效率实验报告

机械传动性能综合实验报告 姓 名 学 号 班 级 任课老师 特别提示 本报告第一 二 三部分来自试验指导书 稍有更改 一 实验目的 1 了解机械传动系统效率测试的工程试验手段和常用的机械效率测试设备 掌握典型机械传动系统的效率范围 分析传动系统效率损失的原因 2 通过对典型机械传动系统及其组合的性能测试 加深对机械传动系统性 能的认识以及对机械传动合理布置的基本原则的理解 3 通过对实验方案的设计 组装和性能测试等训练环节 掌握计算机辅助 实验测试方法 培养学生创新设计与实践能力 二 实验原理及设备 1 实验原理 机械传动性能综合测试实验台的工作原理如图 1 所示 通过对转矩和转速 的 测量 利用转矩 转速与功率的数学关系间接导出功率数值 并通过对电机和 负载的相应控制观察分析转速 转矩 功率的相应变化趋势 同时通过对减速 器的输入功率和输出功率的测量分析 得出减速器的效率及其随不同情况的变 化所呈现的变化趋势 2 实验设备 机械传动性能综合测试实验台采用模块化结构 由不同种类的机械传动装 置 联轴器 变频电机 加载装置和工控机等模块组成 学生可以根据选择或 设计的实验类型 方案和内容 自己动手进行传动连接 安装调试和测试 进 行设计性实验 综合性实验或创新性实验 机械传动性能综合测试实验台各硬 件组成部件的结构布局如图 2 所示 图 2 a 实验台外观图 变频 电机 ZJ 扭矩 传感器 ZJ 扭矩 传感器 负载 工控机 扭矩测量卡 扭矩测量卡 转速调节 机械传动 装置 试件 负载调节 图 1 实验台的工作原理 1 变频调速电机 2 联轴器 3 转矩转速传感器 4 试件 5 加载与制动装置 6 工控机 7 电器控制柜 8 台座 实验设备包括机械传动综合效率实验台 包括台座 变频调速器 机柜 电控箱 蜗轮蜗杆减速器 齿轮减速器 三相异步电动机 同步带传动装置 滚子链传动装置 V 带传动装置 磁粉制动器 ZJ 转矩转速传感器 计算机及 打印机 其他零配件 典型实验装置包括齿轮减速传动装置 蜗轮蜗杆减速传 动装置 V 带 齿轮减速传动装置 齿轮减速 滚子链传动装置 同步带减速传 动装置 V 带减速传动装置 V 带 同步带减速传动装置 实验装置由动力部分 测试部分 加载部分和被测部分等组成 各部分的性能参数如下 1 动力部分 1 YP 50 0 55 三相感应变频电机 额定功率 0 55KW 同步转速 1500r min 输入电压 380V 2 LS600 4001 变频器 输入规格 AC 3PH 380 460V 50 60HZ 输出规 格 AC 0 240V 1 7KVA 4 5A 变频范围 2 200 HZ 2 测试部分 1 ZJ10 型转矩转速传感器 额定转矩 10N m 转速范围 0 6000r min 2 ZJ50 型转矩转速传感器 额定转矩 50N m 转速范围 0 5000r min 3 TC 1 转矩转速测试卡 扭矩测试精度 0 2 FS 转速测量精度 0 1 4 PC 400 数据采集控制卡 3 被测部分 1 三角带传动 带轮基准直径 D1 70mm D2 115mm O 型带 L 内 900mm 带轮基准直径 D1 76mm D2 145mm O 型带 L 内 900mm 带轮基准直径 D1 70mm D2 88mm O 型带 L 内 630mm 2 链传动 链轮 Z1 17 Z2 25 滚子链 08A 1 71 1 2 3 4 5 3 6 7 8 2 2 2 图 2 b 实验台的结构布局 滚子链 08A 1 53 滚子链 08A 1 66 4 加载部分 FZ 5 型磁粉制动 加载 器 额定转矩 50N m 激磁电流 0 2A 允许滑 差功率 1 1KW 为了提高实验设备的精度 实验台采用两个扭矩测量卡进行采样 测量精 度达到 0 2 FS 能满足教学实验与科研生产试验的实际需要 机械传动性能 综合测试实验台采用自动控制测试技术设计 所有电机程控起停 转速程控调 节 负载程控调节 用扭矩测量卡替代扭矩测量仪 整台设备能够自动进行数 据采集处理 自动输出实验结果 是高度智能化的产品 其控制系统主界面如 图 3 所示 图 3 实验台控制系统主界面 三 实验项目及步骤 1 实验项目 链传动 齿轮减速器 V 带传动 齿轮减速器 2 实验步骤 实验步骤可以分成 3 个阶段 准备阶段 测试阶段和分析阶段 在实验时 要按照不同阶段的相关要求进行操作 1 准备阶段 1 认真阅读 实验指导书 和 实验台使用说明书 并熟悉实验台 2 确定实验内容 选择实验时 则要确定选用的典型机械传动装置及其组合布置方案 并进 行方案比较实验 如表 1 所示 表 1 编 号组合布置方案 实验内容 B1V 带传动 齿轮减速器 实验内容 B3链传动 齿轮减速器 首先要了解被测机械的功能与结构特点 3 根据选择的机械传动方案选择仪器设备 布置 安装被测机械传动装 置 系统 注意选用合适的调整垫块 确保传动轴之间的同轴线要 求 4 检查各连接部位是否牢固可靠 按 实验台使用说明书 要求对测试 设备进行调零 以保证测量精度 2 测试阶段 1 打开实验台电源总开关和工控机电源开关 2 点击 Test 显示测试控制系统主界面 熟悉主界面的各项内容 3 键入实验教学信息标 实验类型 实验编号 小组编号 实验人员 指导老师 实验日期等 4 点击 设置 确定实验测试参数 转速 n1 n2 扭矩 T1 T2 等 5 点击 分析 确定实验分析所需项目 曲线选项 绘制曲线 打印 表格等 6 启动主电机 进入 试验 使电动机转速加快至接近同步转速后 进行加载 加载时要缓慢平稳 否则会影响采样的测试精度 待数据 显示稳定后 即可进行数据采样 分级加载 分级采样 采集数据 10 组左右即可 7 从 分析 中调看参数曲线 确认实验结果 8 结束测试 注意先逐步卸载 后降速 9 关闭仪器电源 拆卸传动系统 将各仪器设备和组件复位 3 分析阶段 1 对实验结果进行分析 对于实验 B 重点分析不同的布置方案对传动 性能的影响 2 整理实验报告 实验报告的内容主要为 测试数据 表 参数曲线 对实验结果的分析 实验中的新发现 新设想或新建议 四 实验过程 1 链传动 1 方案设计 按照实验原理中的实验台工作原理图进行机械机构和数据采集部 分的设计 2 装配调试 将主动轴 从动轴 传动链 传感器搭接完成 调整各联轴器同 心并控制间距在 1mm 左右 调整主 从动轴到达合适的间距使链 条受到适当的张紧力 3 数据测试 装配调试完成后 用计算机控制设备运行并进行数据采集 控制 主动轴转速在 1000r min 左右基本不变 逐渐增大从动轴上的负 载 记录主 从动轴上的力矩值及转速值 注意每次记录数据时 要等到各数据值稳定以后在进行 2 V 带传动 1 方案设计 按照实验原理中的实验台工作原理图进行机械机构和数据采集部 分的设计 2 装配调试 将主动轴 从动轴 传动链 传感器搭接完成 调整各联轴器同 心并控制间距在 1mm 左右 调整主 从动轴至合适的间距使 V 带 受到适当的张紧力 3 数据测试 装配调试完成后 用计算机控制设备运行并进行数据采集 控制 主动轴转速在 1000r min 左右基本不变 逐渐增大从动轴上的负 载 记录主 从动轴上的力矩值及转速值 注意每次记录数据时 要等到各数据值稳定以后在进行 五 实验数据分析 本部分对实验数据进行处理 得出初步结论 原因分析见第六部分 1 链传动 1 实验数据记录 n1 r min N m n2 r min N m i n1 n2 P1 M2N2 9550 kW P2 M1N1 9550 kW P2 P1 1000 20 82136 30 727 3390 0860 0111 86 999 71 48136 24 047 3370 1550 05837 15 1000 52 06136 48 267 3370 2160 11854 69 1004 42 36136 910 427 3370 2480 14960 16 1002 62 32136 610 127 3370 2440 14559 45 1003 72 59136 712 067 3420 2720 17363 56 1000 62 88136 314 187 3410 3020 20267 14 1001 13 14136 416 127 3390 3290 2369 9 1001 23 42136 518 117 3370 3580 25972 29 1001 23 7136 420 177 3390 3880 28874 36 10023 94136 521 897 340 4130 31375 75 999 14 2136 123 867 3390 440 3477 36 2 实验数据分析 效率 负载 M2曲线 由效率 负载图可见 链传动效率随负载增加而呈现增加的趋势 而且增加 的程度越来越小 输出功率 P1 P2 负载 M2曲线 负载 M2 传动比 i 曲线 由图可知 随着负载的增加 功率近似成线性关系上升 而且输入 输出 功率增加的速度基本相等 由图可知 在负载不断变化的过程中 传动比近似维持常值 约为 i 7 34 平均值 i 7 338667 2 V 带传动 1 实验数据记录 n1 r min N m n2 r min N m i n1 n2 P1 M2N2 9550 kW P2 M1N1 9550 kW P2 P1 999 80 82157 42 996 3510 0860 04957 53 999 61 31157 36 056 3540 1370 172 94 1000 21 8157 29 066 3630 1880 14979 15 999 82 27156 811 976 3760 2380 19782 71 9992 77156 215 026 3950 290 24684 74 998 73 28155 718 16 4130 3430 29586 13 999 23 76155 620 966 4210 3930 34286 84 10004 24155 223 976 4430 4440 3987 62 2 实验数据分析 负载 M2 效率曲线 由效率 负载图可见 链传动效率随负载增加而呈现增加的趋势 而且增加 的程度越来越小 负载 M2 输入功率 P1 输出功率 P2 曲线 由图可知 随着负载的增加 功率近似成线性关系上升 而且输入 输出 功率增加的速度基本相等 负载 M2 传动比 i 曲线 由图可知 在负载不断变化的过程中 传动比近似维持常值 约为 i 5 92 平均值 i 5 92325 六 问题思考部分 说明 在试验和数据处理过程中 我对很多问题都产生了兴趣 希望 可以借助这次机会 对机械传动的相关知识有一个更加深入的了解 以下 采用问答的方式 尝试解决实验中的一些重要问题 需要强调的是 由于 知识水平和查阅资料的有限 我还不能就这些问题做一个完满的解释 其 中有不足和错误的 请老师指教 1 V 带传动效率曲线的走势为什么呈逐渐减缓的递增趋势 简答 由于带是弹性体 受力不同的时候伸长量不等 使带传动发生弹性 滑动现象 而效率也与弹性滑动密不可分 在 V 带绕带轮滑动传动时候 带的压力由紧边拉力 F1 下降到松边 拉力 F2 所以带的弹性变形也要相应减 小 亦即带在逐渐缩短 带的速度要落 后于带轮 因此两者之间必然发生相对 滑动 同样的现象也发生在从动轮上 但是情况恰好相反 带从松边转到紧边 时 带所受到的拉力逐渐增加 带的弹 性变形量也随之增大 带微微向前伸长 带的运动超前于带轮 带与带轮间同样 也发生相对滑动 有效拉力 F F1 F2 等于带沿带轮 的 接触弧上摩擦力的总和 Ff 带传动中滑动的程度用滑动率表示 其表达式为 100 1 11 22 1 21 nD nD v vv 式中 v1 v2 分别为主动轮 从动轮的圆周速度 单位 m s n1 n2 分别为主动轮 从动轮的转速 r min D1 D2 分别为主动轮 从动轮的直径 mm 如图 2 1 所示 带传动的滑动 曲线 1 随着带的有效拉力 F 的增大而增 大 表示这种关系的曲线称为滑动曲线 当有效拉力 F 小于临界点 F 点时 滑 动率与有效拉力 F 成线性关系 带处于弹性滑动工作状态 当有效拉力 F 超过 临界点 F 点以后 滑动率急剧上升 带处于弹性滑动与打滑同时存在的工作 状态 当有效拉力等 于 Fmax 时 滑动率近于直线上升 带处于完全打滑的工作状态 图中曲线 2 为带传动的效率曲线 即表示带传动效率 与有效拉力 F 之间关系的曲线 当有效拉力增加时 传动效率逐渐提高 当有效拉力 F 超过临界点 F 点以后 传动效率急剧下降 带传动最合理的状态 应使有效拉力 F 等于或稍小于临界 点 F 这时带传动的效率最高 滑动率 1 2 并且还有余力负担短时间 如启动时 的过载 本实验中之所以没有观察到传动效率下降的点 是因为拉力 F 未达到 Fmax 2 V 带传动和链传动的效率有何区别 造成这样差异的原因是什么 简答 V 带传动效率随负载增加而呈现增加的趋势 且相对链传动 V 带 传动初始效率高 这是因为带传动的传动部件振动和质量都较小 消 耗的功率也小 还能看到 相对与链传动的数据 V 带传动的数据采 集效果更好 因为 V 带传动为柔性传动 冲击振动较小 对传感器的 干扰也就更小 带传动靠摩擦力工作且带具有弹性 1 能缓和冲击 吸收震动 传动平稳无噪音 结构简单 维护制造方便 成本较低 3 具有过载 保护作用 链转动用在工作可靠 低速重载 工作环境恶劣 以及其他不宜 采用齿轮传动和带传动的场合 例如翻土机的运行机构采用链传动 虽然经常受到土块 泥浆和瞬时过载等的影响 依然能够很好的工作 3 在联合传动中 带传动和链传动的安装有何要求 简答 若将链传动放置高速级 会加剧运动的不均匀性 动载荷变大 震 动和噪音增大 降低链传动的寿命 链传动只能实现平行轴间的同向传动 运转时不能保证恒定的瞬时传动比 磨损后易发生跳齿 工作时有噪音 不宜用在载荷变化很大 高速和急速反向的传动中 即应布置在低速级 若将带传动放置低俗级 会使结构尺寸增大 及应布置在高速级 与电 机直接相连 可以骑到缓冲吸震的作用 还能起到过载打滑的作用 保护 零件 放在高速级 功率不变的情况下 高速级速度高 带传动所需的有 效拉力就小 带传动的尺寸也就较小 4 功率 效率之间有什么关系 简答 从功率图可以看出 输入 输出功率均增加 但输入功率增加速度 更 这是由于 V 带传动打滑逐渐严重而引起的摩擦损耗功率逐渐增加 但打滑的增加并未引起效率的降低 因为打滑引起的功率损失相对于输 入 输出功率的增长较小 由效率公式 11 21 1 2 11 P P P PP P P P1 与 P2 的差的增量相对于 P1的增量较小 二者都增加会导P 致 效率的提高 5 输入与输出功率关系如何 为什么会有这样的关系 简答 P2 P1 即输入功率等于输出功率乘以效率 另一方面 P2 P1 P 为常值 同时满足以上两个关系的结果 就是效率不断增加 这也符 合 实验的观测结果 这样的关系与效率的定义有关 而为常数则是因P 为在试验范围内 摩擦力 打滑造成的机械能损失可以近似为常值 6 负载改变的过程中 传动比为什么近似保持不变 而又为什么不是一个 绝对常数 简答 传动比的大小在理论上是由机构自身决定的 在正常工作条件下是不 会改变的 比如 V 带的传动比与两带轮直径呈反比 链传动与两链轮齿数 有关 而都与传动过程的负载等条件无关 不过 对于 V 带和链条 在考 虑打滑 弹性形变 塑性形变 失效的情况下 再加上外界扰动的影响 传动比不是绝对的常数 而是呈现一定的波动性 7 飞轮调速器有何作用 其原理如何 简答 飞轮调速 原理 大转动惯量的盘形零件 当机械出现盈功时 飞轮存储多余 的 动能 速度上升幅度下降 当机械出现亏功时 飞轮 释放存储的动能 速度下降幅度下降 适用范围 具有周期性速度波动的机械 如 内燃机 蒸汽机 压力机 搅拌机等 8 联轴器的作用是什么 他的工作原理如何 简答 联轴器是机械传动中的常用部件 用来连接主 从动回转构件使其 一同旋转并传递转矩 有时也可作为安全装置 即当转矩超过规定时 联轴器自行脱开 以保证机器中的主要零部件不致因过载而损坏 联轴器根据对各种相对位移有无补偿能力 即能否在发生相对位移 条件下保持连接的功能 可分为刚性联轴器 无补偿能力 和挠性联 轴器 有补偿能力 两大类 挠性联轴器可按是否具有弹性元件分为无 弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别 其各自特 点如下 1 刚性联轴器虽然不具有可移性和缓冲性 但因结构简单 制造容 易 不需要维护和成本低等特点而得到广泛应用 2 挠性联轴器具有补偿两回转构件相对位移的能力 其中 弹性元 件挠性联轴器由于含有能产生较大弹性变形的原件 除具有可移性外还 具有缓冲和减震作用 但在传递转矩的能力方面 因受到弹性元件的强 度限制 一般不及无弹性元件的联轴器 带弹性元件的联轴器中 按弹 性元件的材质不同 又可分为金属弹性元件和非金属弹性元件 金属弹 性元件的主要特点是强度高 传递转矩大 使用寿命长 不易老化且性 能稳定 非金属弹性元件的优点是制造方便 易获得各种结构形状 且 具有较高的阻尼性能 挠性联轴器 刚性联轴器 无弹性元件有弹性原件 传递转矩大 运转可靠 工作寿命长 对冲击载荷敏感 要求安装精度和回 转构件刚度高 能不同程度的适应安 装误差和相位位移 1 具有缓冲和吸震性 适于频繁 启动和正反转的工作场合 2 弹性元件比较薄弱 不适于低 速和大转矩 3 安装误差和相对位移会加快元 件的损坏 七 实验中新设想或新建议 1 试验过程感觉稍稍有点简单 要进一步理解机械传动效率 还需要 补充任务 分析和了解更多的知识 比如这份试验报告里提出的原因分 析 2 这个试验本来只用两小节课的时间 课选课说明上却是四个小节 建议更改一下时间 3 注意安全 扭螺母和放置工具的时候都要小心 八 思考题 1 机械效率如何定义 实验中是如何测定传动系统机械效率的 机械效率定义是输出功率与输入功率之比 实验中通过测量输入 输 出轴的转矩和转速 并将二者相乘来