毕业设计（论文）-三点弯曲与强酸耦合场下材料力学性能测试仪的设计

毕业设计任务书课题：三点弯曲与强酸耦合场下材料力学性能测试仪的设计专业机械设计制造及其自动化学生姓名班级D机制131学号指导教师专业系主任发放日期20XX年12月31日摘要在日常的生产制造及其检验的过程中，材料、构件以及装置时常工作在弯曲的工况下。比如象桥式起重机的大梁、火车的轮轴、镗刀杆、力学测试中的微悬臂梁、微桥等等。研究这些对象在弯曲工况下的力学性能参数以及微观变形、损伤及其断裂机理显得尤为重要。然而产业化的材料力学性能测试仪器，如拉伸、三点弯曲、扭转等测试装置都只具备普通环境的测试功能，并不具备复杂环境下加载的功能。面对正常服役状态下的材料力学性能很难保证精度更高的参数计算与可靠性计算。因此，基于上述问题的存在，通过空间的合理安排、结构的兼容，研制并开发一台复杂环境测试仪器显得尤为必要。通过多种功能的实现，结合力学、材料学、控制学等多门技术，对提出的理论进行试验验证，并为今后的材料科学领域提供重要支撑。综上所述，本文的研究重点是研制、开发一台三点弯曲与强酸耦合场下材料力学性能测试仪，在三点弯曲测试的基础上，具体进行总体设计、夹具设计及强酸环境密封盒设计。产品用途为开展材料在强酸条件下三点弯曲材料力学性能参数的测试。关键词：三点弯曲，强酸耦合场，材料力学

AbstractIntheprocessofdailyproductionandinspection,materials,componentsanddevicesoftenworkunderbendingconditions.Forexample,asthetrainbridgecranegirderaxle,boringbarandmechanicaltestingofmicrocantilevermicrobridge,etc..Itisveryimportanttostudythemechanicalpropertiesoftheseobjectsandthemicrodeformation,damageandfracturemechanism.However,theindustrializationofmechanicalpropertiesofmaterialstestingequipment,suchastensile,threepointbending,torsionandothertestdeviceshaveonlythegeneralenvironmentofthetestfunction,doesnothavethefunctionofloadingincomplexenvironments.Itisdifficulttoensuretheaccuracyoftheparametersandthereliabilityofthematerialundernormalservicecondition.Therefore,basedontheaboveproblems,itisnecessarytoresearchanddevelopacomplexenvironmenttestinginstrumentthroughthereasonablearrangementofthespaceandthecompatibilityofthestructure.Throughtherealizationofvariousfunctions,combinedwithmechanics,materialsscience,controlscienceandmanyothertechnologies,theproposedtheoryistestedandverified,anditprovidesimportantsupportforthefutureofmaterialscience.Insummary,thisstudyfocusesontheresearchanddevelopmentofathreepointbendingandstrongcouplingfieldofmaterialmechanicsperformancetestinginstrument,basedonthreepointbendingtest,specificdesign,fixturedesignandsealingboxdesignstrongacidenvironment.Thepurposeofthispaperistotestthemechanicalpropertiesofthreepointbendingmaterialsunderstrongacidcondition.Keyword:ThreepointbendingStrongacidcouplingfieldMaterialmechanics

目录摘要 2Abstract 3第1章绪论 61.1研究背景及意义 61.2国内外研究现状 81.2.1材料测试技术的发展综述 81.2.2三点弯曲测试仪现状 81.3本文主要研究内容 9第2章三点弯曲测试装置的设计分析 112.1弯曲测试仪器设计理念 112.2三点弯曲测试装置的整体设计方案 112.3三点弯曲测试的基本理论 122.4三点弯曲测试仪的工作原理及结构组成 15第3章弯曲测试装置的机械结构设计 173.1电机的选型计算 173.2齿轮传动设计计算 183.3链传动计算 213.4蜗轮蜗杆传动计算 233.5导轨的选型计算 273.6丝杠的选型计算： 273.7强酸环境密封盒设计 27第4章三点弯曲测试装置的性能测试与校准 293.1三点弯曲测试仪位移输出特性的描述及力传感器的标定 293.1.1输出特性试验 293.1.2力传感器标定 303.2三点弯曲测试装置的误差分析 313.3三点弯曲测试装置的校准方法 32总结 34参考文献 35致谢 36

第1章绪论1.1研究背景及意义材料科学是人类科学发展的基石，无论是航天技术还是微观纳米材料技术，离不开材料科学的支撑。随着新材料和新技术的出现，材料性能测试技术逐渐成为衡量这些产品的可用性和服务性能的重要手段。材料力学测试技术是最重要的。随着科学技术的发展，材料的使用也越来越多样化，使用条件也越来越复杂，造成材料的失效不仅十分复杂，材料的破坏所造成的危害也往往十分沉重。这些痛苦的后果的根源是缺乏测试能力所使用的材料。图1.1所示为某些典型材料及其制成品在实际工作环境下的宏观失效形式以及可能造成这些失效的微观力学行为。图1.1材料在实际工作环境下失效的宏观表现及微观力学行为由此可见，断裂破坏机理深入研究材料和产品在各种载荷、物理场、微观力学行为方面的材料，探索在实际工作条件下材料在各个领域随着现代社会的发展，具有十分重要的意义。为了获得弹性模量、剪切模量、抗弯强度等力学参数，采用传统的材料力学试验技术获得了失效模式。然而，在服务条件下，材料及其制品的环境更为复杂，其可靠性和耐久性也会受到不同程度的影响。随着材料力学性能研究的不断深入，传统的单载荷测试技术已不能满足材料科学和技术的要求。因此，开发复杂环境下材料力学性能测试仪器具有重要意义。研究结果为复杂环境下的力学性能研究提供了重要的科学依据，为今后的产品设计、制造、寿命预测和可靠性评估等方面，将开创整个材料科学技术的新纪元。在日常生产和检验过程中，材料、部件和设备经常在弯曲条件下工作。例如，作为列车桥吊梁桥、镗杆和微悬臂桥的机械试验等。研究这些材料的力学性能和微观变形、损伤和断裂机制是非常重要的。然而，机械化的材料测试设备的产业化，如拉伸，三点弯曲，扭转等测试设备只有测试功能的一般环境，在复杂的环境中没有加载功能。在正常使用条件下，材料的精度和可靠性难以保证。因此，基于上述问题，有必要通过合理布置空间和结构的兼容性来研究和开发复杂的环境试验仪器。通过各种功能的实现，结合力学、材料科学、控制科学等诸多技术，对所提出的理论进行了检验和验证，为材料科学的未来提供了重要的支持。综上所述，本文的研究重点是研制、开发一台三点弯曲与强酸耦合场下材料力学性能测试仪，在三点弯曲测试的基础上，具体进行总体设计、夹具设计及强酸环境密封盒设计。产品用途为开展材料在强酸条件下三点弯曲材料力学性能参数的测试。1.2国内外研究现状1.2.1材料测试技术的发展综述在工业发展的初期，为了研究材料的基本力学性能，研制了早期机械拉伸试验机。随着科学技术的发展，拉伸试验机的加载方式已经由传统的机械式向液压式、电子式加载方向发展。的机械负载的驱动原理主要由电机驱动，通过减速器带动丝杠加载；液压控制液压加载系统采用伺服电机和减速器；电子调速控制系统，与机械负荷、过流、过压、过载保护功能。后来发现，某些材料的失效不仅是由剪切应力引起的拉伸正应力的结果，也是材料失效的主要原因，材料力学性能试验方法也逐渐增多。由于材料内部六自由度应力应变的变化，不同的自由度逐渐出现了扭转、弯曲和剪切的试验方法。这些方法的出现使材料在不同载荷下的性能参数更加完善，并且发现不同载荷下的失效模式也不同。1.2.2三点弯曲测试仪现状传统的三点弯曲试验一般是在万能材料试验机上进行的。标准样品被放置在测试的一定跨度的支持。根据被测零件的塑性不同，试验件可分为脆性材料和塑性材料。对于脆性材料，通过三点弯曲试验，弯曲弹性模量，可以测定规定非比例的弯曲应力，残余弯曲应力和弯曲强度和断裂参数如弯曲变形；试验失败不能使塑料材料好，所以没有测量塑料材料的弯曲断裂强度和挠度。但通过在弯曲过程中的性能测试，塑料可以比较不同的材料，经过测试，该弯曲试样外表面可以检查是否完好，有无裂纹、裂缝、裂纹和断裂的评价，还可以检查是否有其他缺陷的试验，如横向和纵向裂缝，剥落，剥落或折叠等。由于三点弯曲载荷更符合实际工作条件下的结构构件和功能部件在实际生产中的应用，所以常采用弯曲试验。根据驱动方式的不同，万能试验机可分为机械万能试验机、液压万能试验机和电子万能试验机。随着科学技术的飞速发展，材料更广泛的应用领域，工作环境变得更为复杂，在原有对万能试验机的基础上，为进一步扩大试验机试验机的功能，具有特殊的功能，可以在高温度、工作温度低，高压力，高速度和复杂的条件。国外传统万能试验机的生产厂家，早期的有东德国营莱比锡材料试验机厂；中期的主要有日本岛津公司、美国美斯特公司；近期的有美国英斯特朗公司、德国兹维克公司等。国内的试验机生产厂家主要有长春机械科学研究院、上海华龙测试仪器有限公司、上海德杰仪器设备有限公司、上海中晨数字技术有限公司、济南科汇试验设备有限公司等。图1.2为传统万能试验机的类别。图1.2万能试验机的分类1.3本文主要研究内容根据三点弯曲以上研究现状，本文提出了一三点弯曲和材料力学性能测试装置的强耦合场；在加载过程中进行分析，通过框架弹性挠度测试环的阴影引起的测量误差，并提出了相应的校正公式。本文的主要研究内容可分为以下几个方面：(1)从材料力学基本原理出发，对弯曲载荷进行了理论计算及测试方法的的研究，结合TBT和MCFT等相关力学原理，提出了材料内部任意截面弯曲载荷的应力模型。(2)结合力学性能测试的基本要求，本文研制了一台整体尺寸小，输出载荷大，开展材料在强酸条件下三点弯曲材料力学性能参数的测试装置；并对文中所提装置的结构组成、关键零部件的静动态性能、装置的输出特性、以及电控系统等内容进行了详细的阐述。(3)文中分析了在加载力的作用下，由测试系统的变形对被测试件挠度的测量带来的误差，并提出了挠度校准的算法，对该装置所测得的挠度值进行了修正，同时采用试验的方法对所提出的校准算法进行验证，以论证该校准算法的正确性和普遍性。

第2章三点弯曲测试装置的设计分析本章以三点弯曲试验样机的宏观尺寸为研究对象，对试验装置进行了总体设计和结构设计，分析了试验装置关键部件的静、动态性能。2.1弯曲测试仪器设计理念弯曲试验设备的设计理念应满足高质量、低成本和核心竞争力的基本要求。高质量是指弯曲试验装置可以具有稳定性的重要因素，在弯曲试验的准确性和可靠性，稳定性试验误差必须说在同样的环境下同样的材料满足波动的允许范围内，通过对相同材料的重复弯曲试验曲线反复试验可以确定它们是否满足稳定性要求。准确地反映弯曲试验装置的精度，包括传动部件的精度、力传感器的分辨率和控制单元的检测精度。材料力学性能参数的测定精度弯曲试验装置试验，通过试验数据与相关机构国家认可的，如果结果之间的差异，符合国家标准的材料力学测试，你可以确定它是否满足精度要求。低成本是指避免复杂的机构，减少不必要的代理成本；合理的结构设计，确定了检验理论和有限元的关键机构的最优尺寸，避免由于弯曲试验装置过负荷故障，降低材料的使用成本；以满足精度要求，避免差在传感器的精度和精密机械。核心竞争力是指仪器设计中的相应特点和创新。为了满足上述要求，也满足市场需求，满足当今科技发展的需要。最后，还要考虑函数展开和形状设计。基于以上思路，本文设计了多载荷试验机弯曲试验装置。2.2三点弯曲测试装置的整体设计方案本文研制的三点弯曲试验装置的主要功能是在强酸性环境下获得样品材料的三点弯曲力学性能。这就要求测试设备的整体结构要紧凑，体积小，重量轻，同时需要保证负载，酸不能泄漏，不能溢出。该试验装置的输出负载大、加载速率范围宽，满足了试验要求不同的操作条件下的样品的不同需求，采用伺服电机，齿轮传动，链传动，蜗杆的减速比大，通过滚珠丝杠三点弯曲载荷的标本。首先，伺服电机具有较大的减速比，蜗轮蜗杆减速器可以实现较大的输出载荷，同时，通过滚珠丝杠，不仅能够实现将电机的旋转运动转换为最终的直线运动，还可以使该测试装置的加载速率达到1μm/s，更接近于静态加载。这种设计方案除了具有以上所述的优点之外，还可以通过蜗轮蜗杆实现自锁，该功能对于试件在加载过程中，遇到感兴趣的现象时，可以通过自锁对试件进行保载，之后获取高精度的扫描图像。为了尽可能的减小由于加载和负载力线的不重和而产生的倾覆力矩对试验结果造成的影响，文中采用了双丝杠的设计方案，采用两根平行的滚珠丝杠，通过置于其中间的丝杠螺母对样本试件进行加载。2.3三点弯曲测试的基本理论通常情况下，材料的横截平面最多受到六个应力作用，如图2.2所示两个剪力Vy、Vz，两个弯矩My、Mz，轴向力N和扭矩T。不同的材料性能测方法对被测试样施加的载荷也表现不同，如拉伸测试只会对材料的截面产生正应力N的作用，扭转测试会对材料的表面和内部产生剪切力T，同时会对试件内部截面施加一个正应力。其中平面弯曲在截面上的作用力只有Fq和Mz图2.2理想截面应力图在实际工程应用中，有许多零部件（如车桥、车桥等）。因此，有必要采用弯曲试验方法来测试材料的弯曲性能。三点弯曲试验是将试样的圆形或矩形截面放在弯曲装置上，调整跨度，然后在弯曲试验中加载试样直到指定的弯曲角或断裂为止。下面是一个矩形截面（梁杰苟）为例，描述三点弯曲试验的基本原理。根据实验结果，我们可以假设，在原截面弯曲变形前的平面，垂直于轴线的平面内弯曲变形后仍然，仍然弯曲梁的变形，这是平面弯曲变形的假定。为了把抽象问题形象化，我们可以设想梁是由无数层纵向纤维组成的。在发生弯曲变形后，例如发生了如图2.2所示的下凸弯曲。图2.2梁的弯曲示意图这将不可避免地导致纤维伸长附近的底部，纤维缩短附近的顶面。根据前面提到的平面假设，横截面保持平面，所以高度沿横截面的纤维伸长逐渐缩短纤维的底面，所以必须有一个中间层的纤维长度保持不变，这一层称为中性层的纤维。中性层与横截面的交点称为中性轴。显然，中性轴的横截面分为两个区域，一个被拉伸的区域，另一个区域接收压缩，使每个截面在弯曲过程中形成围绕中性轴的旋转。下图为三点弯曲加载的理论模型：图2.3三点弯曲加载的理论模型图三点弯曲梁在加载时，中性层以上纤维受压、以下纤维受拉，理论上横截面上正应力沿梁高呈线性分布，即σ=式中，Iz为横截面对形心轴z轴的惯性矩，y为截面计算点的y轴坐标值，Mx为图中所示梁的弯矩图确定的作用于距加载点M梁危险点的最大正应力应力σ=三点弯曲力学性能指标的计算方法:在进行三点弯曲试验时，试样断面上的应力分布是不均匀的，其中表面应力最大，中心应力为零，这样就可以比较灵敏地反映出材料的表面缺陷情况，以此来检查被测试件表面质量。此外，弯曲试验也可以测定脆性材料以及低塑性材料的一项或多项弯曲力学性能指标，如弯曲弹性模量Eb、抗弯强度σbb、断裂挠度1、弯曲弹性模量E在传统的三点弯曲测试过程中，施加在试件中点的载荷F由力传感器直接测得，用挠度计测量跨距中点处的挠度，然后对试样连续施加弯曲力，所得的曲线如图2.3所示。图2.3弯曲测试中的载荷-挠度曲线示意图对于矩形试件来讲，EI=其中，Ls为三点弯曲测试中的跨距；b、h2、抗弯强度σbb、断裂挠度将试样对称地安放于弯曲试验装置上，对试样连续施加弯曲力，直至试样断裂。从记录的载荷-挠度曲线上读取最大的弯曲力Fbb,按照公式计算抗弯强度σσW=在测试过程中，断裂瞬间跨距中点的挠度即为断裂挠度fbb2.4三点弯曲测试仪的工作原理及结构组成该测试仪器主要由精密驱动单元、传动及执行单元、信号控制及检测单元组成。测试仪的整体尺寸为：475mm×343mm×546mm，最大输出载荷为1000N，载荷的分辨率小于10mN,挠度的分辨率小于10μm。其中，驱动单元以及传动单元主要由直流伺服电机、弹性联轴器、一级齿轮传动、链传动、蜗轮蜗杆传动机构以及滚珠丝杠等部分组成。文中将直流伺服电机置于仪器的侧面，蜗轮蜗杆的减速比均40：1，这种大减速比利用减速增扭的原理可满足文中提到的1000N的输出载荷；同时结合导程为2mm的精密滚珠丝杠，还可实现1μm/s甚至更小的加载速率，通过调整伺服电机的转速，该测试仪对试件的加载速率范围为1μm/s-100μm/s，可以满足不同速率的加载和卸载需求。借助于蜗轮蜗杆的自锁功能，该测试仪可以通过保载的方式对试样进行观测。为尽量减小在三点弯曲测试过程中，由于加载力线和负载力线不重和引入的倾覆力矩对测试精度造成的影响，文中将两根滚珠丝杠平行布置，这样可以使得与压头联接的螺母块的中心和滚珠丝杠的中心重合，尽可能的减小了倾覆力矩带来的测量误差。力传感器和与电机联接的光电编码器组成该测试仪的检测单元。力传感器（韩国SM609-A）与压头通过螺纹连接，直接测得加载过程中的加载载荷；光电编码器检测电机的转数，通过总减速比和丝杠的导程间接测得试样的挠度。测试仪的控制系统如图2.5所示，包括PC机，电机驱动器，A/D采集卡等部分组成。PC机发出指令控制电机驱动器，继而控制伺服电机旋转，伺服电机把编码器反馈的信号通过电机驱动器传给PC机形成半闭环控制。图2.5三点弯曲测试仪控制原理示意图

第3章弯曲测试装置的机械结构设计弯曲测试装置的机械结构主要分为驱动单元、传动单元、信号传递和检测单元三个部分组成。驱动单元是由安川电机SGMJV-01ADA61配合安川自带减速器APEX输出扭矩.弯曲电机与减速器螺栓连接，通过电机支座固定在底板上，减速器与联轴器键连接，将弯曲电机输出的扭矩传递到传动模块。传动单元包括THK-EK型丝杠模组、THK-BNK导轨、支撑板、螺母块和压头。丝杠模组通过联轴器将电机输出的扭矩转变为力矩，配合导轨推动支撑板的运动传递给压头。实现电机旋转运动转变为压头的直线运动。信号检测单元主要包括电机自带的光电编码器采集信号和力传感器采集信号。装置的功能原理是电机输出扭矩，通过联轴器与丝杠模组连接将轴的旋转运动转变成x轴方向直线运动，并在支撑板另一边将力传感器和压头螺纹连接，最后由压头对试件施加载荷完成被测试件的挠度和载荷的测量。3.1电机的选型计算（1）电机功率PmPFi是压头施加的弯曲力（N），v为弯曲加载速度m/s，ηt为总效率，其中ηt=η1∙η2∙η3∙η4∙η5∙η6，η1为减速器效率，η2为联轴器效率，η3P（2）电机转速n计算：由于减速器减速比为100，因此最小电机转速：n最大电机转速：n（3）电机转矩输出计算：丝杆输出的转矩：M丝杠输出的扭矩为0.663N·m,由于减速器减速比为100，电机输出的扭矩为0.00663N·m。综上，选取的电机型号为额定功率100W、额定转速为3000r/min、额定转矩为0.318N·m、安川SGMJV-01ADA61。3.2齿轮传动设计计算1）选择齿轮类型，材料及精度等级①根据传动方案及设计要求可初选为直齿圆柱齿轮②根据参考文献[3]表6-19因为载荷小，且要求，所以可以选用8级精度。③查参考文献[1]表10-1选小齿轮材料为40C（调质），齿面硬度为241~286HBS，取270HBS。大齿轮选用45钢（调质），齿面硬度为217~255HBS，取230HBS。根据参考文献[2]P192的要求，大，小齿轮均属软齿面，二者硬度差为30~50HBS，（此处相40HBS）。④齿面粗糙度查参考文献[4]表5-6，得⑤确定齿数取小齿轮齿数为=25，传动比为，则大齿轮齿数为=（2）按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式参考文献[2]进行试算，即[1]确定公式内各计算数值①试选载荷系数Kt=1.2②计算小齿轮传递转矩③查参考文献[2]表10-7选取齿宽系数=1④查参考文献[2]表10-6的材料弹性影响系数=189.8⑤查参考文献[2]图10-21d，按齿面硬度查得小齿轮接触疲劳强度极限同理，小齿轮接触疲劳强度极限⑥查参考文献[2]计算应力循环次数小齿轮：大齿轮：=/=3.341/4=0.835⑦查参考文献[2]图10-19，选取接触疲劳系数⑧计算接触疲劳许用应力齿轮和一般工业齿轮按一般可靠度要求，选安全系数S=1，失效概率为1%。查参考文献[2]得[2]计算①试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值即注：齿数比u与传动比i相等②计算圆周速度v，满足第（1）②中的要求。③计算齿宽b④计算齿宽与齿高之比b/h模数mt=齿顶高ha=mt=1.619mm齿根高hf=1.25mt=1.25×1.619=2.024mm齿全高h=ha+hf=2.25mt=3.643mm齿宽与齿高之比b/h=40.468/3.643=11.108⑤计算载荷系数根据，8级精度，查参考文献[2]图10-8得动载系数Kv=1.09;查参考文献[2]表10-3得直齿轮齿间载荷分配系数查参考文献[2]表10-2得使用系数；查参考文献[2]表10-4，用插值法查8级精度小齿轮相对支承对称不知，接触疲劳强度计算用的齿向载荷分布系数;查参考文献[2]图10-13，根据b/h=11.108，得弯曲强度计算的齿向载荷分布系数载荷系数K=Kv1×1.09×1×1.343=1.464⑥按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径，查参考文献[2]得⑦计算模数(3)按齿根弯曲强度设计查参考文献[2]得弯曲强度的设计公式为：①确定公式内的各计算值查参考文献[2]图10-20c得小齿轮弯曲疲劳强度极限；大齿轮弯曲疲劳强度极限。查参考文献[2]图10-18取弯曲疲劳寿命系数;计算弯曲疲劳许用应力按一般可靠度选取弯曲疲劳安全系数S=1.3查参考文献[2]得：计算载荷系数KK=Kv1×1.09×1×1.295=1.412查参考文献[2]表10-5,取齿型系数;;应力校正系数,.计算大，小齿轮的/并加以比较/=2.62×1.59/332.308=0.01254;/=2.18×1.79/263.077=0.01483.大齿轮数值大，取大值。②设计计算==1.262mm③分析对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度的是的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数1.262并就近圆整为标准值m=1.5mm，按接触疲劳强度算得的分度原直径d1=43.241mm,算出小齿轮的齿数：;小齿轮的齿数：。这样设计出的齿轮传动既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。（4）几何尺寸计算①计算分度圆直径：d1=z1m=29×1.5=43.5mm;d2=z2m=116×1.5=174mm.②计算中心距：a=d1+d2/2=43.5+174/2mm=108.75mm.③计算齿轮宽度：b=d1=1×43.5=43.5mm;为补偿齿轮轴向未知误差，应该使小齿轮宽度大于大齿轮宽度，一般b1=b+(5~10)mm,所以此处=43.5mm;=48.5mm。3.3链传动计算根据i=Z3/Z2’=2.65,取Z2=25，则Z3=i23z2’=25*2.65=66.25,取Z3=66确定链节距P=PⅠ=2.77Kw，查得工矿系数KA=1.0，小链轮齿数KZ=0.74，多排链系数KP=1.75，代入上式得=1.17Kw根据1.17Kw，及n=271.2r/min，选定链轮型号为08A，节距为12.7mm，验算链速=1.43m/s<15m/s链速适宜计算链节数与实际中心距初定为40p链节数=126取链节为126节实际中心距=504.35计算对轴的作用力取Kq=1.25，=2421.2N计算链轮的主要几何尺寸分度圆直径3.4蜗轮蜗杆传动计算蜗杆的设计选择蜗杆传动类型根据GB/T10085-1988的推荐,采用渐开线蜗杆(ZI).选择材料考虑到蜗杆传动功率不大,速度只是中等,故蜗杆用45钢;因希望效率要高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋齿面要求淬火,硬度为45-55HRC.蜗轮用铸锡磷青铜,金属模铸造.为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造.按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则,先按齿面接触疲劳强度进行设计,再校核齿根弯曲疲劳强度.由参考文献1中式(11-12)计算传动中心矩:根据书中表11-1，取蜗轮上的转矩确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数；由参考文献1中表11-5选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数；则：确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故。确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值为0.35，从图参考文献1图11-18中可查得。确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度>45HRC，可以从文献1表11-7中查得蜗轮的基本许用应力。应力循环次数寿命系数则=·=0.61×268=163.48计算中心距取a=125mm，因i=11.4，故从文献1中表11-2中取模数m=5mm，蜗杆的分度圆直径d1=50mm。这时d1/a为0.4，从文献1中图11-18中可查得接触系数，因为，因此以上结果可用。蜗杆的主要参数与几何尺寸轴向齿距直径系数分度圆直径d1=50mm齿顶圆直径齿根圆直径分度圆导程角蜗杆轴向齿厚蜗杆尺宽=91蜗轮的设计蜗轮的主要参数与几何尺寸蜗轮的齿数Z2=41；变位系数X2=-0.5；验算传动比这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径蜗轮尺宽B=40校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数根据X2=-0.5，ZV2=43.48，从参考文献1中图11-19中可以查得齿形系数YFa2=2.87。螺旋角系数许用弯曲应力从文献1表11-8中查得由制造的蜗轮的基本许用应力。寿命系数弯曲强度是满足的。验算效率已知；；与相对滑动速度VS有关。从参考文献1表11-18中用插入值法查得，；代入式中求得，大于原估计值，因此不用重算。热平衡计算散热面积A取传热系数，取，从而可以计算出箱体工作温度因为，所以符合要求。3.5导轨的选型计算导轨的选择主要应考虑导轨运动过程的负载状况，根据导轨的负荷能力，计算得出其使用寿命。导轨的安全系数决定其负荷能力,其中安全系数的计算公式：f式中：fs是静安全系数，C0是基本额定静载荷(N)，P是工作负荷(N)。由于弯曲装置试验过程会伴随振动产生，所以导轨应具有抗震功能，因此它的静安全系数取1.0到3.0之间。本文弯曲装置的静安全系数的下限为2.5，由表3.1可知，导轨的基本额定静载荷应大于39.9N。因此选用THK公司SR导轨型号为SSR25XV1UU+110LY，基本额定静载荷0C=22.5KN，基本额定动载荷表3.1导轨承受各个部件质量计算部件工作台滑块压头力传感器总质量质量（kg）10.094.60.27115.963.6丝杠的选型计算：丝杠输出转矩通过公式3.4计算得到结果，因此选用的丝杠型号为THK/BNK1002-3RRG0+143LC5Y。其中丝杠导程Ph=2，丝杠进给效率0.973.7强酸环境密封盒设计为了使样件在强酸环境下做三点弯曲测试需要一个密封盒，密封盒中盛放强酸溶液，要求在进行加载时，酸液不能渗出，不能重新溢出。根据设计要求将密封盒设计成分体式，密封盒下部里面安装支撑头，上部盒盖随压头一起动作。盒盖和盒体间有配合接口，可以保证在加载时酸液不会渗出。同时在密封盒底部加排液口,方便废液清理。如下图所示：

第4章三点弯曲测试装置的性能测试与校准本文对该三点弯曲测试装置的输出终端开展了位移跟随性测量实验，以及传感器的校准工作；同时由于该装置的输出载荷较大，整体的结构尺寸相对紧凑，故在挠度测量方面存在一定的误差。文中提出了挠度校准的算法，对该装置所测得的挠度值进行了修正，同时采用试验的方法对所提出的校准算法进行验证，以论证该校准算法的正确性和普遍性。3.1三点弯曲测试仪位移输出特性的描述及力传感器的标定3.1.1输出特性试验文中所提的三点弯曲测试仪在测试过程中，被测试件的挠度是由与电机轴相联接的光电编码器，通过检测电机的转数，结合测试装置的总减速比以及滚珠丝杠的导程，间接测得的。由于该测试装置包含两级蜗轮蜗杆减速机构，在运动过程中，整个传动链的间隙有可能对测得的挠度有一定的影响，因此，对该测试装置的输出端开展跟随性试验是非常有必要的。将三点弯曲测试装置水平置于试验台上，在加载压头的上方粘贴一个L型零件，并在L型零件垂直于压头的面上粘贴一块表面已被磨成镜面的硅片，利用激光位移传感器测头对输出端位移进行精确测量，整个测试过程是在空载状态下进行的。在试验过程中，利用非接触式激光测微仪（KEYENCE,LK-G10）对加载过程当中，输出末端加载压头的位移输出进行测量。通过将利用光电编码器间接测得的输出端位移与利用非接触式激光测微仪测得的输出位移作对比，来进一步评估该测试装置中传动链对用编码器测得的输出端位移带来的影响。图3.1所示为加载速率为2μm/s时，输出端的位移和编码器间接测量位移的对比图。图3.1利用光电编码器和激光测微仪分别测得的输出端位移对比图由图3.1可以看出，在加载进程中，由光电编码器间接测得的输出端位移与输出端的真实位移（由激光测微仪测得的位移）比较接近，在回程的过程中，光电编码器测得的位移普遍偏小，引起这种现象的原因是在电机反转的过程中，由于传动间隙的存在，导致输出端相对滞后，最大差值约为7μm。在下文对被测试件的挠度进行校准时，用到的主要是加载行程过程中的一段曲线，故而对校准公式的准确性影响不大。3.1.2力传感器标定文中所提的三点弯曲测试装置的主要功能之一就是获取精确的载荷-挠度曲线。试验过程中的载荷大小是由商业化的称重传感器（SM609-A）直接测得的，最大载荷为1000N。本文利用商业化的力标准机对该称重传感器进行标定。在试验过程中，首先对该称重传感器进行3次满量程的加载、卸载，之后选取10个采样点，并且记录当标准力传感器的示数在采样点附近时，被测称重传感器的输出端经放大器放大之后的电压信号。测试结果如图3.2所示，将测得的载荷-电压数值进行线性拟合，获取的载荷-电压关系方程为F=197.8X-47.285,线性相关系数R2为0.9962。其中，F为采样点力值大小，X图3.2力传感器标定数据及结果3.2三点弯曲测试装置的误差分析在三点弯曲测试装置对试件进行测试的过程中，载荷信号是由力传感器（韩国SM609-A）直接测得的，在上一节中已对该力传感器进行了标定；挠度是由与电机轴相联的光电编码器借助装置的总传动比和导程的换算，间接测得。具体的换算公式如下方程所示：y=δ×nδ=其中：y表示样件的挠度，δ和n分别代表脉冲当量和电机所走过的脉冲数，l表示装置中采用的滚珠丝杠的导程，p表示伺服电机旋转一周所需要的脉冲数，i表示该三点弯曲测试装置的总传动比。在本文中，l、p和i的设计值分别为1mm，2048和1600。由图2.4可以看到，该三点弯曲测试装置所测得的挠度值实际上是与力传感器相联接的螺母联接块的位移y1，而不是样件的真实挠度值y0。挠度的测量值与挠度的真实值之间存在的误差主要是由力传感器、弯曲压头以及弯曲支撑头在加载过程中的变形所引起的，图图3.3三点弯曲测试装置误差分析原理示意图其中y0表示被测试件的真实挠度值，y1表示装置直接测量的挠度值（螺母连接块的位移），y2图3.3中，由于力传感器和弯曲压头串联，故统一由弯曲压头来示意。由图3.3可以得出：y其中，K1、K2分别表示弯曲压头和支撑头的刚度。F表示在三点弯曲加载过程中的实时载荷大小。文中设定C=1K1+12Ky其中，C可视为整体机架的柔度。3.3三点弯曲测试装置的校准方法由方程（3-4）可知，只要测得机架柔度C值，就可以通过该三点弯曲装置测得的挠度值y1，计算出被测试件的真实挠度y0由三点弯曲计算材料弹性模量的公式如方程（3-5）所示：E=其中：l表示三点弯曲测试的跨距，b和h分别表示被测试样的宽度和厚度，E表示被测试样的弹性模量。根据方程（3-4）所示，当被测试件处于弹性阶段的过程中，F其中：∆F∆y1结合方程（3-4至3-6），计算弹性模量的方程可作如下描述：E=由方程（3-7）可以看到，对于尺寸已知的试样来讲，l34bh3是个定量，F-y1曲线可以由文中所提到的装置直接测得，从而可以计算出∆y1

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