机械基础实验指导书(下)(简化版)

机械基础实验机械基础实验 指导书指导书 下 魏衍侠 主编 汽车与交通工程学院 前 言 机械基础类课程是我国高等工科类院校中机械类和近机械类各专业的专业基础课 它主 要包括工程材料 互换性与测量技术 机械原理 机械设计 材料力学和液压与气压传动六门 课程 实验教学是高等理工科教学的重要组成部分 它不仅是学生获取知识的必经之路 而且 对培养学生的学习态度 实验能力 科研能力和创新能力均至关重要 对学生以后在工作中或 科研中的表现起很大作用 可见实验教学在高等院校的至关重要性 机械基础课程实验不但是机械基础类课程教学中的一个十分重要的实践性环节 也是实 验教学的重要组成部分 通过机械基础课程实验可以让学生直观了解实验课程所讲内容 以 及实验内容在实际生产中的应用 这样不但便于学生对实验课程理论教学内容加深理解 而 且也为学生在今后的生产实践中 由理论知识向实践知识转化提供必要的基础 以前 机械基础课程实验教学的现状与新世纪高层次创新人才的培养要求差距甚大 迫 切需要加大改革力度 许多高校十分重视并积极试点 为求改变过去那种把实验附属于相关 课程的做法 目前 我们借助许多高校的改革经验 按实验自身系统优化整合 单独设置了机 械基础课程实验 采用模块结构分层次安排实验教学 反映了时代特征和创新理念 本书是在聊城大学汽车工程系教研室统一筹划和指导下编写的 本书在满足国家教育委 员会所颁发的机械专业机械基础有关课程教学大纲的前提下 吸取我校以及一些兄弟院校机 械类专业近几年实验教学改革成果的基础上编写而成的 本书可作为高等院校机械类 近机械类等专业机械基础课程实验教材 也可供相关专业 工程技术人员参考 本书主要特点 1 重视实验方法的先进性和现代化 通过实验让学生了解和掌握现代实验研究的方法 2 与理论教学相结合 进一步加深课程教学中某些抽象的原理 加深对机械基础课程的理 解 3 培养学生观察和综合分析的能力 激发学生的创新意识 参加本书编写的人员有郭宏亮 吴海荣 魏衍侠 赵栋杰 张兰江 赵艳荣等老师 其中张 兰江编写第一篇 赵栋杰编写第二篇 郭宏亮编写第三篇和第四篇 赵艳荣编写第五篇 吴海 荣编写第六篇 全书由魏衍侠主编 包春江 惠鸿忠审稿 限于编者水平和经验有限 书中难免有不妥和错误之处 恳请广大读者批评指正 编编 者者 2011 年 1 月 目 录 前 言 2 绪 论 2 实验 10 带传动实验 1 实验 11 齿轮传动实验 5 实验 12 创意组合机械系统综合实验 10 实验 13 拉伸实验 12 实验 14 压缩实验 19 实验 15 纯弯曲梁的正应力实验 23 实验 16 弯扭组合应力测定实验 32 实验 17 液压元件结构观察及方向控制回路实验 40 实验 18 液压传动节流调速回路性能实验 45 实验 19 气压传动多缸顺序动作回路演示实验 48 2 绪 论 实验教学是高等教育体系的重要组成部分 是对学生进行科学实验训练 使学生所学理论知识强化 印象 加深理解并从中学习和掌握工程测试技能 探索实验科学理论的基本方法 是提高学生动手能力 和创新能力的重要环节 机械基础类课程实验主要包括工程材料 互换性与测量技术 机械原理 机械设计 材料力学和液 压与气压传动等课程 这些课程是重要的专业基础课 是连接基础课和专业课的重要环节 这些课程都 分别开设相应的实验 但传统实验普遍存在一下问题 1 实验教学侧重于验证书本内容 学生不能从中获得探求未知 研究设计和开拓创新的能力 2 实验多为常规实验 实验设备和手段落后 学生缺乏主动参与实验的热情 3 实验方案和实验步骤均按 死板 的教条进行 约束了学生创造力的发挥 4 实验台套数少 实验过程中学生参与动手的机会少 成绩不能反映学生的实验能力和水平 因此 以 培养能力 提高素质 为主线 以培养和提高学生的科学实验和工程实践素质 和创新 能力为目标 为了优化课程结构 更新实验内容 重组实验教学体系 开设了机械基础课程实验 机械基础课程实验的目的 1 使实验教学按照实验自身的特点和教学目标 要求构建教学内容和进行教学活动 2 使学生通过自己的思考 分析独立进行实验设计 实验操作和实验分析 提高学生的学习自主性 和主动性 培养学生的动手能力和创新意识 3 通过开放性实验大大拓展实验资源的利用空间 均化实验资源的负担 提高使用率 机械基础课程实验是在精选和完善侧重于理解掌握基本概念 基本理论的传统实验的基础上 大力 开发培养学生创新能力的综合性和设计性实验 积极推进 主动式 教学 注重实验过程 突出创新思 维能力的培养 主要主要内容有三部分 1 验证性实验 主要对客观事实和理论进行验证 了解仪器设备的原理和操作方法 2 综合性实验 主要将不同的知识点在实验中综合应用 以提高学生综合实验能力 3 设计创新性实验 主要提供实验用的多种模块 学生自行设计实验方案 并完成装配和测试 提高学生工程实践能力 和创新意识 1 图 10 1 实验台机械结构 1 从动直流发电机 2 从动带轮 3 传动带 4 主动带轮 5 主动直流电动机 6 牵引绳 7 滑轮 8 砝码 9 拉簧 10 浮动支 座 11 电测箱 12 拉力传感器 13 标定杆 实验 10 带传动实验 一 实验目的一 实验目的 1 通过本实验 掌握带传动的基本原理 对有关带的弹性滑动和打滑等重要物理现象有清晰认识 2 观察分析并验证预紧力对带的工作能力的影响 3 了解转速 转差速以及扭矩的测量原理与方法 4 绘制带的滑动曲线及传动效率曲线 二 实验仪器二 实验仪器 1 DCS II 型带传动实验台 2 DCS II 型带传动实验仪 3 砝码 4 计算机及相关实验软件 三 实验原理三 实验原理 1 1 带传动的分析 带传动的分析 预拉力促使带与轮之间具有一定的摩 擦力 使得轮子转动时带动皮带传动 两 皮带轮静止时 带各处的拉力都等于预紧 力 传动时 由于带与轮子表面间摩 0 F 擦力的作用 带两边出现拉力差异 绕进 主动轮和绕出主动轮的一边的拉力从 增大到 绕出主动轮和绕进被动轮 0 F 1 F 的一边的拉力由减小到 作用的 0 F 2 F 1 F 边称为紧边 作用的边称为松边设环形带的总长度不变 则紧边的拉力的增量应等于松边拉 2 F 01 FF 力的减小量 20 FF 14 1 2001 FFFF 14 2 2 21 0 FF F 紧边与松边之差称为带传动的有效拉力 即圆周力为 14 3 21 FFF 2 2 带传动时弹性滑动与打滑 带传动时弹性滑动与打滑 2 传动带在受到拉力作用时会发生弹性变形 在小带轮上 带的拉力从紧边拉力逐渐降低到松边拉 1 F 力 带的弹性变形量逐渐减少 因此带相对于小带轮向后退缩 使得带的速度低于小带轮的线速度 2 F 1 v 在大带轮上 带的拉力从松边拉力逐渐上升到紧边拉力 带的弹性变形量逐渐增加 带相对于大带 2 F 1 F 轮向前伸长 使得带的速度高于大带轮的线速度 这种由于带的弹性变形而引起的带与带轮间的微量 2 v 滑动 称为带传动的弹性滑动 因为带传动总有紧边和松边 所以弹性滑动也总是存在的 是无法避免 的 滑动率由于弹性滑动不可避免 所以从动轮的圆周速度小于主动轮的圆周速度 在带传动时 由带 的滑动引起的被动轮速度的降低率称为滑动率 10 4 11 2211 1 21 nd ndnd v vv 其中 为主 被动轮轮缘的线速度 1 v 2 v 为主 被动轮的转速 1 n 2 n 为主 被动轮的直径 1 d 2 d 若 则式 10 4 为 21 dd 10 5 1 21 n nn 在一般带传动中 滑动率不大 一般取值为 1 2 根据实验研究结果 带的弹性滑动只发生在全部包角的某一段的接触弧上 随着有效圆周力的增加 弹性滑动的区段也逐渐增大 当它扩大至整个包角对应的接触弧时 带传动的有效圆周力也达到最大极 限 如果载荷进一步增大 带与带轮间就发生显著的相对滑动 即产生打滑 打滑将使皮带磨损加剧 ec F 被动轮转速急剧降低 甚至使传动失效 这种情况应当避免 但是 当代传动所传递的功率突然增大而超过设计功率时 这种打滑却可以起到过载保护的作用 四 实验步骤四 实验步骤 1 连接各仪器间的连线 确保通讯成功 2 分别打开电脑电源 实验台电源和实验仪电源 3 启动电脑相关教学软件 并进行必要的设置 4 根据带的类型施加一个初实验力 0 F 5 实验仪复位 然后调整实验台转速到规定值 本实验建议预定转速为 1200 1300r m 6 记录数据 点击实验仪加载按键 3 7 重新调整微调旋钮使转速达到规定值 稳定之后记录数据 8 重复 6 7 步 直至实验仪上 8 个加载灯全部亮起 屏幕全部显示 日 为止 9 改变初实验力大小 然后重新实验 记录数据 10 根据实验结果 画出带传动滑动曲线及效率曲线 2 T 2 T 图 10 2 电脑软件设置操作流程 特别提示 起动机构前和关闭机构前 必须首先将微调开关沿逆时针旋转到底 然后将粗调开关沿逆时针方向关闭 否 则易易烧烧断保断保险丝险丝 甚至 甚至损损坏坏调调速器速器 打开实验仪后 实验之前必须首先清零或复位实验仪 实验过程中 可通过 顺时转动粗调开关 使实验台电源打开并使转速加至规定值 在实验加载过程中 如果需要调整转速的话 只需 要调整微调开关就可 五 注意事项五 注意事项 1 打开电源之前和关闭电源之前 必须首先将微调开关沿逆时针旋转到底 然后将粗调开关沿逆时 针方向关闭 a 启动软件b 选择带传动实验项目 c 打开带传动实验项目d 数据采集界面 e 采集数据f 计算分析数据 4 2 施加初实验力时 开始不能施加力过大 以便使带过度拉伸 缩短带的寿命 3 实验开始时 必须要清零或复位实验仪 不然容易导致数据不准确 4 点击加载按键时 必须掌握力量和速度 不然容易导致按键不能正确操作 5 多组实验时 可以根据第一遍实验结果适当调整初实验力 以观察带弹性活动和打滑时数据的区 别 六 思考题六 思考题 1 主动轮圆周速度与被动轮圆周速度是否相同 原因何在 1 v 2 v 2 对于弹性滑动和打滑 其中哪些现象产生 带传动就不能正常工作 为什么 3 带传动效率是否在打滑时最高 4 增加初拉力后 对打滑有何影响 传动效率的计算公式为 1 2 11 22 1 T T Tn Tn 5 实验 11 齿轮传动实验 一 实验目的一 实验目的 1 通过本实验 了解封闭流式实验台结构 弄懂封闭加载原理 2 通过本实验 了解齿轮传动效率的测定原理 掌握用封闭流式实验台测定齿轮传动效率的方法 3 测定齿轮减速器的传动效率 二 实验仪器二 实验仪器 1 CLS II 型齿轮传动实验台 2 CLS II 型齿轮传动实验仪 3 砝码等 三 实验原理三 实验原理 1 仪器基本介绍 实验台的结构如图 15 1 所示 由定轴齿轮副 悬挂齿轮箱 扭力轴 双万向连轴器等组成一个封闭 机械系统 图 11 1 齿轮实验台结构简图 1 悬挂电机 2 转矩传感器 3 浮动连轴器 4 霍耳传感器 5 定轴齿轮副 6 刚性连轴器 7 悬挂齿轮箱 8 砝码 9 悬挂齿轮副 10 扭力轴 11 万向连轴器 12 永久磁钢 电机采用外壳悬挂结构 通过浮动连轴器和齿轮相连 与电机悬臂相连的转矩传感器把电机转矩信 号送入实验台电测箱 在数码显示器上直接读出 电机转速由霍耳传感器 4 测出 同时送往电测箱中显 示 下图为实验仪正面面板控制 按钮及布置 其中输出转速和输 出转矩为电动机输出转速和输出 转矩 也是电动机对封闭流式齿 轮传动系统的输入转速和输入转 矩 图 11 2 实验仪面板布置图 6 2 实验原理 本实验利用 CLS II 型齿轮传动实验台 来测定齿轮传动效率 其中该实验台为小型台式封闭功率流 式齿轮实验台 采用悬挂式齿轮箱不停机加载方式 封闭功率流式齿轮实验台 主要是通过装置系统中的一个特殊部件 悬挂式齿轮箱来加载 用以 获得为平衡此弹性件的变形而产生的内力矩 封闭力矩 运转时 这内力矩相应作功而成为封闭功率 并在此封闭回路中按一定方向流动 3 效率计算 1 封闭功率流方向的确定 由图 11 1 b 可知 试验台空载时 悬挂齿轮箱的杠杆通常处于水平位置 当加上一定载荷之后 通 常加载砝码是 0 5kg 以上 悬挂齿轮箱会产生一定角度的翻转 这时扭力轴将有一力矩 T9作用于齿轮 9 其方向为顺时针 万向节轴也有一力矩 T9 作用于齿轮 9 其方向也为顺时针 如忽略摩擦 T9 T9 当电机顺时针方向以角速度 转动时 T9与 的方向相同 T9 与 方向相反 故这时齿 轮 9 为主动轮 齿轮 9 为从动轮 同理齿轮 5 为主动轮 齿轮 5 为从动轮 封闭功率流方向如图 11 1 a 所示 其大小为 11 1 9550 9 99 KwP NT Pa 该功率的大小决定于加载力知和扭力轴的转速 而不是决定于电动机 电机提供的功率仅为封闭传 动中损耗功率 即 11 2 991 PPP 故 11 3 9 19 9 19 T TT P PP 单对齿轮时 11 4 9 19 T TT 为总效率 若 95 则电机供给的能量 其值约为封闭功率值的 1 10 是一种节能高效的试验 方法 2 封闭力矩 T9的确定 由图 11 1 b 可以看出 悬挂齿轮箱杠杆加上载荷后 齿轮 9 齿轮 9 就会 产生扭矩 其方向 都是顺时针 对齿轮 9 中心取矩 得到封闭扭矩 T9 本实验台 T9是所加载荷产生扭矩的一半 即 11 5 2 9 mN WL T 其中 W 一所加砝码重力 N 7 L 一加载杠杆长度 L 0 3m 关于封闭功率流齿轮传动封闭力矩 T9的计算公式 1 一对外啮合齿轮的扭矩关系 图 11 3 外啮合齿轮扭矩关系一 一对外啮合齿轮如图 9 所示 T9 T9为外加扭矩 作用于轴上 其正确方向应如图上所示的方向 因为这是力平衡所必 须的 由图可见 一对外啮合齿轮 其轴上的外加平衡扭矩应是同方向的 当轮齿啮合的齿侧面改为另一侧面时 如图 15 4 所 示 两轴上扭矩也改方向 但结论仍然是两轮上的外加扭矩须是同方向的 图 11 4 外啮合齿轮扭矩关系二 当一对定轴外啮合齿轮转动时 其角速度 肯定是相反的 因此 必然一正一负 这也正是一般所理 1 2 19 T 29 T 解的一者为正功 一者为负功 2 封闭实验台悬臂挂重的计量关系 图 11 5 实验台悬臂挂重的计量关系 如图 15 5 所示 取试验台的浮动齿轮箱为独立体 其上除了悬臂挂重 W 以外 两扭轴断割处作用有扭矩 T9 T9 由于 本试验台传动比为 1 故 T9 T9 T 根据独立体的平衡原理 外力对 O1取矩 得 11 6 WLTTT 2 99 8 即 11 7 99 2 TT WL T 四 实验步骤四 实验步骤 1 连接各仪器间的连线 确保通讯成功 2 分别打开电脑电源 实验台电源和实验仪电源 3 启动电脑相关教学软件 并进行必要的设置 4 实验仪复位 然后调整实验台转速到规定值 实验转速调到 300 800 转 分为宜 5 记录数据 加载砝码 然后点击实验仪加载按键 6 重新调整电机调速旋钮使转速达到规定值 稳定之后记录数据 7 重复 5 6 步 直至实验仪上 8 个加载灯全部亮起 屏幕全部显示 日 为止 8 根据实验结果 画出齿轮传动效率曲线及电动机输出转矩的曲线 9 T 91 TT 其中 齿轮传动效率曲线和电动机输出转矩曲线可参考下图 图 11 6 齿轮传动效率曲线和电动机输出转矩曲线参考 特别提示 起动机构前和关闭机构前 必须首先将电机调速开关沿逆时针方向关闭 否则易易烧烧断保断保险丝险丝 甚至 甚至损损坏坏调调速速 器器 打开实验仪后 实验之前必须首先清零或复位实验仪 实验过程中 通过顺时转动调速开关 使电机转速加 至规定值 五 注意事项五 注意事项 1 打开电源之前和关闭电源之前 必须首先将电机调速开关沿逆时针旋转到底 2 实验开始前 必须要清零或复位实验仪 不然容易导致数据不准确 3 点击加载按键时 必须掌握力量和速度 不然容易导致按键不能正确操作 六 思考题六 思考题 1 什么是封闭实验原理 它对实验有何意义 2 确定封闭功率流方向有何意义 如何判定功率流方向 3 功率流方向和那些因素有关 4 试分析转矩 T 和转速 n 对传动效率的影响 并作出解释 9 NmT 9 NmT 1 NmT 9 七 实验报告要求七 实验报告要求 1 画出实验机的传动简图 据电动机的实际旋转方向判定封闭功率流方向并画出功率流图 2 打印齿轮传递效率齿轮传动效率曲线及电动机输出转矩的曲线和全部相关数据 并 9 T 91 TT 对数据进行分析 10 实验 12 创意组合机械系统综合实验 一 实验目的一 实验目的 1 通过实验培养学生观察问题 发现问题的能力 培养学生发散思维和创新设计能力 提高学生综 合利用所学知识解决实际问题能力 动手能力 培养学生协作能力及团队精神 2 了解机械动力传输的功能 常见的几种传动方式及其实际应用 认识实验台基本的机械部件 3 掌握轴系零部件的安装 拆卸 校准等机械装配的基本技能 4 了解各测量仪表 工具的性能 掌握水平仪 百分表 游标卡尺等常用仪器的使用方法 二 实验仪器二 实验仪器 电机二台 三向水平仪 多用型 可测水平 垂直 与水平呈 45 角平面 长度为 230mm 水平 仪 长度为 90mm 张力测试仪 磁性表座 接触式转速表 百分表 0 01mm 格 张力测试仪各一个 游标卡尺 0 150mm 直尺各一把 20cm 塞尺 0 0381 0 635mm 调整垫片 螺栓 螺母 大 小齿轮 传动轴 键 支撑座 联轴器等轴系零件若干 带传动和链传动组件各一套 曲柄摇杆与曲柄 滑块机构各一套 三 实验原理三 实验原理 机械原理和机械设计相关章节 四 实验步骤四 实验步骤 1 根据现有实验组件 拟定机械传动路线 绘出传动路线示意图 在传动轴 曲柄摇杆机构 曲柄滑块机构 齿轮传动 V 带传动 链传动等机械结构单元中 任选至 少三个单元 以用来与其他轴系零部件组成机械传动系统 2 将选定的机械结构单元在实验台上装配成一个有机整体 使之成为可行的机械传动系统 装配过程中 注意正确使用各种工具和仪表 保证装配正确 安全可靠 3 装配完成后 检查各装配环节的牢固性和安全性 并手动运转传动系统 确认运动部件的灵活性 有无碰撞 干涉等 如有问题 必须重新安装 校准 各装配环节的牢固性和安全性非常重要 设计到人身和设备的安 全 切记 4 通电 使设备自行运转 观察各零部件的运转状况 振动 冲击 噪音等 探讨所设计传动系 统的合理性 五 注意事项五 注意事项 1 在未确定拼装机构能正常运行前 一定不能开机 2 若机构在运行时出现松动 卡死等现象 请及时关闭电源 对机构进行调整 六 思考题六 思考题 1 安装带传动过程中 紧边应该在上还是在下 为什么 那链传动呢 11 2 在带传动过程中 为防止带过松影响传动 一般要加张紧轮 考虑一下 张紧轮应该加在松边还 是紧边 是向内侧张紧还是外侧 3 在机械传动系统中 如果同时出现带传动 链传动和齿轮传动时 该如何布置 为什么 4 在机械传动系统中 如果同时出现直齿轮传动和斜齿轮传动 该如何布置 为什么 多种多种传动传动方式的布置方式的布置 带传动属于挠性传动 主要通过带和带轮的摩擦来传递运动和动力 其主要特点有 吸收振动 缓和冲击 传动平稳 噪 声小 具有过载保护 结构简单等 为发挥带传动传动平稳 缓冲吸振 减小噪声的特点 在多级传动中一般布置在高速端 链传动属于刚性传动 依靠链轮轮齿和链节的啮合来传递运动和动力 它和带传动相似 具有中间挠性件 又和齿轮传 动相似 是一种啮合传动 其主要特点有 没有弹性滑动和打滑现象 具有准确的平均传动比 传动效率高 结构较为紧凑 成 本低 可远距离传动等 链传动运转不平稳 在多级传动中一般布置在低速端 这样可减小链传动冲击和振动 齿轮传动属于刚性传动 依靠轮齿之间的啮合来传动运动和动力 其特点有 传动效率高 结构紧凑 工作可靠 寿命长 传动比精确恒定 适用的速度和功率范围广等 为了更好的协调在同一个传动过程中同时出现上述传动方式 我们一般是按带传动 齿轮传动和链传动顺序来布置传动 布置传动机构顺序时应注意以下几个原则 1 传动能力较小的带传动及其它摩擦传动宜布置在高速级 有利于整个传动系统结构紧凑 匀称 同时 带传动布置在 高速级有利于发挥其传动平稳 缓冲吸振 减小噪声的特点 2 闭式齿轮传动 蜗杆传动一般布置在高速级 以减小闭式传动的外廓尺寸 降低成本 开式齿轮传动制造精度较低 润 滑不良 工作条件差 为减少磨损 一般应放在低速级 3 当同时采用直齿轮传动和斜齿轮传动时 应将传动较平稳 动载荷较小的斜齿轮传动布置在高速级 4 链传动运转不平稳 为减小冲击和振动 一般应将其放在低速级 5 当同时采用齿轮传动及蜗杆传动时 宜将蜗杆传动布置在高速级 使啮合面有较高的相对滑动速度 容易形成润滑油 膜 提高传动效率 6 圆锥齿轮尺寸过大时加工有困难 可将其布置于高速级 并对其传动比加以限制 以减小大锥齿轮的尺寸 七 实验报告要求七 实验报告要求 1 说明机械传动系统实现的功能及设计意义 2 绘出整体传动系统的示意图 12 实验 13 拉伸实验 拉伸实验是测定材料力学性能的最基本最重要的实验之一 由本实验所测得的结果 可以说明材料 在静拉伸下的一些性能 诸如材料对载荷的抵抗能力的变化规律 材料的弹性 塑性 强度等重要机械 性能 这些性能是工程上合理地选用材料和进行强度计算的重要依据 一 实验目的一 实验目的 1 了解电子万能试验机的工作原理 熟悉其操作规程和正确的使用方法 2 测定低碳钢的屈服极限 强度极限 延伸率 截面收缩率和铸铁的强度极限 S b b 3 观察低碳钢和铸铁在拉伸过程中的各种现象 绘制拉伸曲线 曲线 LF 4 比较低碳钢和铸铁两种材料的拉伸性能和断口情况 二 实验设备和工具二 实验设备和工具 1 WDW3200 型微机控制电子万能试验机 2 刻线机 3 游标卡尺 4 拉伸试样 三 实验原理三 实验原理 1 实验设备介绍 WDW3200 型微机控制电子万能试验机由主机 交流伺服驱动器 全数字 EDC 测量控制系统 计算机系 统及试验控制软件包 功能附件等组成 主要用于各种金属及非金属材料的拉伸 压缩 弯曲 剪切 剥离 撕裂等力学性能试验 配备相应的附件后 在高 低温或常温下还可进行松弛 蠕变 持久应力 等材料性能试验 主机的基本构造如下图所示 13 立 柱 上 横 梁 双 向 推 力 球 轴 承 滚 珠 丝 杠 杆 移 动 横 梁 圆 弧 同 步 带 电 机 张 紧 轮 减 速 器 台 面 深 沟 球 轴 承 图 13 1 WDW3200 型微机控制电子万能试验机基本结构图 主机主要由上横梁 移动横梁 下横梁及立柱组成 形成框架式结构 可选用双空间工作方式 如 上空间做拉伸 下空间做压缩 弯曲试验 上 下空间试验无需装卸夹具 丝杠下端上装有圆弧同步带 轮 经减速器 电机传动而带动移动横梁移动 主机左侧设有移动横梁保护机构 可防止移动横梁移动 超过上下极限位置造成机械事故 也可以使移动横梁停止在预定位置 2 拉伸试样介绍 金属材料拉伸实验常用的试件形状如图 13 2 所示 图中工作段长度称为标距 试件的拉伸变形量 0 l 一般由这一段的变形来测定 两端较粗部分是为了便于装入试验机的夹头内 图 13 2 圆形截面拉伸试样 为了使实验测得的结果可以互相比较 试件须按现行国家标准 GB6397 86 做成标准试件 即 或 00 5dl 00 10dl 对于一般板的材料拉伸实验 也应按国家标准做成矩形截面试件 如图 17 3 所示 其截面面积和试 件标距关系为或 为标距段内的截面积 00 3 11Al 0 0 65 5 Al 0 A 14 图 13 3 矩形截面拉伸试样 3 实验原理 材料力学性能 和 可由拉伸破坏实验来测定 用电子万能试验机拉伸试样时 计算机 S b 可以自动绘出拉伸试样的拉伸曲线 如下图所示 L O F B A B D E b F S F C L O F b F 图 13 4 圆形截面拉伸试样 a 低碳钢拉伸曲线 b 铸铁拉伸曲线 对于低碳钢试件来说 由图 13 4 a 中可以看出 当载荷增加到 A 点时 拉伸图上 OA 段是直线 表明此阶段内载荷与试件的变形成比例关系 即符合胡克定律的弹性变形范围 当载荷增加到 B 点时 实验力值不变或突然下降到 B 点 然后在小的范围内摆动 这时变形增加很快 载荷增加很慢 说明材 料产生了屈服 或称流动 与点相应的应力叫上屈服极限 与相应的应力叫下屈服极限 因下屈服B 极限比较稳定 所以材料的屈服极限一般规定按下屈服极限取值 以点相对应的载荷值除以试件的B S F 原始截面积 即得到低碳钢的屈服极限 屈服阶段后 试件要承受更大的外力才能继A S AF ss 续发生变形 若要使塑性变形加大 必须增加载荷 如图形中 CD 段 这一段称为强化阶段 当载荷达到 最大值 点 时 试件的塑性变形集中在某一截面处的小段内 此段发生截面收缩 即出现 颈缩 b FD 现象 此时记下最大载荷值 用除以试件的原始截面积 就得到低碳钢的强度极限 b F b FA b 在试件发生颈缩后 由于截面积的减小 载荷迅速下降 到点试件断裂 AF bb E a b 15 对于铸铁试件 如图 13 4 b 中 在变形极小时 就达到最大载荷而突然发生断裂 这时没有直线 部分 也没有屈服和颈缩现象 只有强化阶段 因此 只要测出最大载荷即可 可用公式 b F 计算铸铁的强度极限 AF bb b 四 实验步骤四 实验步骤 1 1 试件的准备 试件的准备 在试件中段取标距或 一般取 10mm 在标距两端做好标记 对低碳钢试件 00 10dl 00 5dl 0 d 用刻线机在标距长度内每隔 10mm 画一圆周线 将标距 10 等分或 5 等分 为断口位置的补偿作准备 用 游标卡尺在标距线附近及中间各取一截面 每个截面沿互相垂直的两个方向各测一次直径取平均值 取 这三处截面直径的最小值 d0作为计算试件横截面面积 A0的依据 2 2 试验机的准备 试验机的准备 首先了解电子万能试验机的基本构造原理 学习试验机的操作规程 1 旋开钥匙开关 启动试验机 第一步 连接好试验机电源线及各通讯线缆 第二步 打开空气开关 第三步 打开钥匙开关 2 连接试验机与计算机 打开计算机显示器与主机 运行实验程序 进入实验主界面 单击主菜单上 联机 连接试验机 与计算机 3 3 安装试件 安装试件 根据试件形状和尺寸选择合适的夹头 先将试件安装在下夹头上 移动横梁调整夹头间距 将试件 另一端装入上夹头夹紧 特别提示 将试样安装到上下夹头后 应缓慢加载 观察微机实验主界面上实验力的情况 以检查试件是否已夹牢 如 有打滑则需重新安装 4 4 清零及实验条件设定 清零及实验条件设定 1 录入试样 单击主菜单上 试样 选择试验材料 试验方法 试样形状 输入试验编号 试件原始尺寸 2 实验参数设定 单击主菜单上 参数设置 设定初始试验力值 横梁移动速度 1 3mm min 与移动方向 向下 试验结束条件等参数 3 清零 单击主菜单上的 位移清零 变形清零 试验力清零 进行清零 5 5 进行实验 进行实验 16 选定曲线显示类型为 负荷 位移曲线 不接引伸计 或 负荷 变形曲线 接引伸计 单 击主菜单上的 试验开始 进行实验 实验过程中注意观察曲线的变化情况与试件的各种物理现象 6 6 实验结束 实验结束 当试件被拉断或达到设定结束条件时 单击主菜单上的 试验结束 结束实验 7 7 填写自动计算项目计算所需数据 填写自动计算项目计算所需数据 根据屏幕提示 进行必要的数据测量 填入相应框格 8 8 保存结果 保存结果 单击主菜单上的 数据管理 进入下一级界面 单击 输出 得到 EXCEL 形式的数据文件 输 入文件名 以 另存 方式建立拉伸曲线数据文件 9 9 实验完毕实验完毕 实验完毕 取下试件 退出实验程序 仪器设备恢复原状 关闭电源 清理现场 检查实验记录是 否齐全 并请指导教师签字 低碳低碳钢钢延伸率和截面收延伸率和截面收缩缩率的率的测测定定 试件拉断后 取下试件 观察断口 将断裂的试件紧对到一起 用游标卡尺测量出断裂后试件标距间的长度 按下式可 1 l 计算出低碳钢的延伸率 100 0 01 l ll 将断裂试件的断口紧对在一起 用游标卡尺量出断口 细颈 处的直径 计算出面积 按下式计算出低碳钢的截面 1 d 1 A 收缩率 100 0 10 A AA 从破坏后的低碳钢试件上可以看到 各处的残余伸长不是均匀分布的 离断口越近变形越大 离断口越远则变形越小 因此测得的数值与断口的部位有关 为了统一值的计算 规定以断口在标距长度中央的区段内为准 来测量 的值 1 l 31l 若断口不在区段内时 需要采用断口移中的方法进行换算 其方法如下 31 设两标点到之间共刻有格 如图 17 5 所示 拉伸前各格之间距离相等 在断裂试件较长的右段上从邻近断口的C C n 一个刻线起 向右取格 标记为 这就相当于把断口摆在标距中央 再看点至点有多少格 就由点向左取d2 naa 1 Ca 相同的格数 标以记号 令表示到的长度 则的长度中包含的格数等于标距长度内的格数 故b L CbLL 2n LLl 2 1 图1 6 L L c d bac1 断口 图 13 5 拉伸试样断口图 17 当断口非常接近试件两端 而与其头部之距离等于或小于直径的两倍时 一般认为实验结果无效 需要重作实验 对铸铁试件 在变形很小的情况下就会断裂 所以铸铁的延伸率和截面收缩率很小 很难测出 五 注意事项五 注意事项 1 测量试样时 测定多点直径后 应取多点中的最小值 而不是求平均值 2 操作电子万能试验机上下移动时 要注意移动横梁速度不要太快 以免发生危险 3 实验开始前 一定要进行必要的设置和必要的操作 如设置衡量速度 如进行各项清零 以免数 据结果不准确 六 思考题六 思考题 1 参考低碳钢拉伸图 分段回答力与变形的关系以及在实验中反映出的现象 2 由低碳钢 铸铁的拉伸图和试件断口形状及其测试结果 回答二者机械性能有什么不同 3 回忆本次实验过程 你从中学到了哪些知识 七 实验报告要求七 实验报告要求 1 参照参考表格 完成各项内容 2 根据参考公式和实验结果来完成必要的计算 八 实验结果处理八 实验结果处理 1 根据测得的屈服载荷和最大载荷 计算屈服极限和强度极限 铸铁不存在屈服阶段 S F b F S b 只计算 即 b 0 S S A F 0 b b A F 其中 为试件的横截面面积 0 A 2 根据拉伸前后试件的标距长度和横截面面积 计算出低碳钢的延伸率和截面收缩率 即 100 0 01 L LL 100 0 10 A AA 其中 为颈缩处的横截面面积 1 A 3 画出试件的破坏形状图 并分析其破坏原因 4 按规定格式写出实验报告 报告中各类表格 曲线 简图和原始数据应齐全 18 九 参考表格九 参考表格 1 试件形状和尺寸 实验前实验前实验后实验后 试件原始形状图试件断后形状图 尺寸低碳钢铸铁尺寸低碳钢铸铁 平均直径 mm 0 d 最小直径 mm 1 d 横截面积 mm2 0 A 最小截面积 mm2 1 A 标距长度 mm 0 L 断后长度 mm 1 L 2 实验数据及计算结果 实验数据实验数据计算结果计算结果 试件 屈服载荷 kN S F 最大载荷 kN b F 屈服极限 MPa s 强度极限 MPa b 延伸率 截面收缩率 低碳钢 铸铁 附 计算公式 附 计算公式 屈服极限 延伸率 0 S S A F 100 0 01 L LL 强度极限 断面收缩率 0 b b A F 100 0 01 A AA 19 实验 14 压缩实验 在工程实际中 有些构件承受压力 而材料由于载荷形式的不同其表现的机械性能也不同 因此除 了通过拉伸实验了解金属材料的拉伸性能外 有时还要作压缩实验来了解金属材料的压缩性能 一般对 于铸铁 水泥 砖 石头等主要承受压力的脆性材料才进行压缩实验 而对于塑性金属或合金进行压缩 实验主要目的是为了材料研究 例如灰铸铁在拉伸和压缩时的强度极限不相同 因此工程上就利用铸铁 压缩强度较高这一特点用来制造机床底座 床身 汽缸 泵体等 一 实验目的一 实验目的 1 测定压缩时低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限 s b 2 观察两种材料压缩时的变形和破坏现象 比较和分析原因 二 实验设备和工具二 实验设备和工具 1 WDW3200 型微机控制电子万能试验机 2 游标卡尺 三 实验原理三 实验原理 1 1 压缩试样介绍 压缩试样介绍 金属材料的压缩试件一般制成短圆柱形 如图 18 1 所示 试件受压时 两端面与试验机垫板间的摩擦力约束试件的横向变形 影响试件的强度 随着比值的增加 上述摩擦力对试件中部的影响减弱 但比值 00 d h 也不能过大 否则将引起失稳 一般要求 00 d h3 1 00 dh 2 2 实验原理 实验原理 实验时计算机自动绘出低碳钢的压缩曲线和铸铁的压缩曲线 如图 18 2 a 和 b 对于低碳钢 试件 从图中可以看出 压缩过程中产生屈服以前的基本情况与拉伸时相同 载荷到达时 实验力值B 不变或下降 说明材料产生了屈服 当载荷超过点后 塑性变形逐渐增加 试件横截面积逐渐明显地B 增大 试件最后被压成鼓形而不断裂 故只能测出产生屈服时的载荷 由得出材料受压 S F 0SS AF 时的屈服极限而得不出受压时的强度极限 对于铸铁试件 从图中可以看出 受压时在很小的变形下即发生破坏 只能测出 由 b F 得出材料的强度极限 铸铁破坏时的裂缝约与轴线成角左右 0bb AF 45 图 14 1 拉伸试样图 20 L O F S F B F L O F b F F F 图 14 2 低碳钢和铸铁压缩曲线图 a 低碳钢压缩曲线图 b 铸铁压缩曲线图 四 实验步骤四 实验步骤 1 1 试件的准备 试件的准备 用游标卡尺在试件中点处两个相互垂直的方向测量直径 取其平均值 0 d 2 2 试验机的准备 试验机的准备 试验机的启动与计算机的联机与拉伸实验相同 3 3 放置试件 放置试件 将试件尽量准确地放在机器活动承垫中心上 使试件承受轴向压力 然后移动横梁向下运动 在试 件与上压头将要接触时要特别注意减慢横梁移动速度 使之慢慢接触 以免发生撞击 损坏机器 4 4 清零及实验条件设定 清零及实验条件设定 1 录入试样 单击主菜单上 试样 选择试验材料 试验方法 试样形状 输入试验编号 试件原始尺寸 2 实验参数设定 单击主菜单上 参数设置 设定初始试验力值 横梁移动速度 1 3mm min 与移动方向 向下 试验结束条件等参数 3 清零 单击主菜单上的 位移清零 变形清零 试验力清零 进行清零 5 5 进行实验 进行实验 选定曲线显示类型为 负荷 位移曲线 不接引伸计 或 负荷 变形曲线 接引伸计 单 击主菜单上的 试验开始 进行实验 实验过程中注意观察曲线的变化情况与试件的物理现象 6 6 实验结束 实验结束 当试件被压裂或达到设定结束条件时 单击主菜单上的 试验结束 结束实验 7 7 填写自动计算项目计算所需数据 填写自动计算项目计算所需数据 根据屏幕提示 进行必要的数据测量 填入相应框格 8 8 保存结果 保存结果 单击主菜单上的 数据管理 进入下一级界面 单击 输出 得到 EXCEL 形式的数据文件 输 入文件名 以 另存 方式建立压缩曲线数据文件 a b 21 9 9 实验完毕实验完毕 实验完毕 取出试件 退出实验程序 仪器设备恢复原状 关闭电源 清理现场 检查实验记录是 否齐全 并请指导教师签字 五 注意事项五 注意事项 1 操作电子万能试验机上下移动时 要注意移动横梁速度不要太快 以免发生危险 2 实验开始前 一定要进行必要的设置和必要的操作 如设置衡量速度 如进行各项清零 以免数 据结果不准确 六 思考题六 思考题 1 低碳钢压缩图与拉伸图有何区别 说明什么问题 2 为什么铸铁压缩时沿轴线大致成 45 方向的斜截面破坏 3 低碳钢压缩后为什么成鼓形 七 实验报告要求七 实验报告要求 1 参照参考表格 完成各项内容 2 根据参考公式和实验结果来完成必要的计算 八 实验结果处理八 实验结果处理 1 根据测得的屈服载荷和最大载荷 分别计算低碳钢试件的屈服极限和铸铁试件的强度极 S F b F S 限 b 2 画出试件的破坏形状图 并分析其破坏原因 3 按规定格式写出实验报告 报告中各类表格 曲线 简图和原始数据应齐全 九 参考表格九 参考表格 1 试件形状和尺寸 实验前实验前实验后实验后 尺寸低碳钢铸铁低碳钢铸铁 试件形状 草图 平均直径 0 d mm 0 d mm 横截面积 0 A 2 mm 0 A 2 mm 2 实验数据及计算结果 22 实验数据实验数据计算结果计算结果 试件 屈服载 kN S F 最大载荷 kN b F 屈服极限 MPa s 强度极限 MPa b 低碳钢 铸铁 附 计算公式 附 计算公式 屈服极限 强度极限 0 S S A F 0 b b A F 3 压缩曲线示意图 L O F L O F a 低碳钢压缩曲 线 b 铸铁压缩曲线 23 实验 15 纯弯曲梁的正应力实验 一 实验目的一 实验目的 1 用电测法测定纯弯曲梁弯曲时横截面各点的正应力大小和分布规律 验证纯弯曲梁的正应力计算 公式 2 测定泊松比 3 了解电测法的基本原理 掌握力 应变综合参数测试仪的操作方法 二 实验仪器和工具二 实验仪器和工具 1 XL3416 型纯弯曲梁实验装置 2 XL2118C 型力 应变综合参数测试仪 3 量具 游标卡尺 三 实验原理三 实验原理 1 验证纯弯曲梁的正应力计算公式 由梁的内力分析 如图 15 1 可知 BC 段的剪力为 零 弯矩为 因此梁的 BC 段为纯弯曲段 FaM 2 1 在纯弯曲条件下 根据平面假设和纵向纤维间无正 应力的假设 可得梁横截面上任一点的正应力计算公式 为 式中 M 为弯矩 Iz 为横截面对中性轴 Z I My 的惯性矩 y 为所求应力点到中性轴的距离 2 梁上应变片的分布 为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律 在梁的纯弯曲段沿梁侧面不同高度 平行于轴 线贴有应变片 如图 15 2 所示 图 15 2 应变片在梁中的位置分 布 3 实验原理 实验采用半桥单臂 公共补偿 多点测量方法 加载采用增量法 即每增加等量的载荷 F 测出各 点的应变增量 然后分别取各点应变增量的平均值 依次求出各点的应变增量 i实 i实 a b 图 15 1 纯弯曲梁受力图和弯矩图 a 受力图 b 弯矩图 24 将实测应力值与理论应力值进行比较 以验证弯曲正应iE实实 i z i z i i I Fay I My 2 1 力公式 4 测定泊松比 在梁的上边缘纵向应变片 1 附近 沿着梁的宽度粘贴一横向电阻应变片 6 测出沿宽度方向的应变 利用公式 确定泊松比的数值 特别提示 每台套纯弯曲梁实验装置贴有 12 个应变片 即可同时满足两组实验需要 同学们在做实验的时候只需要选 择其中的一组 6 个应变片 就可以 同学们不要选择错了 尤其是 6 号应变片 应是最靠近你所选择的 1 号应变 片 四 实验步骤四 实验步骤 1 设计好本实验所需的各类数据表格 2 测量矩形截面梁的宽度 b 和高度 h 载荷作用点到梁支点距离 a 及各应变片到中性层的距离 i y 可参考附表 1 相关数据 3 将实验装置上传感器的五芯航空插头连接到力 应变综合参数测试仪背面的五芯航空插座上 插 上电源 将开关置开 预热 20 分钟 并检查该装置是否处于正常实验状态 4 输入传感器量程及灵敏度和应变片灵敏系数 一般首次使用时已调好 如实验项目及传感器没有 改变 可不必重新设置 5 拟订加载方案 先选取适当的初载荷 P0 一般取 P0 10 Pmax左右 估算 Pmax 该实验载荷范 围 Pmax 4000N 分 4 6 级加载 6 分清各测点应变片引线 按实验要求接好线 调整好仪器和实验加载装置 检查整个测试系统是 否处于正常工作状态 7 根据加载方案加载 首先在不加载的情况下将测力量和应变量调至零 然后均匀缓慢加载至初载 荷 P0 记下各点应变的初始读数 再分级等增量加载 每增加一级载荷 依次记录各点电阻应变片的应 变值 直到最终载荷 注意 将实验数据记入相关表格 见附表 2 同时对数据做初步整理 见附表 i 3 实验至少重复两次 8 做完实验后 卸掉载荷 拆除接线 关闭电源 整理好所用仪器设备 清理实验现场 实验资料 交指导教师检查签字 五 注意事项五 注意事项 1 每次实验先将仪器接通电源 打开仪器预热 20 分钟左右 讲完课再做实验 2 看清实验台上的加载 卸载指示旋转方向 加载时缓慢均匀地旋转手轮 25 3 加载机构作用行程为 50mm 手轮转动快到行程末端时应缓慢转动 以免撞坏有关定位件 该装置 只允许加 4000 N 载荷 超载会损坏实验装置 4 所有实验进行完后 应释放加力机构 以免闲杂人员乱动损坏传感器和有关试件 六 思考题六 思考题 1 若在梁的同一高度处沿轴线方向两面都贴有应变片 请考虑是否有其他接线方法 并在实验时应 用 2 影响实验结果准确性的主要因素是什么 3 弯曲正应力的大小是否受弹性模量 E 的影响 4 梁弯曲的正应力公式并未涉及材料的弹性模量 E 而实测应力值的计算却用上了弹性模量 E 为什 么 5 实验时没有考虑梁的自重 会引起误差吗 为什么 七 实验报告要求七 实验报告要求 1 根据实验报告表格内容和要点 认真填写实验报告 2 根据实验数据和实验结果处理公式 认真计算 根据参考表格 认真填写整理 八 实验结果处理八 实验结果处理 1 根据测得的各点应变值 计算出各点应变增量的平均值 由计i实 6 i10 iE实实 算出 1 2 3 4 5 各点的应力增量 2 根据 计算各点的理论应力增量并与相比较 z i i I My FaM 2 1 i实 3 将不同点的与 绘在截面高度为纵坐标 应力大小为横坐标的平面内 即可得到梁截 i实 i 面上的实验与理论的应力分布曲线 将两者进行比较即可验证正应力分布规律和应力计算公式 4 利用纵向应变 横向应变 计算出泊松比 与真实值比较 1 6 实 1 6 实 26 0 5 实验结果处理 1 实验值计算 a MPE 6 1110实实 a MPE 6 2210实实 a MPE 6 3310实实 a MPE 6 4410实实 a MPE 6 1510实实 2 理论值计算 1 6 实 实 实 26 FaM 2 1 a Z MP I My 1 1理 a Z MP I My 2 2理 a MP0 3 理 a Z MP I My 4 4理 a Z MP I My 5 5理 九 参考表格九 参考表格 附表 2 实验数据记录所需表格 加载序加载序 号号 载荷值载荷值 N N i F 1 1 点点 d 2 2 点点 d 3 3 点点 d 4 4 点点 d 5 5 点点 d 6 6 点点 d 0 0500 1 11000 2 21500 3 32000 4 42500 5 53000 6 63500 附表 3 实