试验技术教案1.docx
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试验技术教案1
机械工程试验方法与技术
李志远编著
合肥工业大学
机械与汽车学院
绪论
机械工程试验技术是从机械行业的各种具体试验方法中抽出那些带有共性的内容，归纳提炼成为规律性的认识，所形成的一个新的科学技术领域。
一、试验及其特点
试验是指在技术开发和设计、实施的过程中，利用科学仪器与设备，人为地控制条件、变革对象，进而在一定的条件下考察研究对象的实践方式和研究方法。
试验的特点：
1.目的明确
2.内容丰富
3.对象具体
二、试验的作用
1．简化和纯化的性能和形态
2．强化对研究对象的作用条件
3．能为技术设计和研究提供数据资料和经验公式
4．检验技术成果
三、试验的类型
1、基础理论研究试验。
例如：
机构学试验、动力学试验、摩擦学试验等。
2、新品开发研究试验。
例如：
产品或部件的性能试验、功能试验、可靠性试验、疲劳
试验等。
3、加工工艺研究试验。
例如：
切削过程试验、切削性能试验、特种加工试验等。
4、产品动态性能试验。
例如：
振动噪声试验、动态应力试验、结构模态试验等；
5、产品控制系统试验。
例如：
系统设计试验、系统校正试验、控制性能试验等。
四、课程的研究性质与内容
机械工程试验方法与技术是研究工程试验过程中的规律、方法与技术的一门学科，它属于实验工程学的范畴。
共分为八章，
第一章里介绍了常用的试验规划原则与方法，
第二章重点介绍了生产和科研中常用的正交试验设计方法，
第三章则升绍了模型试验的理论与方法，
第四章则对试验中采用的测试系统的性能进行了分析，这种分析也可用在被测系统的分析中，
第五章与第六章分别介绍了静态和动态试验数据的处理与分析．
第七章介绍了如何对系统进行辨识与建模，
第八章则简要介绍了计算机在试验中所起的作用和有关原理。
第1章试验规划
§1—1试验的基本程序和原则
试验的全过程包括试验准备、试验操作和试验数据资料的处理分折等三个基本阶段：
1、试验的准备
（l）、确定试验的中心任务
通过调查研究和理论分析，明确试验的任务和目标，抓住研究工作的主要因素和主要矛盾，进而确定所要采用的试验类型和试验方法。
（2）、拟定试验大纲．
试验大纲是指导整个试验工作的依据，是把试验实施的技术路线具体化，也是对试验工作的科学论证。
有了经过讨论审批的可行的大纲，才能正式着手试验。
（3）、试验器材的准备
器材仪器准备分两个方面：
一方面是试验装置的设计制造和场地的准备；
另一方面是科学仪器、仪表的校准和熟悉。
试验装置分四部分：
准备装置，如电源、水源、光源等；
隔离装置，如真空设备、防扩挡板等；
直接作用于试验对象的装置，如轧辊、震动器等；
测试仪器，如电压表、应变仪等。
2、试验的操作
（1）、密切注意各种细节，系统做好观测记录
（2）、边观测、边思考，注意意外情况
（3）、试验观测应重复进行多次
3、试验数据处理与分析中值得注意的若干问题．
第一，试验人员需要熟悉有关的数学工具
第二．处理数据要实事求是，避免主观性。
图1一l试验数据处理示例
第三，注意提高整理试验数据的技巧。
图l一2试验数据处理技巧示例
第四，要重视技术报告的撰写工作。
§l一2试验计划，试验大纲与试验报告的编写
1、试验计划
目的：
对整个试验有全盘的考虑和安排
内容：
各个工作项目、完成日期或进程、负责及参加人员等。
各工作项目：
（1）、调查研究
（2）、制订试验大纲和试验设计
（3）、试验设备准备
（4）、试验条件准备
（5）、试验室标定
（6）、现场的准备
（7）、检验性试测
（8）、正式试验
（9）、数据处理
（10）、第二批试验
（11）、试验总结及编写试验报告
（12）、资料的印刷
表1－1试验计划表
序号
日期
工作项目
负责人
参加人
备注
起
至
1
2
…
…
调查研究：
……
制定试验大纲：
……
…
…
2、试验大纲
目的：
使试验各环节都有明确的科学的根据，
内容：
（1）、试验的目的和任务是确定试验内容、试验方法、试验指标、因素水平以及仪器选配的根据，必须首先明确。
（2）、试验内容根据试验的性质，确定具体的试验内容和方法。
（3）、试验设计根据试验内容，进行具体的试验设计。
如对于选择最优结构参数、选择最佳动力及运动参数或外载等一类多因素多指标试验，应采用正交试验设计。
（4）、试验方法根据试验设计，确定具体的实施措施与步骤。
如对于鉴定性试验，在规范中对试验内容和方法都做了统一的规定。
（5）、仪器的选配按被测信号的线数或所需通道数及其特点，选择所用仪器的型号、精度、数量等。
如振动试验时，选择动态信号分析仪、信号调理仪、测量放大器、滤波器以及其它辅助设备的型号等。
（6）、数据的处理方法根据数理统计方法的要求，列出所需的记录表格，给出计算公式。
确定人工处理，还是用专项分析仪处理，还是用计算机软件处理。
（7）、试验所能达到的精确度分析根据试验目的和要求，决定预期的精度，决定测试重复次数，决定数据记录时间，进一步计算直接或间接测量的精度等。
3、试验报告
目的：
对试验进行归纳，做出结论，总结成绩，指导或推动生产，找出存在的问题，指明研究的方向。
内容：
（1）、问题的提出和简要测试经过
（2）、试验条件
（3）、试验设计与试验方法
（4）、仪器的选配
（5）、传感器的标定
（6）、数据的处理方法，数据处理结果及误差范围
（7）、试验结果分析
（8）、结论
（9）、存在问题和进一步发展的意见
（10）、附录：
典型重要试验记录曲线；数据处理结果表；实际规律曲线以及工况照片等等。
第2章试验设计
§2—1概述
1.试验设计
正交试验设计法：
是一种应用正交表来设计试验方案并用数理统计方法分析试验数据的数学方法。
2.试验设计方法的发展过程：
第一阶段早期的方差分析法
第二阶段传统的正交试验设计法
第三阶段信噪比试验设计与三阶段设计法
3、有关术语
（1）试验指标
表征试验研究对象的指标称为试验指标：
产品的性能、质量、产量、成本等
试验指标：
定量指标能用数量表示的试验指标
定性指标不能直接用数量表示的指标。
常把把它转化为定量指标。
试验设计：
单指标试验、多指标试验。
（2）试验因素
试验因素：
试验中所研究的影响试验指标的原因或要素，简称因素。
常用大写字母表示，如A、B、C、D…等。
连续变化的定量因素、离散状态的定性因素
条件因素：
除试验因素外的其它所有对试验指标有影响的原因，又称试验条件。
试验种类：
单因素试验、双因素试验、多因素试验。
（3）因素水平
因素水平：
试验因素在试验中所处的各种状态称为，简称水平。
在试验设计中，1个因素选几个水平，就称该因素为几水平因素。
用表示因素的字母加下标1，2，…的方法来表示。
如A1、A2、B1、B2、B3等。
4、正交表的表示符号
正交表的记号：
Ln（tq）
L为正交表符号，是Latin记号中的第一个字母；
下标n是正交表的行数，即需要做的试验次数；
t是因素的水平数，即在一列中出现不同数字的个数；
q是正交表中的列数，即最多可安排的因素数。
表2—1L9（34）正交表
正交表中的每一列可以安排1个因素，因此，它可以安排的因素数不能大于q。
括号内的tq表示q个因素、每个因素t个水平。
3、常用正交表的分类及特点
（1）标准表（仅列至4水平）。
2水平：
L4（23），L8（27），L16（215），…
3水平：
L9（34），L27（313），L81（340），…
4水平：
L16（45），L64（421），L256（485），…
……
标准表的水平数都相等。
且水平数只能取素数或素数幂。
因此有7水平、9水平的标准表，没有6水平、8水平的标准表。
t是构造标准表的重要参数。
（2）非标准表
2水平表：
L12（211），L20（219），L24（223），L28（227），…
其他水平表：
L18（37），L32（49），L50（511），…
……
（3）混合型正交表（仅列表至n＝24）。
L8（4×24）；
L12（3×24），L12（6×22）；
L16（4×212），L16（42×29），L16（43×26），L16（44×23），L16（8×28）；
L18（2×37），L18（6×36）；
L20（5×28），L20（10×22）；
L24（3×216），L24（12×212），L24（3×4×24）；L24（6×4×23）；
……
4、正交表的基本性质
正交性：
①均衡分散性：
任何1列中各个水平出现的次数都相等。
②整齐可比性：
任意2列间各种不同水平的所有组合出现的次数都相等。
5.两列间的交互作用
（1）交互作用
交互作用是指因素间的联合搭配而产生对试验指标的影响作用，它是试验设计中一个重要的概念。
在试验设计中，交互作用记作A×B，A×B×C，…
A×B称为1级交互作用，表明因素A，B之间有交互作用。
A×B×C称为2级交互作用，表明因素A，B，C三者之间有交互作用。
若P+1个因素间有交互作用，就称为P级交互作用，记作A×B×C×…（P+1个）
2级和2级以上的交互作用统称为高级交互作用。
（2）交互作用的处理原则
交互作用一律当做因素看待。
§2—2正交试验设计的基本过程
正交试验设计（简称正交设计）的基本过程：
设计试验方案
处理试验结果
1.试验方案的设计
（1）.明确试验目的，确定试验指标
试验目的，就是通过正交试验要想解决什么问题。
试验指标，就是用来衡量或考核试验效果的质量指标。
试验指标一经确定，就应当把衡量和评定指标的原则、标准，测定试验指标的方法及所用的仪器等也随着确定下来。
（2）.挑因素，选水平
确定在试验中能人为加以控制和调节的因素（可控因素）以及加以控制和调节的状态。
列出因素水平表。
（3）.选择合适的正交表
原则：
能容纳所有考察因素，又使试验号最小。
（4）．进行表头设计
所谓表头设计，就是将试验因素安排到所选正交表的各列中去的过程。
没有安排因素或交互作用的列称为空列，它可反映试验误差并以此作为衡量试验因素产生的效应是否可靠的标志。
因此，在试验条件允许的情况下，一般都应该设置空列，以此来衡量试验的可靠程度。
（5）.排出试验方案
在表头设计的基础上，将所选正交表中各列的不同数字换成对应因素的相应水平，便形成了试验方案。
试验方案中的试验号并不意味着实际进行试验的顺序，一般是同时进行。
若条件只允许一个一个进行试验，为排除外界干扰，应使试验序号随机化，即采用抽签或查随机数字表的方法确定试验顺序。
因为正交表的每一行是等价的，可任意进行行间置换。
试验方案决定后，就可以进行试验。
试验结束后，将试验结果填人试验指标栏内，以便进一步分析。
2.示例
[例2-1]表征湿地推土机通过性好坏的指标是行走阻力、滑转率和下陷深度。
如果在试验中接地压力有三种：
0.18、0.21、0.23（公斤力／厘米2）；履带板型式有三种：
无间隔、间隔大、间隔小；重心有在导向轮和驱动轮轴距中点、中点前120毫米、中点后120毫米三种。
接地压力、履带板型式和整机重心位置三个参数怎样组合时，通过性能最好？
（1）分析
产生影响的主要原因：
接地压力、履带板型式和重心位置（三个因素）
接地压力的三个水平分别为：
0.18、0.21、0.23（公斤力／厘米2）（三个水平）
履带板的三个水平：
无间隔、间隔大、间隔小（三个水平）
重心位置的三个水平：
中点、中点前120毫米、中点后120毫米（三个水平）
这是三水平三因素试验，简记为33型试验。
在附录中，L9（34）或L18（37）这两张表都能安排四个因素，都满足本试验的要求。
但选用它们要分别做9次、18次试验，从尽量减少试验工作量角度出发，应该选用L9（34）这张表，见表2—1。
（2）排表头
分别把A接地压力、B履带板型式、c重心位置顺序地放在L9（34）上方的三个纵列顶端上，每列上放一种，第四列为空列。
最后把各因素水平对号入座，列入表内，表中各列的字码表示对应因素的水平。
于是，试验就可以按表2—2列出的试验方案进行。
表2—2试验方案表
从表2—2可以看出，用正交表安排的试验方案，均衡分散性和整齐可比性这两个特点十分突出。
由于这两个特点，用正交表安排的试验方案是具有代表性的，它能够比较全面地反映各因素各水平对指标影响的大致情况。
因此，用正交试验设计安排的试验就能够有效地减少试验次数。
3.试验设计中的几个问题
（1）随机区组试验设计
影响试验指标的原因：
试验因素主要原因，多个水平
条件因素固定在某一个水平上
在通过性试验中，作为试验条件之一的沼泽地试验场状态，地表下层的硬度由一端到另一端逐渐变化（图2-1），在各次试验中不可能完全一样。
试验条件变化常给试验造成干扰。
图2—1随机区组试验设计
因为每个因素有三个水平，故将试验场划置三个区组：
区组I、区组Ⅱ、区组Ⅲ。
把区组也作为一个因素，区组I、区组Ⅱ、区组Ⅲ分别对应数码“1”、“2”、“3”。
于是这个试验的试验方案表就如表2—3所示。
据此便可以画出图2—2所示现场试验方案排列图。
当正交表中已没有空列供排区组列，而又必须设置区组时，则需要改用试验列和试验次数较多的正交表。
表2—3通过性能试验方案表
图2—2现场试验方案排列图
（2）裂区试验设计
正交表的列可以分为若干区（或称群），即整区、裂区、再裂区……，如L16（215）正交表的列可分为4个区（表2－4），第1列为整区，8个1、2水平各集中出现；而第2，3列为裂区，任一列的8个“1”（“2”亦然）水平分两次出现，每次4个；其它各区类比。
表2—4L16（215）正交表
列号
行号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1
1
1
1
1
1
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1
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1
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1
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1
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1
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1
1
2
1
2
2
1
2
1
1
2
2
1
1
2
1
2
2
1
在通过性能试验中，每次试验都需改变三个因素的水平，如改变B1到B2，或改变B2到B3……，都要把整个履带拆下换上另一种型式，共需换九次，相当费事。
进行裂区试验设计时，首先根据改变各因素水平时的难易程度，将因素依次分几个组：
组1——改变水平时最困难的因素。
履带板型式更换。
组2——改变水平时较困难的因素。
接地压力改变。
组3——改变水平时较方便的因素。
重心位置改变。
这个试验采用L9（34）正交表，从该正交表中可以看出，第2列为整区。
把更换履带板型式排在这一列这样实际上只要更换两次履带板即可，大大地减少了改变水平的工作量。
L9（34）正交表的其它列为由整区分裂成的裂区，则A因素可排在第1列，由于L9（34）中无再裂区，所以组C因素也可排在裂区第4列中。
按裂区试验设计的要求和随机区组试验设计要求，用L9（34）最后排出的通过性能试验方
案表如表2—3所示。
§2—3正交试验的结果分析
凡采用正交表设计的试验，都可以用正交表分析试验的结果。
分析方法：
直观分析法
方差分析法
1、直观分析法（极差分析法）
1单指标试验数据的计算
假如表示通过性能的指标只有行走阻力，此例便是单指标试验。
根据表2--4排好的试验方案，就可以进行通过性能的具体试验。
把试验得到的9个行走阻力数据填入L9（34）表右侧数据栏内，见表2—5。
现从9个试验数据出发，利用正交表来分析试验结果。
表2—5通过性能试验结果表
列号
试验号
A（比压）
B（履带）
区组
C（重心）
试验指标行走阻力
（公斤力）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1（0.18）
2（0.21）
3（0.23）
1（0.18）
2（0.21）
3（0.23）
1（0.18）
2（0.21）
3（0.23）
1（无）
1（无）
1（无）
2（大）
2（大）
2（大）
3（小）
3（小）
3（小）
3
1
2
2
3
1
1
2
3
2（前）
1（中）
3（后）
1（中）
3（后）
2（前）
3（后）
2（前）
1（中）
638
632
816
681
838
773
627
615
632
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
R
1946
2085
2221
275
2086
2292
1874
418
2032
2112
2108
80
1945
2026
2281
336
总和＝Ⅰ＋Ⅱ＋Ⅲ
＝6252
首先分析因素A。
把包含A因素“1”水平的三次试验（第1、4、7号试验）算做第一组；同样，把包含A因素“2”水平的、“3”水平的各三次试验分别算第二组、第三组。
那么，九次试验就分成了三组。
在这三组试验中，各因素各水平出现的情况见表2—6。
表2—6各因素各水平出现的情况
由表2—6可以看出，在Al、A2、A3各自所在的那组试验中，其它因素（B、C、区）的1、2、3水平都分别出现了一次。
把表2—5中第一列1水平所对应的第1、4、7号试验数据——行走阻力数据相加，其和记作IA。
IA＝638＋681＋627＝1946
同样，第二组试验得到的数据相加，其和记作ⅡA。
ⅡA＝632＋838＋615＝2085
第一列3水平所对应的第3、6、9号试验数据相加，其和记作ⅢA。
ⅢA＝816＋773＋632＝2221
IA所映了三次A1水平的影响，及B、C和区组每个因素的1、2、3水平各一次的影响。
ⅡA反映了三次A2水平的影响，及B、C和区组每个因素的三个水平各一次的影响。
ⅢA反映了三次A3水平的影响，及B、C和区组每个因素的三个水平各一次的影响。
在比较IA、ⅡA、ⅢA的大小时，可以认为B、C和区组对IA、ⅡA、ⅢA的影响是大体相同的。
因此，可以把IA、ⅡA、ⅢA之间的差异看作是由于A取了三个不同的水平而引起的。
这就是正交表提供的均匀可比性。
用同样的方法分析因素B，计算结果如下：
IB＝638＋632＋816＝2086
ⅡB＝681＋838＋773＝2292
ⅢB＝627＋615＋632＝1874
从表2—6中可明显看出，在B因素取某一水平的三次试验中，其它因素A、C和区组的三个水平也是各出现一次。
所以，按第二列计算的IB、ⅡB、ⅢB之间的差异，同样是由于B取了三个不同的水平而引起的。
按照这个方法，我们其他可以把其它列的各因素的I、Ⅱ、Ⅲ计算出来。
结论：
按正交表各列计算得到的I、Ⅱ、Ⅲ数值的差异，反映了各列所排因素取了不同水平对指标的影响。
定义：
极差R是一组数中的最大值和最小值之差：
R＝Ymax－Ymin
极差表示某因素在取值范围内试验指标变化的幅度。
四列（即四个因素）的极差分别为：
第一列（A因素）RA＝2221—1946＝275
第二列（B因素）RB＝2292—1874＝418
第三列（区组）R区＝2112—2032＝80
第四列（C因素）RC＝2281—1945＝336
每列极差的大小，反映了该列所排因素选取的水平变动对指标影响的大小。
最后，算出每列I、Ⅱ、Ⅲ的总和，由于各列的总和应都相等，所以总和可以用来校验各列计算中有无差错。
至此，计算了各列的I、Ⅱ、Ⅲ和R，把这些计算结果填入表2-5的相应位置上。
2．试验结果的分析
（1）各因素对指标的影响
R反映了因素对指标的影响程度。
R越大，该因素对指标的影响程度也越大。
第二列的R最大，说明履带板型式的不同，对行走阻力影响最大；
第一、四列次之，说明重心位置和接地压力的影响次之；
第三列的R最小，说明区组的影响最小，这正说明由于划置了区组，使各区组中试验得到的数据很接近，减弱了试验条件改变的影响。
由此可以根据极差R的大小顺序排出因素的主次顺序：
主→次
B→C→A
（2）各因素水平的选取
如果试验要求指标值越大越好，就应该取各因素I，Ⅱ、Ⅲ中最大的那个水平。
如要求指标值越小越好，则应取各因素I，Ⅱ、Ⅲ中最小的那个水平。
通过性试验是要求行走阻力越小越好，所以。
应该挑选每个因素里I、Ⅱ、Ⅲ中最小的那个水平，即A1，B3、C1。
（3）较好组合方案的确定
把各因素的好水平简单地组合起来就是要求的较好组合方案。
即A1B3C1。
应指出，这一较好组合方案，恰恰不包括在已做过的九次试验中。
这正是由于使用正交表安排的九个试验有代表性，能够比较全面地反映三个因素各个水平对行走阻力的影响，使之能在对试验数据进行计算分析后，从27种搭配中挑出较好的组合方案，而不会漏掉。
（4）随各因素水平改变指标的变化规律
将每个因素不同水平的试验指标值画在图2-3中。
图2－3指标——水平变化规律图
由图2－3可以看出：
因素A接地压力从0.23减小到O.18时，行走阻力逐渐减小；
因素B履带板型式从无间隔到间隔小至间隔大时，行走阻力由大变至较小而后又增大；因素C重心位置从中到前、后，行走阻力由小逐渐增大。
因此，如果还希望降低行走阻力，则因素A接地压力应取小于0.18公斤力／厘米2、因
素B履带板型式应取间隔小类型、因素C重心位置应取中点附近。
再进一步作试验以探索行走阻力更小的组合方案。
这样一来，通过计算分析为我们指出了进一步试验的方向。
3.多指标试验的极差分析法
对于多指标的试验，往往采用
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