哈工大机械学基础课程设计QFB气动遥控板高分报告

1、1 .工作原理qfb气动遥控板为固定装置的工业仪表，一般均装在控制室内的仪表 盘上。它们有的与气动单元组合仪表配套使用，有的做单独手操遥控使用， 可以用来测量调节器输出压力及手操定值器输出给执行机构（阀门）的压 力。图1 qfb气动遥控工作原理图qfb气动遥控工作原理图如图1所示。仪表的测量元件用波纹管和弹簧并联，通过感知压力变化可以间接测量气 体压强。当输入信号（0.02（m2mpa）即清洁和干燥的气体进入测量波纹 管时，由尸二“人可以知道将会对测量元件施加压力。由于波纹管和 弹簧组成的弹性测量元件具有线性的工作特性，即在弹性范闱内，满足 = k-as,因此会产生一个位移量。通过传动放大杆机

2、构把直线位移 转变为放大了的指针的角位移。具体而言，对于曲柄滑块机构，可以将直线位移转化为角位移，在近似线性区有；而较链四杆机构则 将小的角位移放大为大的角位移，在近似线性区有2t2 ./。此时, 指针转角亦为%,其指示读数即为输入信号压力。综上可知，指针的转角见和被测气体压强好之间存在对应关系2 k ,不难看出 指针的转角气体压强为线性关系cqfb气动遥控板工作流程图如图2所示。图2 qfb气动遥控工作流程图2 .设计流程主要设计对象为压力敏感元件（弹簧和波纹管）、传动放大机构（曲 柄滑块机构和锐链四杆机构）和示数机构：设计内容为材料选择、参数设 计和计算以及精度校验：此外还要对各种可调整结

3、构进行结构设计。2.1 波纹管波纹管是一种具有环形波纹的圆柱薄壁管，如图3所示。在压力 或轴向力的作用下，波纹管伸长或缩短。由于波纹管在很大的变形范围内 与压力具有线性关系，有效而积比较稳定，因而被广泛用作测量或控制压 力的敏感元件.考虑到波纹管的滞后误差较大以及刚度较小，所以，本设 计选择奖波纹管与圆柱螺旋弹簧并联使用。图3波纹管用于制造波纹管的材料主要有不锈钢、锡青铜和被青铜等。参考教材（见参考文献1,下同）选材说明可知锡青铜qsn6.5-0.1在 仪表中使用较多，因此本设计选择锡青铜qsn6.5-0.1作为波纹管材料。波纹管的尺寸规格已按内径标准系列化（jb“6169-2006）, 一般

4、将波 纹管的内径或外径作为基本尺寸，其他尺寸以此为基准按比例确定。考虑 到本设计空间限制，选取波纹管外径d = 20mm.根据jb/t6169-2006 （教材表15-10）查得其他参数如表1所示。表1波纹管部分参数表内径d12mm波距q2.1mm配合端长度ld3 mm单波轴向刚度k单41.5n/mm参照图册（见参考文献，下同）案例仿照选取波纹数n10.由此计算波纹管刚度为降 41.59kd=4.15n / mm波 n. 10有效而积为4 =靠(。+ )2 =靠(20+12)2 = 201.062?/选取端部结构为nn结构，如图4所示。图4波纹管两端内配合结构则计算得波纹管原长lj = nq

5、+ 2* = 10x2.1 + 2x3 = 27 mm2.2 圆柱螺旋压缩弹簧圆柱螺旋压缩弹簧是用线材绕制成的空间螺旋形的弹性元件，在仪器 中使用十分广泛，其一般结构如图5所示。图5圆柱螺旋压缩弹簧本设计选取常用弹簧材料碳素弹簧钢丝c级（ii级）。由教材表15-3 查得该材料部分参数如表2所示。表2碳素弹簧钢丝c级（h级）参数表许用应力力0.4/弹性模量e206250mpa切变模量81500 mpa由教材表15-4查得拉伸强度极限 = 2080mpj其中预估弹簧丝直径出=l 2mm.于是可以计算得到r = 04bb = 04 x 2080 = s32mpa考虑到仪表空间限制，选取弹簧中径dt

6、= 10mm由此算得环绕比为c 号唱= 8.3330.615 4x8.3331 0.615曲度系数为= 1.176+=+4c-4 c4x8.333 4 8.333选取工作圈数n2 = 7则可以计算得到弹簧刚度为gel4 81500xl.24 czcn,kp =： =；= 3.018n / nun/8x103x7 一下而分析该压缩弹簧受到的最大轴向力4”工作载荷范围为f =ap- 4 = (0.12 0.02) x 201.062 = 20.106n工作时，弹簧与波纹管并联，如图6所示。19图6弹簧与波纹管并联弹簧与波纹管并联刚度为k 产（ + kj 产3.018+4.15=7.168n / m

7、m工作位移为20,1067.168=2.805mm波纹管预紧位移为sfv = 1.25s1 =1.25x 2.805=3.506mm弹簧预紧位移为k波s伟 4.15x3.506 )=.=4.821mm3.018弹簧预紧力为七并二勺，噌=3.018x4.821 = 14.5507v工作时，最大载荷位移量为pm” a 0.12x201.062 个 c j =5 =3.366mm7.168弹簧受到最大载荷为/工=4弹 + s= 14.550 + 3.366 x 3.018 = 24.709n8/cc3 = - = -!-=0.952mmd. = 1.2mm 卜 ct. 10.5可见满足强度条件。选取

8、弹簧端部结构为两端并紧磨平，取在距p = 0.35d. = 0.35 x 10 = 3.5mm则弹簧原长为“0 =+ 1 754 =3.5x7 + 1.75x1.2 = 26.6mm2.3 曲柄滑块机构我们知道曲柄滑块机构是传功特性较复杂的非线性机构，但是曲柄滑 块机构存在一个较小的线性工作区间，只要在此区间内，并且非线性度不 超过允许值，就可以认为是线性机构，因此广范应用于测量仪表之中。曲 柄滑块机构如图7所示。具体而言，当产0且d=a时曲柄滑块机构处于线性区，设计时取此 状态为中间位置，工作区间以此对称分布以减小非线性误差。_0 ,图7曲柄滑块机构选取杆的材料为黄铜h80.以、升b、i 5

9、, =5r=2.805mm 已知输入范围为8 r取输出范围则线性处有 sg1 _14乃/180a. 2.805= 0.0871于是求得诙=11481s = = 取偏轴距dp =，则相对偏轴量”义=乡=3,266。取相对杆长处 ,则伪=37.5皿已知误差验算公式为与=xl00%sr可知实际位移为s&： =5 (sina-sin/)=11.481 x(sin7-sin(-7)=2.798mm于是由最大非线性误差2.798-2,8052.805xl00%=0.24%2%可见此组参数满足精度要求。为了全面直观的对曲柄滑块机构的非线性度有一个了解，下面使用 matlab软件进行误差曲线绘制，结果如图8所

10、示。由曲线可知，最大误 差为0.24%,满足精度要求.程序代码见附录。图8曲柄滑块机构非线性误差曲线2.4 钱链四杆机构本设计选取钱链四杆机构中的双摇杆机构作为角度放大机构。我们知 道，四连杆机构具有非线性特性，但是在如图所示的位置附近却具有近似 线性的特点。其中，在极限位置的非线性误差最大，我们只需要保证在两 个极限位置的非线性误差满足精度要求，整个机构就具有合格的精度要 求。同理，设计时取此状态为中间位置，工作区间以此对称分布以减小非 线性误差。图9双摇杆机构线性位置选取杆的材料为黄铜h80.已知输入范围为gt已知输出范围为匕田0. a 1二 于是计算得到传动比c2 = 5.395 mmb

11、2 = 50 mm则 d2 = m-y+b? = 5.414-5.395)2+5()2 = 5o.99477已知误差验算公式为5=亚=世一士 xloo%匕 匕其中实际输出角为小 sin (p- b、2 + c，+ / 一 2a、d, cos (pw； = arctan=+ arccos - -d2 - % cos(p2c2 qa； + d： - 2a. cos (p经计算，得到最大非线性误差为2 =96%2% 由此可见本设计参数满足精度条件要求。为了全面直观的对双摇杆机构的非线性度有一个了解，下面使用 matlab软件进行误差曲线绘制，结果如图10所示。由曲线可知，最大 误差为0.96%,满足

12、精度要求。程序代码见附录。图8双摇杆机构非线性误差曲线3 .结构说明3.1 预压缩调整与零位调整预压缩调整与零位调整均由件io带孔螺柱实现，调整时先松开开件 38开槽平端紧定螺钉，然后调整件10使其旋至预置位置，即件10下端和 与件10联接的带螺纹孔座下端平齐处，这样就可以完成预压缩。但是由 于制造和安装误差等众多因素，此时指针不一定按预期指向零位，仍然需 要进行零位调整。进行零位调整时，需要输入零位输入信号0.02mpa,再 松开开件38开槽平端紧定螺钉，调整件10使指针指向零位。调整完成后, 拧紧件38开槽平端紧定螺钉进行锁紧。3.2 指针范围调整刻度范围调整通过改变校链四杆机构主动摇杆长

13、度实现，具体而言， 就是调整件6和件33的联接位置。调整时，需要输入最大工作信号 0.12mpa,再松开联接件6和件33的开槽圆柱头螺钉，调节件6进入件33 槽的长度，使指针指向对应位置。调整完成后，拧紧联接件6和件33的 开槽圆柱头螺钉。3.3 非线性调整非线性调整由调节件32差动杆也就是钦链四杆机构的连杆来实现。 差动杆采用旋向相同的两个螺纹联接形成差动机构，可以微调连杆长度。 由于杆机构在设计时取中间位置为线性位置，因此调整时，需要输入中间 位置信号0.07mpa,然后调行件32中的螺母，使指针指向对应位置。如果 相差较大，可以粗调节指针，然后再调行差动杆。具体方法是松开联接指 针套筒与

14、指针轴的紧定螺钉，然后拨动指针直至对应位置附近，再拧紧该 紧定螺钉，微调节差动杆。3.4 表盘调整表盘需要进行上下和左右两个方向的调整。上下调整由调整件4表盘 支架完成，调整时先松开联接件4和件9表壳的开槽圆柱头螺钉，然后上 下移动件4使指针针尖与件3表盘刻度而间距恰当，既不太远避免视差， 也不要太近以防接触。调整完成后拧紧联接件4和件9表壳的开槽圆柱头 螺钉。左右调整时先松开联接件4与件3表盘的开槽圆柱头螺钉，然后左 右移动件3使表盘处于合中间对称位置。3.5 超负荷限位调整超负荷限位调整由件8限位杆完成。调整时需要输入超负荷信号 0.15mpa,然后调整件8使其上端面和件18波纹管下座恰好

15、接触。3.6 调整说明由于各项调整内容之间互有影响，因此调整时需要反复逐渐调整已达 到各项要求。4 .改进意见1）首先是选取比例的问题。本次设计之初由于比例选择不当而造成 了一定的延误，原因是比例选择过小使得图纸利用不够充分。在以后的绘 制中，一定要先做出一个较为细致的图纸规划，提前确定好视图的个数， 预置出标写件号和尺寸线的位置以及明细栏的位置，然后确定绘图比例， 原则是尽可能地充分利用图纸而且比例符合标准。2）其次是图纸的洁净度。由于画图大而且维持时间长，很容易污损 图纸降低图纸质量。因此在画完一部分后可以用干净的纸遮住该部分。同 时减少手与图纸的接触，手下可垫一张纸。用尺子是要轻压，尤其

16、是在平 移时。此外，用过一段时间后要将尺擦拭干净后再继续使用。3）在绘图是当绘制到标准件时，查到参数后可以用一张纸记录下来,以方便在填写明细栏时节省时间。4）在标注零部件号时一定要细心，切不可出现重复标注和漏标的情 况，否则就需要做大量的改动。5）在进行非线性度误差校验时，由于计算公式复杂，一旦发现参数 不可取就需要在重选参数后再次校验，耽误时间。为此可以先编写一个 matlab程序，每次检验只需简单地修改几个参数即可。实践证明，此法 的确有效。在设计杆长时，初期没有注意到对指针支撑件位置的影响，使 其不再中间位置，需要解方程重新确定杆长以及进行适当调整，这样就节 省了一些时间，同时避免了计算

17、错误引起的不好后果。6）在设计各种结构时，需要有工程思想，切不可随意构想。要考虑 到零件的制造、加工以及安装，以结构简单而又实现功能为准。同时对于 需要调整的机构，就需要设计出便于调整的结构。此外，件与件之间的联 接最好选择可拆联接。7）关于新旧标准的问题。由于缺乏经验和对最新情况的了解，导致 不知不觉中使用了旧标准。因此，在参阅资料时应尽可能选择最近出版的 书籍。8）关于材料的选择。由于缺乏对众多材料的了解，导致材料选择不 当。为此，可以参考现成的图纸进行选择，类似的结构可以选择类似的材 料。9）关于标准件。此次设计中使用到得零件尺寸很小，查找选用不太 方便。应该借阅小尺寸标准件的手册。5

18、.心得体会此次机械学基础课程设计不到两周，但在此期间，我收获颇多。最直接的感受就是一种因为专注而带来的充实。我以为世间最快乐的 事情之一就是能够有一段专门的时间去专心做一件专门的事情。虽然中途 不得不挪出三个晚上和一个下午准备项目学习答辩，但整体上这两周我几 乎将全部的精力都投入到了绘图的工作中。每天就去思考仪表中的结构， 连吃饭时还和同学一起讨论，很充实。在此期间，也锻炼了我的交流能力, 大家一起去探讨一件事，各抒己见，相互理解。此外，这也是一种享受的过程。仅对设计本身来说，自己亲自设计参 数、结构，然后漂漂亮亮地画出来，看着特别舒服。虽然避免不了这儿一 点那儿一点的错误，但毕竟是自己一笔一

19、划认认真真完成的。虽然有点辛 苦，每天站好几个小时，甚至后几天腿都站疼了，但是都很值得。认真不 仅是一种态度，其实还是一种感觉。当我专注于细l为了在不擦到需要 的线条的情况下擦掉辅助线而不惜切下一小块橡皮，为了给小零件打上剖 而线而近距离作业时，为了给结构复杂的地方加粗实线而特意用细铅笔反 复加粗时，都会感到踏实。正如老师所说，此次课程设计是一次很好的实践机会。我们学习这门 课程，理论知识学了不少，但一直没有应用的机会。然而，在此次课程设 计中我们几乎用到了课程所学的大部分重要知识，同时深深体会到了理论 与实践的相通之处和不同的地方，深化了对课程的理解。还有一点体会就是自身知识的贫乏以及经验不

20、足的无奈。尤其是在像 这样类似于工程设计的任务，需要考虑地相当周全与细致，不仅要根据理 论设计，还要兼顾工程实际。有时遇到鱼和熊掌不可兼得的情况，还需舍 鱼而取熊掌也。最后，这次课程设计然我更加体会到了做事不可心浮气躁的道理。要静下心来一步一步的做，脚踏实地按进度走，不要想加快完成而降低质量, 当然更不可拖拖拉拉。稳中求快是原则。总而言之，这次课程设计是我人生中一次难得的体验，很锻炼能力与 心智。经历过这样一次洗礼，无论是在学习的道路上还是在人生的路途中 都会变得更加成熟与稳重。6 .参考资料1蒋秀珍，机械学基础（第二版），科学出版社，2011.05蒋秀珍，“机械学基础”综合训练图册（第三版），科学出版社,2010.043尚元江等，工程制图基础，黑龙江人民出版社，2003.07附录function gkl()n= 10000;a = 11.481;b = 37.5;d = a;jiao = 14*pi/180;s = 2.805;a2fao = -j iao/2;a2fa = linspace(a2fa0,(a2fa0+jiao),n);for i = 1:1: nss (i)=a* (sin (a2fa (i)-sin(a2fao)+b*(sqrt(1-(a*cos(a2fao)-d) /