机械设计实验指导书

机械设计实验指导书工学院机械工程系编辑人：叶晓平卓耀彬机械设计课程实验指导书与实验报告•1•实验一螺栓组联接综合实验指导书一、实验目的在日常工作中，为了便于机械的制造、安装、运输、维修以及提高劳动生产率等，广泛地使用了各种联接。因此，机械设计人员必须熟悉各种机器中常用的联接方法，及有关联接零件的结构、类型、性能与适用场合，掌握它们的设计理论或选用方法。机械联接中有两大类：一类是机械工作时，被联接的零（部）件间可以有相对运动的联接，称为机械动联接。另一类则是在机械工作时，被联接的零（部）件间不允许产生相对运动的联接，称为机械静联接。在静联接中，又尤以螺纹联接应用较为广泛。螺栓联接是最基本的一种螺纹联接类型。实际生产中，为了增加联接的刚度、紧密性和提高防松能力，绝大数螺栓联接都是紧联接。在力的作用下，螺栓和被联接件都会产生变形，甚至出现断裂等情况。因此，了解螺栓联接在拧紧过程中各部分的受力情况。应成了工程技术人员的重要研究课题。二、实验内容1.实测受翻转力矩作用下螺栓组联接中各螺栓的受力情况。2.深化课程学习中对螺栓组联接螺栓实际受力分析的认识。3.熟悉电阻片应变测量方法。4.掌握静态螺栓的静态载荷与变形的测量分析方法。①本实验采用测力扭扳手预紧被试螺栓。通过螺栓测试分析仪表盘的变化值，以及螺栓柱位移，联接件的压位移来计算其螺栓的相对刚度，并绘制螺栓联接受力变形图。②完成上述实验后，摇动手轮，将扭力杆上升至一高度，通过仪器和千分表观察有关数据的变化情况，求出PQ（残余预紧力）、F（工作载荷）和Q（总拉力），并绘制成受力变形图。用以分析螺栓上总拉力Q、残余预紧力PQ与工作载荷F之间的关系。5.掌握动态螺栓的静态载荷与变形的测量分析方法。本实验采用电测法及A/D板采集转换螺栓中载荷与应变的变化数据，并输入计算机作出螺栓和变形的关系的变化曲线图形；通过建模计算作出螺栓在变载荷作用下，螺栓变形、变化的理论曲线。可与实测曲线进行比较分析。使学生掌握螺栓联接受动态载荷后，螺栓的应力与变形之间的关系。机械设计课程实验指导书与实验报告•2•6.掌握螺栓和被联接件的受力和应变的测试分析和理论分析方法。本实验采用偏心轮加载方式，可连续调整载荷大小。测试系统采用电测法及A/D板采集螺栓组的应变量，并输入计算机绘制螺栓与被联接件的受力和变形的综合变形图，使学生掌握螺栓和被联接件的受力和变形的变化规律。实验装置配置和计算机软件还可作出螺栓和被联接件的受力和变形的理论综合变形图，可与实测曲线进行比较分析，培养学生的理论联系实际的能力。三、实验设备1.采用多功能螺栓组联接实验台或螺栓组联接实验台进行试验实验台的结构示意图如图1所示。机座1与被联接件4用双排共10个螺栓2加预紧力联接，联接面之间加橡皮或其它材料的垫片8，通过杠杆加载系统6（1:75地力）和外加砝码7使被联接件受到翻转力矩作用，从而，螺栓组联接各螺栓的受力就发生变化。螺栓的受力大小是通过贴在螺栓上的电阻应变片来测量的。1、机座2、螺栓3、测试架4、被联接件5、测试齿6、杠杆系统7、砝码8、垫片图1实验台结构示意图为了便于测试，实验台的螺栓设计成线而长的试验螺栓，每个螺栓上都贴有电阻应变片。可在螺栓测试部位的任一侧贴一个电阻片或在对称的两侧各贴一个电阻片。2.实验需配置螺栓联接综合实验台一台，静动态测量仪一台，计算机及专用软件等实验设备及仪器实验台的结构示意图2所示。静动态测量仪是利用金属材料的特性，将非电量的变化转换成电量变化的测量仪，应变测量的转换元件——应变片是极细的金属电阻丝绕成或用金属箔片印刷腐蚀而成，用粘贴将应变片牢固的贴在被测物件上，当被测件受到外力作用长度发机械设计课程实验指导书与实验报告•3•生变化时，粘贴在被测件上的应变片也相应变化，应变片的电阻值也随着发生了△R的变化，这样就把机械量转换成电量（电阻值）的变化。用灵敏的电阻测量仪——电桥，测出电阻值的变化△R/R，就可换算出相应的应变，并可直接在测量仪的数码管读出应变值。通过Ａ/D板可向计算机发送被测点应变值，供计算机处理。图2实验台结构示意图图3计算机界面四、实验方法和步骤1.多功能螺栓组联接实验1）仪器联线用导线从试验台上的接线柱上把各螺栓的应变片引出端以及补偿片的联线接到电阻应变仪的接线箱（预调平衡箱）上。采用1/4桥测量方法如每个螺栓上只贴一个应变片，其联机械设计课程实验指导书与实验报告•4•线如图5所示；如每个螺栓上其对称的两侧各贴一个应变片，其联线如图6所示。后者可消除螺栓偏心受力的影响。图4实验螺栓安装及贴片图图5单片测量联线图图6双片测量联线图2）螺栓初预紧先把图4中所示的左端各个螺帽I用手力尽力拧紧，然后，再把右端的各个螺帽Ⅱ也用手力尽力拧紧。在此之前，应抬起杠杆加载系统，不使加载系统的自重加到螺栓组联接件上。[注意]在实验前，如螺栓已经受力，应将其拧松后再作初预紧。3）应变测量点预调平衡在各螺栓初预紧后，以此作为初始状态，进行各螺栓应变测量的“调零”（预调平衡），把各应变测量点都尽可能调到“零”读数。4）安装并调整杠杆加载系统安装调整后，加载杠杆一般会呈向右倾斜状态。5）螺栓加预紧力F给各螺栓加上尽可能相同的一定量的预紧力。预紧时，用扳手拧右端的螺帽Ⅱ来加预紧力。因为螺栓的右端有一段为形断面，它与联接件的矩形沟槽相配，可以防止螺栓预紧时受到扭力作用。在预紧过程中，各螺栓的预紧力会相互影响，所以，应先后交叉并重复对螺栓进行预紧，使各螺栓都预紧到接近相同的设定预应变量（建议ε=100-200μδ）。为此，要反复调整5～6次或更多次数。预紧时，用多功能螺栓组软件来监测。机械设计课程实验指导书与实验报告•5•螺栓预紧后，加载杠杆一般会是呈上翘状态。6）进行加载试验螺栓预紧完毕后，即可在杠杆加载系统上挂上砝码P进行测试。加载后，在电阻应变仪上逐点测出各螺栓在翻转力矩M=P·L作用下的总应变值，并记入试验记录表（参见附表，供参考）。[注意]加载后，任一个螺栓的总应变值（预紧应变+工作应变）不应超过允许的最大应变值800max，以免螺栓超载损坏。7）实验结果处理和分析A根据实测结果，计算出在翻转力矩作用后螺栓组联接的各螺栓的实测总拉力oF的大小和拉力增量FFFo的受力图。i）各螺栓的总拉力FofFof=E·i·S式中：E——螺栓材料的弹性模量[GPa]S——螺栓测试段的截面积[m2]i——第i个螺栓在翻转力矩作用下的总拉应变量[]ii）各螺栓的拉力增量FSiEFi式中：i——在翻转力矩作用下的第i个螺栓的拉应变增量。[注]iF也可以用ioiiPFF来计算，式中F为螺栓的紧力。iii）绘出螺栓受力图如图5：B根据螺栓组联接的简单理论分析计算方法（作了简化和假设）计算出在翻转力矩作用下，被联接件传给螺栓的工作力F的大小，并绘出它们的分布图。210222181/1rrrMrFF2.动静态螺栓测试实验1）认真阅读实验指导书。2）做好实验台及仪器预调与连接工作。机械设计课程实验指导书与实验报告•6•（1）实验台.取出圆环上两锥塞，松开空心螺栓上的M8小螺杆，装上刚性垫片，转动手轮，使挺杆降下，处于卸载位置。将两块千分表分别安装在表架上，使表头分别与上板面（靠外侧）和螺栓顶面接触，用以测量联接件(螺栓)与被联接件的变形量。手拧大螺母至恰好与垫片接触。(预紧初始值)螺栓不应有松动的感觉，分别将两千分表调零。（2）测量仪。配套的4根输出线的插头将各点插座连接好，分别与实验台相对应接口联接好。（3）计算机。用配套的并口数据线接仪器背面的5芯插座．另一头连接计算机上的PCI-8310采集卡串口。启动计算机，按软件使用说明书要求的步骤操作进入实验台螺栓实验界面后。单击“开始实验”键后，对“应变测量值”框中数据清零，如串口数据线连接无误．则该输人框中，会有数据显示并跳动。3）计算机测试螺栓联接静态特性实验（1）软件界面说明Ⅰ主界面（静态螺栓实验界面）（2）菜单文件(F):弹出如下下拉菜单数据查询:单击此下拉菜单，弹出静动态螺栓实验数据查询框。报告模板：单击此下拉菜单，弹出静动态螺栓实验报告模板。退出：单击此下拉菜单，结束程序的运行，返回WINDOWS界面。标定(S)：单击此菜单，弹出螺栓联接标定界面。实验选择：弹出如下下拉菜单动态螺栓：单击此下拉菜单，进入动态螺栓实验界面。动态螺栓：单击此下拉菜单，进入动态螺栓实验界面。数据保存：单击此菜单，保存静态螺栓实验数据。实验说明：单击此菜单，弹出带传动实验以及该界面操作说明框。退出程序：单击此键，结束程序的运行，返回WINDOWS界面。（3）控键[开始实验]：单击此键，[开始实验]键变为[停止实验]键，计算机打开串口；单击[停止实验]键，[停止实验]键变为[开始实验]键，计算机关闭串口。[空载清零]：单击此键，清除空转时的附加载荷。[预紧采集]：单击此键，进行预紧工况的数据采集和处理。机械设计课程实验指导书与实验报告•7•[加载采集]：单击此键，进行一个加载工况的数据采集和处理。[实测图]：单击此键，绘制螺栓与被联接件的受力和变形的综合变形实测图。[理论图]：单击此键，绘制螺栓与被联接件的受力和变形的综合变形理论图。Ⅱ动态螺栓实验界面[开始实验]：单击此键，[开始实验]键变为[停止实验]键，计算机打开串口；单击[停止实验]键，[停止实验]键变为[开始实验]键，计算机关闭串口。[空载清零]：单击此键，清除空转时的附加载荷。[预紧采集]：单击此键，进行预紧工况的数据采集和处理。[动态测试]：单击此键，进行动态加载工况的数据采集和处理。[实测曲线]：单击此键，作出螺栓和变形的关系的实测曲线图形。[理论曲线]：单击此键，作出螺栓和变形的关系的理论曲线图形。[数据保存]：单击此菜单，保存静态螺栓实验数据。[返回]：单击此键，返回封面。4）计算机测试螺栓联接动态特性实验（1）开启计算机，进入实验台的封面。（2）在封面上非文字区单击左键，即可进入螺栓联接实验主界面。（3）在实验主界面上，单击动态螺栓键，进入动态螺栓实验界面。（4）“实验选择”→动态测试→选择实验项目（5）点击“开始实验”、“空载清零”其操作步骤“静态测试”步骤一样（6）预紧采集，选择任一力度，输入千分表数值，点击预紧采集数值。（7）点击仪表上电机开关，开动设备。（8）点击“动态测试”，当应变测量值“测试序号”内的数字停止跳动后，关闭电机，点击“定测曲线”及“理论曲线”进行比较，并保存数据。（9）如果实验结束，单击退出，返回Windows界面。5）整理实验报告机械设计课程实验指导书与实验报告•8•螺栓组联接综合实验——实验报告实验名称螺栓组联接综合实验学生姓名学号组别实验日期成绩指导教师一、多功能螺栓组联接实验1.实验条件：2.实验数据及计算结果机械设计课程实验指导书与实验报告•9•3.实验结果分析机械设计课程实验指导书与实验报告•10•二、动静态螺栓测试实验1.实验条件：2.实验数据及计算结果机械设计课程实验指导书与实验报告•11•3.实验结果分析机械设计课程实验指导书与实验报告•12•实验二带传动实验指导书一、实验目的本实验台是《机械设计》课程中带传动实验专用设备，其用途是：1.观察带传动中的弹性滑动和打滑现象，以及它们与带传递载荷之间的关系。2.比较预紧力大小对带传动承栽能力的影响。3.比较分析平带、V带和圆带传动的承载能力。4.测定并绘制带传动的弹性滑动曲线和效率曲线，观察带传动弹性滑动和打滑的动画仿真，了解带传动所传递载荷与弹性滑差率及传动效率之间的关系。5.了解带传动实验台的构造和工作原理，掌握带传动转矩、转速的测量方法。本实验台是在对CQP—C型带传动实验台进行改进设计后推出的新型多媒体可视化实验台，增加了V带与圆带传动，是本公司自主创新产品。本实验台设计合理，能清晰地展示带传动原理；实验台直流电动机的无级变速、带轮转速的自动测量显示以及转炬的测量方法均先进、直观，操作简单，便于学生独立工作；学生还可在软件界面说明文件指导下，独立进行虚拟