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论文案例大全-拉压试验机设计

2021-03-24 13:58:14

  用于检测各种各样机械材料力学性能的设备叫做拉压试验机。工厂制造出各种各样的机械材料,这些机械材料需要达到各种各样的性能,所以必须对这些材料做许多拉伸和压缩试验,拉压试验机顾名思义需要能够在在各种各样的环境和条件环境下测试金属材料、非金属材料、机械零件得出这些材料或者零件的结构性能的工艺性能、内部结构缺陷和检验自转零件运动不平衡的相关测试仪器,也可以对进行拉伸、压缩等试验测试。本文结合本科所学知识,设计了在检测方面需要用到的拉压试验机,概述了拉压试验机的基本定义、研究背景、整体结构的部件设计以及工作原理。并利用UG建模软件完成拉压试验机的部件三维图及总装图。利用ANSYS分析软件对模型进行结构静力分析,查看结构的变形云图,应力云图,判断结构是否能够承受设计所要求的的载荷,结构足够安全。

  1.1拉压试验机的课题背景

  工厂制造出各种各样的机械材料,这些机械材料需要达到各种各样的性能。如果材料不是在非常严格的测试中使用的话,不可以组装成所需的设备。发生不安全事故这表明材料测试非常重要。本文设计的拉伸测试仪的主要测试对象是铸铁和低碳钢。

  因性能不符合要求的这些未检查的材料投入实际使用所引起的严重后果不计其数,因此需要研究拉伸和压缩试验机。各种材料的测试必须严格按照要求进行,拉伸和压缩试验机就是检测机械材料避免发生上述后果而被工程师们设计制造出来的。

  1.2拉压试验机的课题设计目的和意义

  现在随着科技的越来越发达许多企业和工厂制造的机械材料也越来越多,机械装备与汽车生产的市场的需求也越来越高,而这些厂商为了立足于市场都严格把控制造出来的机械材料的各种性能。但是也有很多生产厂家只追求利润最大化,极大的提高相同时间内生产出来的机械材料数量,产量极大地提高生产质量却开始下降,因此不要盲目追求利益,而要确认质量是否符合标准。

  有些企业和工厂为了将自己的市场做的越来越广需要巨大的资金,开始一味注重企业利润的最大化,但只看见了产品的数量,看不见材料的品质。在产生利益的情况下,他们没有注意材料的质量。利益被众多企业与生产厂家视为最终的目标,然而这是以生产出来的投入使用的机械材料满足所有测试标准为前提的。想象一下由于制造的失误,无安装资格的不合格的车身或者机械部件被安装在汽车或者机械设备上这种情况。会发生安全问题,轻则机器受损,重则机毁人亡。此毕业设计就是为了明确理解拉伸和压缩试验机的结构和功能,学习一些基本操作,不至于对该拉伸和压缩试验机一无所知。

  以往检测机械方面材料的方法都是依赖着人力来进行拉伸与压缩检测,人类的体力在这种测试方式下消耗,有限的精力无法完成如此大量产品的测试需求即使让技术熟练的操作工人三班轮番工作显然是无法满足的。于是工程师就根据拉伸与压缩测试的原理设计制造出了一种可用来代替人工的测试机器。经过一系列测试与试验这款机器成功问世,完美的避免了上述的种种困难,工人不会像往常一样如此劳累的超负荷工作,现在少部分工人操作着机器,就可以完成大批量机械材料的测试与试验任务,极大地提高了工人的工作积极性与劳动效率。

  1.3拉压试验机发展现状

  国外拉压试验机已经发展了一百多年,拉压试验机的性能得到了很大的提高。最具代表性的国家是德国,美国和日本。诞生了许多行业里的翘楚公司,具有代表性的有德国申克、美国MTS、日本岛津等。

  一百多年前的西欧诞生了拉压试验机,划时代的改变了以往测试材料的方法。这台机器以机械杠杆与砝码加荷原理位基础制造而成,给许多工厂提供了前所未有的便利。二战后科技再次飞速提升,这些科技发展快的国家大部分以发达国家为主在测试材料拉伸和压缩性能的研究又再一次的实现了飞跃。伴随着工业化的到来,各种各样的新型材料诞生,将这些新型材料用于拉压试验机的制造,使得拉压试验机的承载能力得到大幅度的提高,可以测试的范围也提高到最大1500KN。

  随着中国科技实力的飞速发展和生产的需要,试验机经历了从人工控制到自动化控制的简单变为复杂的控制方法、由一个参数到数个参数、由静态变为动态的移动方法的功能。已经可以独立自主设计并生产制造各种规格的试验机,确保生产出的机械原材料满足应有的标准,达到所需要的性能要求,促进了经济发展和国防装备产业的建设。

  2拉压试验机的方案选取和设计要求

  按基本结构可以将拉压试验机分为立式和卧式两大类。其中,立式可分为立式单杆、立式双杆及立式多杆结构;卧式分为卧式双杆和卧式多杆形式。

  2.1拉压试验机的结构选择

  按基本结构可以将拉压试验机分为立式和卧式两大类。其中,立式可分为立式单杆、立式双杆及立式多杆结构;卧式分为卧式双杆和卧式多杆形式。

  除了许多国内的拉伸和压缩试验机的原理和模型的组合外,为了应对性能和精度的严格条件,在这一点上也有一些自我革新。讨论决定使用立式双杆杆结构,设计拉伸压力范围为0-10000N,可以以每分钟3米的速度进行拉伸和压缩试验。这个拉伸和压缩试验机的工作原理是试验拉伸压力。在保持张力或压力的状态下,将该外部条件加到试验对象物中,观察试验对象物的轴承状态和结果。机器可以自动检测并发送给处理系统。通过正确的数值分析,可以得到一定程度的张力值。最后,通过获得的数值来判断测试对象可否达到所需的标准。

  2.2拉压试验机的设计要求

  拉压试验机主要涵盖了由液压缸升降机构,链传动机构,液压升降机构,步进电机等动力机构及减速器组成。

  材料性能需要被准确的检测出来并得到相关的数据信息,所需要满足的设计要求如下:

  第一点平稳的下降和和上升的能力,平稳的上升的同时对材料进行压缩测试,平稳的下降时则对材料进行拉伸测试;

  第二点拉压试验机的下横梁需要可以稳定的保持在一个位置,并持续一段时间以确保得出的测试数据的精准性;

  第三点系统需要传动平稳,因此电机输出功率要恒定而保证传动的平顺,防止测试过程中停顿或不匀速致使最后得出的数据结果不准确;

  第四点体积小,质量小,前提是符合拉压试验机整体的测试要求,即在进行拉伸和压缩测试时可以承受系统的最大拉力与压力(即刚度与强度要求),避免发生安全事故。尽可能选用适用且经济性好的原材料制造,且尽量使功率损耗降低,达到最大传动功率。

  3拉压试验机结构设计及计算

  这个拉伸和压缩试验机的主体由上部模块和下部模块构成。下部模块全部通过油压汽缸活塞杆的伸缩作用,沿着导轨上下移动。

  3.1螺纹结构设计与计算

  这个拉伸和压缩试验机的主体由上部模块和下部模块构成。下部模块全部通过油压汽缸活塞杆的伸缩作用,沿着导轨上下移动。

  液压传动机构、链轮传动机构、上挡板、减速器、步进电机与螺旋副结构这写是机器的主要部分。这些机构一起配合工作,通过电机输出转矩经减速器减速后输出到链轮传动机构再将力传动到液压传动机构液压传动机构通过活塞杆的伸缩,来实现拉伸压缩测试。

  在进行拉伸与压缩测试时,上模块为固定横梁,此时上模块的固定螺栓以及所有的螺旋副结构都会产生巨大轴向力及挤压力。在工作时轴向载荷的产生会产生动、静两方面的影响会使螺栓产生断裂、塑性破坏等失效现象。因此,设计螺旋副结构时需要考虑到这些方面,让螺栓完美的固定住上横梁以及完成小部分螺纹传导机构的传导。对此,螺栓应具有足够的强度和稳定性,在保证上述要求的情况下,还需保证螺纹具有足够的耐磨性。

  设计计算参数:

  字母d用来表示螺纹大径;

  字母H用来表示螺母高度;

  字母d2用来表示螺纹中径:

  字母P用来表示螺纹螺距;

  字母F用来表示螺栓的轴向力;

  字母Ψ用来表示螺纹升角:

  字母用来Φ表示当量摩擦角;

  字母v用来表示螺旋副的当量摩擦系数;

  字母f用来表示摩擦系数;

  字母用来σca表示计算应力;

  字母[σ]用来表示螺纹材料许用应力;

  字母T用来表示螺栓所受扭矩;

  字母A用来表示螺纹段的危险截面面积;

  字母b用来表示螺纹牙根部的厚度;

  L用来表示螺栓弯曲力臂字母;

  字母[τ]用来表示螺母材料的许用切应力;

  字母SSC用来表示螺栓稳定性的计算安全系数;

  字母SS用来表示螺栓稳定性安全系数;

  字母FCr用来表示螺纹的临界载荷;

  字母E用来表示螺纹材料的拉压弹性模量:

  字母I用来表示螺栓危险截面的惯性矩;

  螺栓和螺母选定均采用45号钢,螺栓承受轴向载荷为4000N

  螺纹中径计算:=0.8≈8mm

  螺纹小径计算:d1=d-1.0825P=38-1.0825×1.5≈7mm(螺纹大径取10mm,l螺距为1.5mm)

  (1)螺旋副自锁性校核

  Ψ为螺纹升角;Φv为当量摩擦角;v为螺旋副的当量摩擦系数;f为摩擦系数

  Ψ≤Φv=arctan=arctanv

  f=0.17

  Ψ≤arctanv=arctan0.17=9.648°

  (2)螺纹牙的强度校核

  设计螺纹牙危险截面时需要将危险截面剪切强度条件设计为:b为螺纹牙根部的厚度,矩形螺纹,b的值为O.5P,L曲力臂L[τ]螺母材料的许用切应力(见表3-1)。

  表3-1螺旋副材料与许用应力

  注;1)为选作为螺旋副材料的屈服极限

  2)载荷稳定时,许用应力取最大值。

  τ=≤[τ];[τ]=0.6[σ]=0.6=43.2MPa;=360Mpa;

  (3)螺栓的稳定性校核

  螺栓受到外载荷若该螺栓有着大的长径比,只要轴向力超过某个具体数值时,螺纹将会在侧向发生弯曲。所以在大多数时,作用于螺纹上的轴向载荷必须比材料极限载荷小。故螺纹的稳定性条件为:

  SSC≥SS

  由于螺纹的柔度λs值的大小不一样因此需选用相应的公式计算,此处选用

  λs

  此处,μ为螺杆的长度系数为0.5;为螺纹段的长度60(单位mm);为螺栓危险截面的惯性半径;若螺纹危险截面积Ad12,则:

  ==

  临界载荷FCr可按欧拉公式计算,即:

  FCr

  上式中:字母E用来表示螺纹材料的拉压弹性模量,E的值为1.98×105MPa;

  字母I用来表示螺纹危险截面的惯性矩,I的值为mm4。

  当λs小于40时,可以不需要稳定性校核。

  SSC≥SS

  u=2.00;=60m;I=mm4;SS=3.5

  FCr=280660?SSC=5.75>SS

  3.2步进电机的选择

  字母Pe用来表示电机额定功率;

  字母F用来表示工作过程中上模块对承压柱的作用力;

  字母v用来表示上模块的升降速度;

  字母n用来表示电机转速;

  字母Ie用来表示电机额定电流;

  字母μ用来表示电机额定功率因数;

  字母T用来表示电机额定转矩;

  字母ηp用来表示电机效率;

  字母η1用来表示一级链轮传动效率;

  字母η2用来表示二级链轮传动效率;

  字母η3用力表示减速器齿轮传动效率;

  字母η4用来表示联轴器传动效率;

  字母η用来表示总传动效率;

  由于本设计试验需要在平稳环境下运行,在作业时工作特性突然的增加或减少会影响本实验结果,因此本实验采用的电机为Y250M-8。不仅符合能平稳的不间断作业,又不需要太高的转速,结合机械设计基础手册,本电机的最为理想的试验器械。而电机的参数又依据计算得出的实际的需求速度来决定。

  由公式:Pe=

  式中P为经过二级链轮传动后所需的输出功率;η为电机到链轮的整个传动过程的总传动功率;η1为一级链轮传动效率设置为0.9;η2二级链轮传动效率设置为0.9;η3减速器齿轮传动效率设置为0.99;η4联轴器传动效率设置为0.95;

  Pe==37.4KW

  经过上述的公式计算得到了螺栓的轴向载荷,F=4000N。

  下横梁的上升与下降速度v,设计时将其确定为3m/min。

  在考虑与验算了一定量的数据结果后,确定歩进电机的一些较为重要的参数:

  Pe即为歩进电机的额定功率确定为37.4kW;

  n即为歩进电机战速确定为655r/min;

  η即为歩进电机电机效率确定为0.905;

  ∮即为歩进电机的功率因数确定为1.3;

  T即为歩进电机的额定转矩确定为2×105N·mm;

  I即为歩进电机的额定电流确定为6A;

  Td即为歩进电机的输出转矩确定为2.21×105N·mm;

  3.3减速机构的设计与计算

  因要达到本实验的目的,本设计的电机的转速较高,以此符合相关的参数,但也因此带动的链速度会变得较高,于是采用减速器调整速度,使达到本实验的要求。为使本机器的设计更加简洁明了,本设计采用单级圆柱直齿齿轮减速器,最简单直接,且传动的动作较小,也更能达到设计的实验效果。减速器的参数主要通过主动轮和电极转速之间的关系来确定。

  因此采用单级圆柱直齿齿轮减速器(图3-1)

  表3-1

  拉压试验机减速器结构参数:

  字母Z1用来表示小齿轮的齿数;

  字母Z2用来表示大齿轮的齿数;

  字母d1用来表示小齿轮的分度圆直径;

  字母d2用来表示大齿轮的分度圆直径;

  字母n1用来表示减速器轴1的转速;

  字母n2用来表示减速器轴2转速;

  字母T1用来表示减速器轴1输入转矩;

  字母P1用来表示减速器轴1的输入功率;

  字母a用来表示两啮合齿轮的中心距;

  字母Td用来表示电机输出转矩;

  字母T1用来表示减速器轴1输入转矩;

  字母T2用来表示轴2的输入转矩;

  字母P1用来表示减速器轴1的输入功率;

  字母η用来表示电机输出效率;

  字母η1用来表示减速器中齿轮传动效率;

  字母φd用来表示齿宽系数;

  字母σH1用来表示小齿轮接触疲劳极限;

  字母σH2用来表示大齿轮接触疲劳极限;

  字母[σH]用来表示许用接触疲劳极限字母;

  字母u用来表示大小齿轮齿数比;

  字母Ze用来表示弹性影响系数;

  字母K用来表示载荷系数;

  字母v用来表示齿轮圆周速度;

  字母b用来表示小齿轮的齿宽;

  字母h用来表示小齿轮的齿高;

  字母m1用来表示小齿轮的模数;

  字母m2用来表示大齿轮的模数;

  字母σF1用来表示小齿轮弯曲疲劳强度极限;

  字母σF2用来表示大齿轮弯曲疲劳强度极限;

  字母[σF1]用来表示小齿轮弯曲疲劳许用应力;

  字母[σF2]用来表示大齿轮弯曲疲劳许用应力;

  字母YFa1用来表示小齿轮的齿形系数;

  字母YFa2用来表示大齿轮的齿形系数;

  字母YSa1用来表示小齿轮应力校正系数;

  字母YSa2用来表示大齿轮应力校正系数;

  在此设计中两齿轮传动比i==≈1.7。再由齿轮传动常选齿数,选取大齿轮数为30,小齿轮数为18,模数m取4mm。

  参考教科书决定选用的齿轮材料分别是:

  小齿轮选用Cr材料进行淬火后高温回火的的处理方法,布式硬度为280

  大齿轮选用45钢材料进行淬火后高温回火的的处理方法,布式硬度为240

  (1)计算输入转矩:T1=9.55×106×5N·mm,由计算转矩选取齿宽系数φd=1.0;

  依照齿面的硬度根据查得小齿轮的接触疲劳强度极限σH1为550Mpa,大齿轮的接触疲劳强度极限σH2=490Mpa;

  (2)许用接触应力计算[σH]

  [σH1]1/S=510Mpa;

  [σH2]2/S=420Mpa;

  (3)小齿轮分度圆直径d1代入[σH]中较小的值

  d1≥2.32×=71.98mm

  Ze=189.8,u=1.67,K=1.3;

  (4)计算圆周速度v:

  V=3.15m/s

  (5)计算齿宽b;

  b=φd·d1=1×71.98=71.98mm

  (6)计算齿宽与齿高之比;

  m1=71.98÷18=3.99mm,齿高h=2.25m1=8.9775mm

  =71.98÷8.9775=8.01

  (7)分度圆直径:

  d1=z1m=18×4=72mm

  d2=z2m=30×4=120mm

  (8)中心距计算:

  a==96mm

  (9)弯曲强度设计计算:

  σF YFa YSaYε≤[σF]

  YFa1为2.9;YFa2为2.3;YSa1为1.5;YSa2为1.7;Yε为1;[σF1]为430Mpa;[σF2]

  为380Mpa。

  经计算齿轮1,齿轮2均通过弯曲疲劳强度计算,不会发生弯曲疲劳折断。

  3.4链轮传动的结构设计与计算

  链传动设计参数:

  i1—一级链传动使用传动比;

  i2—二级链传动使用传动比;

  n1—主动轮转速;

  n2—从动轮转速;

  z1—主动轮齿数;

  p—链节距;

  v—链速;

  传动方法分为多种,而挠性传动更符合本设计要求。本试验采用链传动,其主要结构是链轮和链条组成其可以承受相当大的在载荷,不会像齿轮传动那样出现打滑与弹性滑动的现象,可以确保有准确一致的平均传动比而且链轮传动传动效率高,作用于轴上的径向压力小。和带传动相比更加适合于本设计的要求,还可以在油污大灰尘多潮湿高温下工作。鉴于链轮传动的种种突出的性能,我们应要设计出具有以下特点的拉压试验机器:

  1)体积尽可能的小使用操作起来简单可靠

  2)使用寿命长经

  3)测试时产生的误差小

  根据上述一些零件尺寸参数考虑,选择的齿轮材料分别为:小齿轮选用Cr材料进行淬火后高温回火的的处理方法,布式硬度为280

  大齿轮选用45钢材料进行淬火后高温回火的的处理方法,布式硬度为240

  本设计中采用二级链轮传动作为运动传递部分,一级链轮传动的传动比i1为1,二级链轮传动传动比i2为2,从动轮转速为螺母每分上升的圈速n2=230r/min,主动轮转速n1为450r/min,主动轮齿数z1设计为38,链节距p设计为15.875mm。

  计算链速v:

  V

  根据链速选择润滑方式为定期人工润滑。

  3.5液压缸的设计

  此毕业设计中拉压试验机的下模块由液压传动装置产生的巨大推力或拉力来进行上下升降运动,其中液压缸也起到一定的承重作用。从而实现对检验材料的加压检测。本设计中所需液压缸的最大推力为10000N。使用单活塞杆液压缸。初步选定液压缸工作压力P为2MPa。

  由设计要求P=2Mpa,F=10000N

  由公式:

  由上式得D==0.1m=100mm;

  其中D为液压缸活塞的直径,经过计算可以的得到液压缸直径D约等于100mm。

  液压缸内径按照国标选取结果为:D=100mm。

  4拉压试验机的建模

  4.1拉压试验机的承压柱建模

  拉压试验机的承压柱用于支撑上横梁与下横梁以及夹头的重量,以及当试验机工作时巨大的拉力或压力作用于工件上时会对拉压试验机本身产生相同大小的反作用力,此时这个里将由承压柱来承受。拉压试验机的承压柱结构如图4-1所示。

  图4-1承压柱

  4.2拉压试验机的夹头建模

  拉压试验机的夹头是试验机非常重要的一个部件,它是用来装夹铸铁、低碳钢等材料进行拉伸和压缩试验的重要部件,需要足够的装夹力用于稳定性。拉压试验机的夹头结构如图4-2所示

  4.3拉压试验机的横梁建模

  拉压试验机的横梁中间的圆孔用来安装加压杆两边的圆孔用来安装导轨,液压传动机构推动下横梁沿着导轨上下移动,并带着加压杆与夹头对工件施加压力或拉力,拉压

  4.4拉压试验机的加压杆建模

  拉压试验机的加压杆将来自横梁的上下移动的力作用到夹头上,从而对工件实施拉伸与压缩试验同时也使两个夹头之间的压力进一步变大。拉压试验机的加压杆结构如图4-4所示。

  4.5拉压试验机的底座建模

  底座主要是让拉压试验机有一个稳定的操作空间使其不会再工作时出线侧翻、倾斜等状况。并且里面装有链轮传动机构,减速机构,液压传动机构等吗,其三维结构如图4-5所示。

  ·

  4.6拉压试验机总装配图

  将上面各个部件通过UG装配成完整的拉压试验机,如图4-6所示。

  图4-6拉压试验机

  5拉压试验机有限元分析

  运用有限元分析对模型进行结构静力分析,查看结构的变形云图,应力云图,判断结构是否能够承受设计所要求的的载荷,结构足够安全。

  5.1拉压试验机几何模型导入

  首先将建好的拉压试验机几何模型通过电脑导入到有限元分析软件workbench之中,具体操作流程如下图所示(图5-1、图5-2、图5-3、图5-4),选择Geometry-Import Geometry,在与之相关的文件夹中选择已经建立好的几何模型:

  5.2拉压试验机材料属性选择

  先选择材料属性,使用45钢的材料,基本相关参数如下。本次选择弹塑性分析作为分析结构类型,需要选择结构的密度、泊松比、弹性模量,相关类型以及参数数值见下表所示(表5-1)。

  表5-1承压柱材料属性及相关详细参数

  5.3拉压试验机网格划分

  对网格进行划分时,先进行定义网格相关度,此处选择50作为网格相关度的划分,选择划分质量为Medium,此处用自动网格划分的方法作为划分的形式,具体操作示意图如下(见图5-5,5-6,5-7)。

  拉压试验机结构模型呈现的形式不太规则,所以在进行相应的网格划分时,使用四面体形式来划分。

  网格尺寸对其结果分析正确与否产生较大的影响:尺寸过大结果会相应的偏差导致不精确,尺寸过小使得每次分析结果的时间加长。

  通过网格统计的要点不难看出,其节点数量为531671个,总单元数量为270508个。

  5.4拉压试验机约束及载荷施加

  本次分析情形为静强度分析,主要目的在于验证整个结构在承受以下荷载的情况下,拉压试验机结构是否能够安全运行。

  垂向荷载:10000N。

  具体约束和加载情形如下图所示(见5-8),与实际情形相符。

  图5-8承压柱约束和加载情况

  5.5拉压试验机求解分析

  结构网格划分以后,对结构进行相对应的实际约束和载荷上述操作全部结束以后,开始对模型进行相对应的求解,求解过程如下图(见图5-9):

  图5-9求解过程

  5.6拉压试验机结构变形结果

  所有前处理设置完成之后就可以对模型查看结果。计算完成之后我们选择查看模型的等效应力(Equivalent Stress)云图和总的变形量(Total Deformation)云图(见图5-10,5-11,5-12,5-13,5-14,5-15),先看拉压试验机结构的变形情况。其结果在位移云图上一一呈现,结构的最大位移为0.23328mm,发生在拉压试验机结构的柱身位置,与实际情形比较相符。

  在拉压试验机结构的其余位置上,与之对应的结构变形量很小,位移云图主要以蓝色和绿色为主。

  整体结构的最大位移较小,相对来说不会影响结构的正常运行,所以在此荷载工况下,结构可以安全稳定的运行。

  5.7拉压试验机结构应力结果

  计算完成之后我们选择查看模型的等效应力(Equivalent Stress)云图。通过查看结构应力云图可以看出(图5-16,5-17,5-18,5-19,5-20,5-21),结构最大Mises应力为229.59Mpa,发生在拉压试验机结构的顶梁连接位置,此数值低于材料的屈服强度,因此结构足够安全。

  在拉压试验机结构的其余位置,应力云图分布主要绿色和蓝色为主,相当一大部分区域的Mises应力都呈现较小的状态,可以看出在承受上述载荷的情况下,能确保结构正常运行,不会发生相应的破坏。