第九章设计实验.ppt

1 第九章设计试验 第九章设计试验 绪论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第三节实用化设计阶段的样机试验第四节机械产品的综合性能检测试验 2 3 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 绪论 例如 1 功能原理设计阶段的模型试验 验证初步确定的产品功能原理能否实现 了解各种功能原理有何不足 2 在验证功能原理能实现的前提下 对选择参数合理性的参数验证试验 在计算分析基础上进行 以保证功能原理的充分可行 3 实用化设计阶段的样机试验 为了进一步改进样机 使其能批量试制 以便为整机全面性能测试做好准备 因此 设计试验已成为产品设计各阶段的一项重要工作 4 绪论 5 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 绪论 6 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 究竟哪种方法更好 需借助模型试验 并应用相似理论进行试验验证 第一节功能原理设计阶段的模型试验 7 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 主要应用环节 机械产品的功能原理设计阶段 其它应用环节 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 第二节模型试验中的相似理论 8 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 有如下性质 各对应线段成比例 各对应角相等 即 第二节模型试验中的相似理论 9 第二节模型试验中的相似理论 10 2 几何相似面积比 体积比 第二节模型试验中的相似理论 11 第二节模型试验中的相似理论 12 7 相似比 相似是指在相应时刻 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 其相似比可用数学形式表示 常数8 相似模型 是指将原型的各种物理性质如 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 第二节模型试验中的相似理论 13 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 第二节模型试验中的相似理论 14 1 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 相似现象各对应点的相似常数之比即相似指标等于1 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 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 第二节模型试验中的相似理论 15 第二节模型试验中的相似理论 16 第二节模型试验中的相似理论 17 2 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 1 2 3 n k的函数关系 f 1 2 3 n k 0相似第二定理指出 描述现象的方程都可以转换成无因次的准则方程 相似准则有 n K 个 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 第二节模型试验中的相似理论 18 第二节模型试验中的相似理论 3 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 二个相似准则相等 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 19 第二节模型试验中的相似理论 4 举例说明其应用 20 轴的惯性矩 Iz D4 64 第二节模型试验中的相似理论 注 此处的 F即为CF 21 第二节模型试验中的相似理论 22 第二节模型试验中的相似理论 23 第二节模型试验中的相似理论 24 三 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 弹性模量E 泊松比 线膨胀系数 导热系数 比热 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 第二节模型试验中的相似理论 25 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 第二节模型试验中的相似理论 26 3 模型结构设计原型结构较复杂 为了加工制造方便 模型结构可适当简化 忽略对整机性能影响不大的次要部件或尺寸较小的部件 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 图示 保留 主要部分底 壁 导轨等的结构和尺寸 省略 对结构性能影响较小的小沟槽 小直径孔 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 第二节模型试验中的相似理论 27 第二节模型试验中的相似理论 28 第二节模型试验中的相似理论 29 第二节模型试验中的相似理论 0 7 0 237mm 符合设计要求 30 第二节模型试验中的相似理论 31 第二节模型试验中的相似理论 四 设计试验中的相似性处理1 加大变形量以方便加载和测量2 弹性结构的变形态设计 32 进入实用化设计阶段 一般必须先经历产品试制 保证新产品的正式投产 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 产品是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 第三节实用化设计阶段的样机试验 33 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 34 第三节实用化设计阶段的样机试验 35 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 36 第三节实用化设计阶段的样机试验 37 4 在装载机工作准备状态下测量样机重心位置 见表9 6 第三节实用化设计阶段的样机试验 38 第三节实用化设计阶段的样机试验 39 5 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 40 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 8 第三节实用化设计阶段的样机试验 41 7 装载运行阻力的测定 见表9 9 8 在行走牵引试验场地进行转弯半径测量 第三节实用化设计阶段的样机试验 表9 9 42 9 装载机在工作状态下进行牵引试验l0 技术生产率测定 第三节实用化设计阶段的样机试验 43 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 44 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 45 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 46 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 47 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 48 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 第三节实用化设计阶段的样机试验 49 一 机械产品的综合检测项目 指标 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 综合性能检测项目 指标 1 产品的性能 2 寿命 3 可靠性 4 安全性 5 经济性等方面 第四节机械产品的综合性能检测试验 50 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 第四节机械产品的综合性能检测试验 51 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 第四节机械产品的综合性能检测试验 52 第四节机械产品的综合性能检测试验 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 53 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 第四节机械产品的综合性能检测试验 54 第四节机械产品的综合性能检测试验 5 产品的经济性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 就会提高制造成本 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 55 二 现代检测系统现代检测系统的大体组成如图9 6所示 第四节机械产品的综合性能检测试验 56 三 检测技术中的现代化工具1 检测目的 获得有关位置参数 动力参数并掌握这些参数的变化及其内在联系 对数据进行处理 2 检测方法 1 二维图象和三维造型 运动仿真 虚拟环境 2 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 3 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 第四节机械产品的综合性能检测试验 57 三 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 第四节机械产品的综合性能检测试验 58 1 汽车基本性能检测内容 1 滑行试验 最小稳定车速试验 直接档 加速试验 最小车速测定 2 爬坡试验 最大爬坡度 爬长坡性能 制动性能试验 冷制动器的制动性能 连续制动后的性能稳定性试验 制动时的最大滑坡角 3 操纵性