机械设计学第九章

机械设计学济南大学机械工程学院王潍[e-mail]第九章设计试验第八章设计试验设计试验:是指用来验证产品在设计过程中．其功能原理的可行性、设计参量的合理性以及力学性能的确实性而采用的一种设计方法。从本质上看试验可分为两大类：第一类是基础试验，即对零件的材料、工艺和结构方面进行的试验。主要解决：强度、寿命方面的问题。试验对象：以零件为试验对象。第二类为功能和行为特性试验。主要进行：机械的工作原理和工作特性、机器工作时的振动、噪声、精度、稳定性等方面的试验。试验对象：以整机或部件为试验对象。图示四种卷棉花签机的功能原理构思，都能实现将棉花卷于木签上。图a：用手转动木签，棉花置于带刺的平板表面。图b：木签不动，棉花置于转动轴表而。图c：木签由转动轴夹紧旋转，棉花在静止槽中卷紧。图d：用于移动夹有木签的两板．棉花通过静止槽时被卷紧。第一节功能原理设计阶段的模型试验第二节模型试验中的相似理论模型试验是利用与原型相似的模型来探求实际产品工作规律性的一种试验研究方法。应用：在机械产品的功能原理设计阶段有广泛应用，其它如在动力机械中的传热问题、机床中的变形问题、机械中流体动力润滑滑动轴承设计等方面。一、相似概念、相似比和相似模型相似概念在几何学中早有应用，例如两个三角形相似(见图9-3)，有如下性质：各对应线段成比例，各对应角相等，即相似比：相似是指在相应对刻、相应参数之间的比例关系应保持为常数，即原型的各种变量为，模型的同类变量为，其相似性质，即相似比可用如下数学形式表示：=常数相似模型：是指将原型的各种物理现象如长度、时间、力、速度等缩小或扩大并据此作出样品来进行试验的装置，此装置在试验中必须能比较容易、迅速、方便地再现原型发生的实际过程。'iX''iXxiiiCXX'''二、相似定理相似三定理是相似设计的理论基础。它是模型设计的理论基础。1868年法国科学家贝特朗(J·Bertrand)，以力学方程分析为基础，首先确定了相似第一定律，描述了相似现象的基本特性。1914年美国的波金汉(E·Buckingham)提出相似第二定理．分析了相似现象各物理参量的表达。1930年苏联学者基尔皮契夫和古赫曼提出了相似第三定理，回答了相似现象的充分而必要的条件。第一相似定理彼此相似的现象必定具有数值相同的同名相似准则，且相应的相似指标等于1。指出彼此相似现象具有的性质：①相似现象各对应点的相似常数之比即相似指标等于1；②相似现象各对应点的物理量的比值即相似准则具有同一数值，显示了物理过程内在联系，③用第一定理来指导模型实验或进行相似设计，首先要导出相似准则，然后在实验中测量或计算相似准则包含的一切物理量。以动力相似为例：第二相似定理有n个物理量所表征的物理系统，其中k个物理量量纲是相互独立的，则此n个物理量可表示为(n—k)个相似准则π1，π2，π3，……，πn-k的函数关系：f(π1，π2，π3，……，πn-k)=0相似第二定理指出：①描述现象的方程都可以转换成无因次的准则方程；②相似准则有(n-K)个；⑨如果把某现象的实验结果(设计结果)整理成上式所示的形式，则该式就可推广到与该实验结果相似的所有其它实验上去，因而有利于试验结果的应用和推广。第三相似定理判断同一种类现象(过程)相似的必要和充分条件是单值条件相似和同名的决定性相似准则相等。单值条件是指从一群现象中根据某一现象的特性，能把它从一群现象中区分出来的那些条件。同时在实际模型试验中，选择对物理现象起决定作用的一、两个相似准则相等，其余的略去不计，用模型和原型的试验结果来判断模型试验的近似程度。应用相似三定理，进行相似设计或用相似原理进行模型实验，首先应找出相似准则。常用的相似准则，见表9—2。轴的惯性矩：Iz=πD4/64三、模型设计时应遵循的条件从相似理论的基本点出发．为了正确地模拟原型的现象，在模型设计时应遵循下述条件：P239四、模型设计中几个应注意的问题1．模型材料的选择与模型材料有关的物理量有：密度ρ、弹性模量E、泊松比μ、线膨胀系数β、导热系数α。、比热θ等。模型材料不一定与原型材料相同。确定模型材料时，要满足相应的有关相似准则。模型材料的性能要求如下：1）弹性模量小，作用力小时，变形大，对加载、测量有利；2）在实验载荷范围内．材料的应力—变形呈线性关系；3）有一定强度，加工性能好，便于制造。2．模型尺寸确定模型各部分尺寸将由几何相似常数确定。原型与模型的长度相似CL＞1为缩小模型，CL＜1为放大模型。通常缩小模型的相似比，取CL＝4~10。确定模型尺寸，要考虑模型的安装、加载和测量，模型尺寸过大或过小都会使试验带来不便。3．模型结构设计原型结构较复杂，模型结构不必要与原型结构完全相同，为了加工制造方便，模型结构可以适当简化，忽略对整机性能影响不大的次要部件或尺寸较小的部件，部件外形也可简化。但简化后的模型要保持主要结构性能与原型一致，以便减小误差。模型结构简化：保留：主要部分底、壁、导轨等的结构和尺尺寸。省略：对结构性能影响较小的小沟槽、小直径孔等略去。但应尽量保持结构截面的惯性矩相等。以便模型与原型在力学特性参数上相似。①第三节实用化设计阶段的样机试验进入实用化设计阶段，也就是进入新产品正式投产前，一般必须先经历产品试制。产品试制：可分为样机试制和小批试制。对于单件或小批生产只进行样机试制。通过样机试验来验证产品样机以下技术状况：1)产品足否有良好的功能原理。2)产品的实际工作效果、效率及其技术性能指标。3)样机的零件性能如强度、刚度、可靠性、寿命等。实用化设计阶段，样机实验的重要性：尽可能避免因产品设计或工艺方法的不合理而造成浪费。这种试验同时能及时把试验中暴露出来的诸如质量、效率、成本等各种技术问题反馈到有关部门，以便及时修改技术文件和设计参数，改进前期设计中的不足，为正式转化为商品生产做必要的准备。样机：是完全按产品设计参数试制但尚未投入正式生产的一种机械产品。它随着产品的工作环境、工作性能和使用寿命的不同。各种样机试验的项目也不相同。例如：对汽车而言。样机试验的项目有：定型前的驾驶性能、负载、油耗、道路适应性等。再如：装载机样机试验的项目有：重心位置、操纵力、行走速度、空载运行阻力等。举例：以装载机样机试验为例，简要说明样机试验的大致过程。装载机样机试验包括：整机性能试验和工业性能试验两大部分。1．整机性能测试1)测量装载机在静止状态下主要几何尺寸。见表9-3。2)测量装载机在工作状态下各主要作业参数。见表9-4。3)按装载机工作准备状态测量样机质量与接地比压计算，见表9-5，计算公式为：4）在装载机工作准备状态下测量样机重心位置，见表9-65)装装载机工作状态下操纵装置的操纵力和行程的测定，见表9—7。6)在装载机直线路面上经适当助跑后，按规定距离做前进、后退行走速度测定，见表9-87)装载运行阻力的测定，见表99。8)在行走牵引试验场地进行转弯半径测量9)装载机在工作状态下进行牵引试验l0)技术生产率测定。11)扒爪每分钟扒取次数的测量。l2)工作液压缸压力和沉降量的测量。13)噪声测定。2、工业性试验试验内容：装载机的使用可靠性，使用生产率及能量消耗，主要部件的性能稳定性，司机操纵舒适性，技术保养方便性，工作机构的灵敏性及整机的拆卸、运输、装配是否适合矿山井巷作业环境的要求等。从上述试验过程可看出，样机试验一般包括三方面的内容：1）研究用什么方法、装置和规范来试验样机才能反映产品使用的性能、寿命和可靠性；2）研究用怎样的试验方案来对产品进行试验，以评定产品是否合格；3）把通过产品试验发现的质量等问题的信息进行反馈并采取措施加以解决。随着现代测试技术的发展，样机的试验巳开始十分重视可靠性试验和环境试验。可靠性试验：是指在规定的时间内和规定环境条件下，确定产品的性能。指标如：平均寿命、可靠度、失效率是否合格。试验的主要手段：是对产品做寿命试验或称耐久性试验。对象：取部分样品(样机)进行。为求得产品的可靠性指标，产品在出厂前必须进行试验，这种试验常在自然环境或人工模拟的条件下进行，称为环境试验。环境试验常用的方法有以下几种：1)低温试验。检验产品在低温条件下工作的可靠性，不应有妨碍产品(样机)正常工作的任何缺陷。2)温度冲击试验。检验产品在温度冲击下的工作适应性和结构的承受能力，产品经试验后不应出现润滑油脂或工作油液溢出，漆膜起泡等。3)耐潮及防腐试验。检查产品对潮湿空气影响的抵抗能力。4)防尘试验。检查产品在风沙、灰尘环境中，防尘结构的密封性和工作可靠性。5)密封试验。检查产品防泄漏的能力。如气密试验、容器漏液试验等。6)振动试验。检查产品对反复振动的适应性。第四节机械产品的综合性能检测试验产品经过样机试验和改进设计之后，就要转入小批量或成批生产，因而全面评价产品的效果，检测产品的综合性能，为开发下一代产品提供反馈信息是至关重要的。机械产品的综合性能指标概括为：产品的性能、寿命、可靠性、安全性和经济性等方面。1）产品的性能：是指产品所具有的特性和功能。不同的使用目的，不同的使用条件，要求产品具有不同性能。对产品的性能检测试验一般从下列几方面进行：物质方面：物理、化学性能检测。结构方面：拆装、维修、互换性的检测。操作方面：从操作方便、灵巧方面进行舒适性试验外观方面：造型、色泽、包装检验。2）产品的寿命：是指产品从出厂投入使用的时间算起到发生不可修复的故障为止的使用时间。故障：产品不能在规定的条件下，规定的期限内履行一种或几种所需要的功能的事件就叫故障。对于不可修复的故障则叫失效。不同的产品，其寿命的概念可能不尽相同。3）产品的可靠性：是指在规定的保险期内、规定的条件下，规定的时间内，完成规定任务的可能性。衡量产品可靠性的指标有：平均寿命、可靠度、失效率。可靠性试验的主要手段是对产品作耐久性试验。按寿命计算性质，耐久性试验可分为：（1)贮存寿命试验。它是在规定的环境条件下，产品处于非工作状态的存放试验。目的是为了了解产品在待定条件下的可靠性。（2)工作寿命试验。它是在规定的正常工作条件下或近似正常工作条件下，产品处于工作状态的试验，如连续工作寿命试验、间断工作寿命试验。4）产品的安全性：是指产品使用过程中保证安全的程度。产品对使用人员是否会造成伤害事故，影响人体的健康，或者产生公害，污染周围环境的可能性，是用户十分关心的。为此在产品投入批量生产之前应作安全性检测。如机器噪声的测量、机床、汽车侧向稳定性试验5）产品的经济性是个复杂问题，不仅要考虑产品的生产成本，还要考虑产品整个寿命周期所需的运转费、维护修理费等。因为改进产品设计，提高可靠性，改善保养性等，就会提要经济性。因此，对产品进行综合性能检测时应从工艺的合理性、制造成本和使用成本的高低等方面同时加以考虑。一、现代检测系统现代检测系统的大体组成如图9—6所示二、检测中的系统模拟技术系统模拟技术应用于以下几方面：1)对系统或产品的某一部分，例如仪器的传感器、机床加工精度、与预先设计的有效精度来进行比较测定。2)系统地估计产品的各部分或分系统之间的协调和干扰的影响程度及其对整体性能的影响等。3)比较各种设计方案，以取得最优设计。4)在被测系统或装置发生故障后使之重演工作过程，以分析研究故障来源和得出对策。5)进行假设检验。6)训练操作人员进行分析、评价人—机联系的可控性和适应性。三、检测技术中的现代化工具在整个测试方案设计中，系统仿真和环境模拟是主要考虑对象。获得有关位置参数、动力参数和掌握这些参数的变化及其内在联系。方法：1）研制各种微型传感器和能进行各参数综合测试的试验装置。2）借助计算机的辅助自动测试系统：具有程序控制、存贮转换、快速运算、逻辑判断、二维图象和三维造型、运动仿真，虚拟环境。以汽车为例，了解产品的综合性能检测的大致过程：汽车新产品在投入批量生产前必须经过严格的、科学的整车定型试验，即经过样机试验之后要投入批量生产之前的一次综合性能检测。其主要内容有两大方面：即：汽车基本性能检测和总里程为50000h的可靠性行驶试验。1）汽车基本性能检测包括的内容：滑行试验，最小