学士学位论文--金属压缩试验机设计.doc

43金属压缩试验机金属压缩试验机设计摘 要金属压缩试验机作为一种精密测试仪器，要测量控制力、变形、试验速度、应力应变速率等多种参量，可应用于各种金属材料进行理学性能、工艺性能的测试和分析研究。广泛应用于石油化工、航空航天、机械制造、汽车制造、门窗建材、金属制品等行业。本课题金属压缩试验机的设计主要进行拉压试验机机械部分的设计，其中主要包括减速器设计，同步带设计，滚珠丝杠设计，夹具设计，同时对设计各个部分进行校验分析。关键词：压缩试验机，减速器，同步带，滚珠丝杠，校核。ABSTRACTMetal tension and compression testing machine as a precision instrument to measure control, deformation, test speed, stress and strain rate and other parameters .Metal tension and compression testing machine can be used in a variety of physical properties of metal materials, process performance testing and analysis. It used widely in petrochemical, aerospace, machinery manufacturing, automobile manufacturing, doors and windows building materials, metal products and other industries. The subject of metal tension and compression testing machine primarily designed for tension and compression experiments of the mechanical parts of the design, which includes reducer design, timing belt design, ball screw design, fixture design, and design verification of the various parts.Key words: compression testing machine, reducer, belt, ball screw, checking 目 录1 绪论12金属压缩试验机结构设计概述22.1金属压缩试验机工作原理及概述22.2设计原则23试件分析34滚珠丝杆设计44.1 滚珠丝杆的工作原理44.2滚珠丝杆的设计计算44.3滚珠丝杠副的维护85减速器设计105.1整体设计105.2传动零件的设计计算146结论417参考文献428致谢431 绪论材料试验机从最简单的祛码加荷到以数字化技术为特征的各种材料试验机，在国外己有二百多年历史。 试验机制造业已成为一个独立的行业，试验机技术也成为一个国家工业发展水平的标志。材料试验机，是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷和校验旋转零部件动态不平衡量的精密测试仪器。在研究探索新材料、新工艺、新技术和新结构的过程中，材料试验机是一种不可缺少的重要检测仪器。不同行业的材质抗压强度不同，因此压力试验机的测量范围也有所不同，虽然测试范围是以最大试验力为上限向下兼容，但是用大量程的设备去测试抗压要求很低的试样，试验结果的精确度就难保证，因此，各试验机生产商都会在技术指标上标明力值测量量程，如：量程为4%-100%F.S。正确选购压力试验机的方法是：针对试样的材质和规格，向厂家了解压力试验机的型号及适用范围，也可以提供试样给厂家做一次试验以便于压力试验机的选型。金属压缩试验机作为一种精密测试仪器， 要测量控制力、 变形、 试验速度、 应力应变速率等多种参量， 可应用于各种金属材料进行理学性能、工艺性能的测试和分析研究。广泛应用于石油化工、 航空航天、机械制造、汽车制造、门窗建材、金属制品等行业。金属压缩试验机采用先进技术， 全数字放大、采集、闭环控制，使显示稳定、精度高、使用方便。主机采用伺服电机、 伺服驱动器，减速机、高精度滚珠丝杠、电子传感器， 具有传动平稳、 噪音低、 速度精度高、 调速范围宽、 使用寿命长等特点； 能够对实验数据曲线进行叠加缝隙处理、 存储、 打印、 绘制曲线， 打印完整报告单，进行工艺调整与生产控制。本次课程设计金属压缩试验机的设计， 主要设计的是用于低碳钢、 铸铁两种材料的金属拉压试验机， 整个设计主要包括电机的选择， 减速器的设计， 丝杠设计， 箱体机构的设计等部分。除此之外，还包括对于整个设计合理性的考虑以及对于各个关键零件的刚度强度校核。 2金属压缩试验机结构设计概述2.1金属压缩试验机工作原理及概述本设计是通过电机连接V带，V带连接减速器，再经过同步带带动两根丝杠同步转动，使得横杠能在竖直方向上运动，从而实现横梁向下压缩实验材料的压缩实验。本设计主要主要包括电机的选择，减速器的设计，丝杠设计，压缩机框架设计的等部分。2.2设计原则金属压缩试验机的所以零件及部件都应该考虑以下三个基本的原则：（1）尽可能好的满足工艺要求， 便于操作；（2）具有合理的强度与刚度， 使用可靠， 不易损坏。（3）具有很好的经济性， 重量轻， 便于维修操作。3试件分析表3-1 压缩实验试件尺寸及最大载荷低碳钢铸铁直径横截面积长度承受最大载荷10.00mm78.54mm30.00mm42.6kN10.00mm78.54mm30.00mm51.4kN数据分析：根据以上两表的数据显示， 如需完成压缩试验， 则横梁所能提供的最大载荷必须大于51.4kN， 因此， 拟定本设计金属压缩试验机输出的最大载荷为60kN， 横梁最大速度为500mm/min。4滚珠丝杆设计4.1 滚珠丝杆的工作原理滚珠丝杠副， 是在螺杆与螺母之间放入滚珠。 在螺杆或螺母转动时， 滚珠沿螺旋滚道滚动， 这样， 螺杆与螺母之间成为滚动摩擦， 提高了传动效率和传动精度。在螺母上有滚珠返回装置， 使滚珠通过此装置自动返回其入口， 形成循环回路。4.2滚珠丝杆的设计计算（1）滚珠丝杠副的载荷静摩擦力 (4-1)式中摩擦系数,查得=0.2 横梁重力 代入参数得： 最大载荷 (4-2)最小载荷 (4-3) 式中横梁输出最大压力 横梁重力夹具重力 代入参数得： 当量载荷 (4-4)代入参数得：（2）预期额定动载荷 按滚珠丝杠副的预期运行距离计算： (4-5)式中，预期运行距离，=800mm 精度系数。根据精度等级查得=1.0 可靠性系数。根据可靠性查得=1.0 负荷系数。由于滚珠丝杠基本无冲击，因此选取=代入参数得：（3）定允许的最小螺纹底径丝杠允许的最大轴向变形量 (4-6)式中，定位精度查得定位精度为代入参数得： 丝杠的最小螺纹底径 (4-7)式中:最小螺纹底径 丝杠允许的最大轴向变形量 静摩擦力 (4-8)式中, 滚珠丝杠的螺距，已知代入参数得：（4）确定滚珠丝杠的规格代号根据计算所得出的，选中相应规格的滚珠丝杠副BNFN4010-3，其相应参数：,其公称直径, 。（5）滚珠丝杠副预紧力 （4-9）式中,代入参数得：（6）滚珠丝杠副预拉伸力 （4-10）代入参数得： （7）滚珠丝杠副的最大转速 (4-11)（8）滚珠丝杠副的轴向载荷轴承承受的最大轴向载荷： （4-12）式中, 滚珠丝杠副预拉伸力 最大载荷代入参数得：（9）滚动轴承轴承类型的确定选择两端固定的支承形式，60的角接触推力球轴承, 选7603040TVP轴承,相应参数如下：,最大轴向力。（10）滚珠丝杠副传动系统刚度最小抗压刚度 （4-13）式中,（根据型号BNFN4010-3查得）代入参数得：最大抗压刚度 （4-14）式中: 代入参数得：（11）支承轴承组合刚度一对预紧轴承的组合刚度： （4-15）式中, 滚珠直径，查7603040TVP得: 滚珠数，根据型号BNFN4010-3查得 轴承接触角， 最大轴向工作载荷 （4-16）代入参数得： 支承轴承组合刚度： （4-17）代入参数得：滚珠和滚道的接触刚度： （4-18）式中, 根据型号BNFN4010-3查得：代入参数得：（12）滚珠丝杠副刚度验证 （4-19）代入参数得：因此，符合滚珠丝杠副符合刚度要求。4.3滚珠丝杠副的维护（1）滚珠丝杠副的润滑滚珠丝杠润滑不良可同时引起数控机床多种进给运动的误差，因此，滚珠丝杠润滑是日常维护的主要内容。使用润滑剂可提高滚珠丝杠耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油，润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂，用润滑油润滑的滚珠丝杠副可在每次机床工作前加油一次。（2）丝杠支承轴承的定期检查定期检查丝杠支承与床身的连接是否松动，连接件是否损坏，以及丝杠支承轴承的工作状态与润滑状态。（3）滚珠丝杠副的防护滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此，必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时，将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杠副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。5减速器设计5.1整体设计图5-1 减速器结构简图5.1.1电动机的选择（1）电动机类型的选择根据动力源和工作条件，选择Y系列的三相异步电动机。（2）电动机功率的选择 工作机所需要的有效功率为： （5-1） （5-2）式中， 滚珠丝杠副的导程 滚珠丝杠副的预紧力 滚珠丝杠副效率，由于滚珠丝杠副的精度为1级，查得 工作效率，取1滚珠丝杠副的切向力 同步带线速度r丝杠半径 （5-3）式中， 大同步带轮直径 滚珠丝杠最大转速 （5-4）定大同步带轮齿数为40，由根据机械设计基础第二版确定带型为H型，对应节距为(同步带的具体设计将在第六章做更为具体的介绍)。代入参数得：代入(5-3)得：将参数代入（5-2）得： 将参数代入（5-1）得：为了选定电动机所需功率，需要确定传动装置的总功率，由机械设计查得：带传动；滚动轴承；圆柱齿轮传动，圆锥锥齿轮传动；则传动装置的总功率为 （5-5）代入参数得：电机所需功率： （5-6）代入参数得： 根据电机所需功率选择电动机：选用三相异步电动机Y100L2-4，功率为3kw，转速为。由于丝杠的转速 （5-7）式中，横梁的最大速度 滚珠丝杠螺距代入参数得：同步带的传动比选为1，求得减速器输出轴的转速为，得到总传动比5.1.2传动比的分配总传动比，选V带的传动比为；因此得到减速器的传动比 （5-8）代入参数得：由于圆锥圆柱齿轮减速器，根据公式 （5-9） （5-10）代入参数得：5.1.3传动装置的计算（1）各轴转速计算（2）各轴输入功率计算（3）各轴的输入转矩计算5.2传动零件的设计计算5.2.1 V带传动的设计（1）确定计算功率 (5-11)式中，电机所需功率 工作情况系数，查机械手册得代入参数得：根据及选用A型窄V带。（2）确定带轮的基准直径 主动轮基准直径，从动轮基准直径调整为。带速根据公式： （5-12）代入参数得：（3）确定V带的基准直径和传动中心距根据，初步确定中心距, （5-13）代入参数得：由机械设计选取带的基准长度。实际中心距 （5-14）代入参数得：（4）验算主动轮上的包角 （5-15）代入参数得：因此主动轮上的包角合适。（5）计算窄V带的根数Z （5-16）由;；查机械设计表线性关系：；。代入参数得：取z=3根。（6）计算预紧力 （5-17）查机械设计教材得，代入参数得：(7)确定带宽由机械设计教材得带轮宽度,。5.2.2圆锥齿轮的设计 （1）选定圆锥齿轮的精度等级、材料及齿数由于速度不高。故选用7级精度材料选择 由机械设计表10-1选择小齿轮材料是45刚，调质处理，平均硬度为235HBS。大齿轮材料为45钢，正火，硬度为190HBS，二者硬度差为45HBS。选小齿轮数,则，取，则齿数比 (5-18)代入参数得：（2）按齿面接触强度设计由设计计算公式进行试算 (5-19)确定各项参数值如下： 试选载荷系数 小齿轮转矩 选取齿宽系数 由机械设计图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限 由机械设计查得材料的弹性影响系数 按式（10-31）计算应力循环次数： 由机械设计查得接触疲劳寿命系数。 计算接触疲劳应力安全系数，根据公式： （5-20） （5-21） （5-22）代入参数得： 接触强度载荷系数根据，由机械设计查得动恐怖载荷系数；。根据大齿轮两端支撑，小齿轮悬臂布置，由机械设计表查得轴承系数，根据公式： （5-23）代入参数得：接触强度载荷系数 （5-24）代入参数得：将所以求得参数代入(5-18) （3）计算圆锥齿轮各参数计算圆周速度V （5-25） 代入参数得：按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径 （5-26） 代入参数得：计算模数 （5-27） 代入参数得： 取4.5计算齿轮其他相关参数 分度圆直径 （5-28） （5-29） 分度圆锥角 （5-30） （5-31）锥距 （5-32）齿顶高 （5-33）齿根高 （5-34）齿顶角 （5-35）齿根角 （5-36）齿顶圆直径 （5-37） （5-38）齿根圆直径 （5-39） （5-40）齿宽 （5-41）代入参数得：分度圆直径分度圆锥角锥距齿顶高齿根高齿顶角齿根角齿顶圆直径齿根圆直径齿宽取。（4）校验齿根弯曲疲劳强度计算当量齿数 （5-42） （5-43）代入参数得：由机械设计表查得齿形系数： ，应力校正系数：，。由机械设计查得小齿轮的弯曲疲劳 强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限。由机械设计教材查得弯曲疲劳寿命系数，计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数，根据公式： （5-44） （5-45）代入参数得：校核弯曲强度 （5-46） （5-47）代入参数得：因此，满足弯曲强度要求。5.2.3圆柱齿轮的设计 （1）选定圆柱齿轮类型、精度的等级、材料及齿数按传动方案选用圆柱斜齿轮传动。由于速度不高，选用7级精度。材料选择 由机械设计教材选择小齿轮材料是45刚，调质处理，平均硬度为250HBS。大齿轮材料为45钢，正火，硬度为220HBS，二者硬度差为30HBS。选小齿轮数,则， 。初选螺旋角。（2）按齿面接触疲劳强度设计 (5-48)确定公式内的各项参数试选载荷系数。由机械设计教材10-30选取区域系数。由机械设计教材10-26查得，;则 .小齿轮传递扭矩。由机械设计表10-7教材查得。由机械设计表10-6查得材料的弹性影响系数。由机械设计教材图10-21d查得小齿轮的接触疲劳强度极限， 大齿轮的接触疲劳强度极限。按式（10-31）计算应力循环次数；由机械设计教材图10-19查得寿命系数，计算接触疲劳需用应力 安全系数，根据公式： （5-50） （5-51）代入参数得： 将所以求得参数代入(5-47)（3）计算圆柱齿轮各参数计算圆周速度 （5-52）代入参数得：计算齿宽及模数 （5-53） （5-54）代入参数得：齿高 （5-55）代入参数得：代入参数得： （5-56）代入参数得：计算载荷系数由机械设计教材10-2查得,根据、7级精度，由所引用教材图10-8查得:动载荷系数,由所引教材表10-3查得：由所引教材表10-4查得7级精度、调质小齿轮相对支承非对称布置时：,根据、，由所引教材图10-13查得：故载荷系数 按实际的载荷系数校正所算的的分度圆直径 （5-57）代入参数得：计算模数 （5-58）代入参数得：取（4）圆柱齿轮其他参数计算 计算中心距代入参数得：圆整为130mm。按圆整后的中心距计算螺旋角 （5-59）代入参数得：计算大小齿轮的分度圆直径 （5-60） （5-61）代入参数得：计算齿轮宽度 （5-62）代入参数得：圆整取,（5）按齿根弯曲疲劳强度设计 （5-63）计算载荷系数 （5-64）代入参数得：，根据纵向重合度，查机械设计教材10-28得螺旋角影响系数计算当量齿数 （5-65） （5-66）代入参数得：查取齿数系数及应力校正系数 由机械设计教材表10-5得，。由机械设计图10-20查得小齿轮的弯曲疲劳 强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限。由机械设计教材图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，。计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳弯曲系数，根据公式： （5-67） （5-68）代入参数得：校核弯曲强度 （5-69） （5-70）代入参数得：因此，符合弯曲强度要求。低速级齿轮传动的尺寸：5.2.4轴的设计（1）轴的材料选择和最小直径估计根据工作条件，初选轴的材料为45钢，调质处理。按钮转强度法进行最小直径估算，即： （5-71）初算轴径时，若最小直径轴端开有键槽，还要考虑键槽对轴强度的影响。根据机械设计教材表15-3，确定高速轴,中间轴，低速轴。高速轴：高速轴最小直径处安装大带轮，设有一键槽，则，取整数中间轴：因中间轴最小直径处安装滚动轴承，取为标准值低速轴：因低速轴最下直径处安装联轴器，设有一个键槽，则：（2）轴的结构设计高速轴设计：最小直径，由于要求，取：轴承处轴段，滚动轴承选取30306，其尺寸为，:由于采用轴肩进行轴向定位，30306型轴承的定位轴肩高度为，因此:滚动轴承处轴段，滚动轴承选取30306，其尺寸为 , :安装齿轮处的轴段，取：由V带毂孔宽度确定：由于滚动轴承选取30306，其尺寸为，因此:由箱体结构、轴承端盖、装配关系确定:由于滚动轴承选取30306，其尺寸为，因此:根据锥齿轮毂宽度，选取中间轴设计：由于要求，因此轴承30306，取：根据轴肩段，取：根据轴齿轮直径为：安装轴肩段：安装锥齿轮：取：根据设计安装要求，选：齿轮轴段，：根据设计安装要求，取：安装锥齿轮，取：低速轴结构设计: 根据31310型轴承的定位要求，因此取：根据大齿轮的定位要求，取：轴肩，取 过渡轴，: 根据31310型轴承的定位要求，因此取 ：取:取:根据轮毂宽度，选:轴肩过渡轴:根据31310型轴承取:取5.2.5轴的校验(1)高速轴的校验圆锥齿轮： （5-72） （5-73）代入参数得：垂直面支反力图5-2 高速轴垂直面受力分析图由绕支点B的力矩和得：求得：由绕支点A的力矩和得：求得：水平面反支力图5-3 高速轴水平面受力分析图由绕支点B的力矩和得：求得：同理， 由绕支点A的力矩和得：求得：A点的总支反力B点的总支反力垂直面内的弯矩 水平面内弯矩合成弯矩当量弯矩因为是单向回转轴， 所以扭转切应力视为脉动循环变应力，折算系数B处：弯矩合成强度进行校核时，通常只校核承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面B）的强度根据选定的轴的材料45钢，调质处理，由所机械设计表15-1查得,因，故强度足够。（2）中间轴的校验圆锥齿轮： （5-74） （5-75） （5-76）代入参数得：圆柱小齿轮： （5-77） （5-78） （5-79）代入参数得： 垂直面支反力图5-4 中间轴垂直面受力分析图由绕支点B的力矩和得求得：同理由绕支点A的力矩和得：求得：水平面支反力图5-5 中间轴水平面受力分析图由绕支点B的力矩和，得：求得：同理，由绕支点A的力矩和，得：A点的总支反力B点的总支反力垂直面内的弯矩C处的弯矩D处的弯矩水平面内的弯矩C处弯矩D处弯矩合成弯矩C处当量弯矩因为是单向回转轴，所以扭转切应力视为脉动循环变应力，折算系数C处：D处：弯扭合成强度校核进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面D）的强度 （5-80）代入参数得：根据选定的轴的材料45钢，调质处理，由所机械设计表15-1查得,因，故强度足够。（3）低速轴的校验大圆柱齿轮： （5-81） （5-82） （5-83）代入参数得：垂直面支反力图5-6 低速轴垂直面受力分析图由绕支点B的力矩和，得同理，由绕支点A的力矩和得：求得：水平面支反力图5-6 低速轴水平面受力分析图由绕支点B的力矩和，得：同理，由绕支点A的力矩和，得：求得：A点的总支反力B点的总支反力垂直面内的弯矩 水平面内的弯矩C处：合成弯矩当量弯矩因为是单向回转轴，所以扭转切应力视为脉动循环变应力，折算系数C处：弯扭合成强度校核进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面D）的强度 （5-84）代入参数得：根据选定的轴的材料45钢，调质处理，由所机械设计表15-1查得,因，故强度足够。5.2.6键的选择与校验（1）高速轴键的选择及校核选定：高速轴键1为，标记：10。高速轴键2为，标记：。由于是同一根轴上的键，传递的转矩相同，所以只需校核短的键1即可。齿轮轴段；键的工作长度，键的接触高度，传递的转矩；按机械设计表6-2查得键静链接是的挤压许用应力。 (5-85)代入参数得：因此，高速轴键联接强度足够。（2）中间轴键的选择及校核选定： 中间轴键1为，标记：。 齿轮轴段；键的工作长度，键的接触高度，传递的转矩； 按机械设计表6-2查得键静链接是的挤压许用应力。因此中间轴键联接强度足够。（3）低速轴键的选择及校核选定：低速轴键1为，标记：。低速轴键2为，标记：。由于是同一根轴上的键，传递的转矩相同，所以只需校核短的键1即可。齿轮轴段；键的工作长度，键的接触高度，传递的转矩；按机械设计表6-2查得键静链接是的挤压许用应力。因此，低速轴键联接强度足够。5.2.7滚动轴承的选择(1)高速轴滚动轴承的选择根据载荷及速度情况，拟定选用圆锥滚子轴承。根据，选取轴承30306，其基本参数：，。(2)中间轴滚动轴承的选择根据载荷及速度情况，拟定选用圆锥滚子轴承。根据，选取轴承30306，其基本参数：，。6结论 经过本次的毕业设计，让我重新回顾了四年来学过的知识：如何运用CAD画图，在画图的同时也重新复习了一遍机械制图的知识；在设计丝杠，V带，减速器的过程中又重新拿起了机械设计；机械原理；材料力学等课本。本课题主要进行金属压缩试验机机械结构的设计，以及各个部分刚度及强度的校核。其中主要包括：（1）通过分析及计算所得数据对丝杠、同步带、电机等部件进行选取；（2）金属压缩试验机机械结构的设计，其中主要包括减速器的设计、同步带轮的设计、夹具的设计等。（3）对金属压缩试验机的横梁及其他各连接件的强度、刚度进行了校核，确保设计结构的合理性及安全性。7参考文献1 曹以柏材料力学测试原理及实验M)北京：航空工业出版社 ,20022 G. 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