螺栓組實驗臺的設計

1、內蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計說明書(加qq576779950有整套設計,包括CAD圖紙,加的時候要注明。題目:螺栓組實驗臺的設計學生姓名:學號:專業(yè):機械設計制造及其自動化班級:機械11級3班指導教師:李強摘要本文闡述了在機械領域利用計算機技術,是螺栓組實驗臺由傳統(tǒng)的機械化趨于虛擬化,并實現(xiàn)螺栓組實驗臺的各種功能。螺栓組實驗是針對原有“機械設計”實驗中的“螺栓組聯(lián)接中的受力”而提出的。對物理螺栓組進行計算機監(jiān)測,不但方便教師授課和學生學習,而且容易接受。本設計介紹了試驗臺的系統(tǒng)設計,工作原理及主要技術指標,該實驗臺具有測試可靠、制造容易、維護方便的優(yōu)點。在設計開始指出,我翻閱了大量相關的資料,

2、在實驗室進行了實習,對試驗臺的整體構造以及實驗臺的控制形勢有了一個初步的模型。我在本設計的前幾章中系統(tǒng)地介紹了實驗臺的工作原理;為了進一步設計液壓系統(tǒng),我在后面幾章的元件選型中對液壓系統(tǒng)所需的元件也進行了計算選擇。此次設計的主要任務是完成原理圖的設計,其次是完成系統(tǒng)中各個元件的選擇,裝配圖、原理圖、油箱等零件圖的繪制。整個設計對實驗臺系統(tǒng)的設計進行了較全面的敘述。關鍵詞:螺組栓螺栓組聯(lián)接實驗臺液壓系統(tǒng)In this paper, the use of computer technology in the mechanical field is the bolt group experiment

3、al table from the traditional mechanization tends to virtualization, and realize the bolt group experimental table of various functions. Bolt group experiment is aimed at the mechanical design experiment in the bolt group connection in the force and proposed. The computer monitoring of the physical

4、bolt group is easy to teach and students to learn and easy to accept.This design introduces the system design, working principle and main technical index of the test-bed, which has the advantages of reliable test, easy fabrication and convenient maintenance.In the design, I have read a lot of releva

5、nt information, and in the laboratory, the overall structure of the test rig as well as the experimental table control situation has a preliminary model. I in the design of the previous chapters systematically introduces the working principle of the experimental bench; to further design of the hydra

6、ulic system, I in the later chapters of the component selection of hydraulic system required components were also calculated to select.The main task of the design is to complete the schematic diagram, followed by the selection of the components in the system, the assembly plan, schematics, fuel tank

7、s and other parts of the drawing. The whole design of the experimental platform system design a more comprehensive narrative.Keywords:Ring-type furnace;manipulator; control;hanging swing mechanism摘要 . I Abstract . II 第一章緒論 (11.1螺栓組實驗臺概論 (11.2國內同類實驗臺虛擬螺栓組實驗臺簡介 (11.2.1試驗的內容和功能 (11.2.2計算機在實驗臺中的應用 (31.2

8、.3虛擬實驗臺的設計簡介 (4第二章螺栓組聯(lián)接的結構設計及受力分析 (62.1螺栓組聯(lián)接的結構設計及受力分析 (62.1.1螺栓組的聯(lián)接形式 (62.2單個螺栓聯(lián)接的強度計算 (82.2.1松螺栓連接的強度計算 (82.2.2僅受預緊力的緊螺栓連接 (92.2.3受預緊力和工作拉力的緊螺栓連接 (102.2.4受剪的鉸制孔用螺栓聯(lián)接 (122.3螺栓組受單一載荷的受力分析 (132.3.1受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接 (132.3.2受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接 (132.3.3受轉矩的螺栓組聯(lián)接 (142.3.4受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接 (15第三章螺栓組實驗臺的結構設計 (183.1試驗機的形式 (18

9、3.2加載方式的選擇 (183.3載荷的施加 (193.4聯(lián)接形式 (203.4.1框架部分 (203.4.2被聯(lián)接件部分 (21第四章設計方案的確定 (224.1總體方案的確定 (224.2液壓傳動系統(tǒng)方案的確定 (23第五章實驗臺系統(tǒng)設計的參數(shù)分析 (265.1明確系統(tǒng)的設計要求 (265.2確定螺栓的主要參數(shù) (265.2.1確定螺栓的基本數(shù)據(jù) (265.2.2對螺栓受力分析 (265.3液壓系統(tǒng)設計參數(shù)的確定 (28第六章螺栓組中螺栓的受力與應變的計算 (316.1工作載荷變化時受力最大螺栓的載荷應變變化計算 (316.1.1計算螺栓組所受的工作載荷 (326.1.2計算單個螺栓所受的

10、最大工作壓力 (326.1.3螺栓所受的總拉力及應變 (326.1.4工作載荷變化時螺栓的力與應變 (336.2螺栓個數(shù)變化時受力最大螺栓的力應變計算 (34第七章液壓系統(tǒng)原理圖的設計 (407.1擬定液壓系統(tǒng)原理圖的相關注意事 (407.2本系統(tǒng)液壓原理圖的擬定 (417.3結論 (42第八章液壓元件的選擇、設計計算 (448.1液壓缸主要參數(shù)的確定 (448.1.1確定壓力P (448.1.2缸筒參數(shù)及尺寸的確定 (458.1.3活塞的設計 (478.1.4活塞桿的設計 (478.2液壓站組成及工作原理 (508.2.1液壓站的組成 (508.2.2液壓站工作原理 (518.3泵、電機的選

11、擇 (518.3.1液壓泵的分類 (518.3.2液壓泵的選擇 (518.3.3選擇電動機 (528.4液壓元件的選擇 (538.4.1液壓執(zhí)行元件的選擇 (538.4.2選擇液壓閥 (53第九章管道尺寸和油箱的設計計算 (559.1油管的選擇 (559.1.1油管直徑的計算 (559.1.2壁厚的計算 (569.2油箱的功用及其選擇標準 (569.2.1油箱的功用 (569.2.2油箱的分類 (569.2.3油箱的形狀及布置 (579.2.4油箱的設計要點 (579.3油箱的容量及形式尺寸的確定 (589.3.1油箱容量的確定 (589.3.2初算散熱面積A (599.3.3確定油箱的結構尺

12、寸 (599.3.4系統(tǒng)平衡溫度的計算 (609.4過濾器的選擇 (61第十章驗算系統(tǒng)的技術性能 (6210.1系統(tǒng)的壓力損失計算 (6210.1.1管路的沿程壓力損失P (6210.1.2局部壓力損失P(632(6410.1.3閥類元件的壓力損失P210.2系統(tǒng)效率的驗算 (6410.3系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算 (6610.3.1發(fā)熱功率計算 (6610.3.2液壓系統(tǒng)的散熱計算 (6710.3.3液壓系統(tǒng)的熱平衡計算 (67第十一章液壓系統(tǒng)的安裝、調壓和調試 (6811.1液壓系統(tǒng)元件的安裝 (6811.2液壓系統(tǒng)的試壓 (6911.3系統(tǒng)的調試與試運轉 (69致謝 (71參考文獻 (72第一章

13、緒論1.1 螺栓組實驗臺概論在國民生產中,為了便于機器的制造,運輸,安裝,維修,以及提高勞動率等,廣泛使用各種聯(lián)接,常見的有鍵聯(lián)接、螺紋聯(lián)接及銷聯(lián)接,其中尤以螺紋聯(lián)接應用最為廣泛。因此,對螺紋聯(lián)接有著深層次研究的必要。這也是高校開展教學改革,本著教育為本生產服務的思想的要求?？紤]到螺紋聯(lián)接的兩大作用:可作緊固件用;可做傳動件用。因此在設計時就要根據(jù)不同目的而提出不一樣的要求。綜合眾多聯(lián)接要求,設計出該“多功能螺栓組實驗臺”,實現(xiàn)了加載方式多樣性以及實驗測試的多樣性。同時,該實驗臺通過螺栓組個數(shù)和布置形式的變化,螺栓組止境的任意改變以及螺栓材料的任意改變,載荷的加載方式,大小的可變性,輸出結果的

14、全面性等,才真正意義上突破了物理實驗臺的缺陷,才真正意義上實現(xiàn)“多功能”。1.2 國內同類實驗臺虛擬螺栓組實驗臺簡介1.2.1 實驗內容和功能虛擬螺栓組實驗臺是根據(jù)物理實驗臺的基本原理開發(fā)的,因此,必須滿足實驗內容的一致性,即虛擬實驗臺與實際實驗臺內容的一致性。實際實驗臺的內容是當螺栓組布局和承受的載荷發(fā)生變化時,確定出最大螺栓的受力,并分析受力,變形及被連接件的受力變形協(xié)調關系。繪制其受力變形線圖。實驗內容和功能是相輔相成的,根據(jù)內容的要求,實驗臺應具有如下的功能單元:(1 螺栓組布置單元:組成不同布置形式的螺栓組,并可方便地改變和更換螺栓組中螺栓的材料、直徑、及尺寸等參數(shù);A 圖 1.1

15、虛擬螺栓組實驗臺螺栓的布置形式(2 加載單元:對螺栓組施加軸向拉伸、扭轉力矩、橫向剪切、傾覆力矩等單一載荷形勢,或以上各種載荷形式共同作用的聯(lián)合載荷。具體加載實現(xiàn)的過程如下圖1.2:手柄轉動絲杠平行移動,從而改變加載為止,此時可以單獨施加的載荷有:軸向拉伸(A、橫向剪切(B、傾覆力矩(C。左側液壓缸帶動加載頭左右移動,實現(xiàn)扭矩載荷的施加(D。這樣實現(xiàn)了四種基本載荷的施加。 圖1.2 載荷的施加加載實現(xiàn)的過程(3實驗結果處理單元:在以上兩項單元內容確定的情況下,得出螺栓組中個螺栓的受力,進而確定受力最大的螺栓及其所受的力,并按螺栓和被連接件的受力、變形協(xié)調關系繪制其受力變形線圖。物理實驗臺是通過

16、對物體的結構進行合理的設計來完成各種功能的,但為了進一步提高實驗裝置的可用性,也就是不局限于實驗內容的太單一化,為了實現(xiàn)多功能的要求,勢必會造成所設計物理實驗臺的結構復雜、操作繁瑣?？紤]該試驗的目的只是為了對課程設計的內容進行驗證,因此利用計算機技術將其虛擬化,在計算機中完成實驗內容就是一種簡單而實用的解決方法。1.2.2計算機在實驗臺中的應用隨著計算機技術的不斷發(fā)展,人類進入了信息化時代。計算機輔助教學以它獨有的特點,受到越來越高的重視,一步步代替了傳統(tǒng)的教學模式。傳統(tǒng)教學模式越來越不滿足當代信息快速發(fā)展的需求。就拿傳統(tǒng)的實驗來講,是個比較繁瑣的事情,在一間很小的實驗室里,老師首先給同學講實

17、驗的內容、目的、步驟等原理,這雖然與實驗比較接近,但效果不是很理想。為了激發(fā)學生的實驗興趣,調動學生的積極性,將計算機引入了實驗教學中。多功能螺栓組虛擬實驗臺可以說是計算機上實現(xiàn)的裝置。它認為操作平臺,包括各種參數(shù)的選擇,圖形的繪制,受力計算,動畫演示等一系列試驗中所涉及的操作,學生只需要對各種參數(shù)進行設置,并點擊相應的按鈕,就可以完成該實驗,并且借助于各種圖形和動畫演示可以讓學生對所學知識的理解和認識更進一步加深。如果我們將計算機引入到我們實驗課當中的話通過計算機將新的數(shù)據(jù)分析方法和圖形與實際操作結合,那是更有利于學生的分析能力和創(chuàng)新思維能力,同時也能很好的掌握了計算機操作技術。1.2.3虛

18、擬實驗臺的設計簡介虛擬多功能螺栓組實驗臺-是在實物實驗臺的基礎上運用高級編程技術。它是一種可視化的、面向對象和采用事件驅動方式的高級程序設計語言,實現(xiàn)多功能螺栓組實驗功能的計算機虛擬,且借助于3獲得動畫效果,從而達到實用的目的。所以在完成實物實驗臺原有功能的基礎上,利用計算機處理信息量大、運算速度快、參數(shù)可變等優(yōu)點和的三維動畫,實現(xiàn)虛擬逼真的多功能實驗臺。進入系統(tǒng)后,首先要選擇螺栓組基本參數(shù),如螺栓組個數(shù)的選擇和個數(shù)所對應的分布形式等。實驗者可通過下拉框隨意選擇所需要的分布組合,由于采用了虛擬技術,可方便的實現(xiàn)若干個螺栓任意的組合為各種布置形式。對于其他參數(shù)的選擇和確定,實驗者只需要根據(jù)需要的

19、點擊相應的按鈕,如選擇輸入螺栓的材料、性能等級、螺栓直徑和聯(lián)接的防滑系數(shù)、摩擦系數(shù)等。這樣在許多方面都能增加實驗的靈活性完整性。完成螺栓參數(shù)配置后,便要確定螺栓組所受的載荷形式,按螺栓組可能的所能承受的各種載荷形式,排列出幾種最為常見的承載形式,即可以有單一的載荷,也有復合的載荷。實驗者根據(jù)所需選擇相應的載荷形式,并且要輸入對應載荷的大小,即完成載荷的施加過程。如果需要改變載荷形式或其數(shù)值的話,只需重復以上全部過程對其進行重新選擇和輸入即可。在完成以上幾個步驟后,計算機會根據(jù)用戶輸入的載荷,自動地計算各螺栓受力的大小。顯示實驗結果,還可以繪制出受力最大螺栓的受力變形圖。第二章螺栓組聯(lián)接的結構設

20、計及受力分析設計螺栓組實驗臺,必須要了解并要掌握螺紋聯(lián)接的物理性能,必須明確螺栓組實驗臺設計目的。只有這樣,我們才能夠做到在實驗中處理好所面對的各種各樣問題。該解決什么問題,并且根據(jù)生產生活的一些特殊的要求,作針對性地改進,爭取做到螺栓組實驗臺的優(yōu)化設計。本部分詳細的介紹了實驗臺的結構,功能的具體實現(xiàn)等,具體內容如下:螺栓組聯(lián)接的結構是受力分析及結構設計,螺栓組加載框的結構設計,螺栓組實驗臺的液壓加載系統(tǒng)。其中尤以螺栓組聯(lián)接的受力分析和結構設計,以及加載系統(tǒng)最為重要。2.1 螺栓組聯(lián)接的結構設計及受力分析大多數(shù)機器的螺紋聯(lián)接件都是成組使用的,其中以螺栓組聯(lián)接最具有典型性,它們與被連接件構成了螺

21、栓組聯(lián)接,下面介紹的是螺栓組聯(lián)接的設計及計算。本次設計的螺栓組聯(lián)接的設計的過程主要包括兩個部分:1結構設計選定螺栓組的數(shù)目及布置形式;2受力分析按連接的結構和受載情況,求出受力最大螺栓及其所受的力,畫出它的力-變形線圖。2.1.1 螺栓組聯(lián)接形式螺栓組聯(lián)接結構設計的主要目的在于合理的確定連接幾何面的幾何形狀和螺栓的布置形式,力求個螺栓和連接接合面的受力均勻,便于加工和裝配。為此,設計時應綜合考慮以下幾個方面的問題:(1螺栓與螺母的底面應該平整,并與螺栓的軸線相垂直,以免引起偏心載荷。為此,可將被聯(lián)接件上的支撐面設計成凸臺或沉頭座。當支撐面為傾斜時,可采用斜面墊圈等。(2螺栓的布置使各螺栓的受力

22、合理,當然螺栓聯(lián)接承受彎矩或轉矩時,應使螺栓的位置適當靠近連接接合面的邊緣,以減小螺栓的受力。(3接合面的幾何形狀通常都設計成軸對稱的簡單幾何形狀。如圓形、環(huán)形、矩形、框形、三角形等,這樣不但便于加工制造,而且便于對稱布置螺栓,使螺栓組的對稱中心和連接接合面的心重合,從而保證連接接合受力比較均勻。(4螺栓的排列應有合理的間距、邊距。布置螺栓時。各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機體壁間的最小距離,應根據(jù)扳手所需要活動空間的大小來決定。(5分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目應取成4、6、8、10、12等易于分度的數(shù)目,以便在圓周上鉆孔時的分度和畫線。同一螺栓組中螺栓材料、直徑和長度均應相同。綜合考慮以上的幾個方

23、面,確定出本螺栓組實驗臺的布置形式,主要做成以下形式,如圖2.1所示: 圖2.1螺栓的連接形式2.2. 單個螺栓連接的強度計算單個螺栓的受載形式不外乎就是受軸向力或橫向力,在軸向力的作用下螺栓桿和螺紋部分可能會發(fā)生塑性變形或斷裂;在橫向力的作用下,采用鉸制孔用螺栓時,螺栓桿和孔壁的接合面上可能會發(fā)生壓潰或螺栓桿被剪斷等。 因此,對于手拉螺栓,其設計準則是,保證螺栓的靜壓力或疲勞拉伸強度; 對于受剪螺栓,設計準則是保證螺栓的擠壓強度和螺栓剪切強度。 2.2.1. 松螺栓聯(lián)接的強度計算對于松螺栓聯(lián)接強度的計算,在裝配時,螺母不需要擰緊,在承受工作載荷之前,螺栓不受力。就是說這種聯(lián)接只能承受靜載荷,

24、螺栓在工作時才受拉力F ,例如圖6所示的起升滑輪螺栓,其螺紋部分的強度條件為:24Fd d = 式中: d 螺栓危險截面的直徑,mm ; d 螺栓材料的需用拉應力。 2.2.2 僅承受預緊力的緊螺栓聯(lián)接在擰緊力矩的作用下,螺栓除受預緊力F 的拉伸而產生拉應力外,還受螺紋摩擦力矩的扭轉而產生的扭轉切應力。使螺栓處于拉伸和扭轉的復合應力狀態(tài)下。因此,進行只受預緊力的緊螺栓強度計算時,應該綜合考慮拉伸應力和扭轉應力的作用。螺栓危險截面的拉伸應力為:14F d =螺栓危險截面的扭轉應力為:3211(221164v v v dF tg tg tg d F tg tg d d d +=-由于螺栓材料是塑性

25、的,故可根據(jù)第四強度理論,求出螺栓預緊狀態(tài)下的計算公式為: 1.3ca =螺栓危險截面的拉伸強度條件根據(jù)上式為: 211.34ca F d =式中: F 螺栓所受預緊力,N ; 其余符號意義同前。下面圖2.2就是一個僅受預緊力的緊螺栓聯(lián)接示意圖: 僅受預緊力的螺栓連接圖2.2 僅受預緊力的緊螺栓聯(lián)接2.2.3 受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接這種受力形式的緊螺栓聯(lián)接較為常見,安裝時擰緊螺栓,使螺栓受預緊力 F 。根據(jù)第四理論分析,螺栓的總拉力F 0除與預緊 F 、工作拉力F 有關外,還受到螺栓剛度C a 和被聯(lián)接件剛度C m 等因素的影響。連接受載后,由于預緊力的變化,螺栓的總拉力F 0并不等于

26、預緊力F 與工作拉力F 0之和,而等于殘余預緊力F 與工作拉力F之和,受力與變形關系如圖2.3所示:由圖中幾何關系可推出:0tan tan b b bm m mFC FC F F F F F FF F F F F=+=-=+=+C b 、C m 分別表示螺栓和被聯(lián)接件的剛度,且為定值。力 圖2.3 螺栓的受力與變形下面是按靜載荷和變載荷兩種其情況討論的強度計算: (1 受軸向靜載荷螺栓聯(lián)接的強度計算:設計時,首先根據(jù)聯(lián)接的受載情況,求出螺栓的工作拉力F ,再根據(jù)工作要求選擇剩余預緊力F 的值,然后再計算總拉力F 0。求出F 0后,即可進行單個螺栓的強度計算,考慮到連接在工作載荷F 作用下可能進

27、行補充擰緊,故將總拉力增加30%, 以考慮擰緊時螺紋力矩產生的扭轉應力的影響?？傻贸雎菟ǖ奈ｋU截面的拉伸強度條件為: 211.34ca Fd =或:1d 式中:各符號的意義同前。(2 受軸向變載荷螺栓聯(lián)接的強度計算對于受軸向變載荷的重要連接(如汽缸反復進氣排氣,其螺栓所受工作載荷如下圖所示在之0F 間變化,因而螺栓所受的總拉力在F F 之間變化。設計時,一般按靜載荷確定其直徑,然后校核其強度。影響邊栽下疲勞強度的主要因素是應力幅。因此螺栓疲勞強度的校核公式為:11212211211224a a C FC C C F d C C d +=+式中:a 螺栓的許用應力幅,MPa. 2.2.4 受剪的

28、鉸制孔用螺栓聯(lián)接這種聯(lián)接是利用鉸制孔用螺栓來承授工作載荷F 。螺栓桿和孔壁之間無間隙,期接觸表面受擠壓;在連接接合面處,螺栓桿受切剪如圖2.4。因此,應分別按擠壓和剪切強度條件進行計算。計算時,假設螺栓孔與孔壁表面壓力分布是均勻的,由于這種聯(lián)接所受的預緊力很小,所以在計算的時候,可以不考慮預緊力和螺紋力的影響 螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為:p p Fdh = 受剪的鉸制孔用螺栓連接圖圖2.4受剪的鉸制孔用螺栓聯(lián)接螺栓桿的剪切強度條件為:24Fd m= 式中: F 螺栓所受的工作剪力, N ; d 螺栓剪切面的直徑, mm ;h 螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度, mm ; p 螺栓桿與孔壁擠壓面的

29、許用擠壓應力,MPa ; 螺栓材料的許用切應力, MPa ;2.3 螺栓組受單一載荷的受力分析進行螺栓組的受力分析的目地是:根據(jù)聯(lián)接的結構和受載荷情況,求出受力最大的螺栓及其所受得力,以方便進行螺栓聯(lián)接的強度計算。分析時,通常作一下假設: 被聯(lián)接件為剛體,受載后連接接合面還保持平面; 螺栓組中各螺栓的拉伸強剛度或剪切剛度(即螺栓的各材料、直徑、長度和預緊力大小相同; 螺栓工作在彈性范圍內;而且,螺栓組的對成中心與連接接合面的形心重合,承載后結合面仍保持為平面。下面正對典型的受載荷情況分別加以討論。2.3.1 受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接安裝時,螺栓受到擰緊力F ,工作時螺栓組成受軸向載荷。假設各螺栓

30、受載均勻,每個螺栓所受軸向工作載荷為:QF F Z =每個螺栓所承受總拉力為:0b b mC F F F F F C C =+=+ 式中: Z 螺栓組的個數(shù)。2.3.2 受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接對于受拉的普通螺栓聯(lián)接,設計時通常以連接的結合面不滑移作為計算準則,在橫向載荷F 作用下,各螺栓所承受的工作載荷是均等的,因此對于普通螺栓聯(lián)接應保證連接預緊后,結合面所產生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。假設各螺栓所需要的預緊力為F ,螺栓數(shù)目為,則其平衡條件為:f R F fmz K F 或:f RK F F fzm 式中: f 結合面間摩擦系數(shù);m 結合面面數(shù);Kf 防滑系數(shù);這種靠摩擦傳遞橫向載

31、荷時的受拉螺栓連接的主要缺點是所需的預緊力很大。2.3.3 受轉矩的螺栓組聯(lián)接在轉矩T 的作用下,底板將繞過螺栓組對成中心并于結合面垂直的軸線轉動,其傳動方式和受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接相同。此載荷可通過受拉或受剪螺栓聯(lián)接來傳遞。其簡化圖為下圖2.5 : 受轉矩的螺栓組聯(lián)接的簡化圖圖2.5受轉矩的螺栓組聯(lián)接采用受拉的普通螺栓聯(lián)接時,靠連接預緊后的在結合面間產生的摩擦力矩來抵抗轉矩T 。由于各螺栓所授予緊力相同,則各螺栓連接處產生的摩擦力均相等。根據(jù)作用在底板上的力矩平衡條件,應有:12z f fF r fF r fF r K T +=由上式可得各螺栓所需要的預緊力為:(12f z K TF f r

32、 r r =+式中: f 結合面的摩擦系數(shù);r z 各螺栓中心至底板旋轉中心的距離;2.3.4 受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接為更進一步的理解螺栓所受傾覆力矩,下圖為受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接,借此分析螺栓的受力。 圖2.6受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接假設底板為剛體,在傾覆力矩M 的作用下結合面保持平面。并且底板有繞對稱軸線O-O 翻轉的趨勢,對稱軸線左側的螺栓被擰緊時螺栓的軸向力增大;而對稱軸線右側的螺栓被放松時使螺栓的預緊力F 減小。即在此翻轉力矩M 的作用下,引起左側和右側各螺栓產生工作載荷F i ,其對O-O 軸線力矩之和必與此翻轉力矩M 相平衡,則:1122F L F L FzLz M += (a

33、根據(jù)螺栓變形協(xié)調條件,各螺栓的拉伸變形量與軸線到螺栓組對稱軸線O-O 的距離成正比,因為各螺栓的拉伸剛度相同,所以左側和右側螺栓的工作載荷F i 與這個距離成正比。于是有:max 1212maxz z F F F F L L L L = (b 式中: F max 受力最大螺栓的工作拉力;L max 受力最大螺栓至軸線O-O 的距離。由式(b 代如(a ,并經(jīng)整理,得受力最大螺栓所受的工作拉力為:max max 12maxML F L L L =+ 對于受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接,應保證結合面不會因擠壓應力過大而壓潰,并要使結合的最小擠壓應力大于零。在實際的使用中,螺栓組聯(lián)接所受的工作載荷通常是以上

34、四種簡單受力狀態(tài)的不同組合。在螺栓組聯(lián)接中不管受力狀態(tài)如何復雜都簡化成上述四種簡但得受力狀態(tài),再按力的疊加原理算出螺栓受力。求出受力最大螺栓及其受力值以后,即可進行單個螺栓連接的強度計算。須注意的是,對于松連接螺栓,只受啦伸外載荷F ,則應以F 為載荷進行強度計算,對于受橫向載荷的普通螺栓組聯(lián)接和受扭傳力矩的受拉普通緊螺栓組,螺栓只受預緊力F ,應乘以系數(shù)1.3以考慮預緊時扭轉力矩影響,并以1.3F 為載荷進行強度計算, 對于受軸向載荷的普通緊螺栓聯(lián)接和授傾覆力矩的普通緊螺栓組聯(lián)接,螺栓受預緊力和工作載荷,則應以1.3 F 0為載荷進行強度計算, 對于受剪的鉸制孔螺栓聯(lián)接和受扭轉力矩的受剪鉸制

35、孔螺栓組聯(lián)接,則應以螺栓所受的剪力(或擠壓力進行擠壓和剪切強度計算。第三章螺栓組實驗臺的結構設計本章介紹的主要內容有:試驗機的型式、載荷施加方式、試驗機可以實現(xiàn)地功能、被聯(lián)接件的型式等。其中,以載荷的施加方式內容是主要內容。其他內容作一般介紹。3.1 實驗機的型式一般情況之下,多功能螺栓組實驗臺有臺式和立式之分,本次參考的是臺式。選擇臺式結構主要原因有:對加載裝置的分析,如果實驗臺的底座設計的較低的話,在整臺試驗機在沒有別的支撐時,會造成操作面過低,帶來工作上的不方便;若降低座設計的較高的話,則會造成材料上的浪費,會制造成本的增加,導致其經(jīng)濟性較差,。比較這兩點,本設計會選擇低底座,在我們作實

36、驗時,可將該實驗機放上實驗臺上,以此來增高其操作面,降低制造成本。從對空間里用來分析,無論是臺式還是立式。在實驗機下方都將有空閑的空間。但臺式試驗機的空間會比立式占用的空間要小。本著充分利用空間的思想,可以考慮將液壓系統(tǒng)在加載時將產生不小的沖擊及振動,這對實驗機造成一定的誤差,故液壓系統(tǒng)與實驗機主體之間有一定的距離,并適當采取一些減震與隔離的措施。從上述可以知道,我們會選用臺式的試驗機。3.2加載方式的選擇載荷施加的常有方式有液壓加載和機械加載?？紤]兩種加載方式的優(yōu)缺點,本次設計會采用液壓加載方式。機械加載的優(yōu)點是加載裝置的制造成本較低;缺點使結構復雜化,從而造成的誤差也就會較大。而液壓加載裝

37、置則是相反的,它的結構簡單而緊湊,其主要優(yōu)點有以下幾項:(1多數(shù)液壓系統(tǒng)元件以實現(xiàn)了標準化、系列化和通用化;(2液壓加載裝置的體積小,重量輕,結構緊湊;(3液壓系統(tǒng)操做方便簡單,使用壽命長;(4液壓系統(tǒng)已于實現(xiàn)過載保護;(5液壓系統(tǒng)傳動簡單,加載較精確,試驗誤差較小;(6液壓加載裝置的傳動比較穩(wěn),主要表現(xiàn)在重量輕、慣性小、反應快,易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向;(7液壓系統(tǒng)的設計制造和維修也較為方便簡單;但是液壓系統(tǒng)也有其缺點:一般的液壓元件的造價都比較貴。所以在制造成本上會有相對的提高,而且液壓系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障,檢測、排除故障都相對較困難。比較機械加載與液壓加載方式,考慮到本次設計的要求

38、,本次設計采用液壓加載方式。3.3 載荷的施加載荷的類型由單一載荷(基本載荷和復合載荷(組合載荷。具體形式由拉伸、剪切、扭轉和傾覆力矩這四種,單一載荷與上述四種基本載荷的任意組合可組成復合載荷。本次設計的實驗臺中采用了如下圖的方式:液壓缸向下拉動與托架連接的螺紋連接塊,從而使托架左端向下移動,由于托架為剛性幾乎不產生變形,故而與剛性框架連接的螺栓產生拉伸變形,達到了加載的目的。 圖3.1實驗臺加載方式3.4 聯(lián)接形式在前面的章節(jié)中,已經(jīng)對螺栓的形式作了介紹,下面就連接件與被聯(lián)接件作詳細的設計說明:對于聯(lián)接件,螺栓強度極限為5.8級,與之相配的螺母強度等級為5級。對于被連接,主要有以下部分組成:

39、框架部分,見圖3.2;托架,見圖3.3。以上部分均借鑒機械實驗室同類設計部件。下面分別介紹:3.4.1 框架部分考慮到加載的穩(wěn)定性,結構在整體上必須是一體,這樣可以減小在加載時的變形,增加被聯(lián)接件的結構剛度,減小試驗誤差。還要考慮到貼片的方便。所以在盡量保證結構剛度的條件下,設計成下圖形狀。 圖3.2 框架結構3.4.2被聯(lián)接件部分其要保證連接面大小吻合和平整的要求,為了使活塞桿有足夠的接觸面和加載時保持載荷的穩(wěn)定性,必須使被連接部位的剛度得以保證,同時在實現(xiàn)加載傾覆力矩時,各螺栓受力變形成對稱布置,有利于錯誤分析,設計成如下圖。 圖 3.3被聯(lián)接件部分第四章設計方案的確定4.1總體方案的確定

40、一個好的設計應該要從技術上先進、經(jīng)濟上合理、操做方便和維修方便,運轉安全可靠。除了要達到這幾個方面的要求,技術上的問題以外,還必須要具有正確的設計指導思想和豐富的實踐經(jīng)驗。當然,要想達到這些要求是需要一個過程的,我們應努力縮短這個還應指出,一個涉及良好的液壓系統(tǒng),往過程往不是一次就可以完成的,而需要經(jīng)過實踐經(jīng)驗的反復檢驗不斷的調整和修改內容才能逐步達到完善。由于具體條件的不同,系統(tǒng)的設計步驟不可能是固定不變的,通?？傄亚昂蟛襟E反復交叉進行,不斷的調整和修改設計內容。但是一般來講,系統(tǒng)的設計過程基本上包括以下幾個基本步驟:擬定系統(tǒng)步驟方案,系統(tǒng)的設計步驟不可能是固定不變的;系統(tǒng)的計算;各種系統(tǒng)

41、元件的選擇或設計;對系統(tǒng)進行必要的驗算;繪制正是的裝配圖和液壓系統(tǒng)圖等。在擬定系統(tǒng)方案以前,必須要明確哪些工做機構需要用液壓系統(tǒng)來完成,哪些工作機構應用其他傳動方式去完成更合理。千萬不要一味盲目的追求“全液壓化”。因為盡管液壓傳動具有一系列的優(yōu)點。但它在某些方面也會有缺陷,亦不如其他傳動方式。如能綜合運用各種傳動方式,注意揚長避短,設計出的機器才會是先進的和合理的。首先要調整和了解清楚所設計的系統(tǒng),其液壓系統(tǒng)眼完成的工作任務是傳動還是控制。在本設計中液壓系統(tǒng)的工作任務是傳動;明確工作機構的運動形式,使直線往復運動、回轉運動還是擺動,以確定選用什么形式的執(zhí)行機構油缸、油馬達或是擺動油缸,本設計的

42、工作機構均是直線運動,故而選用油缸;明確系統(tǒng)所需執(zhí)行機構的數(shù)量、動作順序、相互之間的位置關系以及自動化程度要求、精度要求等,以及確定采用什么控制方式,本液壓系統(tǒng)采用一個定量泵,系統(tǒng)中用一個油缸作為執(zhí)行元件。明確系統(tǒng)對安全保護的要求程度,以便選用必要的合理的安全裝置和措施;明確系統(tǒng)對傳動精度和質量的要求,如平衡性、準確性、效率等。一邊決定系統(tǒng)選用的元件精度和基本回路的形式,還要明白系統(tǒng)的工作環(huán)境情況,如高溫、低溫、潮濕、灰塵、振動、腐蝕等因素,以便采取相應的特殊措施,還要知道設備是固定使用還是行走使用等。4.2液壓傳動系統(tǒng)方案的確定由于在第三章中比較了液壓加載和機械加載的優(yōu)缺點,從而確定選擇了液

43、壓加載方式,在本設計的實驗機中,對系統(tǒng)主要有以下幾點要求:(1主機的概況:用途、性能、工藝流程、作業(yè)環(huán)境、總體布局等;(2液壓系統(tǒng)必須完成那些動作,其先后順序以及彼此之間的連鎖關系;(3液壓驅動機構的運動形式及運動速度;(4對調速、調壓范圍,運動平穩(wěn)性,轉換精度等性能方面的要求;(5各種動作機構的載荷大小及其性質;(6實現(xiàn)自動化控制的程序,操作可靠的要求;(7對防塵、防凍、噪聲、安全可靠的要求;(8對效率等方面的要求;綜上所述,在設計液壓系統(tǒng)時,主要針對以下幾點基本要求:(1對于液壓缸而言,其完成得使直線往復運動,所以選擇普通的活塞液壓缸進行加載。其動作主要是在液壓缸動作的同時進行加載。(2由

44、于活塞運動距離較短,所以多液壓活塞的運動速度并沒有較高的要求。雖然在理論上是動加載,但其速度小,行程小,故可以將其作靜加載看待,運動也相對比較穩(wěn)定。(3采用電磁控制,就能較簡單地實現(xiàn)控制的自動化、簡便性;(4工作環(huán)境是實驗室內,能提供較好的工作環(huán)境,所以由于外界條件限制的因素,可以不予考慮。(5液壓系統(tǒng)的元件由于去結構較復雜,制造精度高,所以成本也相對高,但可以通過選用通用化、標準化、系列化的替代遠見。這樣可實現(xiàn)同樣的功能而精低成本。如上節(jié)所述,液壓傳動系統(tǒng)有一個定量泵,一個油箱,一個油缸。在明確了液壓系統(tǒng)要完成的任務和要求的基礎上,粗略的計算一下系統(tǒng)的輸出功率,便可以確定液壓系統(tǒng)的基本形式,

45、包括以下幾個具體內容:1. 選用開式系統(tǒng)或是閉式系統(tǒng)通常對于固定是機械總是采用開式系統(tǒng),及系統(tǒng)中包含一個主油箱,作為油液循環(huán)的開口環(huán)節(jié),有利于油液的冷卻和凈化,但不夠緊湊,考慮到實際情況,本設計系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)。2.選用油泵的類型目前,液壓系統(tǒng)應用最普遍的油泵有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。一般情況下,中低壓系統(tǒng)多使用齒輪泵和葉片泵,而高壓系統(tǒng)則主要使用各種柱塞泵。當然,這種劃分并非絕對。本系統(tǒng)是中低壓系統(tǒng),因此采用葉片泵。3.選用油缸或油馬達一般來說,工作機構作直線往復運動的,都選用各種油缸驅動;做回轉運動的,大都選用各種油馬達驅動;做擺動運動的,則選用各種擺動油缸驅動。同樣,這也不是絕對的,例如

46、,對于那些形成長的直線運動或要求唯一準確的直線運動機構,也可采用油馬達徑向絲杠傳動。本設計中只有直線往復運動,故采用油缸。4.確定控制方式控制方式從不同的角度來分,可有手動、機動、氣動、電動、液動、電液動等;也可分為壓力控制、形成控制;還可分為內控制和外控制等;就競選用那種方式,應視系統(tǒng)的具體結構、功率范圍、精度要求、自動化程度、能源形勢、使用的場合以及機器使用的頻率程度和利用率等因素而定,本設計采用電液動結合的控制方式。5.工作液體常用的工作液體有礦物油、合成油和水乳油。液壓傳動系統(tǒng)幾乎都采用前兩種油液,特別是各種礦物油,它既可滿足一般液壓系統(tǒng)的要求,價格又便宜;合成油液具有優(yōu)良的品質指標和

47、特殊物質,但目前產量較少,成本高,不宜多用,常用于某些有專門技術要求的精密系統(tǒng)中?？傊?在滿足要求的前提下,盡量選擇價格便宜的一半的工作液體,不可優(yōu)才劣用,造成浪費。本設計系統(tǒng)中,選擇一般的普通液壓油。第五章 實驗臺系統(tǒng)設計參數(shù)分析5.1 明確系統(tǒng)的設計要求本系統(tǒng)時教學用的實驗儀器,主要測式的是螺栓的拉伸變形試驗,用于學生實驗,本系統(tǒng)中主體為螺栓組,由液壓系統(tǒng)實現(xiàn)加載,液壓系統(tǒng)地執(zhí)行元件為單作用活塞缸,能源裝置為液壓泵站。液壓缸采用豎直安裝,活塞桿工作時承受拉應力,系統(tǒng)最大工作壓力為6.3MPa 。5.2 確定螺栓的主要參數(shù)5.2.1 確定螺栓的基本數(shù)據(jù)1.選擇螺栓材料常用的螺栓材料有Q215

48、、2Q35、35和45鋼,本設計中螺栓無特殊用途,根據(jù)工作條件,選擇常用材料45鋼。查機械設計手冊得其力學性能為:610b MPa = 360s MPa =2.確定螺栓的許用應力設計中取螺栓的直徑為: d=10mm選取螺栓數(shù)目為: 14對鋼質螺栓:3602401.5sMPa s = 式中: 螺栓聯(lián)接的許用應力,MPa ;s 螺栓材料的屈服極限,MPa ;S 安全系數(shù), S=1.2 1.7, 設計中取 S=1.5。5.2.2 對螺栓受力分析本設計中,是受橫向載荷和傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接,這樣的連接一般采用受拉螺栓聯(lián)接。連接中所受的橫向載荷靠被聯(lián)接件結合面的摩擦力來傳遞,其實小形勢可能出現(xiàn)支架沿結合

49、面滑移,以及在翻轉力矩的做用下,結合面的上邊可能離縫,下邊可能會被壓潰。在這次設計中,當?shù)装迳现谎b4個螺栓時,系統(tǒng)受拉力的變形量最大,如下圖,螺栓受工作載荷F R 。在工作載荷F R 的作用下,螺栓組成受橫向力和翻轉力矩:橫向力 :F R 翻轉力矩:M=F R *185為防止被聯(lián)接件之間發(fā)生相對滑移,有:f R mfF z K F 或 f R K F F fmz 式中: z 螺栓數(shù)目; f 結合面間的摩擦系數(shù), f=0.06 0.10, 取 f=0.1; m 結合面對數(shù);K f 考慮由摩擦力傳遞橫向載荷時的可靠性系數(shù),通常 取1.2;F 施加載荷后螺栓所受預緊力;1. 受橫向載荷時螺栓預緊力的

50、計算緊螺栓聯(lián)接擰緊螺母時,螺栓螺紋部分不僅受預緊力F 所產生的拉應力作用,同時還受螺栓螺栓與螺母之間的螺紋摩擦力矩下所產生的扭矩應力的作用。根據(jù)第四強度理論及對大量螺栓擰緊的統(tǒng)計分析可證明,其復合應力ca 的計算只需將拉伸應力加大30%,其強度條件為:1.3ca = 即: 21.34F d 則有:2226max 4 1.33.140.012401014492.34 1.34 1.3d F d F N =2. 螺栓組工作載荷(橫向力F R 的計算如上所述:f R zmfF K F 即 : R f z m f F F K 則最大工作載荷: max410.114492.34830.81.2R f z

51、mfF F N K = 3. 傾覆力矩的計算底板為剛體,繞對稱軸線有翻轉的趨勢,則力矩: max max 1854830.8185893698M F Nmm =在此力矩的作用下,對稱軸線上邊的螺栓被拉緊,螺栓軸向力增大; 下邊的螺栓被放松,使螺栓的預緊力減小。4. 單個螺栓所受的工作拉力受力最大螺栓所受的由引起的工作拉力為:max max max 22212max8936982864.4478M L F N L L L =+ 螺栓所受的總工作拉力為:1max 1214492.30.22864.415065.2C F F F C C N=+=+=5.3 液壓系統(tǒng)設計參數(shù)的確定初選 本系統(tǒng)的工作壓

52、力為P=6.3MPa ,活塞的運動速度可調節(jié),系統(tǒng)工作時無桿腔回油,有桿腔進油,退回時無桿腔進油,其缸筒內徑,無桿腔面積和有桿腔面積計算如下:1. 有桿腔活塞有效面積A 2當受最大推力,F=4830.8N, 根據(jù)平衡條件有 2P A F = 即 : 2FA P=式中: 油缸的機械效率, =0.95 則:2264830.8807.20.95 6.310F A mm P = 2. 缸筒內徑D對有桿腔面積而言,有:(2224D d A -=查機械設計手冊得,當工作壓力P 10MPa 時,速比取=1.33 則有:(22122244807.24D D A A D d =- 得: D=36.98mm根據(jù)液

53、壓缸內徑系列(GB/T2348-80,取 D=40mm 。3. 活塞桿直徑d根據(jù)上述關系有: 222D D d =-得: d=20mm根據(jù)國家標準GB2348-80活塞桿直徑系列,取 d=20mm.。4. 無桿腔的實際有效面積A 1222140125644D A mm =5. 有桿腔的實際有效面積A 2(222222402094244D d A mm -=6. 流量計算Q按機械設計手冊計算液壓缸工作時所需流量1160vA v Q = 式中: 容積效率, 彈性密封時 取 =1; V 1 活塞的速度, 根據(jù)工礦 取V 1 =0.12m/s 。 則:621942100.12 6.8/min 60601v A v Q L -=7. 實際工作壓力P 2的計算由最后確定的液壓缸結構尺寸,計算出液壓缸實際的工作壓力為:224830.8 5.1942F P MPa A =第六章螺栓組中螺栓的受力與應變的計算本設計中的螺栓組,是受橫向載荷,翻轉力矩的螺栓組連接。其失效形式儲可能時螺栓被拉斷外,還可能出現(xiàn)支架沿接合面滑移,以及在翻轉力矩作用下,接合面的上邊可能產生離縫。橫向載荷是靠螺栓寧緊后在結合面間產生的摩擦力來傳遞的。設計時,通常以連接的結合面不滑移作為計算準則。而在翻轉力矩的作用下,根據(jù)螺栓變形協(xié)調條件,各螺栓的拉伸變形量與其軸線到