60吨总体及传动系统(包含初始条件)

PAGEPAGE39本科毕业论文题目：学生：专业：年级：指导教师：日期：本科毕业设计（论文）任务书课题名称：万能材料测试机一、课题任务与要求设计出能显示工程制图中各种2D图形；对试验机进行整体结构设计；用AutoCAD软件绘制出零件图及装备图；对主要零件及传动系统进行强度计算；对指定零件编写数控程序；写出设计说明书；翻译有关英文资料（3000字符以上）。五、课题预期成果或结论性观点绘制出1张A0装配图；绘制出1张A1丝杠零件图；绘制出1张A1座圈零件图；审核人签字：日期：30吨电子万能试验机目录一、试验机的介绍 7（一）课题来源 7（二）试验机的发展及国内生产试验机著名厂家 7（三）试验机的用途 8（四）实验机的分类 8（五）电子万能试验机技术参数及结构概述 8二、空间设计方案对比 12（一）单空间结构特点 12（二）双空间结构特点 13（三）两种不同空间结构的优缺点分析 13三、机械传动方案 16四、传动系统计算 18（一）试验机功率计算 18（二）电动机 20（三）丝杠转速 21（四）传动比 21（五）同步带传动比 22（六）同步带传动设计计算 24五、零件的选择及在结构中的作用 29（一）脚座的选择 29（二）丝杠型号的选择 30（三）联轴器的选择 36（四）轴承的选择 40（五）下横梁的尺寸约束 42六、试验机装配完的立体图 44七、毕设小结 45参考文献：附件：30吨电子万能试验机摘要：一、试验机的介绍（一）课题来源科技日新月异，新产品、新材料层出不穷的同时，也带来了一系列的问题。其中，对于新产品及新材料的检测成为了重中之重。因此也带动了试验机的开发和抢购热潮。虽然人们在日常中可能接触不到试验机，但如人们的衣食住行等等大小方面背后都经过了试验机的检测，试验机已经融入我们的生活中，密不可分。基于此，我们提出了本课题的研究。我们选用电子万能试验机作为研究对象，通过研究，了解试验机的工作原理、制造结构、传动系统并对各受力零部件进行强度校核。（二）试验机的发展及国内生产试验机著名厂家（三）试验机的用途试验机是试验、检测材料（金属材料、非金属材料）、零部件、构件和结构的强度、刚度、硬度、弹性、塑性、韧性、延性和表面与内部缺陷的仪器设备、系统或装置。大多数试验机是集机、光、电、液于一体的技术密集型高科技产品，多数产品均属于计量器具。试验机广泛应于用工矿企业、计量、学校的现场和实验室，其应用领域涉及到机械、冶金、建筑、航空、航天、军工、交通、运输、质检、计量、教育、医疗等各行各业。（四）实验机的分类试验机包括：金属材料试验机、非金属材料试验机、工艺试验机、测力（扭矩）机、平衡机、振动台、无损检测仪器、试验机功能附件和与试验机专业相关的试验设备与仪器。（五）电子万能试验机技术参数及结构概述1、概述a)技术参数b)特点2、主机主机用途主机是负荷机架与机械传动系统的结合体，在动横梁位移控制系统的驱动下，配合相应的福建，可以使受试样品产生应力应变，经测量、数据采集、数据处理给出所需数据报告。简言之，主机是材料力学性能试验机测试的执行机构。主机结构主机的结构组成主要有负荷机架、传动系统、夹持系统与位置保护装置。负荷机架由四立柱支承上横梁与工作台板构成门式框架，两丝杠穿过动横梁两端并安装在上横梁与工作台板之间。工作台板由四脚支承在底板上，且机械传动减速器也固定在工作台板上。工作时，伺服电机驱动机械传动减速器，进而带动丝杠传动，驱使动横梁上下移动。试验过程中，力在门式负荷框架内得到平衡。电子万能试验机的传动丝杠是采用带有消隙结构的滚珠丝杠，螺母与丝杠的预紧度已在出厂前调好，用户无须再调整。力传感器安装在动横梁上，一只拉伸夹具安装在力传感器上，另一只夹具安装在工作台板上（双空间结构安装在上横梁上）。如果做压缩或弯曲等试验时，单空间结构的卸下万向连轴节和拉伸夹具，装上压头及压缩试台或弯曲试台。双空间结构的压头及压缩试台与弯曲试台已固定在动横梁与工作台板上。工作时，只要安装上试样，通过主控计算机启动动横梁驱动系统及测量系统即可完成全部试验。上横梁、动横梁及工作台板均采用等强度技术，由钢板焊接而成，负荷机架重量轻且刚度高，尤其以四立柱构成长方体力系框架，保证了整机运行平稳、可靠。传动系统传动系统是由伺服电机系统、减速装置和传动带轮等组成。减速装置由皮带轮和蜗轮减速器构成。根据不同的规格试验机的减速装置可分一级、二级、或三级减速。本减速器的传动减速装置系统是两级的，由电机的输出轴与蜗轮减速器的输入轴之间的同步带完成一级减速，再通过蜗轮减速器的完成二级减速。电动机启动，通过同步带一级减速，利用电动机上同步带轮和装在减速器上的同步带轮齿数差可达到减速效果。再通过涡轮减速器二级减速，插入减速器的丝杠可达到较慢的速度，装在丝杠上的中横梁可实现上下直线运动，中横梁的行动表示试验开始，夹在夹具中的棒料做拉伸或压缩试验，计算机通过夹具上的传感器可观察试验过程中，力的变化、棒料强度的变化情况。如图1为试验机结构简图图1试验机传动系统简图工件材料试验时涉及的理论知识力的变化情况可通过传感器传递到计算机，计算机可绘制出如力—应变图等，工作人员可通过图观察力的各种力学性能。根据图上的试验结果可通过下列公式进一步计算伸长率、断面收缩率、应力等。圆轴扭转横截面上任一点应力：最大切应力：梁弯曲时横截面上任一点应力：最大正应力：伸长率：断面收缩率：二、空间设计方案对比电子万能试验机分为单空间试验机与双空间试验机两种；单空间就是所有的试验都在一个空间内完成；双空间将拉压分离，在上下两个空间内分别进行拉伸和压缩试验。而双空间试验机又可分为上拉下压与上压下拉两种。（一）单空间结构特点图2单空间试验机（二）双空间结构特点图3双空间试验机（三）两种不同空间结构的优缺点分析1、双空间试验机需采用两个传感器，上空间试验时或下空间试验时都需要传感器，反之，单空间只有一个空间，故只需一个传感器即可。2、双空间上横梁需装夹具，要考虑强度问题，为了达到强度要求必须使得上横梁有一定的高度和厚度，必须考虑到上横梁的受力问题与强度校核问题，由于受力结构复杂化，同时选材也必须有一定的讲究。而单空间上横梁不受力，结构简单，材料上也节省很多。3、双空间试验机由于试验机对材料进行的拉升与压缩工作不是在单个空间内完成的，而是分别在上空间与下空间内进行操作与实验的，因此在上空间进行拉升与压缩试验操作的时候就单空间而言会比较不方便，在材料进行试验之前，工人进行材料的装夹时需要攀爬，在对其上空间进行试验操作的工作人员来说存在一定的危险性。而单空间不需要，同时试验时也便于观察材料的变化情况，符合人机工程学原理。4、单空间拉压试验交替时，因为做拉伸和压缩试验所需的夹具是不同的，故需更换夹具，而双空间不需要。5、由于单空间受两个方向上的力，两个方向都需要止推轴承，支撑结构复杂。双空间只受一个方向上的力。双空间力的分析如下：1）上压下拉图4双空间试验机中下空间的受力分析上图为下空间拉伸试验图，分析各个零件受力情况，由于丝杠对轴承有向下的压力，故轴承的选择应该是止推轴承。工件与中横梁的受力关系：当材料受到一个向上的拉力F的时候，中横梁中间受到一个相应的反作用力F，力的方向向下，中横梁两端受到方向向上的力，数值分别是中间力的一半0.5F。中横梁与丝杠的受力关系：中横梁两端受向上的力，故与中横梁连接的丝杠上端受向下的力0.5F，那么与轴承相连的丝杠下端一定会受方向相反，大小相同的力0.5F。丝杠与轴承的受力关系：当两根丝杠的下端受到一个向上的作用力0.5F，与其相对应的两个轴承应受到反作用力的影响，受到一个向下的作用力0.5F。图5双空间试验机中上空间的部分零件受力分析上空间为压缩试验，工件受挤压力，力的分析如下空间，中横梁依然受方向向下的力。工件与中横梁的受力关系：当材料受到挤压的力F的时候，中横梁中间受到一个相应的反作用力F，力的方向向下，中横梁两端受到方向向上的力，数值分别是中间力的一半0.5F。中横梁与丝杠的受力关系：中横梁两端受向上的力，故与中横梁连接的丝杠上端受向下的力0.5F，那么与轴承相连的丝杠下端一定会受方向相反，大小相同的力0.5F。丝杠与轴承的受力关系：当两根丝杠的下端受到一个向上的作用力0.5F，与其相对应的两个轴承应受到反作用力的影响，受到一个向下的作用力0.5F。结论：在上压下拉空间中，不管是在上空间中做压缩试验，还是在下空间中做拉伸试验，丝杠、横梁、轴承都受一个方向上的力。2）上拉下压下空间受力分析：工件在下空间做挤压试验，工件受压，中横梁中间受向上的力，受力分析同上拉下压的下空间，只是力的方向全部相反。下空间受力分析：工件在上空间做拉伸试验，工件受拉，中横梁中间受向下的力，受力分析同上拉下压的上空间，只是力的方向全部相反。同样可以得出结论：在上拉下压空间中，不管是在上空间中做拉伸试验，还是在下空间中做压缩试验，丝杠、横梁、轴承都受一个方向上的力。经过两种空间结构的具体分析，可以得出一个结论，在同种空间结构中，不论在哪个空间工件进行试验时，零件的受力方向始终不变。由上述的空间结构分析来看，各种空间各有好坏，优缺点几乎正好相反。可见，对于同一种试验机来说，无论是单空间还是双空间不可能同时集所有优点于一身，可根据客户的需要扬长避短。三、机械传动方案试验机的动力源是电动机，要想使中横梁做上下移动运动，然而做材料拉伸、压缩试验时，中横梁的移动速度是很慢的，要想达到大幅度降速的话，可采用皮带轮减速的方法。可在电动机和减速器中间使用皮带传动。主机的结构组成主要有负荷机架、传动系统、夹持系统与位置保护装置。负荷机架由四立柱支承上横梁与工作台板构成门式框架，两丝杠穿过动横梁两端并安装在上横梁与工作台板之间。工作台板由四脚支承在底板上，且机械传动减速器也固定在工作台板上。工作时，伺服电机驱动机械传动减速器，进而带动丝杠传动，驱使动横梁上下移动。试验过程中，力在门式负荷框架内得到平衡。选择相应型号的减速器，使丝杠转速达到要求。如图6传动示意图、图7皮带传动简图、图8同步带轮的示意图所示。图6传动示意图图7皮带传动简图图8同步带轮的示意图四、传动系统计算由三中的机械传动方案根据设计要求计算功率、传动比、丝杠转速等。60吨万能材料测试机的设计初始条件：空间要求：上拉下压；丝杠导程：20mm；丝杠中心距：840mm；横梁形式：铸件；中横梁移动速度：350mm/min；减速机中心距：135mm；丝杠直径：100mm；立柱直径：60mm；皮带宽度：30mm；（一）试验机功率计算电动机功率的大小直接决定了试验机的工作强度。已知：试验机可试验60吨力的工件，中横梁移动速度V=350mm/min∴力F=60×109.8N当速度v为某一时段内的平均速度时，P=F×V为平均功率。由功率公式P=F×V得P=F×V=60×109.8350=2058KN·m/min=3.43KN·m/s试验机工作中功率损耗率为70% P电==4.9KN由计算得电机额定输出功率应大于4.9KN，方可满足试验机工作要求。（二）电动机由表1得表1电机参数表由1计算P电>4.9KN，选择MHMA系列、额定输出功率为5.0KW电机。该电机基本参数如下：电机转速：n=2000rpm适配驱动器型号：MFDDTB3A2总长：LL=255mm宽：176mm输出轴直径：S=35mm输出轴长：LR=80mm电动机的摆放，靠一块底板把电动机悬挂在下横梁的下面。如图9所示：图9底板、电动机及下横梁连接图（三）丝杠转速已知：中横梁移动速度为350mm/min，丝杠导程为20mmn丝===17.5r/min由关系式可知丝杠转速与试验机中横梁移动速度成正比，与丝杠导程成反比。（四）传动比已知：电机转速为2000rpm，丝杠3中求得转速为17.5rpmi总=n电机/n丝杠=2000/17.5=114.3此万能试验机为二级传动，先通过减速机减速，再由皮带轮减速使丝杠转动达到试验要求。故传动比可表示为皮带轮传动比与减速机传动比的乘积：i总=i皮i减（五）同步带传动比已知：减速机中心距135mm由表2得表2蜗轮减速器参数表此UHS型号减速机基本参数如下：Ratio（传动比）=1/60即i减=60U=35mm表示输入轴直径35mmS=60mm表示输出端可插入60mm丝杠该试验机长H、宽AC、高B分别为：425mm、310mm、230mm∴由i总=i皮i减＝﹥114.3=i皮60＝﹥i皮=1.905故取同步带传动比为2蜗轮减速机特点：（六）同步带传动设计计算由电动机到减速器速度变化为一级减速，减速通过带传动完成。电机的输出轴上安装小带轮，减速器的输入轴上安装大带轮，通过带轮的齿数差完成减速。图10试验机仰视图1、带传动的特点2、带传动的类型图11带传动的主要类型3、设计计算：1）设计功率已知：P—设计功率P—电机的额定功率K—工况系数设计功率：Pd=KA*P=1.35=6.5KWKA查《机械零件设计手册》（下同）表8-1-74得1.32）型号已知电动机转速n=2000r/min同步带带宽30mm表8-1-75得8M图圆弧齿同步带3）小带轮齿数表8-1-75得Z1＞24小带轮最小齿数需大于24，取Z1=264）小带轮节圆直径已知同步带节距Pb=8mmdp1===66.21mm5）大带轮齿数Z2=i*Z1=226=526）大带轮节圆直径dp2===132.42mm7）校核速度U==6.9＜40～508）初定轴间距0.7（dp1+dp2）≤a0≤2(dp1+dp2）＝﹥139.041<a0<397.26取a0=250mm9）带的节线度lp及齿数Zb初定带节线长度lp0=2a0=2a0+π/2(dp1+dp2）+(dp2-dp1)/4a0=816.233mm由表3得表3同步带参数表根据9）计算结果，选择型号为HTD-8M型（节距=8.00mm），为圆弧齿同步带规格节线长lp齿数Z800-8M800．0010010、实际轴间距aa=a0+(lp-lp0)/2=250+(800-816)/2=248mm求得实际轴间距248mm后，可大致确定下横梁的宽度，再根据已知条件丝杠中心距840mm，可大致确定下横梁的长。根据老师的经验指导，先确定下横梁的长、宽、高，为了工作的安全、试验的可靠性，必须对下横梁进行强度校核。五、零件的选择及在结构中的作用（一）脚座的选择脚座是把蜗轮减速器固定在下横梁的底部，每个脚座用四个螺栓把减速器挂在下横梁底部。脚座的选择参考下表4下图12是脚座、减速器及下横梁装配左视图图12脚座、下横梁及减速器左视图表4L根据已知条件，减速器中心距135mm，选择类型L-Base的L型size为135mm的直角脚座。该脚座长C为300mm，与下横梁连接的螺栓孔间距为260mm，厚度为28mm，与减速器连接的螺栓孔间距为264mm，厚度为24mm。（二）丝杠型号的选择丝杠通过止推轴承、挡圈、座圈等，穿过下横梁，与蜗轮减速器相连，达到减速要求。丝杠上的丝杠螺母是为了与中横梁相连，用六个螺栓连接，使旋转运动转换为直线运动。如图13为丝杠螺母与中横梁的连接主视图。图13中横梁、丝杠装配图由丝杠的选择运动转换到中横梁的直线运动，中横梁套在丝杠螺母上，用六个螺栓拧紧。丝杠实物图如图14所示图14丝杠实物图由表5、6得表5丝杠参数表表6内循环单螺母参数表得丝杠：丝杠规格：10020-3公称直径d0：100mm基本导程L0：20mm丝杠外径d：98.5滚珠直径：9.525mm螺纹升角：3°39内循环单螺母：可由丝杠直径100mm，滚珠直径9.525mm，螺纹升角3°39’循环圈数：3接触刚度：3345（N/µm）额定载荷：动载Ca82673KN静载Cao306174KN螺母安装尺寸：(mm)DD1D2BMd2d3hdML14020217028182817.517M8*1144图15丝杠螺母滚珠丝杠传动系统是一个以滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系。

以传动形式分为两种：

（1）将回转运动转化成直线运动。

（2）将直线运动转化成回转运动。

传动效率高滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的2～4倍，如图1所示，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。运动平稳滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。高精度滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。高耐用性钢球滚动接触处均经硬化（HRC58～63）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。高可靠性与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。无背隙与高刚性滚珠丝杠传动系统采用歌德式（Gothicarch）沟槽形状（见图2、3）、使钢珠与沟槽达到最佳接触以便轻易运转。若加入适当的预紧力，消除轴向间隙，可使滚珠有更佳的刚性，减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。（三）联轴器的选择如图11，电动机通过同步带把动力传给一个蜗轮减速器，然而试验机需要的是两根丝杠同时转动，使中横梁做上下直线运动。故另一个减速器的转动需要通过一根轴与两个减速器连接，才能使其转动，这跟轴与两个减速器的连接靠的就是两个联轴器。简而言之，联轴器完成了动力的传动。1、联轴器的简介（1）联轴器的功用

（2）联轴器的类型特点

（3）联轴器的选用

联轴器选择原则：

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转矩T：T

↑，选刚性联轴器、无弹性元件或有金属弹性元件的挠性联轴器；

T有冲击振动，选有弹性元件的挠性联轴器；

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转速n：n

↑，非金属弹性元件的挠性联轴器；

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对中性：对中性好选刚性联轴器，需补偿时选挠性联轴器；

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装拆：考虑装拆方便，选可直接径向移动的联轴器；

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环境：若在高温下工作，不可选有非金属元件的联轴器；

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成本：同等条件下，尽量选择价格低，维护简单的联轴器；2、此试验机联轴器的选择根据减速机输入轴的直径35mm，参考如下表7选择联轴器型号由表7、8查与减速器输入轴轴径相配合的联轴器表7联轴器参数表表8标准孔径组合表由表2查得，减速器涡杆轴端HS=75mm，U=35mm可选择SFS-SS系列，型号为SFS-090SS联轴器。d1.d2为35mm，即内径可与35mm的轴相连。N1.N2为73mm。该联轴器最大直径为94mm，厚度为71mm。根据图中基本参数可绘制该型号联轴器。（四）轴承的选择如图16图16丝杠、轴承及下横梁的装配图因为丝杠要受到轴上力，故需要使用单向推力球轴承，用来抵御丝杠转动带动螺母上下移动的同时螺母带给丝杠的上下推力。还需要使用单列向心球轴承，用来固定丝杠，使其不会左右摇动。典型的滑动接触轴承有套筒与颈轴承，余隙轴承，配合轴承，止推轴承和滑动轴承。而滚动接触轴承则包括有滚珠轴承，滚动轴承以及止推滚子轴承。滚动接触轴承相对于滑动接触轴承的优点在于低摩擦和润滑简单，可同时承受径向与推力负载，以及忍受超载,易于更换，润滑或由制造厂商的目录上做选择，可保有相当的精准度，以承受预负载,使轴较紧密,启动扭矩较小，而且当轴径相当时，其所占的轴向空间也较少。3、选择单向推力球轴承和单列向心球轴承1）单向推力球轴承特性和选择单向推力球轴承的特性：单向推力球轴承是可分离型轴承，只能承受轴向载荷。单向轴承只能承受一个方向的轴向载荷，双向轴承能承受两个方向的交变轴向载荷。推力球轴承在工作中必须加以轴向予紧。他们主要适用于车床顶心、汽车离合器、减速机等。双向推力角接触球轴承适用于机床主轴，单向推力角接触球轴承适用于丝杠支承。单向推力球轴承选择的方法是根据额定动载荷的数值来选择轴承型号，此次我们设计的是60吨的型号，所以材料测试机单边受力为30吨。单向推力球轴承GB301-64型号8415尺寸：mm轴承型号dd1最小DHr84157575.2160653图17单向推力球轴承额定动负荷：235.00KN额定静负荷：556KN最小负荷：3.0401KN极限转速（r/min）：800（脂润滑）1200（油润滑）2）单列向心球轴承特性和选择单列向心球轴承特性：该种轴承结构简单，使用方便，是生产最普遍广用最广泛的一类轴承，主要用来承受径向负荷,但也可承受一定量的任一方向的轴向负荷。单列向心球轴承的选择方法是根据单列推力球轴承的D来确定型号，也就是说单列向心球轴承的D要等于单列推力球轴承的D。单列向心球轴承GB276-64型号315尺寸：mm轴承型号dbDr31575371603.5图18单列向心球轴承额定动负荷：88.90KN额定静负荷：72.8KN极限转速（r/min）：4000（脂润滑）5000（油润滑）（五）下横梁的尺寸约束由于丝杠的运动要求，需要轴承限制丝杠的移动。在动横梁运动时，对丝杠产生了向下的力，使用单向推力球轴承，在轴向起到止推作用。为了防止丝杠在径向上的晃动，使用单列向心球轴承。由于考虑到两个轴承的摆放，根据他们的尺寸设计空的大小，所以轴承的位置对下横梁孔也有了要求，下横梁孔如图所示：图19下横梁丝杠孔示意图剖视图上的φ186mm的台阶孔安放的是单向推力球轴承和轴承座；最小的φ95的孔是穿丝杠用的；φ140mm的台阶孔是定位单列向心球轴承用的；φ160mm的孔是安放单列向心球轴承用的；φ162mm的孔是给丝杠螺母留用的。轴承在装配时精度要求比较高，所以所有的孔都有粗糙度的要求。由于下横梁装载着整个传动系统，故是三跟梁中要求最高，结构最复杂的一跟，同时也是其他两个梁尺寸的参照。所以首先来确定下横梁的尺寸，则可供中梁和上梁进行数据参照。下横梁是60吨电子万能试验机中比较关键的大型零件，在整机的装配中占了很重要的位置，不仅载重大，而且还要承受试验机运行时的大负荷，所以，在下横梁的制造方式上，我们选择铸造。考虑到所需的物理性能和强度要求，使用球墨铸铁，牌号QT500-7，标准GB1348-88。特性及适用范围：为铁素体型球墨铸铁，强度与塑性中等，被切削性尚好。低温时，韧性向脆性转变，但低温冲击值较高，且有一定的抗温度急变性和耐蚀性。用途较广