旋架式加速度過載模擬實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析論文

1、旋架式加速度過載模擬實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析目 錄1 前言1.1 選題的意義(1)1.2 國外發(fā)展?fàn)顩r(4)1.3 論文的主要容 (5)2 實驗臺的總體方案設(shè)計 2.1 技術(shù)參數(shù)設(shè)計 (5)2.2 總體方案的提出以與特點 (6)3 實驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 電動機的選擇 (8)3.2 裝配圖的設(shè)計 (10)3.3 帶傳動的選擇與計算 (11)3.4 軸的設(shè)計 (12)3.5 底座的設(shè)計 (16)3.6 立柱的設(shè)計 (17)4 主要零件的設(shè)計驗算4.1 軸的校核 (18)4.2 軸承的選擇與校核 (25)4.3 螺栓與螺釘?shù)倪x擇與校核 (27)4.4 鍵的選擇與校核 (28)5 工件的夾緊5.1工件的夾

2、緊的要求 (29)5.2方案 (29)參考文獻(31)小 結(jié)(32)致 (32)1 前 言1.1 選題的意義現(xiàn)代軍事、國防領(lǐng)域?qū)鸸て凤w行器的機動性能要求很高。火工品的機動性能好，對其整體強度要求就越高，承受機動過載的能力越強。我國對導(dǎo)彈等飛行器的研究方向大多集中在對其控制系統(tǒng)的研究這方面。但是為了滿足現(xiàn)代導(dǎo)彈的一些高性能要求，如導(dǎo)彈的全方位、大空域機動，末端變化軌跡運動等，采用傳統(tǒng)的姿態(tài)控制方案是難以奏效的，必須對導(dǎo)彈的法向過載直接加以控制。以往過載控制是基于局部線性化的線性模型，并且過載控制與姿態(tài)控制并存于同一個系統(tǒng)中，導(dǎo)彈過載控制系統(tǒng)的非線性反演設(shè)計16提出了一種新的過載控制方案，這種方

3、案只需要對過載量進行測量控制，而不再需要對一些角度進行測量和控制，因此這種方案使整個控制系統(tǒng)所需要的零部件減少，控制器結(jié)構(gòu)更加簡單明了。非線性自適應(yīng)控制在最近十幾年引起人們的廣泛關(guān)注，并取得了顯著的發(fā)展。其中比較典型的是反演設(shè)計技術(shù)，它是一種系統(tǒng)的非線性設(shè)計方法，通過一步一步地構(gòu)造雅普諾夫函數(shù)推導(dǎo)出控制律，取得了全局的穩(wěn)定性，并且這種穩(wěn)定性分析是構(gòu)造性的。文章中證明了飛行器姿態(tài)的收斂與過載收斂等價，并提出了一種關(guān)于導(dǎo)彈過載量嚴格反饋形式的簡化數(shù)學(xué)模型。并利用反演設(shè)計技術(shù)設(shè)計了該過載系統(tǒng)的控制器，并應(yīng)用雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時給出實例，進行了仿真。導(dǎo)彈過載控制系統(tǒng)的非線性反演設(shè)

4、計16在證明了飛行器姿態(tài)的收斂與過載收斂等價的基礎(chǔ)上，提出了一種導(dǎo)彈過載控制系統(tǒng)的簡化非線性數(shù)學(xué)模型，并利用反演設(shè)計技術(shù)，設(shè)計了縱向過載的控制器,該方法使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化。仿真研究驗證了簡化過載模型的合理性和控制方法的有效性。導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng),它是導(dǎo)彈的核心組成部分,而對導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的研究落腳于對制導(dǎo)規(guī)律和控制規(guī)律的設(shè)計,參照導(dǎo)彈實體,結(jié)合工程實際,考慮現(xiàn)有制導(dǎo)規(guī)律和控制規(guī)律存在的問題,具體進行的主要工作如下: (1)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)分析。主要包括對導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的原理、組成的分析,介紹其分類,并給出了設(shè)計制導(dǎo)控制系統(tǒng)應(yīng)滿足的指標(biāo),結(jié)合研究對象,對自動尋的制導(dǎo)控制系

5、統(tǒng)進行了詳細的探討。 (2)導(dǎo)彈運動學(xué)建模。引入了研究導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)常用的坐標(biāo)系與各坐標(biāo)系之間的關(guān)系;分析了作用在導(dǎo)彈上的力與力矩,在此基礎(chǔ)上建立了導(dǎo)彈動力學(xué)方程和運動學(xué)方程,結(jié)合導(dǎo)彈質(zhì)量變化和對導(dǎo)彈的操縱關(guān)系,建立了空空導(dǎo)彈的運動學(xué)模型;針對研究對象,在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了傾斜轉(zhuǎn)彎導(dǎo)彈的數(shù)學(xué)模型。在飛行器工程領(lǐng)域17，能量管理技術(shù)并不陌生。如軌道器無推力再人返回段的末端能量管理(TAEM)，以與耗盡關(guān)機固體彈道導(dǎo)彈的能量管理。與這兩種已有能量管理技術(shù)不同的是，THAAD導(dǎo)彈的EMM發(fā)生在剛剛發(fā)射后的主動段，導(dǎo)彈飛行在距離發(fā)射點不遠的稠密大氣層中。受反導(dǎo)攔截反應(yīng)時間的限制，其能量管理不宜采

6、用TAEM式的增大飛行距離辦法。而可供選擇的另一種方法就是增大導(dǎo)彈的飛行攻角，依靠阻力的增大、主發(fā)動機推力沿速度軸分量的減小來降低速度、耗散能量。通過大攻角飛行特性分析可知，在導(dǎo)彈飛行主動段，當(dāng)導(dǎo)彈以90。以的大攻角飛行時，阻力作用增大，推力增速作用減小，導(dǎo)致飛行速度增幅減小，從而轉(zhuǎn)彎慣性減??；推力在速度法向的分量與非線性升力相疊加，彈道轉(zhuǎn)彎作用力增大，法向加速度增大。所以，在轉(zhuǎn)彎慣性減小與法向加速度增大兩項作用下，導(dǎo)彈具有“速度耗散”與“高機動快速轉(zhuǎn)彎”的綜合特性。并且，主動段大攻角高機動飛行，由于可以采用高操縱性的推力矢量控制方法進行大攻角飛行穩(wěn)定控制而具有可實現(xiàn)性。因此，采用大攻角飛行的

7、彈道設(shè)計方法可以達成對導(dǎo)彈速度的能量管理。顯然，大攻角飛行可以達到能量耗散的目的。然而，如何給定適當(dāng)?shù)目刂浦噶睿刂茖?dǎo)彈以大攻角飛行狀態(tài)實現(xiàn)適當(dāng)形式的高機動彈道軌跡，成為實現(xiàn)大攻角飛行能量耗散技術(shù)的關(guān)鍵問題。通過分析，耗盡關(guān)機固體彈道導(dǎo)彈能量管理控制的“姿態(tài)調(diào)制法”，可以應(yīng)用于此。采用耗盡關(guān)機方案的固體彈道導(dǎo)彈，為了進行能量管理、實現(xiàn)射程和橫向控制，在發(fā)動機耗盡關(guān)機前采用了“姿態(tài)調(diào)制導(dǎo)引控制方法”。其具體控制方式為將姿態(tài)變化設(shè)計成調(diào)制波形，控制彈體姿態(tài)連同發(fā)動機主推力方向與原期望速度增量方向產(chǎn)生較大夾角，降低主推力沿期望速度方向作用的加速度增量，從而達到消耗多余能量的目的。導(dǎo)彈等飛行器特別是對

8、對空發(fā)射等高質(zhì)量、高精度的武器，它們有很高的要求：要有很好的機動性能，導(dǎo)彈的機動性能越好，要求它的整體結(jié)構(gòu)強度就越高，承受機動過載的能力越強，特別是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，這類導(dǎo)彈用于攻擊快速活動目標(biāo)，對姿態(tài)控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)要求較高，尤其要求具有反應(yīng)迅速和能使導(dǎo)彈產(chǎn)生所需較大過載（橫向和法向加速度）的性能，因此對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)性能就要求越高，像這種高科技武器，一般是要求沒有質(zhì)量問題，所以我們在生產(chǎn)使用前必須對一些參數(shù)進行實驗性測試，這樣才能保證它在高空過載情況下正常放心使用，并且保證其誤差在允許圍，因此，我們必須設(shè)計出相關(guān)儀器來測試出其參數(shù)。導(dǎo)彈在機動過載情況下其殼體的受力比較復(fù)雜，它會受到很多方面的影響：

9、導(dǎo)彈在機動過載情況下其殼體的受力比較復(fù)雜，假設(shè)導(dǎo)彈的主翼壓心（F主）、質(zhì)心（F質(zhì)）與尾翼壓心（F尾）的分布是按圖1-1所示。如果控制導(dǎo)彈的俯仰、偏航是由F尾（F尾可能是尾翼、燃氣舵或柔性噴管等產(chǎn)生的側(cè)向力）來實現(xiàn)的，導(dǎo)彈在有大的離軸角度變向（如抬頭）時其飛行軌跡如圖1-1。圖1-1 導(dǎo)彈機動過載下的受力簡圖導(dǎo)彈在機動過載情況下產(chǎn)生的法向加速度對發(fā)動機的影響為：1） 法向加速度對導(dǎo)彈機械結(jié)構(gòu)的影響一般機動性能好的導(dǎo)彈過載高達幾十個g，在這種情況下彈體的彎曲變形非常明顯，彎曲幅度在幾十毫米甚至上百毫米（與導(dǎo)彈長度有關(guān)）。很顯然這么大的變形勢必影響發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度，甚至彈體可能會被折斷；同時大變形也可

10、能引起絕熱層的脫粘等，增加了發(fā)動機著火、燒穿等的可能性。2 ） 法向加速度對導(dǎo)彈發(fā)動機流場的影響法向加速度造成彈體的變形改變了發(fā)動機部空間，流場有很大變化，特別是在發(fā)動機的后部形成折射使該處能量相對聚集，加速了此處絕熱層的沖刷和燒蝕，增加了發(fā)動機燒穿的可能性。法向加速度造成發(fā)動機燃燒室的燃燒產(chǎn)物（特別是凝聚相組份）會沿著法向方向有相對運動。也就是說此刻的流場中燃燒產(chǎn)物分布的密度有很大差別，發(fā)動機燃燒室法向方向一側(cè)凝聚相產(chǎn)物的密度要大大高于另一側(cè)，這種現(xiàn)象又加速了這側(cè)的燒蝕。法向加速度對導(dǎo)彈的影響結(jié)果如圖1-2所示。圖1-2 法向加速度對導(dǎo)彈的影響示意圖實踐證明如果導(dǎo)彈發(fā)動機只做地面普通熱試車試

11、驗，不研究在法向加速度作用下的性能，可能會因此而導(dǎo)致導(dǎo)彈在機動飛行中失效。為保證導(dǎo)彈的產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，必須設(shè)計和制作一套地面過載熱試車系統(tǒng)，對導(dǎo)彈在法向加速度作用下的性能進行評價，用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計與質(zhì)量控制。所以，綜上所述，設(shè)計的機器不僅要能滿足地面的普通的熱試車試驗，而且還要能在法向加速度作用下對飛行器進行性能的檢測，不至于導(dǎo)彈在機動飛行中失效。1.2 國外發(fā)展?fàn)顩r導(dǎo)彈的氣動布局是這樣設(shè)計的：在導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭之后，緊接著有兩組十字型翼面。前面一組為固定的鴨式翼，后面一組用于俯仰和偏航控制。在俯仰和偏航控制翼面之后有一%W6a(X6 對副翼，與自由滾轉(zhuǎn)的尾部一起實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定。在彈體的后段

12、還有4片翼板與十字型尾翼連0i+ly接在一起，以在導(dǎo)彈進行大過載機動時對彈體后段起加強作用。因為在攻擊末段，固體發(fā)動34 / 34t;J!O%L(kk機已快燃燒完，彈體后段實際上是一個空殼，如果沒有這些翼板，在導(dǎo)彈進行大過載機動*v AJ0t%x:Q時，彈體可能由于應(yīng)力作用而解體。據(jù)認為，巨蟒4導(dǎo)彈可承受的最大加速度過載高達70g，而美國的AIM9M卻只有35g。到目前為止，在加速度對發(fā)動機性能的影響方面，人們主要進行了火箭自旋引起的橫向加速度對推進劑藥柱產(chǎn)生的加速度效應(yīng)研究，即燃速增加導(dǎo)致發(fā)動機彈道性能發(fā)生畸變，影響了發(fā)動機的正常工作，這方面，國學(xué)者進行了大量的試驗研究和理論分析工作，并取得

13、了重大的進展。然而實踐證明，自旋產(chǎn)生的橫向加速度與導(dǎo)彈機動飛行的橫向加速度對發(fā)動機工作產(chǎn)生的影響是有較大差別的，后者對發(fā)動機的影響更為突出，而且長期被人們忽視，國外至今缺乏對其的研究資料。橫向加速度對飛行發(fā)動機絕熱層燒蝕影響的實驗研究10設(shè)計了實驗發(fā)動機和實驗裝置，進行了一系列飛行固體火箭發(fā)動機橫向過載模擬實驗，獲得了不同加速度下發(fā)動機絕熱層燒蝕率定量化的式樣數(shù)據(jù)，驗證了橫向加速度嚴重影響局部絕熱層燒蝕的事實，研究表明，橫向加速度對絕熱層燒蝕影響主要原因是由于橫向加速度導(dǎo)致燃燒室流場發(fā)生改變，離心力方向側(cè)壁絕熱層形成“燒蝕坑”，并且絕熱層的燒蝕率隨橫向加速度的增加有加倍增長的趨勢。因此十分必要

14、開展橫向加速度對發(fā)動機性能的影響研究，獲得實驗數(shù)據(jù)，指導(dǎo)工程型號設(shè)計。固體火箭發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)試驗臺12，從方案設(shè)計、動力源選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳感器選擇等方面研究了高速旋轉(zhuǎn)試驗臺涉與的幾個主要問題。雖然從實際使用情況看，圖示固體火箭發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)試驗臺能夠滿足推力和壓力時間曲線同時測量的要求，同時震動噪聲也較低，試驗臺運轉(zhuǎn)、使用和維護性能也較好。但此試驗臺不能滿足我們對發(fā)動機進行離心過載的模擬實驗。圖1-3 高速旋轉(zhuǎn)立式實驗臺組成原理示意圖國外的實踐證明如果導(dǎo)彈發(fā)動機只做地面普通熱試車試驗，不研究在法向加速度作用下的性能，可能會因此面導(dǎo)致導(dǎo)彈在機動飛行中失效。為保證導(dǎo)彈的產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，必須設(shè)

15、計和制作一套熱試車系統(tǒng)，對導(dǎo)彈在法向加速度作用下的性能進行評價，用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計與質(zhì)量控制。1.3 論文的主要容首先是了解該課題的特點以與發(fā)展?fàn)顩r,對所選課題有個初步的了解,為總體方案的提出打下基礎(chǔ).第二步是傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計、比較與確定,通過對傳動方案的選擇,從而完成整體設(shè)計.畫出裝配圖,裝配圖畫好后,從裝配圖中設(shè)計計算選擇各零件以與完成對零件圖的初步繪制, 用三維軟件SolidWorks 2010建立實體模型。給模型添加運動學(xué)參數(shù)、質(zhì)量特性參數(shù)、力學(xué)特性參數(shù)等外部環(huán)境，基于SolidWorks SimulationXpress完成實驗虛擬平臺下的運動測試。最后是對工件的夾緊方案的設(shè)計、比較

16、與確定,完成設(shè)計后,是要與生產(chǎn)部門討論加工問題,看設(shè)計的方案是否符合加工方案,不合適的地方再加以再進.最后使之能滿足生產(chǎn)實際的需要。2 實驗臺的總體方案設(shè)計2.1技術(shù)參數(shù)設(shè)計2.1.1 待測件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計本試驗臺應(yīng)該適應(yīng)以下發(fā)動機試驗要求：1）過載模擬（單臺或雙臺發(fā)動機）2）發(fā)動機不點火試驗3）待測件長度：1000 2000mm4）待測件直徑：120 150mm5）待測件重量： 35Kg2.1.2 待測件載荷設(shè)計 最大離心加速度：70g 旋轉(zhuǎn)架承載能力：不低于15000N2.1.3 轉(zhuǎn)臺運動參數(shù)設(shè)計轉(zhuǎn)臺采用變頻調(diào)速方式，技術(shù)指標(biāo)：旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速：小于300r/min旋轉(zhuǎn)架啟動平穩(wěn)時間：180S電機

17、額定功率：5.5KW上面裝有壓力應(yīng)變片，并且配有控制箱，具有安全措施保障人員安全2.2 總體方案的提出以與特點2.2.1 方案方案圖：圖2-1 方案總圖方案圖結(jié)構(gòu)組成：1.底座； 2.支柱； 3.支撐板； 4.大軸承；5.主軸； 6.夾具； 7. 夾具1； 8. 夾具2；9. 夾具3； 10. 軸； 11. 螺栓；12.試件； 13. 小軸承； 14.螺釘； 15. 螺栓；實體圖：圖2-2 方案實體圖2.2.2 特點主要特色是：結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、較好的制造工藝，并且使用同步帶的傳動可以提高傳動效率，在過載的環(huán)境下能夠起到自我保護作用，提高了使用的安全性能，并且可以能夠較好的滿足設(shè)計的要求性能

18、。同時在8根支撐柱的支撐作用下，可以承擔(dān)相當(dāng)大的軸向載荷，這也為在實驗臺的安全性能方面起到了很重要的穩(wěn)定作用，因為在軸向方向的力還是很大的，使用支撐柱而不是用箱體結(jié)構(gòu)也不影響使用帶的傳動方式的使用。其二，使用空心軸的同時不僅能夠滿足引出線的目的，同時也提高了軸的抗扭強度。其三、在測試件這一塊，也有別于以往的水平和垂直放置的相對單一的擺放方式，但是同時這也對設(shè)計提出了更高的要求，因為還有考慮剃度加速度對測試件的影響。因此，可以說這套設(shè)計方案還是有其獨特的地方。3 實驗臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1電動機的選擇： 以知條件： 旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速： 小于300r/min 旋轉(zhuǎn)架啟動平穩(wěn)時間：180s 最大離心加速度：7

19、0g3.1.1選擇電動機類型和結(jié)構(gòu)形式Y(jié)系列籠型三相異步交流電動機由于結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維修方便，價格便宜，并且具有效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大等特點，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體的一般場所和無特殊要求的機械上，故選用Y系列籠型三相異步交流電動機。3.1.2 選擇電動機的容量此處省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等.請聯(lián)系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設(shè)計下載！該論文已經(jīng)通過答辯 回轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)約速為300r/min 通常，帶輪輪傳動i=24 ,故電動機的轉(zhuǎn)速圍為6001200 r/min 從重量、價格以與傳動比等考慮，選用 Y160M

20、28 電動機。3.1.4確定電動機轉(zhuǎn)速 同一類型、功率一樣的電動機具有多種轉(zhuǎn)速。如選用轉(zhuǎn)速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但是會使傳動裝置的總傳動比、尺寸結(jié)構(gòu)和重量增加。選用速度低的情況剛好相反。因此，在綜合考慮電動機與傳動裝置的尺寸、重量、價格，并且根據(jù)傳動比的需要，選用電動機的同步轉(zhuǎn)速為：1000 rmin?，F(xiàn)由根據(jù)機械設(shè)計實用手冊選電動機的型號為：Y160M28。具體參數(shù)如下：電動機技術(shù)數(shù)據(jù)型號額定功率KW轉(zhuǎn)速r/min 電流A 效率% 功率因素cosY160M2-85.572013.3850.74堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量重量（Kg）6.02.02.00.9311193.1

21、.5 電動機的安裝B3型安裝型式尺寸機座號ABCDEFG160M254210108421101237LKHABACADHD600151600-0.5330325255385安裝圖樣圖3-1 電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2裝配圖的設(shè)計方案圖：圖3-2 方案總圖方案圖結(jié)構(gòu)組成：1.底座； 2.支柱； 3.支撐板； 4.大軸承；5.主軸； 6.夾具； 7. 夾具1； 8. 夾具2；9. 夾具3； 10. 軸； 11. 螺栓；12.試件； 13. 小軸承； 14.螺釘； 15. 螺栓；實體圖：圖3-3 方案實體圖轉(zhuǎn)臂的長度1987.85mm; 整體高度：1655mm箱體底座離轉(zhuǎn)盤的距離：655mm3.3帶傳動

22、的選擇與計算以下公式參考機械設(shè)計手冊單行本帶傳動和鏈傳動P31表14.1331、選帶：膠帆布平帶2、帶速：取v=10 m/s < 20 m/s3、小帶輪直徑：=265.26 mm取 =280 mm4、大帶輪直徑:=i=2.4280(1-0.01)=665.28 mm 取 =710 mm5、中心距：=（1.52）（+）=（1.52）（280+710）=14851980 mm 取 =1700 mm6、帶長：L=2+(+)+=21700+(250+600)+ =4754.9167 mm取 L=5000 mm7、小帶輪包角：=1800-57.30=1800-57.30=165.5060>1

23、5008、撓曲次數(shù)：y= =29、帶厚：=1.2n=1.26=7.2 mm10、設(shè)計功率：工況系數(shù)：=1.1小帶輪傳遞功率：P=5.5 kw功率：Pd=P=1.15.5=6.05 kW11、帶截面積：A=膠帶單位面積所能傳遞的基本額定功率：=2.0包角修正系數(shù)：=0.97傳動布置系數(shù)：=1.0計算得：A=3.11856 cm2 12、帶寬：b=43.31mm取 b=90 mm13、為帶的預(yù)緊應(yīng)力，取=1.8 MPa14、有效圓周力：Ft=605 N15、作用在軸上的力：Fr=1113.71312N3.4軸的設(shè)計軸設(shè)計的主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩方面的容：（1）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的

24、安裝、定位以與軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是軸設(shè)計中的重要容。（2）軸的工作能力計算是指軸的強度、剛度和震動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止鍛裂和塑性變形。而對剛度要求高的軸和受力的細長軸，還應(yīng)進行剛度計算，以防止工作是產(chǎn)生過大的彈性變形。3.4.1軸的設(shè)計設(shè)計過程如下：以下數(shù)據(jù)均出自機械設(shè)計3.4.1.1.初步確定軸的最小直徑先按式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為

25、45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15-3，取A0=126,于是得dmin=A0=126=33.87 mmP1=P=5.50.922=5.071 kW為空心軸外徑比,取=0.6為安全，乘安全系數(shù)1.8，d=33.87×1.8=60.96 mm，現(xiàn)取d=60 mm考慮軸上開有兩個鍵槽應(yīng)增大10%-15%即d=70 mm.輸出軸的最小直徑顯然是安裝下端軸承的直徑d-，參照軸承設(shè)計手冊，選取徑d=70mm，外徑D=125mm代號為33214的圓錐滾子軸承。3.4.1.2.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計1)擬定軸上零件的裝配方案圖3-4 主軸數(shù)據(jù)1圖3-4 主軸數(shù)據(jù)2圖3-5 主軸數(shù)據(jù)32)根據(jù)軸向的定位要求確定軸的

26、各段直徑和長度(1)為了滿足軸承的軸向的定位要求，-軸段右端需制出一軸肩，參照軸承安裝尺寸，故取-段的直徑為79mm。-段的長度參照軸承寬度尺寸，現(xiàn)取l-=77mm。-段的長度暫時定為53mm 。軸承與軸的配合公差為H7/r6。確定軸上圓角和倒角尺寸，取軸端倒角為245°。（2）軸-段為軸與大帶輪配合。根據(jù)大帶輪直徑確定徑d=110mm，所以取段軸直徑d-=110mm，帶輪與軸的配合公差為H7/r6。長度方向上，為滿足軸向定為，此段軸長應(yīng)大于大帶輪輪緣寬度，取L-=120mm。（3）軸-段為支撐段，考慮受力與帶輪直徑，現(xiàn)取d-=170mm，l-=210mm 。 （4）軸-段位支撐板，

27、考慮大帶輪外徑與安裝要求，取代號為30630的圓錐滾子軸承配合安裝，參照軸承的安裝尺寸，取d-=630mm，=35mm 。轉(zhuǎn)盤直徑d=1300mm，=55mm 。 （5）軸-段位固定夾具段，根據(jù)測試件長度與旋轉(zhuǎn)半徑尺寸，現(xiàn)取d-=150mm，l-=1600mm。3)軸設(shè)計 軸的作用是：（1）將測試件上應(yīng)變片的引線通過集流環(huán)引出； （2）在旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生意外的時候起到一定得保護作用。圖3-5 軸數(shù)據(jù)參照主軸，取外徑=38mm，徑=24mm，長度l=1615mm，底部為100，孔8.84均布3.5 底座設(shè)計此方案的底座主要承受裝置的壓力，因此選用鑄造T250剛，結(jié)構(gòu)如下圖：具體尺寸入下圖：3.6 立柱

28、設(shè)計為方便帶傳動的工作，本方案采用的是八根支撐整個試驗臺結(jié)構(gòu)，由于立柱只承受試驗臺的壓力，整個裝置的扭矩可以忽略，因此擬定這八根立柱的材料為鑄鋼TH250,具體尺寸如下：長L=370mm，兩邊聯(lián)接處厚度各為20mm聯(lián)接孔的定位：在直徑為100mm的圓周上均布13.58的直徑孔。4 主要零件的設(shè)計驗算4.1 軸的校核4.1.1 軸強度校核進行軸的強度校核計算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載與應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。這次設(shè)計主要是既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強度條件進行計算。其計算步驟如下：1） 作出軸的計算簡圖（即力學(xué)模型）軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計

29、算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關(guān)，通過查表確定。2） 作出彎矩圖根據(jù)簡圖，分別按水平和垂直面計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出水平面上的彎矩MH圖和垂直面上的彎矩圖MV；然后按下式計算總彎矩并作出M圖； M=3） 作出彎矩圖4） 校核軸的強度已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險截面（即彎矩和扭矩大而軸徑可能不足的截面）作彎扭合成強度校核計算。按第三強度理論，計算應(yīng)力ca=式中：ca軸的計算應(yīng)力，單位為MPa; M軸所受的彎矩，單位為

30、N·mm T軸所受的扭矩，單位為N·mm W軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm3, -1對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力。5）旋轉(zhuǎn)軸的校核P1=P=5.50.922=5.071 kWn1=n=720=300 r/minT=9550000=9550000=161426.83 N·mm有效圓周力： Ft=2935.03 N作用在軸上的力：Fr=1113.71312N軸的計算簡圖如下：圖4-1 軸的載荷分析圖水平面上的受力圖：圖4-2 軸在水平面上的受力圖水平面上的彎矩圖：圖4-3 軸在水平面上的彎矩圖垂直面上的受力圖：圖4-4 軸在垂直面上的受力圖垂直面上的彎矩圖：圖4-5

31、 軸在垂直面上的彎矩圖合成彎矩圖：圖4-6 軸的合成彎矩圖扭矩圖：圖4-7 軸的扭矩圖從軸的結(jié)構(gòu)圖以與彎矩和扭矩圖中可以看出截面C是軸的危險截面?，F(xiàn)將計算出的截面C處的MH 、MV 與M的值列于下表：表4-1載荷水平面H 垂直面V支反力Y1=1991.63 N , Y2=943.40 NZ1=755.73 N , Z2=357.98 N彎矩MH=268869.71 N·mmMV=102023.79 N·mm總彎矩M=287575.69 N·mm扭矩T=161426.83 N·mm按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度由于的截面變化不是很大，所以通常只校核軸上承受最大

32、彎矩和扭矩截面（即截面C）的強度。因為扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力，所以取=0.6ca= =2.62 MPa前面已經(jīng)選定軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得-1=60MPa.因此ca < -1,故安全。4.1.2基于SolidWorks SimulationXpress軸的靜態(tài)應(yīng)力和位移分析1）在軸承固定處添加夾具 圖4-8 軸分析圖12）添加載荷，根據(jù)前面計算得離心載荷，現(xiàn)添加1500N的力。圖4-9 軸分析圖23）選擇材料4）應(yīng)力結(jié)果分析最小應(yīng)力：153.353 N/m2，最小應(yīng)力位置：(1.88383mm, 491.017mm, 509.318mm)；最大應(yīng)力：2.66644

33、e+006 N/m2，最大應(yīng)力位置：(-75.8565mm, -75.2896mm, 573.238 mm)。圖4-10 軸應(yīng)力分析結(jié)果圖5）位移結(jié)果分析最小位移0 mm，最小位移位置：(3.83314e-014mm, 313mm, 460mm)；最大位移0.101821 mm, 最小位移位置：(-140mm, 74.8461mm, 2162.92mm)。圖4-11 軸位移分析結(jié)果圖5）變形變形比例：2115.37圖4-12 軸變形分析結(jié)果圖4.2軸承的選擇與校核4.2.1 特點與選擇：軸上的軸承即要求承受徑向載荷，又承受軸向載荷，根據(jù)其具體要求選擇圓錐滾子軸承，它可以承受徑向和軸向（單向）載

34、荷聯(lián)合作用，其特點為能在較高轉(zhuǎn)速下工作，由于一個軸承只能承受單方向的軸向載荷，因此一般成對使用，現(xiàn)確定的軸承代號為33214和30630。具體尺寸如下：（1） 圓錐滾子軸承33214：基本尺寸/mm基本額定載荷/KN極限轉(zhuǎn)速/r.min-1重量/kgdDTBCCrCor脂油70125414132208298300038002.10計算系數(shù)軸承代號其他尺寸/mmeYY033214arminR1min0.411.50.830.721.5安裝尺寸/mmdamindbmaxDaminDamaxDbmin79791071161207921.5（2）圓錐滾子軸承30630：基本尺寸/mm基本額定載荷/KN

35、極限轉(zhuǎn)速/r.min-1重量/kgdDTBCCrCor脂油6309201341289434107100320430286計算系數(shù)軸承代號其他尺寸/mmeYY030630arminR1min0.431.40.781667.57.5安裝尺寸/mmdamindbmaxDaminDamaxDbmin7297748649329024.2.2 校核與計算:圓錐滾子軸承:由以上的設(shè)計過程可知：在軸反裝兩個圓錐滾子軸承。此回轉(zhuǎn)臺為間歇使用的機械，中斷后果嚴重 所以選預(yù)期計算壽命Lh為12000h 查滾動軸承樣本可知33214軸承的基本額定動載荷為Cr =208 KN ，額定靜載荷為Cor =298 KN；30

36、630軸承的基本額定動載荷Cr=3410KN 額定靜載荷Cor=7100KN1)求兩軸承受到的徑向載荷Fr1和Fr2由軸的受力分析可知：載荷水平面H 垂直面V支反力Y1=1991.63 N , Y2=943.40 NZ1=755.73 N , Z2=357.98 N彎矩MH=268869.71 N·mmMV=102023.79 N·mm總彎矩M=287575.69 N·mm扭矩T=161426.83 N·mm把派生軸向力的方向與外加軸向載荷Fa的方向一致的軸承標(biāo)為2,另一端標(biāo)為軸承1。由于反裝所以:Fr1=1009.04 N Fr2=2130.19 N

37、2)求兩軸承的計算軸向力Fa1和Fa2查表得33214軸承的e1=0.41 , Y1=1.5查表得30630軸承的e2=0.43 , Y2=1.4Fd1=Fr1/(2Y1)= 1009.04/3=336.347 NFd2=Fr2/(2Y2)= 2130.19/2.8=760.782 NFa1=Fd2+Fa=760.782+15000=15760.782 N> Fd1=336.347 N 所以1軸承為壓緊端Fa2=Fd2=760.782 N Fa1/Fr1=15760.782 /1009.04=15.62 > e1=0.41 Fa2/Fr2=760.782/2130.19=0.357

38、 < e2=0.43取徑向載荷系數(shù)X1=0.4 , X2=1；取軸向載荷系數(shù)Y1=1.5，Y2=0 ,所以P=fp(XFr+YFa)回轉(zhuǎn)臺并不承受大載荷，所以只能是輕微沖擊，取fp=1.1。則P1= fp(X1Fr1+Y1Fa1)=1.1(0.41009.04+1.515760.782) N =26449.27 NP2= fp(X2Fr2+Y2Fa2)=1.1(12130.19+0760.782) N=2343.21 N因為P1>P2.所以以軸承1來校核壽命。Lh=53731.17 h> Lh=12000 h故所選軸承可滿足壽命要求。4.3螺栓與螺釘?shù)倪x擇與校核4.3.1各螺

39、栓與螺釘直徑與數(shù)目的確定：1） 底座與立柱聯(lián)接和立柱與大軸承支撐板以與測試件固定架與主軸的直徑與數(shù)目：所選螺栓直徑d=12mm,數(shù)目為140個。2） 定軸與底座聯(lián)接、軸承壓板與底盤聯(lián)接、測控設(shè)備與主軸聯(lián)接的數(shù)目與直徑：確定螺釘直徑d=8mm，數(shù)目為4個。3） 旋轉(zhuǎn)軸與夾具聯(lián)接用的螺栓直徑與數(shù)目：據(jù)機械設(shè)計指導(dǎo)，確定螺釘直徑d=20mm，數(shù)目為6個。4） 固定夾具和測試件的螺栓直徑與數(shù)目：先擬定確定螺栓直徑d=16mm,數(shù)目為24個。4.3.2校核： 1.旋轉(zhuǎn)軸與夾具的螺釘：據(jù)機械設(shè)計手冊P表322，預(yù)緊聯(lián)接，徑向靜載荷，全部螺栓承受的徑向載荷FX=G+Fcos450=(352+50)9.8+1

40、500=2236.66 N單個螺栓承受的徑向力FA=372.78 N所以螺栓桿與孔壁的擠壓強度：=螺栓桿的剪切強度：=式中As為螺紋部分危險截面之計算面積,As=mm，d為螺紋小徑，mm；As=254.34 mm，所以=0.62 MPa <=72 MPa=1.47 MPa <=72 MPa2.固定試件的螺釘校核同上。3.底座與支撐柱聯(lián)接用的螺栓和支撐柱與支撐板聯(lián)接用的螺栓從裝配圖結(jié)構(gòu)看，由于旋轉(zhuǎn)架與其以上各零件的重力作用，這兩處螺栓的強度沒有必要校核，此處不校核。地腳螺栓：用類比法確定的，不校核。4.4 鍵的選擇與校核:4.4.1選擇：據(jù)機械設(shè)計表61，確定鍵如下：帶輪與軸的聯(lián)接鍵

41、：鍵b×h =28×16 GB/T 109679；4.4.2校核:鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，由機械設(shè)計表62查得許用擠壓應(yīng)力p=100120 Mp，取其平均值，p=110Mp,鍵的工作長度l=Lb=10028=72 mm，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=0.5×16=8mm,由機械設(shè)計式（61）可得：=式中：T 傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·m； k 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h,此處h為鍵的高度，單位為mm； l 鍵的工作長度，單位為mm,圓頭平鍵l=Lb,平頭平鍵l=L,這里L(fēng)為鍵的公稱長度，單位為mm；b為鍵的寬度，單位為mm； d 軸的直徑，

42、單位為mm。T=9550=9550 N·m=161.427 N·m所以=MPa=5.096 MPa=110 Mpa （合適）5 工件的夾緊5.1工件的夾緊的要求一般情況下，工件在轉(zhuǎn)動情況下需要夾緊。因為在旋轉(zhuǎn)過程中工件受到離心力與重力等外力的作用，若不夾緊，工件在外力作用下就可能發(fā)生移動，輕則使測量出來的參數(shù)有錯誤，重則工件夾緊裝置，以至危害人的安全，甚至發(fā)生人生事故。同時，工件在定位過程中獲得的既定位置，也要依靠夾緊來保持，有時工件的定位也是在夾緊過程中實現(xiàn)的，因此夾緊裝置是此設(shè)計的重要組成部分。對夾緊機構(gòu)和裝置有下列基本要求：（1）在夾緊過程中應(yīng)能保證工件更好的得到定位

43、；（2）夾緊應(yīng)該可靠和適當(dāng)。（3）夾緊機構(gòu)應(yīng)操作安全、方便、省力；（4）夾緊機構(gòu)的自動化程度與復(fù)雜程度應(yīng)盡量相適應(yīng)。設(shè)計夾緊裝置時，首先要合理選擇夾緊點、夾緊力作用方向，并且正確確定所需要夾緊力大小。然后設(shè)計合適的夾緊機構(gòu)予以保證。實驗臺開始工作時，通過齒輪傳動帶動轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)架上測試件隨著轉(zhuǎn)架一起旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，我們要通過操作裝置的簡便性、安全性，并且在實驗時盡可能的多點與多角度測試工件的參數(shù)。于是，我們就要想一套方案，怎么把測試件固定在轉(zhuǎn)盤上。5.2 方案圖51 固定支架圖52 裝夾圖5.2.2 方案的特點：此方案我們把一塊方形的軸固定在旋轉(zhuǎn)臺上，同時我們在上面，前后兩面上打了12個

44、螺釘孔。這里我們選用了三個地方夾緊。分別是上，中，下夾緊裝置。上，中夾緊裝置，我們選用了，上面打上螺釘孔，具體尺寸與位置見零件圖。分別安裝在軸的前后兩面，通過螺栓聯(lián)接和軸固定起來。當(dāng)實驗臺工作的時候，擔(dān)心由于離心力引起的螺栓松動，我們還選用了拉桿直接將前后壓板固定聯(lián)接。下夾緊裝置，我們選用的是承力塊下夾緊裝置。通過螺栓聯(lián)接把夾座和前后兩塊壓板連接在一起。這樣實驗時很安全，裝夾也很牢固，中途不會出現(xiàn)什么問題。但此方案也存在不少問題，一看此裝置就知道中間要有一根很大的軸，還要有好幾塊大的壓板，這樣就顯得這裝置很笨重，轉(zhuǎn)動起來風(fēng)阻也特別大，測量角度也是非常有限。參考文獻1. 王昆等主編機械設(shè)計,機械

45、設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計,19952. 維慶等主編.機構(gòu)設(shè)計.機械工業(yè)，20003. 洪家娣等主編.機械設(shè)計指導(dǎo).江西高校，20014. 吳宗澤主編.機械設(shè)計實用手冊. 化學(xué)工業(yè)，1991 5. 戴曙等主編.金屬切削機床.機械工業(yè),20006. 濮良貴等主編.機械設(shè)計.高等教育，20017. 桓等主編.機械原理.高等教育，20018. 機械工程手冊編輯委員會編.機械工程師手冊.機械工業(yè)，19929. 王先逵主編.機械制造工藝學(xué).清華大學(xué)，199910. 越森.葉定友.利鳳翔.橫向加速度對飛行發(fā)動機絕熱層燒蝕影響的實驗研究.航空動力學(xué)報.200419（2）：279-28211. 相瑜才等主編.工程材料與機械制造基礎(chǔ).機械工業(yè)，199712. 王彬.武曉松.余陵.王棟.固體火箭發(fā)動機高速旋轉(zhuǎn)試驗臺設(shè)計.理工大學(xué)學(xué)報,2005,29(5):536-5391