的转速传动，依靠螺纹传递加载力； 可满足在一定范围内加载试验，借助滑动导轨两个方向（横向和纵向）组合移动到某 位置并固定，完成大尺寸板材在不同位置的加载试验； 加载系统本身的重量相对于加载压力很小，可以忽略不计； 加载速度可控，加载试验过程平稳；2.1.2加载系统的主要技术参依据木材力学性能测试的相关国家标准要求202

10、2，制定了加载系统的主要技术参 数如表1，对加载系统的总体方案进行了设计表2-1多功能试验机加载系统的主要技术参数承重取大载何/N4.9X 104加载范围（横向x纵向）/mm1024X 1220加载速度（可控）/mm/s120压头最大跨距/mm320加载方式连续加载2.1.3加载系统的总体方案设计加载系统总体结构（如图1所示）设计的主要依据是试验机的多功能要求。该加载系统的机械结构主要由施载电机、减速器、电机机座、滑动导轨、压头组合、锁 紧螺母、压力传感器、移动台组合块、连接螺栓、移动台、传动螺母、传动螺杆、支撑 座和无齿隙弹性联轴器等组成。加载系统的主要动力来自施载电机，它通过行星齿轮减速器

11、与无齿隙 弹性联轴器的连接将力矩传给传动螺杆， 再由传动螺杆-无齿隙弹性联轴器和传动螺杆- 传动螺母转动组合，将电机转动力矩转化为移动台的平移压力， 就形成了一定的功率流， 以此来模仿加载系统的实际工作状态。在整个加载试验过程中，加载系统的各个方向移 动范围都由接近开关及时反馈信号控制，加载力的大小由压力传感器直接反馈到计算 机上，以此保证加载位置及其数值的准确度。多功能试验机中被测压头传递的力矩即负 载是要靠加载系统机械结构组装形成，其性能直接影响试验机的主要技术指标。这就要求试验机的加载系统不仅要具有结构紧凑、施载运动行程无死角和施载力矩稳定等特 点，同时还应具有在运转中能自由改变施载力矩

12、的大小和方向2022。2.1.4加载系统的传动机构设计加载系统的传动机构采用螺旋传动（如图 2所示），这种传动方式主要将回转运动转化 为直线运动，同时传递运动和动力。在加载系统的螺旋传动机构中采用梯形螺纹传动。 梯形螺纹可以在传动过程中修复和补偿螺纹之间由于摩擦而造成的间隙，制造的工艺性也较好，牙根强度高，对中性好，可满足大力矩、低转速的传动要求23。根据最大承载力和电机转矩的要求，加载系统中的减速器选用两级减速，其传动比为20:1，即在施载端（电机端）施加一个很小的转矩，减速器内便会产生很大的封闭力矩，保证整个工 作过程持续提供足够大的加载力241.施载电机；2.减速器；3.电机机座；4.导

13、轨滑块；5.滑动导轨；6.压头座;7.压头组合；8.锁紧螺母；9.压力传感器；10.移动台组合块；11.连接螺栓;12.移动台；13.传动螺母；14.传动螺杆；15.支撑座；16.无齿隙弹性联轴器 图1加载系统的总体结构图1.底座；2传动螺杆；3.压力装置图2螺旋传动机构简图2.1.5加载系统的校核计算螺旋传动机构是加载系统的关键动力传递机构。在传递大力矩过程中，主要承受转矩及 轴向压力，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动，很容易造成螺纹磨损、 传动不够稳定而失效。因而有必要对螺旋传动的设计进行校核计算。2.1耐磨性校核计算工作过程，螺纹传动工作面的耐磨条件为：p=F/A=F/ n

14、d2hu=FP/n dzhFK p(2-1)式中：p 螺纹工作面上的压力，单位为MpaA 螺纹的承压面积(螺纹工作面投影到垂直于轴向力的平面上的面积)，单位为mm2F 螺杆的轴向力，单位为N;d2 螺纹中径，单位为mmh 螺纹工作高度，单位为mmH 螺母高度，单位为mmP 螺纹螺距，单位为mmu 螺纹工作圈数；其中，u=H/Pp材料的许用应力，依据材料和滑动速度要求，取p=i8，单位为MPa对于梯形螺纹：h=0.5P (2-2) H = d2(2-3)其中，为计算系数，螺纹工作圈数不多时， =1.22.5，此时取1.2 ;联立式(2-1 )、( 2-2 )、( 2-3)有：d20.8(F/ p

15、) ?=0.8(4.9 X 10人)/1.2*18 ? 38.1mm (2-4)因为d2=38.1mmcd* (其中d2为根据减速器配合轴径以及整个传动机构尺寸初步设计的尺寸)=46.5mm所以，该螺旋传动机构传动满足螺纹传动耐磨性条件2.1.6螺杆稳定性计算在加载系统的传动机构中，螺杆的柔度：入 2=卩 l/i (2-5)l=(l/A) ?=d1/4 (2-6)式中：卩一螺杆卩的长度系数；l 螺杆的工作长度，单位为mmi 螺杆危险截面的惯性半径，单位为 mmI 螺杆危险截面的惯性矩，单位为 mm4 d1 螺杆螺纹小径，单位为mmA 螺杆螺纹段的危险截面面积,A= n *d12单位为mm2 联

16、立式(2-5)、( 2-6)有：入=93.740 (2-7)从结果看，螺杆的柔度较大，即长径比大， 所以螺杆很容易发生侧向弯曲失其稳定性。 螺杆稳定运行条件：SSc=Fcr/F SS(2-8)式中：SSc 螺杆稳定性的计算安全系数； Fcr 螺杆的临界载荷，单位为N；SS 螺杆稳定性安全系数，Ss=3.55.0 ;Fcr= n 2EI/(卩 l) 2 (2-9)式中：E 螺杆材料的拉压弹性模量，E=2.06X 105MPa 单位为 MPaA 4I= n d1/64(2-10)联立式(2-9)、( 2-10)有：SSc=7.34 Ss=5.0从结果看，螺杆传动过程相对较稳定。2.1.7加载系统的

17、试验应用加载系统能实现动态施载，作为一种检测试验机，为保证加载系统的运行稳定性和数值的准确性，需进行测试试验，测试试验如图 3所示。此类加载系统通过在型号产品研制过程中的应用，已经在测 试试验中的到了验证。通过测试试验得到的结果与传统的力学试验机加载试验结果对比如表2所示。可以看出采用设计的随动加载系统得到的压力和传统的固定加载系统压力水平相当，在结构用木材位移变化为6mn0寸，误差最大为5.56%，随着木材位移的变大，压力值都在变大，二者之间的误差变小，都在设计允许范围之内，达到运行稳定性和数值准确性的要求。另外，通过分析和测试数据可 知，随动加载系统在加载前一阶段（位移变化为8mr之前），

18、降低加载速度，减少了加载引起的附加弯矩，提高传递压力，以减少相对误差，可以进一步提高多功能试验机的检测精度。图3加载系统测试试验表2-2多功能试验机与力学试验机试验结果对比名称对同一种结构用木材加载试验在不同位移时对应压力值比较（跨距为 1200mm）位移 /mm6.00 8.00 10.00 12.00 15.00力学实验机 /N 10.80 14.25 170.50 218.00 265.30多功能试验机 /N 10.20 13.98 171.05 218.50 266.00误差 /%5.56 1.90 0.30 0.280.26第三章：结论本文对结构用木材多功能试验机的加载系统进行了研究

19、，并设计和分析了加载系统的结构和运行性能试验，得出以下几点结论：(1 )采用本文所研究的加载系统结构紧凑，无距离限制，所组成的结构用木材多功能试 验机施力均匀平稳，运行稳定性高，振动小；(2 )突破了传统力学实验机固定加载模式，该加载系统设计成可移动式加载模式，消除 了被测件尺寸的限制，扩大了检测范围，并已在型号产品中得到了成功应用，具有重大 的现实意义；(3 )采用该加载系统，使结构用木材力学性能试验状态与实际使用情况相吻合，试验数 据更加真实，为结构用木材力学性能检测提供更科学准确的依据；参考文献:1 李钟浩.材料力学实验教学改革的实践与探讨.中国校外教育.2010.8.2 李 伟.多功能

20、材料力学实验系统的设计.实验科学与技术.2007.02.3 谢占魁.电子式材料力学组合试验台的研制与应用.实验技术与管 理.2005.01.4 魏忠才.CLDT-C材料力学多功能实验台的研制与应用.实验室研究与探索.2008.04. 卓 勉.直梁纯弯曲实验装置的改进.广州城市职业学院学报.2008.03.6 郭玉霞.浅谈材料力学电测实验的改进.河北工程技术高等专科学校学报.2000.02.7 汤繁华.叠梁纯弯曲正应力的理论与实验分析.实验科学与技术.2010.10.8 鲁书浓.叠合梁实验课程的探讨.实验室研究与探索.2007.03.9 孙建国.叠梁的分析与实验.力学与实践.2004.04.10

21、 王 莹.实验与材料力学课程教学结合问题探讨.洛阳理工学院学报.2011.09.11 蔡传国.工程力学实验教学的自主性设计.实验科学与技术.2011.12.12 赵 军.小曲率平面弯曲弹复方程.中国科学.2011.10.13 王习术.多功能材料力学实验装置.CN801218433.0.2002.01.16.14 吴江龙.多功能材料力学试验机.CN03144008.8.2005.01.26.15 罗洪波.材料力学多功能实验台.CN97207386.8.1998.07.1516 张卫东.材料力学多功能组合实验台.CN200520023972.9.2006.05.1317 孙仙山.多功能材料力学试验机.CN200520200361.7.2007.02.28.18 龚健.材料力学多功能实验台.CN20092009272332010.05.12.19 刘荣庆.多功能材料力学实验装置.CN201020613430.8.2011.06.01.20 LY/T1927-2010,集成材理化性能试验方法S.21 GB/T 28993-2012,结构用锯材力学性能测试方法S.22 ASME.E4761 - 05 Standard Test