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牙刷自动直线式平磨毛一体机设计
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5.5 安全系数机械工程师为各种各样的构件确定其形状、尺寸和材料。支持那些设计决策的理论依据,首先要考虑到构件承受的拉伸、压缩、剪切应力哪一种应力。设计师也要知道一个构件是通过哪种机制破坏或者变得无用。它可能产生和承担一个永久变形、突然分裂成许多块,或者是通过腐蚀而损坏。机械工程师进行必要的计算和测试,以确保构件在这些和其他可能的故障模式下都能够可靠得的工作。当他们做出决策时，工程师依靠分析、实验、判断和设计规范。在本节中,我们将讨论失效分析典型的情况下屈服在要么紧张或剪切。这样的分析预测发病屈服在延性应力。收益率是有用的,防止材料从带来加载或以上,其屈服应力。收益率是多种可能的失效机制,和我们的分析在这部分不会提供关于其他种类的自然的预测。当一个直棒放置在张力如图5.2所示,它产生的可能性评估通过比较压力,材料的屈服强度。失败,原因是预测如果韧性屈服Sy。工程师定义拉伸安全系数作为Ntension=sy （5.10）如果n 1,这一观点预计,该组件将不会屈服,如果n小于1,失败是预期会发生。对于组件装载在纯剪切,另一方面,剪切应力是相反比剪切屈服强度。作为开发更先进的治疗方法的应力分析,一个理论为材料屈服强度的失败与剪力值在紧张的根据Ssy= Sy / 2 （5.10） nshear = ssy / （5.11）Ssy = Sy / 2(5.10)剪切屈服强度因此可以确定从sy值,得到标准的拉伸试验,如表5.3。评估塑性材料的可能性在剪切屈服,我们比较应力和强度根据剪切安全系数nshear = ssy / (5.11)n值,一个工程师选择特定的设计将取决于许多参数,包括设计师的背景、经验与组件与正在分析,测试的数量,将完成,材料的可靠性,失败的后果,维护和检查程序,和成本。某些航天器设计组件可能仅略大于为了减肥,这是溢价在航空航天应用程序。另一方面,来抵消,看似很小的安全系数,这些组件将被广泛进行了分析和测试,他们将由工程师有大量的集体经验。当部队和载荷条件并不确知的,或者当一个组件的结果的失败将会显著或危及生命,大的值是合适的。工程手册和设计规范经常推荐范围为安全因素,和那些引用应该尽可能地使用。摘 要 主要功能之一是设计的机械工程师的建筑和机器,这样他们不会打破。分析应力、应变和强度是由工程师使用的工具来确定一个组件就会过载或如果它会过度变形。一般来说,工程师进行应力分析在设计过程中,计算的结果用于指导材料的选择和维度。正如我们在第1章介绍,当时的几何组件或装运情况特别复杂,工程师使用计算机辅助工具来计算应力和挠度。图5.15展示了结果的两个这样的计算机辅助应力分析为u形夹连接(5.5中描述的示例)和一个座架(正如3.2节中讨论)。在这一章,我们讨论了装载条件称为紧张、压缩、剪切、和破坏机制称为塑性屈服。我们进一步介绍以下概念: 压力是一个力的强度分布在一个区域的材料。根据方向的应力行为,它可以紧张或剪切。 应变定义为每单位长度变化的原始长度。因为它的定义为一个比两个长度、应变是一个无量纲量, 它经常表示成小数百分比。在紧张的0.1%,一个酒吧,1米长会拉长的0.001倍,或1毫米。 强度描述了一种材料的能力来支持强调代理在它。一些措施的力量包括屈服强度,Sy,和极限强度,Su . 介绍了重要的数量在这一章,常见的符号对他们来说,和他们的单位列在表5.4中。自学和复习1.草图应力应变曲线为钢和铝。2.弹性和塑性行为之间的区别是什么？3.定义下列术语：弹性模量，比例极限，弹性极限，屈服点和极限点。4.钢和铝的弹性模量的近似数值是多少？5.怎么用0.2的偏移方法发现屈服强度的？6.如果杆在拉力方向被拉伸，怎么将直径方向的变化与长度方向的变化关联起来，将两者泊松比？7.讨论一些合金，材料属性以及用于钢，铝和其他金属的应用程序的区别。8.用什么方法区别拉伸和剪切应力的不同？9.如何将剪切屈服强度Ssy与从拉力测试中获得的屈服强度联系起来？10.安全的长期因素意味着什么？ 讨论安全是过大或过小的因素之间的权衡。问 题 1.寻找机械结构或机器，一个真正的实物例证拉应力存在。（a） 使标示图清晰。 （b）估计结构或设备的尺寸和大小 并在其上起作用的力量的方向。在图纸上显示这些。 简单解释一下，为什么你估算的尺寸和力量，有 您指定的数值。（c）计算应力的大小。 2.直径为3/16英寸的钢制电缆连接到吊环螺栓和拉紧到500磅（图P5.4，见226页）。计算在电缆上的应力，用尺寸磅，KSI，帕，千帕，以及兆帕表示。 3.当一个120磅的女人站在一个冰雪覆盖的小径上，她微微陷入雪中，因为她的滑雪靴和雪之间的压应力比雪大,而雪在没有破碎时可以支持。她的滑雪板65英寸长和15/ 8英寸宽。推定启动的足迹尺寸之后，计算减少施加到雪时她穿着代替靴的滑雪板应力的百分比。 4.作为一个机械师压复合作用断线钳的手柄，连接AB带有7.5千牛的力（图P5.6）。如果链路由4毫米的矩形横截面组成，有一个14毫米，计算在其内的拉伸应力。 5.（a）通过使用任一向量代数或多边形方法查找结果，确定f的幅度，将导致三个力到垂直方向上的净效应。 （b）对于F的值，来确定螺栓的3/8英寸直径的直柄的压力。 6.该带在一个机加工车间通过削减是图中的两个引导块B之间供给一个工件锯片。如果在其使用时应力为5 KSI，拉力P应该被设置多少？忽视齿的小尺寸相对于叶片的宽度。 7.铝棒，其直径为8毫米和30厘米的原始长度有刻划上线的正是10厘米。后一个2.11千牛的力施加时，线之间的间隔测得10.006厘米。 8.一辆越野车的轮胎为6.5英寸宽和变形略低于车辆4555-1B重量。每个轮胎与地面接触过沿着车辆的长度方向测量的距离4.25英寸。计算每个轮胎与路面之间的压应力。轴距尺寸如图所示。 9.确定弹性模量和0.2残余变形屈服强度与图中所示的应力 - 应变曲线的塑料样品。 10.一个1英尺长的杆是由题9的塑料材料制成。为了杆被屈服，杆应该从它原始的长度什么地方被拉伸？ 11.钢螺栓和锚定装置在图中是用来加强在地下煤矿的通道的屋顶。在安装时，螺栓被拉紧到5000英镑，如果它是由1045钢合金制成，计算它的应力，应变和伸张范围。 12.长25厘米，直径8毫米的圆形杆是由等级为45钢制成的。（a） 当它经受5千牛顿的张力时，计算杆上的应力和应变以及其延伸。（b） 什么力将使杆开始屈服？（c） 为了使杆产生屈服，根据什么拉伸杆超过其原始长度？ 13.工程师确定的1020钢级有40厘米长的杆将受到20千牛的张力。下面的两个设计要求必须满足：该应力必须保持低于145兆帕，并且杆必须伸展小于0.125毫米。确定所述棒的直径，以满足这两个要求的适当值。报告你的答案时，四舍五入到最接近的毫米。 14.寻找机械结构或机器，一个真正的实物例证有剪应力存在。（a） 使标示图清晰。（b）估计结构或设备的尺寸和大小，并在其上起作用力的方向。在图纸上显示这些。简单解释一下，为什么你估计的尺寸和力，有你设定的数值。（c）计算应力的大小。 15.胶粘带是能够支持相对大的剪切应力，但它不能支持显著拉伸应力。在这个问题中，你将测量一块胶布的剪切强度。（a）关于切磁带相同的长度L和宽度B十几段。确切的长度是不重要的，但段应该很容易处理。（b）研究一种方法为了权衡和测量磁带上的拉力F。使用时，例如，死的权重（苏打水或行使权重罐）或一个小渔村的规模。（c）将磁带的边缘，用胶带粘结在表面的一部分上。在测试中，考虑附件长度英寸和几英寸的分数之间不等。（d）应小心施加垂直沿着胶带的拉力，测量所需要的值F，以使粘合剂层滑动或折断。用半打不同的长度a来计算出拉力数据。（e）用拉力和剪切应力数据制作一个图形。从数据上看，估计剪切应力高于该磁带滑动和松动的值。（f）在它被切表之前，胶带在什么长度时会断？ (g)重复其中F施加垂直于表面，倾向于剥离而不是剪切它在磁带的方位的测试。比较磁带剪切和剥离的优势。 16.小钢板在图中由A10毫米直径的螺栓连接到右尖括号。确定图中A点的拉伸应力和螺栓上的剪切应力。 17.A 600磅的力作用在图中垂直板上，而这又是通过5个直径16英寸3铆钉连接到水平桁架上的。（a） 如果铆钉分担负载同样，确定在它们中的剪切应力。（b） 在一个最坏的情况下，4铆钉被腐蚀，负载仅由一个铆钉通过。在这种情况下，剪切应力是多少？ 18.随行的图显示了从问题17第4章中的具体槽的连接B的细节。确定作用在钩环3/8处的剪切应力。 19.图系的安装用螺栓固定在货运卡车的甲板和抑制下1.2千牛紧张的钢缆。确定在6毫米直径的螺栓上的剪切应力。忽视螺栓和电缆之间的小的水平和垂直偏移距离。 20.正齿轮将35牛米的扭矩传递到20毫米直径的驱动轴上。将5毫米直径的固定螺钉螺纹到齿轮的轮毂上，并且被容纳在被加工轴的小孔中。确定在沿着剪切平面B-B上的螺钉的剪切应力。 21.在附图中示出了在微电子洁净室一个塑料管的封闭端进行去离子水，水压为P0 =50磅，通过粘接剂将管子的顶端和底端连接起来。计算存在于所述粘合剂的剪切应力。 22.一个小梯子有由剖腹产铝通道形成的垂直导轨和水平阶梯。两个铆钉，一个在前面，一个在后面，固定每个阶梯的端部。铆钉连接阶梯的左侧和右侧导轨。一个200磅的人站在一个台阶的中心。若铆钉由6061-T6铝制成，应该怎样确定铆钉的直径d？使用6的安全系数，并使你的答案最接近一英寸的1/16。 23.对于练习题22，和最保守的设计，你应该在你的计算中确定200磅的人站在台阶的什么位置？确定铆钉的直径为负载条件。 24.3/8英寸直径的螺栓船用螺旋桨连接到船的5/4处的驱动轴上。为了保护发动机和变速器，螺旋桨意外撞击水下障碍物时，螺栓应被设计成当作用在其上的剪切应力达到25 ksi的被切割处。确定叶片和障碍之间的接触力，这种力将导致螺栓被剪断，假定一个4英寸接触的上刀片和所述驱动轴的中心的点之间的有效半径。 25.机械师挤压老虎钳的把手，同时松开冻结螺栓。在点A处，如图中的放大剖视图的连接，支持4.1千牛顿力。（a） 确定在A处6毫米直径的铆钉的剪切应力。（b）如果该铆钉是由4340钢合金形成得到的因子，确定抵抗屈服的安全因素。 26.复合杆剪过一段电线在所附的图的A点。（a） 通过使用手柄CD中的自由体图，确定力在铆钉D的幅度. （b）参见D处连接的放大截面图，确定在所述铆钉的剪切应力. （c）如果铆钉是由4340钢合金制成，安全系数是多少？第6章 热工与能量（发动机）系统61 概论到目前为止，我们已经探讨了机械工程学科的前三个 “元素”：机械零件和工具，在结构和流体中的力、材料和应力。在第一章中提到过，机械工程师能够设计和制造耗能或产能的机械设备。在本章，我们将注意力转移到机械工程的第四个元素，热工与能量系统。这个领域包括如下硬件系统：内燃机、飞行器的推进器、太阳能发电、水利发电、化石燃料、原子能技术等。在本章的前部分，介绍一些相关的物理定律和专业术语，以便理解发动机的运行和功效。然后，在6.6-6.8节，我们将应用这些理论，来学习了解关于通用机械工程设备的三个案例。能量的各种特性、能量存在的不同形式、能量转换的方式是机械工程领域非常核心的内容。从设计产能或耗能设备的角度来看，非常感兴趣的过程是：（1）将化学能转换成热能，（2）将热能转换成机械能，（3）能量在不同区域内传递。例如，对于汽车发动机来说，燃烧汽油将化学能变成热能，然后，发动机将热能转换成机械能发动机曲轴的旋转，从而带动汽车的行驶（如图6.1）。在以后的章节中，我们将介绍这样的概念并将其应用在机械工程硬件的领域。完成这章学习后，你将能够：l 在SI（国际标准计量单位）和USCS（美国传统计量标准）之间对机械能、热和功进行数值换算。l 描述如何通过传导、对流和辐射三种形式实现热量的传递。l 在机械系统或流体系统中，讨论能量守恒。l 描述热机如何工作，理解有用功（效率）和无用功（效率）之间的区别l 解释四冲程、二冲程内燃机，发电机，喷气发动机如何工作6.2 机械能，功，和功率尽管能量不可见，无法拿在手上，但在拉伸物体、增加物体的速度、升高温度，或提升物体时需要能量。能量可以存储在重力势能中，例如举高重物，也可以存储在弹性能中，例如，拉伸的弹簧。势能与物体在重力场中的提升位置变化有关。接近地球表面，重力加速度基本守恒，重力加速度值g=9.81m/s2=32.2ft/s2，这个值对很多工程都足够准确了。本地的g值与其他地方没有多大变化，在赤道和极地（两级）的重力加速度有百分之几的差异。势能与高度有关（例如，地面或工作台的上面），势能存储在垂直实际高度（的物体）中。物体在垂直高度变化h时，其能量变化U为：U=mgh （6.1）m为质量，当物体升高（h0）势能增加，相反当物体下降（h0），因为力作用的方向和活塞滑动的方向一致，相反地，如果力阻止运动，功为负值。如图6.2b，d0：压缩气体时力产生移动。（b）d0：气体膨胀时，力阻止移动。功率，在本接最后我们介绍功率，功率是单位时间内做的功，当力在间隔时间t内做功，平均功率为：Pavg=W/t ( 6.5)如果做功较快，t很短，相应的功率增加。工程技术人员为了方便地表述功率，在SI单位制中，用瓦表示功率，（1W=1J/s），在USCS单位制中，用ft.lb/s或马力(hp)表示，表6.2列出了两种系统的换算系数。例如，读第3行，马力与ft.lb/s的换算关系为1 hp=550ft.lb/s。例题6.1依据ft.lb/s和W的定义，由表6.2，算出他们之间的换算系数解：1ft.lb/s=(1ft.lb/s)(0.3048m/ft)(4.448N/lb)=1.356N.m/s=1.356W例题6.2计算U型螺栓两段直杆内弹性势能，参看5.1、5.2例题解：在上述例题中给出了尺寸和材料的相关系数，螺栓一边直线部分的弹性守恒条件在5.5中已经给出：在例题5.2中，U型螺栓每侧直线部分拉伸72.6m，利用等式6.2，弹性势能为：因为U型螺栓有两个直线部分，所以总能量为2（0.145J）=0.29J，非常微小的能量。例题6.3 在2001年911事件中，恐怖分子利用民航飞机袭击纽约世界贸易中心双子塔，计算满载350，000 lb，以400mph飞行的波音767飞机的动能。解：利用等式6.3，需先计算飞机的质量:M=(3.5105 lb)/(32.2ft/s2)=1.087104 slugs转换速度为一致（相应）的单位ft/s：V=(400mph)(5280ft/mi)(2.77810-4 ft/s) 2=578 ft/s参考表6.1，动能等于：U=(1.087104 slugs) (578 ft/s) 2/2=2.54109J=2.54GJ在SI单位制中，将能量单位转换为方便理解的单位，参考第2章例题18，大的爆炸产生的能量用“千吨”表述。大约为1000吨高爆炸药产生的能量，即4.1861012J。利用此换算系数，飞机动能为610-4千吨，或大约1200 Lb高爆炸药的能量。例题6.4做一个数量级方面的计算，估算电梯马达功率，用马力做单位，四层办公楼电梯马达，电梯箱自重500 lB，乘客和货物2500 lB。解：应用式6.5，估算马达的功率，估计电梯从一楼到四楼需20秒，高度为50ft，依据此假设，平均功率为：Pavg=W/t =(500lb+2500lb)(50ft)/20s=7500ft.lb/s 转换成马力单位：P= (7500 ft.lb/s)(1.81810-3 hp/ (ft.lb/s)=13.6 hp工程师以后的精确计算，还要考虑摩擦、马达的无用功、电梯超载、安全系数，计算会更准确，但从初步的估算看，马达的功率应该是几十马力，而不是几马力或几百马力。6.3 热能的传递 在前节中，学习了几种可以在机械系统中储存的能量，能量也可以从一中方式转换为另一种方式，例如，下落物体的潜在势能转换为动能。相似地，燃料中存储能量，燃烧时释放出热能。热量作为能量，因为温度差，从一个地方传递到另一个地方，在本节，学习几种工程中有关热量的概念。燃料燃烧释放热量，热量的传递方式被称为传导、对流、辐射。当液体油、固体煤、气体丙烷这类燃料燃烧时，化学反映产生热量和副产品如水气、一氧化物、颗粒物。燃烧中释放的热量用“燃烧热” H衡量。见表6.3，燃烧热的数值代表燃料产生热量的能力，在国际单位SI中，H为MJ/kg，在美国单位制USCS中为Btu/slug，在单位制USCS和国际单位制SI之间的转换系数列表于6.4。表6.1和6.3列出的单位制Btu是英国热量单位的缩写。历史以来，1Btu被定义为加热1升水升高1oF 需要的热量。在现代定义中，Btu等于778.2ft.lb或1055J。在机械工程中常使用Btu单位。作为通常的法则，质量为m的燃料燃烧释放的热量为 Q=m H (6.6)参考表6.3，当燃烧1公斤汽油，可释放约45MJ的热量。在USCS中，当燃烧1 slug汽油释放的热量为4.2105Btu。假如制造一台汽车发动机，它可以将上述热量全部转换为动能，一个1000公斤的汽车可以加速到300m/s，大约为
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