機械設(shè)計學(xué)第九章

機械設(shè)計學(xué)濟南大學(xué)機械工程學(xué)院王濰ujnwangwei@163.com第九章設(shè)計試驗1整理ppt第八章設(shè)計試驗設(shè)計試驗:是指用來驗證產(chǎn)品在設(shè)計過程中．其功能原理的可行性、設(shè)計參量的合理性以及力學(xué)性能的確實性而采用的一種設(shè)計方法。2整理ppt從本質(zhì)上看試驗可分為兩大類：第一類是基礎(chǔ)試驗，即對零件的材料、工藝和結(jié)構(gòu)方面進行的試驗。主要解決：強度、壽命方面的問題。試驗對象：以零件為試驗對象。第二類為功能和行為特性試驗。主要進行：機械的工作原理和工作特性、機器工作時的振動、噪聲、精度、穩(wěn)定性等方面的試驗。試驗對象：以整機或部件為試驗對象。3整理ppt圖示四種卷棉花簽機的功能原理構(gòu)思，都能實現(xiàn)將棉花卷于木簽上。圖a：用手轉(zhuǎn)動木簽，棉花置于帶刺的平板表面。圖b：木簽不動，棉花置于轉(zhuǎn)動軸表而。圖c：木簽由轉(zhuǎn)動軸夾緊旋轉(zhuǎn)，棉花在靜止槽中卷緊。圖d：用于移動夾有木簽的兩板．棉花通過靜止槽時被卷緊。第一節(jié)功能原理設(shè)計階段的模型試驗4整理ppt第二節(jié)模型試驗中的相似理論模型試驗是利用與原型相似的模型來探求實際產(chǎn)品工作規(guī)律性的一種試驗研究方法。應(yīng)用：在機械產(chǎn)品的功能原理設(shè)計階段有廣泛應(yīng)用，其它如在動力機械中的傳熱問題、機床中的變形問題、機械中流體動力潤滑滑動軸承設(shè)計等方面。5整理ppt一、相似概念、相似比和相似模型相似概念在幾何學(xué)中早有應(yīng)用，例如兩個三角形相似(見圖9-3)，有如下性質(zhì)：各對應(yīng)線段成比例，各對應(yīng)角相等，即6整理ppt7整理ppt相似比：相似是指在相應(yīng)對刻、相應(yīng)參數(shù)之間的比例關(guān)系應(yīng)保持為常數(shù)，即原型的各種變量為，模型的同類變量為，其相似性質(zhì)，即相似比可用如下數(shù)學(xué)形式表示：=常數(shù)相似模型：是指將原型的各種物理現(xiàn)象如長度、時間、力、速度等縮小或擴大并據(jù)此作出樣品來進行試驗的裝置，此裝置在試驗中必須能比較容易、迅速、方便地再現(xiàn)原型發(fā)生的實際過程。8整理ppt二、相似定理相似三定理是相似設(shè)計的理論基礎(chǔ)。它是模型設(shè)計的理論基礎(chǔ)。1868年法國科學(xué)家貝特朗(J·Bertrand)，以力學(xué)方程分析為基礎(chǔ)，首先確定了相似第一定律，描述了相似現(xiàn)象的基本特性。1914年美國的波金漢(E·Buckingham)提出相似第二定理．分析了相似現(xiàn)象各物理參量的表達。1930年蘇聯(lián)學(xué)者基爾皮契夫和古赫曼提出了相似第三定理，回答了相似現(xiàn)象的充分而必要的條件。9整理ppt第一相似定理彼此相似的現(xiàn)象必定具有數(shù)值相同的同名相似準則，且相應(yīng)的相似指標等于1。指出彼此相似現(xiàn)象具有的性質(zhì)：①相似現(xiàn)象各對應(yīng)點的相似常數(shù)之比即相似指標等于1；②相似現(xiàn)象各對應(yīng)點的物理量的比值即相似準則具有同一數(shù)值，顯示了物理過程內(nèi)在聯(lián)系，③用第一定理來指導(dǎo)模型實驗或進行相似設(shè)計，首先要導(dǎo)出相似準則，然后在實驗中測量或計算相似準則包含的一切物理量。以動力相似為例：10整理ppt11整理ppt12整理ppt第二相似定理有n個物理量所表征的物理系統(tǒng)，其中k個物理量量綱是相互獨立的，則此n個物理量可表示為(n—k)個相似準則π1，π2，π3，……，πn-k的函數(shù)關(guān)系：f(π1，π2，π3，……，πn-k)=0相似第二定理指出：①描述現(xiàn)象的方程都可以轉(zhuǎn)換成無因次的準則方程；②相似準則有(n-K)個；⑨如果把某現(xiàn)象的實驗結(jié)果(設(shè)計結(jié)果)整理成上式所示的形式，則該式就可推廣到與該實驗結(jié)果相似的所有其它實驗上去，因而有利于試驗結(jié)果的應(yīng)用和推廣。13整理ppt第三相似定理判斷同一種類現(xiàn)象(過程)相似的必要和充分條件是單值條件相似和同名的決定性相似準則相等。單值條件是指從一群現(xiàn)象中根據(jù)某一現(xiàn)象的特性，能把它從一群現(xiàn)象中區(qū)分出來的那些條件。同時在實際模型試驗中，選擇對物理現(xiàn)象起決定作用的一、兩個相似準則相等，其余的略去不計，用模型和原型的試驗結(jié)果來判斷模型試驗的近似程度。應(yīng)用相似三定理，進行相似設(shè)計或用相似原理進行模型實驗，首先應(yīng)找出相似準則。常用的相似準則，見表9—2。14整理ppt15整理ppt軸的慣性矩：Iz=πD4/6416整理ppt17整理ppt18整理ppt19整理ppt三、模型設(shè)計時應(yīng)遵循的條件從相似理論的基本點出發(fā)．為了正確地模擬原型的現(xiàn)象，在模型設(shè)計時應(yīng)遵循下述條件：P23920整理ppt四、模型設(shè)計中幾個應(yīng)注意的問題1．模型材料的選擇與模型材料有關(guān)的物理量有：密度ρ、彈性模量E、泊松比μ、線膨脹系數(shù)β、導(dǎo)熱系數(shù)α。、比熱θ等。模型材料不一定與原型材料相同。確定模型材料時，要滿足相應(yīng)的有關(guān)相似準則。模型材料的性能要求如下：1）彈性模量小，作用力小時，變形大，對加載、測量有利；2）在實驗載荷范圍內(nèi)．材料的應(yīng)力—變形呈線性關(guān)系；3）有一定強度，加工性能好，便于制造。21整理ppt2．模型尺寸確定模型各部分尺寸將由幾何相似常數(shù)確定。原型與模型的長度相似CL＞1為縮小模型，CL＜1為放大模型。通?？s小模型的相似比，取CL＝4~10。確定模型尺寸，要考慮模型的安裝、加載和測量，模型尺寸過大或過小都會使試驗帶來不便。22整理ppt3．模型結(jié)構(gòu)設(shè)計原型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，模型結(jié)構(gòu)不必要與原型結(jié)構(gòu)完全相同，為了加工制造方便，模型結(jié)構(gòu)可以適當簡化，忽略對整機性能影響不大的次要部件或尺寸較小的部件，部件外形也可簡化。但簡化后的模型要保持主要結(jié)構(gòu)性能與原型一致，以便減小誤差。模型結(jié)構(gòu)簡化：保留：主要部分底、壁、導(dǎo)軌等的結(jié)構(gòu)和尺尺寸。省略：對結(jié)構(gòu)性能影響較小的小溝槽、小直徑孔等略去。但應(yīng)盡量保持結(jié)構(gòu)截面的慣性矩相等。以便模型與原型在力學(xué)特性參數(shù)上相似。23整理ppt24整理ppt25整理ppt26整理ppt①27整理ppt28整理ppt第三節(jié)實用化設(shè)計階段的樣機試驗進入實用化設(shè)計階段，也就是進入新產(chǎn)品正式投產(chǎn)前，一般必須先經(jīng)歷產(chǎn)品試制。產(chǎn)品試制：可分為樣機試制和小批試制。對于單件或小批生產(chǎn)只進行樣機試制。通過樣機試驗來驗證產(chǎn)品樣機以下技術(shù)狀況：1)產(chǎn)品足否有良好的功能原理。2)產(chǎn)品的實際工作效果、效率及其技術(shù)性能指標。3)樣機的零件性能如強度、剛度、可靠性、壽命等。29整理ppt實用化設(shè)計階段，樣機實驗的重要性：盡可能避免因產(chǎn)品設(shè)計或工藝方法的不合理而造成浪費。這種試驗同時能及時把試驗中暴露出來的諸如質(zhì)量、效率、成本等各種技術(shù)問題反饋到有關(guān)部門，以便及時修改技術(shù)文件和設(shè)計參數(shù)，改進前期設(shè)計中的不足，為正式轉(zhuǎn)化為商品生產(chǎn)做必要的準備。30整理ppt樣機：是完全按產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)試制但尚未投入正式生產(chǎn)的一種機械產(chǎn)品。它隨著產(chǎn)品的工作環(huán)境、工作性能和使用壽命的不同。各種樣機試驗的項目也不相同。例如：對汽車而言。樣機試驗的項目有：定型前的駕駛性能、負載、油耗、道路適應(yīng)性等。再如：裝載機樣機試驗的項目有：重心位置、操縱力、行走速度、空載運行阻力等。31整理ppt32整理ppt舉例：以裝載機樣機試驗為例，簡要說明樣機試驗的大致過程。裝載機樣機試驗包括：整機性能試驗和工業(yè)性能試驗兩大部分。33整理ppt1．整機性能測試1)測量裝載機在靜止狀態(tài)下主要幾何尺寸。見表9-3。2)測量裝載機在工作狀態(tài)下各主要作業(yè)參數(shù)。見表9-4。3)按裝載機工作準備狀態(tài)測量樣機質(zhì)量與接地比壓計算，見表9-5，計算公式為：34整理ppt35整理ppt4）在裝載機工作準備狀態(tài)下測量樣機重心位置，見表9-636整理ppt37整理ppt5)裝裝載機工作狀態(tài)下操縱裝置的操縱力和行程的測定，見表9—7。38整理ppt6)在裝載機直線路面上經(jīng)適當助跑后，按規(guī)定距離做前進、后退行走速度測定，見表9-839整理ppt7)裝載運行阻力的測定，見表99。8)在行走牽引試驗場地進行轉(zhuǎn)彎半徑測量40整理ppt9)裝載機在工作狀態(tài)下進行牽引試驗l0)技術(shù)生產(chǎn)率測定。41整理ppt11)扒爪每分鐘扒取次數(shù)的測量。l2)工作液壓缸壓力和沉降量的測量。13)噪聲測定。42整理ppt2、工業(yè)性試驗試驗內(nèi)容：裝載機的使用可靠性，使用生產(chǎn)率及能量消耗，主要部件的性能穩(wěn)定性，司機操縱舒適性，技術(shù)保養(yǎng)方便性，工作機構(gòu)的靈敏性及整機的拆卸、運輸、裝配是否適合礦山井巷作業(yè)環(huán)境的要求等。43整理ppt從上述試驗過程可看出，樣機試驗一般包括三方面的內(nèi)容：1）研究用什么方法、裝置和規(guī)范來試驗樣機才能反映產(chǎn)品使用的性能、壽命和可靠性；2）研究用怎樣的試驗方案來對產(chǎn)品進行試驗，以評定產(chǎn)品是否合格；3）把通過產(chǎn)品試驗發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量等問題的信息進行反饋并采取措施加以解決。隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展，樣機的試驗巳開始十分重視可靠性試驗和環(huán)境試驗。44整理ppt可靠性試驗：是指在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定環(huán)境條件下，確定產(chǎn)品的性能。指標如：平均壽命、可靠度、失效率是否合格。試驗的主要手段：是對產(chǎn)品做壽命試驗或稱耐久性試驗。對象：取部分樣品(樣機)進行。45整理ppt為求得產(chǎn)品的可靠性指標，產(chǎn)品在出廠前必須進行試驗，這種試驗常在自然環(huán)境或人工模擬的條件下進行，稱為環(huán)境試驗。環(huán)境試驗常用的方法有以下幾種：1)低溫試驗。檢驗產(chǎn)品在低溫條件下工作的可靠性，不應(yīng)有妨礙產(chǎn)品(樣機)正常工作的任何缺陷。2)溫度沖擊試驗。檢驗產(chǎn)品在溫度沖擊下的工作適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)的承受能力，產(chǎn)品經(jīng)試驗后不應(yīng)出現(xiàn)潤滑油脂或工作油液溢出，漆膜起泡等。46整理ppt3)耐潮及防腐試驗。檢查產(chǎn)品對潮濕空氣影響的抵抗能力。4)防塵試驗。檢查產(chǎn)品在風(fēng)沙、灰塵環(huán)境中，防塵結(jié)構(gòu)的密封性和工作可靠性。5)密封試驗。檢查產(chǎn)品防泄漏的能力。如氣密試驗、容器漏液試驗等。6)振動試驗。檢查產(chǎn)品對反復(fù)振動的適應(yīng)性。47整理ppt第四節(jié)機械產(chǎn)品的綜合性能檢測試驗產(chǎn)品經(jīng)過樣機試驗和改進設(shè)計之后，就要轉(zhuǎn)入小批量或成批生產(chǎn)，因而全面評價產(chǎn)品的效果，檢測產(chǎn)品的綜合性能，為開發(fā)下一代產(chǎn)品提供反饋信息是至關(guān)重要的。機械產(chǎn)品的綜合性能指標概括為：產(chǎn)品的性能、壽命、可靠性、安全性和經(jīng)濟性等方面。48整理ppt1）產(chǎn)品的性能：是指產(chǎn)品所具有的特性和功能。不同的使用目的，不同的使用條件，要求產(chǎn)品具有不同性能。對產(chǎn)品的性能檢測試驗一般從下列幾方面進行：物質(zhì)方面：物理、化學(xué)性能檢測。結(jié)構(gòu)方面：拆裝、維修、互換性的檢測。操作方面：從操作方便、靈巧方面進行舒適性試驗外觀方面：造型、色澤、包裝檢驗。49整理ppt2）產(chǎn)品的壽命：是指產(chǎn)品從出廠投入使用的時間算起到發(fā)生不可修復(fù)的故障為止的使用時間。故障：產(chǎn)品不能在規(guī)定的條件下，規(guī)定的期限內(nèi)履行一種或幾種所需要的功能的事件就叫故障。對于不可修復(fù)的故障則叫失效。不同的產(chǎn)品，其壽命的概念可能不盡相同。50整理ppt3）產(chǎn)品的可靠性：是指在規(guī)定的保險期內(nèi)、規(guī)定的條件下，規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定任務(wù)的可能性。衡量產(chǎn)品可靠性的指標有：平均壽命、可靠度、失效率?？煽啃栽囼灥闹饕侄问菍Ξa(chǎn)品作耐久性試驗。按壽命計算性質(zhì)，耐久性試驗可分為：（1)貯存壽命試驗。它是在規(guī)定的環(huán)境條件下，產(chǎn)品處于非工作狀態(tài)的存放試驗。目的是為了了解產(chǎn)品在待定條件下的可靠性。（2)工作壽命試驗。它是在規(guī)定的正常工作條件下或近似正常工作條件下，產(chǎn)品處于工作狀態(tài)的試驗，如連續(xù)工作壽命試驗、間斷工作壽命試驗。51整理ppt4）產(chǎn)品的安全性：是指產(chǎn)品使用過程中保證安全的程度。產(chǎn)品對使用人員是否會造成傷害事故，影響人體的健康，或者產(chǎn)生公害，污染周圍環(huán)境的可能性，是用戶十分關(guān)心的。為此在產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)之前應(yīng)作安全性檢測。如機器噪聲的測量、機床、汽車側(cè)向穩(wěn)定性試驗52整理ppt5）產(chǎn)品的經(jīng)濟性是個復(fù)雜問題，不僅要考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，還要考慮產(chǎn)品整個壽命周期所需的運轉(zhuǎn)費、維護修理費等。因為改進產(chǎn)品設(shè)計，提高可靠性，改善保養(yǎng)性等，就會提要經(jīng)濟性。因此，對產(chǎn)品進行綜合性能檢測時應(yīng)從工藝的合理性、制造成本和使用成本的高低等方面同時加以考慮。53整理ppt一、現(xiàn)代檢測系統(tǒng)現(xiàn)代檢測系統(tǒng)的大體組成如圖9—6所示54整理ppt二、檢測中的系統(tǒng)模擬技術(shù)系統(tǒng)模擬技術(shù)應(yīng)用于以下幾方面：1)對系統(tǒng)或產(chǎn)品的某一部分，例如儀器的傳感器、機床加工精度、與預(yù)先設(shè)計的有效精度來進行比較測定。2)系統(tǒng)地估計產(chǎn)品的各部分或分系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和干擾的影響程度及其對整體性能的影響等。3)比較各種設(shè)計方案，以取得最優(yōu)設(shè)計。4)在被測系統(tǒng)或裝置發(fā)生故障后使之重演工作過程，以分析研究故障來源和得出對策。5)進行假設(shè)檢驗。6)訓(xùn)練操作人員進行分析、評價人—機聯(lián)系的可控性和適應(yīng)性。55整理ppt三、檢測技術(shù)中的現(xiàn)代化工具在整個測試方案設(shè)計中，系統(tǒng)仿真和環(huán)境模擬是主要考慮對象。獲得有關(guān)位置參數(shù)、動力參數(shù)和掌握這些參數(shù)的變化及其內(nèi)在聯(lián)系。方法：1）研制各種微型傳感器和能進行各參數(shù)綜合測試的試驗裝置。2）借助計算機的輔助自動測試系統(tǒng)：具有程序控制、存貯轉(zhuǎn)換、快速運算、邏輯判斷、二維圖象和三維造型、運動仿真，虛擬環(huán)境。56整理ppt以汽車為例，了解產(chǎn)品的綜合性能檢測的大致過程：汽車新產(chǎn)品在投入批量生產(chǎn)前必須經(jīng)過嚴格的、科學(xué)的整車定型試驗，即經(jīng)過樣機試驗之后要投入批量生產(chǎn)之前的一次綜合性能檢測。其主要內(nèi)容有兩大方面：即：汽車基本性能檢測和總里程為50000h的可靠性行駛試驗。57整理ppt1）汽車基本性能檢測包括的內(nèi)容：滑行試驗，最小穩(wěn)定車速試驗(直接檔)，加速試驗，最小車速測定，爬坡試驗(最大爬坡度，爬長坡性能)，制動性能試驗(冷制動器的制動性能，連續(xù)制動后的性能穩(wěn)定性試驗，制動時的最大滑坡角)，操縱性能試驗，行駛平順性試驗，穩(wěn)定性試驗(汽車的橫向和縱向傾翻角)，密封性試驗。58整理ppt2）可靠性行駛試驗包括的內(nèi)容：選擇環(huán)路、山區(qū)石路、能高速行駛的道路作行駛試驗，考驗汽車的強度、工作可靠性、主要零件的耐磨性、保養(yǎng)維修的方便性和使用性能的穩(wěn)定程度。如：凹凸不平的壞路、碎石公路、瀝青和水泥平直公路行駛50000h，觀察其各項性能如何。若發(fā)現(xiàn)重大的或影響行駛安全的缺陷等問題，還需由制造廠改進后．才能投入檢