带传动实验指导.doc

带传动实验指导书

带传动实验指导书

金悦

姓名 班级 学号

西安交通大学
机械基础实验教学中心
http://202.117.29.254
2012年9月

目录
§1-1 概述...........………………………………………………1
§1-2 预习报告...........………………………………………… 1
§1-3 实验原理...........……………………………………………
一、实验系统的组成...........…………………………………………
1、实验系统的组成...........…………………………………………
2、主要技术参数...........………………………………………………
3、实验机结构特点...........………………………………………………
（1）机械结构...........………………………………………………
（2）电测系统...........………………………………………………
二、实验原理及测试方法...........……………………………………
1、转速测量...........………………………………………………
2、转矩测量...........………………………………………………
3、加载原理...........………………………………………………
4、电机调速...........………………………………………………
§1-4 实验步骤...........………………………………………
一、人工记录操作方法...........………………………………………
二、与计算机接口操作方法...........………………………………………
三、校零与标定...........………………………………………………
§1-5 实验任务...........…………………………………………
§1-6 实验报告...........…………………………………………

§1-1 概述
本实验通过对带传动效率的测量，了解机械量的电测量方法，间接观察带传动中的弹性滑动现象，获得对带传动的机理及效率概念更深入的认识。研究张紧力、皮带转速等因素对平皮带传动性能的影响，比较平皮带、三角带、齿形带传动性能的特点。在进行实验前请您认真阅读预习报告，并回答其中的问题。
§1-2 预习报告
1.请回答带是如何进行传动的，弹性滑动指的是什么？打滑又是什么？如何区分这两个概念，区分它们的原则是什么？

2.您知道传感器的作用是什么吗？您了解几种将机械量转化为电量的传感器?您知道其转化原理吗?

3.如果要您测量效率，您会怎么测？
a）功率之比 b）功之比
4.上面的测量方法各需要测哪几个参数，请您写下来
功率之比：
功之比：
5.如果让您准备一套测试系统，您知道需要哪些设备吗？
6.您是否知道皮带传动的弹性滑动曲线？皮带传动的弹性滑动曲线应该是什么形状？
以上这些问题您了解多少？如果有不太清楚的地方，请到您的教科书及实验指导书中查阅。
§1-3 实验原理
一、 实验系统的组成
1、实验系统的组成

如图１所示，实验系统主要包括如下部分：
（1）带传动机构 （2）主、从动轮转矩传感器
（3）主、从动轮转速传感器 （4）电测箱（与带传动机构装为一体）
（5）个人电脑 （6）打印机

2、主要技术参数
主动电机调速范围：0～1500 r/min
带轮直径：D1=D2=87 mm（平带、V带、同步带）
包 角：a1=a2=1800
传感器量程：0～100 N 精度：0.05％
电机额定功率：P=80 W×2
电机额定转矩：T=0.79 N·M
电 源：220V交流/50HZ
外形尺寸：660×300×380(mm)
重 量：50 kg
3、实验机结构特点
（1）机械结构
本实验台机械部分，主要由两台直流电机组成，如图２所示。其中一台作为原动机，另一台则作为负载的发电机。

1、从动直流发电机 2、从动带轮 3、传动带 4、主动带轮
5、主动直流电动机 6、牵引绳 7、差动滑轮 8、砝码
9、拉簧 10、浮动支座 11、固定支座 12、电测箱
13、拉力传感器 14、标定杆

对原动机，由可控硅整流装置供给电动机电枢以不同的端电压，实现无级调速。
对发电机，每按一下“加载”按键，即并上一个负载电阻，使发电机负载逐步增加，电枢电流增大，随之电磁转矩也增大，即发电机的负载转矩增大，实现了负载的改变。
两台电机均为悬挂支承，当传递载荷时，作用于电机定子上的力矩 T1（主动电机力矩）、T2（从动电机力矩）迫使拉钩作用于拉力传感器（序号13），传感器输出的电信号正比于 T1、T2 的原始信号。
原动机的机座设计成浮动结构（滚动滑槽），与牵引钢丝绳、定滑轮、砝码一起组成带传动预拉力形成机构，改变砝码大小，即可准确地预定带传动的预拉力F0。
两台电机的转速传感器（红外光电传感器）分别安装在带轮背后的环形槽（本
图未表示）中，由此可获得必需的转速信号。

（2）电测系统
电测系统装在实验台电测箱内，如图1所示。附设单片机，承担数据采集、数据处理、信息记忆、自动显示等功能。能实时显示带传动过程中主动轮转速，转矩和从动轮的转速、转矩值。如通过微机接口外接 PC 机，这时就可自动显示并能打印输出带传动的滑动曲线ε—T2 及传递效率曲线η— T2 及相关数据。
电测箱操作部分主要集中在箱体正面的面板上 ，面板的布置如图 3 所示。

图3 电测箱面板布置图
在电测箱背面备有微机 RS232 接口、主、被动轮转矩放大、调零旋钮等，其布置情况如图４所示。

图4 电测箱背面布置图
1、电源插座 2、被动力矩放大倍数调节 3、主动力矩放大倍数调节
4、被动力矩调零 5、主动力矩调零 6、RS-232 接口

二、实验原理及测试方法
1、转速测量
转速的测量采用光电测速。图5为光电传感器结构示意图，其上有两个元件，一为红外发光管，一为光敏二极管，使用时测速盘放于两元件间，当测速盘上的槽对准元件时，红外发光管发出的光照射到光敏二极管上，光敏二极管受到照射产生脉冲，并将脉冲送入记数电路中进行记数。当测速盘上刻有60道槽，记数时间为1秒时，测出的数字就为每分钟的转数。

图5 转速传感器测量原理图
两台电机的转速，分别由安装在实验台两电机带轮背后环形槽中的红外交电传感器上测出。带轮上开有光栅槽，由光电传感器将其角位移信号转换为电脉冲输入单片计算机中计数，计算得到两电机的动态转速值，并由实验台上的LED显示器显示上来也可通过微机接口送往PC机进一步处理。（参见图1）

图6 转速测量原理框图

2、转矩测量
力矩属于机械量，也称为非电量。非电量的测试主要采用电测量的方法，它的关键环节是要有一个把被测的非电量变换成电量的转换装置——传感器。传感器的分类方法有两种，一种是按照被测的机械量分，另一种是按传感器的工作原理分。按被测量分，对使用目的比较明确；按工作原理分，对仪器性能比较明确。本实验中转矩的测量采用电阻应变式传感器，其原理如下：测试时将应变片牢固地粘贴在试件表面上，当试件受力产生应变时，应变片的电阻丝也随着变形，因而导致电阻的变化，该变化可通过测量电路测出。通常测量电路采用惠斯通电桥，将电阻的变化转变为电压的变化进行测量。
如前所示（参见图1）实验台上的两台电机均设计为悬挂支承，当传递载荷时，传动力矩分别通过固定在电机定子外壳上的杠杆受到转子力矩的反方向力矩测得。该转矩通过杠杆及拉钩作用于拉力传感器上而产生支反力，使定子处于平衡状态。所以得到以下结论。
主动轮上的转矩为
T1=L1·F1（Nm）
从动轮上的转矩为
T2=L2·F2（Nm）
式中，F1、F2为传感器测量的拉力，L1、L2为电机中心到传感器的距离。
3、加载的原理
加载是通过改变发电机激磁电压实现的。逐个按动实验台操作面上的“加载”按扭（即逐个并上发电机负载电阻），使发电机激磁电压加大，电枢电流增大，随之电磁转矩增大。由于电动机与发电机产生相反的电磁转矩，发电机的电磁转矩对电动机而言，即为负载转矩。所以改变发电机的激磁电压，也就实现了负载的改变。
本实验台由两台直流电机组成，左边一台是直流电动机，产生主动转矩，通过皮带，带动右边的直流发电机。直流发电机的输出电压通过面板的“加载”按键控制电子开关，逐级接通并联的负载电阻（采用电烙铁的内芯电阻），使发电机的输出功率逐级增加，也即改变了皮带传送的功率大小，使主动直流电动机的负载功率逐级增加。

图7 直流发电机加载示意图
4、电机的调速
主动电机的直流电源由可控硅整流装置供给，转动电位器可改变可控硅控制角，提供给主动电机电枢不同的端电压，以实现无级调节电机转速。本实验台中设计了粗调和细调两个电位器。可精确的调节主动电机的转速值。

§1-4 实验步骤
一、人工记录操作方法
1、设置预拉力
不同型号传动带需在不同预拉力F0的条件下进行试验，也可对同一型号传动带，采用不同的预拉力，试验不同预拉力对传动性能的影响。为了改变预拉力F0，如图2所示，只需改变砝码 8 的大小。
2、接通电源
在接通电源前将开关粗调电位器的电机调速旋钮逆时针转到底，使开关“断开”，细调电位器旋钮逆时针旋到底，按电源开关接通电源，按一下“清零”键，此时主、被动电机转速显示为“0”，力矩显示为“.”，实验系统处于“自动校零”状态。校零结束后，力矩显示为“0”。
再将粗调调速旋钮顺时针旋转接通“开关”并慢慢向高速方向旋转，电机起动，逐渐增速，同时观察实验台面板上主动轮转速显示屏上的转速数，其上的数字即为当时的电机转速。当主动电机转速达到预定转速（本实验建议预定转速为1200～1300 转/分左右）时，停止转速调节。此时从动电机转速也将稳定地显示在显示屏上。
3、加载
在空载时，记录主、被动轮转矩与转速。按“加载”键一次，第一个加载指示灯亮，调整主动电机转速，（此时，只需使用细调电位器进行转速调节）使其仍保持在预定工作转速内，待显示基本稳定（一般 LED 显示器跳动 2~3 次即可达到稳定值）记下主、被动轮的转矩及转速值。
再按“加载”键一次，第二个加载指示灯亮，再调整主动转速（用细调电位器），仍保持预定转速，待显示稳定后再次记下主、被动轮的转矩及转速。
第三次按“加载”键，第三个加载指示灯亮，同前次操作记录下主、被动轮的转矩、转速。
重复上述操作，直至 7 个加载指示灯亮，记录下八组数据。根据这八组数据便可作出带传动滑动曲线ε—T2及效率曲线η—T2。
在记录下各组数据后应先将电机粗调速旋钮逆时针转至“关断”状态，然后将细调电位器逆时针转到底，再按“清零”键。显示指示灯全部熄灭，机构处于关断状态，等待下次实验或关闭电源。
为便于记录数据，在实验台的面板上还设置了“保持”键，每次加载数据基本稳定后，按“保持”键可使转矩，转速稳定在当时的显示值不变。按任意键可脱离“保持”状态。
4.实验中应注意避免发生的问题
(1)加初拉力时务必使用差动滑轮，如若未使用差动滑轮，将使初拉力不足，严重影响实验结果。
(2)砝码的实际重量需根据砝码上标注的两个数字进行计算，请您自己计算。
(3)打开电源后需清零，按清零按钮的时候电机转速必须为零。
(4)勿忘测量空载时的数据。
(5)电机5的转速始终保持1200转左右（可有±20转的误差）。
(6)实验以手动记录方式为主，计算机记录方式为辅。实验时手动记录方式和计算机记录方式同时进行，实验报告绘制的曲线以手动记录数据为主，如果仅做快速验证实验观察结果，可只采用计算机记录方式进行实验。
二、与计算机接口操作方法
1、了解带传动系统软件
采集数据显示区
曲线显示区
计算结果显示区
误差分析结果显示区
剩余标准差S相关指数R*R结果显示区
标题栏
菜单栏

图8 带传动软件界面
如图8所示，整个软件界面由标题栏、菜单栏、采集数据显示区、计算结果显示区、曲线显示区、误差分析结果显示区、剩余标准差S相关指数R*R结果显示区，七部分组成。整个软件的功能是由菜单栏的下拉菜单完成的，整个菜单栏包括串口选择、数据采集、采用模拟数据、数据分析、数据拟合、打印、帮助、退出，下面分别对每一菜单功能进行说明：
■串口选择
串口1：在进行数据采集之前必须做这一步，用户可根据实际硬件的搭接情况进行选择，其中串口1在本软件指定的位置为：3F8H（十六进制）。
串口2：同串口1的菜单说明，只不过串口2在本软件中指定的位置为2F8H（十六进制）。
■数据采集
在进行串口选择操作后，即可进行数据采集操作，在正确采集数据操作后，在采集数据显示区可以看到所采集的数据，它包括主动转速N1（r/m）、从动轮转速N2（r/m）、主动轮转矩T1（N·m）、被动轮转矩T2（N·m）。如果在采集过程中出现采集不到的数据，或者采集数据有错误，请重复数据采集这一步，或者重新进行串口选择操作。
有关数据采集的实验台的使用说明，请参看“帮助”下拉菜单的“实验台使用说明书”中有关实验操作部分！
■采用模拟数据
设置该项功能的目的在于如果现场没有带传动实验台，无法进行现场采集操作，那么就可以点击该菜单，系统将自动采用软件出厂时所采集的一组数据，在采集数据显示区可以看到所采用的模拟数据，用该组数据，用户可以进行数据分析、数据拟合、打印等一系列操作。即可以在无实验台的情况下进行软件演示。
■数据分析
数据分析的功能在于：将采集的数据（主动转速N1（r/m）、从动轮转速N2（r/m）、主动轮转矩T1（N·m）、被动轮转矩T2（N·m）进行效率、滑差率的计算，并在曲线显示区显示功率ε——T2、滑差率ε——T2的曲线。如果没有进行数据采集操作或采用模拟数据操作，系统会提示要求进行数据采集操作，没有数据，系统将不会进行数据分析操作。
■数据拟合
在这一菜单下，有“效率曲线最小二乘法拟合”，“效率曲线指数拟合”，“滑差率曲线最小二乘法拟合”，“滑差率曲线指数拟合”四个下拉菜单，在“效率曲线最小二乘法拟合”和“滑差率曲线最小二乘法拟合”下又分别设有子菜单：
“二次拟合”，“三次拟合”，“四次拟合”，“高次拟合”。在“高次拟合”中，可以输入 的拟合数为 5 到 8 次。选择相应的拟合次数后，系统将会进行相应的拟合操作，同时在曲线显示区将会分别显示出效率曲线和滑差率曲线的拟合效果，用户可以选择相应的拟合方式进行拟合，以达到偏差最小、相关系数最大的拟合效果。在进行拟合操作以后，可以使用计算机键盘上的方向键来移动光标，查看相应横坐标位置的滑差率和效率数值；
■打印
点击该菜单可以进行打印操作，打印的结果是采集的数据和曲线显示区显示的曲线。
■帮助
该菜单下有下拉菜单：“带传动系统软件说明书”、“实验系统说明书”、“关于”3项。其中“带传动系统软件说明书”是有关软件的功能与操作的一些说明，“实验系统说明书”指的是带传动实验台的使用说明书，“关于”里有一些版本信息。
■ 退出
点击该菜单可以推出本系统。
2、连接 RS232 通讯线
在DCS-Ⅱ型带传动实验台后板上设有 Rs232 串行接口，可通过所附的通讯线直接和计算机相联，组成带传动实验系统。如果采用多机通讯转换器，则需要首先将多机通讯转换器通过 RS232 通讯线连接到计算机，然后用双端插头电话线，将DCS-Ⅱ型带传动实验台连接到多机通讯转换器的任一个输入口。
3、启动机械教学综合实验系统

图9 机械教学实验系统软件初始界面
如果用户使用多机通讯转换器，应根据用户计算机与多机通讯转换器的串行 接口通道，在程序界面的右上角串口选择框中选择合适的通道号（COM1或COM2）。
根据带传动实验在多机通讯转换器上所接的通道口，点击“重新配置”键，选该通道口的应用程序为带传动实验，配置结束后，在主界面左边的实验项目框中，点击该通道“带传动”键，此时，多机通讯转换器的相应通道指示灯应该点亮，带传动实验系统应用程序将自动启动，如图 10 所示。如果多机通讯转换器的相应通道指示灯不亮，检查多机通讯转换器与计算机的通讯线是否连接正确，确认通讯的通道是否与键入的通讯口（COM1或COM2）一致。点击图 10中带传动的图片，将出现如图 8的带传动实验系统界面。点击菜单栏中的“串口选择”命令，正确选择（COM1或COM2），点击“数据采集”命令，等待数据输入。

图10 带传动实验系统初始界面

如果用户选择的是带传动实验台与计算机直接连接，则在图 9 主界面右上角串口选择框中选择相应串口号（COM1或COM2）。在主界面左边的实验项目框中点击“带传动”键，进入带传动实验系统初始界面，如图10，点击图 10中带传动的图片，将出现如图 8的带传动实验系统界面。点击菜单栏中的“串口选择”命令，正确选择（COM1或COM2），点击“数据采集”命令，等待数据输入。
4、数据采集及分析
(1)将实验台粗调速电位器逆时针转到底，使开关断开，细调电位器也逆时针旋到底。打开实验机构电源，按“清零”键，几秒钟后，数码管显示“0”，自动校零完成。
(2)顺时针转动粗调电位器，开关接通并使主动轮转速稳定在工作转速（一般取1200—1300r/m左右），按下“加载”键再调整主动转速（用细调电位器），使其仍保持在工作转速范围内，待转速稳定（一般需 2-3 个显示周期）后，再按“加载”键，以此往复，直至实验机构面板上的八个发光管指示灯全亮为止。此时，实验台面板上四组数码管将全部显示“8888”，按“送数”键，将所采数据送至计算机。
(3)当实验机构全部显“8888”时，计算机屏幕将显示所采集的全部八组主、被动轮的转速和转矩。此时应将电机粗、细调速电位器逆时针转到底，使“开关”断开。
(4)移动鼠标，选择“数据分析”功能，屏幕将显示本次实验的曲线和数据。如图 11所示。
(5)如果在此次采集过程中采集的数据有问题，或者采不到数据，请点击串口选择下拉菜单，选择较高级的机型，或者选择另一端口。
(6)移动鼠标至“打印”功能，打印机将打印实验曲线和数据。
(7)实验过程中如需调出本次数据，只须将鼠标点击“数据采集”功能，然后，按下实验台上的“送数”键，数据即被送至计算机，可用上述（4）~（6）项操作进行显示和打印。
(8)一次实验结束后如需继续实验，应“关断”粗调速电位器，将细调电位器逆时针旋到底，并按下实验机构的“清零”键，进行“自动校零”。同时将计算机屏幕中的“数据采集”菜单选中，重复上述第（2）~（6）项即可。
(9) 实验结束后，将实验台电机调速电位器开关关断，关闭实验机构的电源，用鼠标点击“退出”。

图11 实验曲线、数据显示主界面

三、校零与标定
1、校零
为提高实验系统的实验准确度和稳定性，以及方便实验操作。本实验台具有“自动校零”功能，能清除系统的零点漂移而带来的实验误差。操作者在平时的实验过程中，无需进行手动检零操作。若因种种原因而使系统零点产生较大偏移时，则可按下述方法进行手动校正：
a、接通实验台电源。
b、松开实验台背面调零电位器的锁紧螺母，同时使用万用表接入实验台面板上的主、被动转矩输出端。调整调零电位器，使得输出电压在 1V 左右。
c、调零结束后，再锁紧调零电位器的锁紧螺母即可。
2、标定
为提高实验数据的精度及可靠性，实验台在出厂时都是经过标定的。标定方法如下：
a 、接通实验台电源，使实验台进入“自动校零”状态（方法同前），然后调节调速旋钮，使电机稳定在某一低速状态（一般可取η＝300转/分左右）。按“加载”键一次，第一个加载指示灯亮，实验台进入“标定”状态。
b、记录下“标定”状态时主，被动电机转矩的显示值 T1.0 和 T 2.0。选定某一重量的标准砝码，挂在实验台的标定杆（标定时临时装上）。调节力矩放大倍数调节电位器，使得力矩显示值 Ti 符合下式：
Ti = m×L×g + Tio (N.m)
式中m — 砝码质量（Kg)
L— 砝码悬挂点到电机中心距离（m)
g — 重力加速度（m/S2)
Ti.o — 砝码挂前的力矩显示值。
例如 m＝ 0.4kg；L = 0.10m； Ti.o = 0.06 N.m； 则 Ti = 0.452Nm
标定结束后，应锁紧力矩放大倍数电位器的锁紧螺母。
注意：
1、由于实验台在出厂时都作过“校零”与“标定”工作，并将调节电位器锁紧，所以使用者在一般情况下不要随意再进行校准以免影响实验正常进行。
2、软件运行环境要求：
486以上微机，32M内存或更高， Windows95 或 Windows98 操作系统，显示分辨率 800x600以上，推荐使用1024x768，显示颜色为16位真彩色或更高（如果运行环境达不到该要求，程序有可能不能正常运行！）

§1-5 实验任务
1、根据实验操作步骤，测量一组平皮带的效率和滑动率曲线，掌握皮带效率和滑动率的测量方法。（必做）
2、根据完整反映张紧力对皮带传动影响的原则，设计不同的张紧力，测量不同张紧力下平皮带的效率和滑动率曲线；根据不同张紧力下的效率和滑动率曲线，研究张紧力对平皮带传动性能的影响。（必做）
3、测量不同的主动轮转速下平皮带的效率和滑动率曲线，根据不同主动轮转速下的效率和滑动率曲线，研究转速对平皮带传动性能的影响。（选做）
4、比较三角带和平皮带传动性能的不同。（选做）
5、测量同步齿形带传动的效率和滑动率曲线，并分析同步齿形带传动性能的特点。（选做）
6、研究自己感兴趣的带传动的问题。
§1-6 实验报告

西安交通大学实验报告
课程机械设计基础 实验名称带传动 第 页 共 页
系别 实验日期 成绩
专业班级 仪器编号 实验报告日期 年 月 日
姓名 学号 报告退发（订正、重做）
同组人 教师审批签字
1.请写出效率和滑动率的计算公式

2.绘出不同张紧力下平皮带的效率和滑动率曲线测量，根据不同张紧力下的效率和滑动率曲线，论述张紧力对平皮带传动性能的影响。（数据记录格式和曲线形式见附录。）

3.绘出不同的主动轮转速下平皮带的效率和滑动率曲线，根据不同主动轮转速下的效率和滑动率曲线，研究转速对平皮带传动性能的影响。

4．绘出三角带的效率和滑动率曲线，比较三角带和平皮带传动性能的不同。

5．绘出同步齿形带传动的效率和滑动率曲线，并分析同步齿形带传动性能的特点。

6.分析现象
1） 为什么开始时效率低？您对此现象作何解释？

2） 根据实验结果，分析改变初拉力对效率及滑动率的影响？并请您学过的知识进行解释。

3） 请在平皮带的效率和滑动率曲线上标出临界点和正常工作区。
4）分析实验装置
（1） 请写出差动滑轮的增力原理。

（2） 电机5下面为何做成可以移动的？

（3） 电机1、5的一侧所挂弹簧的作用？

附录：数据记录和曲线格式

皮带类型

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