机械设计基础 机械系统综合实验

1、实验一 机械系统综合实验一、目的要求：1、 认识和了解机械系统的组成及其性能特点；2、 了解带传动的弹性打滑规律及效率变化规律；3、 了解螺栓与被联接件之间的受力变形规律；4、 了解滑动轴承液体动压承载原理及压力分布曲线；5、 了解链传动的结构及特点。二、实验仪器、设备、工具和材料名 称型号或规格数 量备 注机械系统性能研究及参数分析实验台JYCS1配套计算机1三、实验原理及设计要求该实验是通过机械系统性能研究及参数分析实验台所提供的实验平台，使学生对组成机械系统的各组成部分的结构和性能参数的变化进行检测和分析，加深对课程内容的理解和对机械系统性能的认识。机械系统性能研究及参数分析实验台是具有

2、静载荷和动载荷的两级传动系统，其中包括带传动、链传动、螺栓联接、滑动轴承和凸轮动态加载装置。随着系统的不同组合，运动参数及负载的变化，组成系统各部分的性能参数呈现不同的变化规律，并通过计算机进行实时反映，可对机械系统的性能参数的变化进行检测和分析。实验要求1、 要求学生按规定组成一个机械系统，并指出其性能特点和运动参数的变化规律。2、要求学生按规定测出带传动、链传动、螺栓联接、滑动轴承在不同载荷情况下，速度、加速度、转矩、变形等的变化规律，并绘制其分布曲线。四、实验操作步骤：1、机械系统的组成及其性能特点的认识一个完整的机械系统通常是由动力源、传动、负载、检测及控制等部分组成。A、机械系统组成

3、第一级传动：本系统由一台直流电机作为系统驱动，通过带传动将动力传递至级传动轴上，该级传动的张紧方式采用了一根拉力螺杆，可通过调节距带轮中心来张紧传动带。第二级传动：在级传动轴另一端也装带轮（或链轮）通过带（或链）将动力传递至级传动轴上，该级传动的张紧是通过调节与级传动轴相固结的动载装置的位置来实现的。系统模拟负载方式：静负载：该负载为摩擦静负载，加级传动轴上。摩擦轴瓦覆盖在轴身上，轴身有一个活动加载杆，拧紧加载螺杆，即可增加轴瓦上的压力，轴与轴瓦间的摩擦力矩将发生变化，从而导致系统负载的变化。由于轴瓦浸于油中，故该静态摩擦负载的摩擦力矩变化按液体动压摩擦规律变化。动态负载：该负载与级传动轴相连

4、，它是利用凸轮轮廓线变化引起弹簧压缩量变化，进而引起级传动轴上的阻力矩发生变化，由于凸轮轮廓线是周期性变化，故由此引起阻力矩变化也呈周期性。B、机械组合方式：在机械系统中，组成系统的传动与连接具有其本身的特点，在不同的系统组成和负载变化方式下呈现不同的运动和动力的变化规律。该实验平台可组成一级传动系统和二级传动系统。a、 电机 带传动 级传动轴 静态负载b、 电机 带传动 级传动轴 带传动（链传动） 级传动轴 动态负载C、机械组成的性能：带传动：它是一种具有弹性滑动特点的传动，随着系统负载的增加，弹性滑动程度将愈来愈高，最后出现完全打滑，这一过程将对系统传动及承载力产生重要影响。我们可以通过对

5、带传动的滑差率和效率变化曲线来进行分析。链传动：这是一种常用的刚性传动，由于链轮廓线呈多边形，造成在运动传递过程中的速度不均匀性，给系统稳定性造成了一定影响。通过观察从动链轮的速度波动曲线，可以了解不同齿数的链轮造成系统速度波动。液体摩擦滑动轴承：该部分在系统中作为静态加载器使用，实验台将其设计为液体摩擦状态。轴瓦的油膜压力分布区钻有小孔，小孔与油压传感器相联，通过对检测系统可了解液体承载压力油膜区的分布规律。螺栓组联接：在本系统中，对称分布的螺栓用于联接加载臂和机座。当加载杆承受垂直负载时，螺栓组将承受倾覆力矩，通过对螺栓应变的检测，可了解螺栓组在承受倾覆力矩时的变形规律。对称螺栓联接：用于

6、变负载装置的联接，当负载力发生周期变化时，螺栓应力也相应发生周期性变化，利用螺栓应力变化曲线可以分析循环应力的一些特征值。D、机械参数检测及分析系统认识：本系统设计了一整套有关该系统传动及联接的运动及动力的参数传感器系统，包括光栅角位移传感器，压力传感器，荷重传感器，管路压力传感器及电阻应变片等。传感器信号通过采集系统采集并处理，送往LED管显示，以供分析用。检测与控制系统框图如下：综合实验台系统原理框图参数检测点：电机转速及转矩：（即第一级带传动的主动带轮传动力矩），电机转速通过180脉冲转的光电盘进行检测。驱动电机外壳处于“悬浮”状态,通过检测与电机外壳固结的杠杆支点的力，我们可以计算出电

7、动机的转矩m=f·l,它与主传动带轮上的传动力矩相等。 摩擦轴瓦上的摩擦力矩：它也通过检测与轴瓦相联的杠杆支点的力来计算得到。加载力：由安装在加载螺杆与轴瓦加载杆之间的01t荷重传感器检测。一级传动轴转速：由与轴相联的光电盘检测（180脉冲转）。二级传动轴转速：由与轴相联的光电转速传感器（1000脉冲转）进行检测。轴瓦压力膜油压检测：由管路压力传感器进行检测。螺栓应变检测：由粘贴于螺栓表面的电阻应变片进行检测（半桥测量方式）。2.带传动滑动实验主要了解带传动的弹性打滑规律及效率变化规律。该实验中，系统采用一级传动，即将第二级传动拆除。主、从动带轮的转速及转矩值可直接显示在测控面板上。

8、带传动滑差率计算：=（n1-n2）/（n1）×100%； 带传动效率计算：=（M2n2/M1n1）×100%； 随着负载的增加，n1、n2的差值将越来越大，直至皮带完全打滑。实验步骤：拆除第二级传动（链传动）；打开总电源开关，调节控制面板右测的调速按扭，使电机转速达到300rpm左右，注意每按一次增（减）速键后，再按两下n1（n2）键，在控制面板上可显示当前转速；按下P负键，逐渐调节加载螺杆到300kg，再调节张紧螺杆，使带出现完全打滑（重复进行调节）；按下列值进行加载：50 kg 、100 kg 、150kg 、200kg 、250kg 、300kg,，找到测控面板的波动

9、传动数据显示区，按下想要读取的数值键，即可测得：M1、M2、n1、n2；将每次加载的数据显示区显示的转速转矩数值记录下来；利用所记录的数值计算滑差率和效率，并绘制-M2，-M2变化曲线；若联上计算机，则打开相应的测试界面，M1、M2、n1、n2；的变化曲线即可自动显示。在绘制-M2，-M2曲线时，每加一次载，可点击“采集”按键一次，、的当前值即可自动在已设置的坐标条件出现，两点之间计算机将自动将其联接。记录表格如下：参数加载值M1M2%50 kg100 kg150kg200kg250kg300kg % % 0 M23螺栓组连接实验原理：螺栓受力分析及计算当加载杆工作时，连接加载臂和机座的五组对

10、称布置的螺栓组将承受倾覆力矩的作用，螺栓组布置几何尺寸及受力如下图： 图1 螺栓组布置图受倾覆力矩作用的螺栓组各螺栓受力的计算为：Fi螺栓受的工作拉力；M绕接合面的倾覆力矩；M=P×LP加载力；ri各螺栓到接合面中心轴线的距离；L加载点到接合面的距离。从受力分析可知，螺栓5受力最大，可取为预紧力。设180kg 螺栓对应的应变应为170。螺栓应变计算由公式 可得 F螺栓受力；E弹性模量： E2.1×106kgcm2A螺栓截面积。连接螺栓几何尺寸如下图（二）：图2 螺栓几何尺寸残余预紧力即由螺栓与被联接件受力变形图可知，图中：F0总拉力；F工作拉力；F残余预紧力。图3 螺栓受力

11、-变形图利用实测数据描绘螺栓受力-变形图本实验将描绘1#螺栓及被联接件的受力变形规律曲线螺栓：拉力：F=EA变形：=lA+Aa/Ab（l-lA）被联接件：拉力：变形：=-1其中： 为被联接件变形变化值，为螺栓变形量， 1为螺栓预紧变形量。 每加一次载荷，在测控面板上相应测试区内可读取螺栓应变值。其它数据可通过计算得到。加载若干次后，即可得到一系列测量值和计算值，螺栓及被联接件的力及变形值，绘进相应坐标系即可得到所求。螺栓组受倾覆力矩时应力变化规律：变化规律应满足以下关系（假定螺栓预紧力大致相等）图4 倾覆力矩变化规律图5 应变检测电桥平衡原理图每根螺栓的应力变化值为；=i-ii 测量值i预紧应

12、变值将对称分布的两组螺栓中的任一组（五根）的应力变化值绘成图形即可。其中i 的值在实验过程中尽量保持相等。应变检测原理：利用电桥平衡及电压输出原理，如图5：将一电阻应变片贴于被测螺栓表面，作为电桥一个臂的应变片的阻值变化将会破坏电桥平衡，引起电桥输出电压变化，通过对U信号的放大，标定之后即可得到螺栓的应变值。实验步骤：1、松开联接螺栓，用小螺丝刀调节电桥盒上的可调电阻，使电桥平衡（输出基本为零，或保持5根螺栓的初始值接近）。2、用扳手给每根螺栓预紧，预紧应变值为120左右，可在控制面板上读取。3、按列表中的负载值逐次加载，并记录15号螺栓的应变值。4、计算相关参数并绘制图线。5、若使用计算机处

13、理，则打开相应界面，每一次加载后，点击界面上的“测试”键后，计算机将自动绘制相关曲线。4滑动轴承油膜压力分布实验目的：了解液体动压承载原理；作出承载压力油膜压力分布曲线。实验设备结构及原理滑动轴承分为动压轴承和静压轴承两大类。动压轴承要形成压力膜。轴与轴瓦在相对运动时要形成液体摩擦，必须具备下列条件： 颈具有一定的圆周速度。轴颈与轴瓦之间有一定的锲形间隙（不能少于加工不平度之和）；供油充足且润滑油具有一定的黏度。锲形润滑膜（油膜）承载机理如下图： 图6 油膜承载机理图 当两滑动表面平行时，图A所示各处膜压总等于入口和出口的压力，故不能产生高于外部压力来支承外载。当两滑体表面呈扩散锲形，即运动件

14、带润滑剂从小口流向大口，则膜压将低于入口或出口压力，不仅不能产生膜压以支承外载且切反而会产生使两表面相吸的负压。当两滑动表面呈收敛锲形时，即运动件带着润滑剂从大口流向小口时，膜压分布图B 表1 螺栓组载荷应变记录表螺栓编号 载荷P（kg）测量次数预紧应变10015020025030011232123312341235123表2 螺栓组载荷应变记录表螺栓编号载荷P（kg）项应变总拉力F0（kg）工作载荷F1（kg）残余预紧力F（kg）变形l1100115022003250430052100115022003250430053100115022003250430054100115022003250

15、43005510011502200325043005FC l所示，润滑膜沿速度方向各处的压力都大于入口和出口的压力，能产生压力以支承外载。 滑动轴承轴瓦与轴以间隙配合，即可形成锲形效应，其径向及轴向压力分布曲线如下：图7 油膜周向压力分布图 图8 油膜轴向压力分布图其中：轴瓦内径： d=75mm 轴瓦长度： L=145mm操作步骤：开动实验台，将系统转速调节到500rpm；拧紧加载螺杆，逐次加大负载力，其数值可从数据采集箱面板上读得（按相关参数按键）。按列表加载将每次加载的各传感器压力值描绘在坐标系中，即可得到压力油膜分布曲线。若使用计算机分析，打开软件相关测试界面，则按“检测“键可观察到轴瓦

16、承载区的径向压力分布曲线（已自制绘制）。打印结果或手工描绘曲线。P0（kg）nr/min压力表读数kg/cm2Mf123456782002503003504004505005链传动实验目的：了解链传动结构及特点；观察链传动不均匀性对传动速度的影响。（1）原理及实验结构链传动中,链条的链节与链轮齿相啮合，可当作将链条在正多边形的链轮上。该正多边形的边长等于链条的节距t，边数等于链轮齿Z，链轮每转一转，随之转过的链长为Z1，所以链的速度V为： V=Z1n16/（60×1000）= Z2n26/（60×1000）公式中，Z1，Z2为主，从动链轮的齿数n1，n2为主，从动链轮的转速

17、t为链的节距、单位；mm而瞬时，f12=W1/W2W1，W2 为主，从动链角速度。根据分析已知，由于链传动的多边效应，实际上链传动中瞬时速度和瞬时传动比都是变化的，而且是接每一链节的啮合过程作周期性变化。链传动用于综合实验台的第二级传动，通过光栅转速传感器可测得，从动链轮的瞬时转速，通过数据处理后，可在计算机测试界面内形成事实变化曲线，我们将观察到链传动的不均匀性。 （2）实验步骤A 、将第二级传动装上链传动；B 、将实验台与计算机相连；C 、松开所有负载，开动实验台；D 、打开计算机相关测试界面，观察从动链轮的速度不均匀性E 、打印结果， 6动态螺栓连接实验目的：了解循环应力的产生及特征；观

18、察螺栓非对称脉动循环应力的曲线 原理及结构 螺栓承受轴向变载荷是螺栓联接的重要作用之一，在受脉动循环应力作用时，螺栓受总拉力显示变化是校核螺栓疲劳强度的重要依据。实验台利用凸轮驱动弹簧产生周期性交变力，这将反映到被测试的连接螺栓上。螺栓几何尺寸如下：图9 螺栓几何尺寸图其中：L=210mm L=104mm d1=12mm d2=6mm螺栓总拉力：Q=EA（2）实验步骤A 、组成两极传动系统；B、调整螺栓预紧力（200）；C、将计算机与实验台联接（通过串口）（150）；D、开动实验台；E、打开计算机测试界面，即可观察到螺栓应力变化曲线，计算平均应力m 应力幅a 及循环特性系数r；F、打印结果注意：受限于测试系统的检测范围，请使用者在给定的应变范围内实验（250）。7系统速度波动实验目的：了解动载荷对机械系统速度波动的影响和原因。（1）原理及实验结构 机械系统由于机械各构件的质量，转动惯量和作用在机械上的驱动力及工作阻力的影响，系统运行速度将发生波动，而呈不均匀性。研究在外力作用下，机械系统速度变化规律，对于设计机械，尤其是高速重载，高精度与高自动化的机械提供参考。（2）实验步骤A 、将实验台与计算机相连接（通过串口）；B、将动态连接螺栓拧紧到某一程度；C、开动实验台，打开计算机测试界面观察速度变化曲线；D、进