大学本科机械专业毕业设计电子蠕变试验机研究.docx

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大学本科机械专业毕业设计电子蠕变试验机研究

100KN电子蠕变试验机主机设计

[摘要]电子蠕变试验机主要是针对金属材料进行长时试验的设备，配置相应的环境模拟系统，它可对金属材料进行“蠕变”、“松弛”和“持久”试验，是大专院校、材料研究和生产的企事业单位试验室比不可少的试验设备。

长时蠕变试验，主要是针对汽车、航空发动机和汽轮机的涡轮叶片，火箭上的密封元件，热电锅炉的壳体，铆钉，斜拉索桥的钢缆，水电工程的大坝等构件材料的长时力学性能的检测，如：

蠕变、持久强度、松弛、低周疲劳等，材料不同，环境温度不同的条件下使用性能对这些产品的设计、使用安全、寿命等影响极大。

该试验控制系统由电子蠕变试验机主机、数字控制器、高低温环境试验装置、计算机群控编检系统等构成，是一种机电一体化的高技术产品。

主机采用由滚珠丝杠、减速机、交流伺服电机构成的机电伺服机构对试样加载，

采用高精度、高稳定性的传感器电测系统测量作用到试样上的力和产生的变形。

[关键词]蠕变松弛滚珠丝杠减速机交流伺服电机

100KNelectroniccreeptestmachinehostDesign

[Abstract]E-creeptestingmachineismainlyforlong-metalmaterialtestingequipment,configuretheenvironmentsimulationsystem,itcanbeofmetalmaterialto"creep","relaxation"and"lasting"test,isthetertiaryinstitutions,materialsresearchandproductionenterprisesthanlaboratorytestequipmentessential

Longcreeptest,mainlyforautomotive,aviationturbineenginesandturbineblades,rocketseals,thermalboilershell,rivets,cable-stayedbridgecable,hydropowerdamsandothercomponentmaterialsmechanicalpropertiesoflong-timedetection,suchas:

creep,rupturestrength,relaxation,lowcyclefatigue,materialperformanceunderdifferentenvironmentaltemperaturesonthedesignoftheseproducts,safeandagreatimpactonlifeexpectancyandsoon.Designmustusetheappropriatetestingequipment,understandingandtestingthesematerialsatdifferenttemperaturesperformance.Thepilotcontrolsystemconsistsofelectroniccreeptestmachinehost,digitalcontrollers,high-lowtemperaturetestingdevice,

Thecomputergroupcontrolcodeinspectionsystem,etc.,isamechanicalandelectricalintegrationofhigh-techproducts.Hostusebytheballscrew,gear,ACservomotorservomechanismconsistingofmechanicalandelectricalloadonthesample,usinghigh-precision,highstability,theroleofsensormeasuringsystemtomeasuretheforceonthespecimenandthedeformation

[Keywords]creeprelaxationballscrewservomotorreducer

前言

电子蠕变试验机主要是针对金属材料进行长时试验的设备，配置相应的环境模拟系统，它可对金属材料进行“蠕变”、“松弛”和“持久”试验，是大专院校、材料研究和生产的企事业单位试验室比不可少的试验设备。

早期的蠕变试验机都是采用砝码和杠杆机构加载，加载力的大小调整都是采用人工调整砝码或调整杠杆比，操作非常繁琐、劳动强度大，而且加载力值调节不连续。

随着电子技术的发展，特别是测量技术和机电伺服技术的发展，用自动控制的伺服系统取代传统的砝码加载方式完全成为非常容易的事情。

目前的伺服电机配置滚珠丝杠加载方式可以使加载速度做到0.01mm/min，而且负荷传感器和放大器的综合测量稳定性可以达到0.01%。

因此用电子蠕变试验机完全可以取代传统的机械砝码式试验机。

电子蠕变试验机具有操作简单、自动化程度高和功能强大的特点，用电子蠕变试验机可以在试验过程中任意修改试验参数，进行程序控制。

特别是用电子蠕变试验机还可以进行蠕变疲劳试验。

随着试验技术的发展，电子蠕变试验机的应用越来越广泛，试验的功能要求也越来越全面。

这对促进试验技术的发展及材料应用的发展都具有深远的意义。

长时蠕变试验，主要是针对汽车、航空发动机和汽轮机的涡轮叶片，火箭上的密封元件，热电锅炉的壳体，铆钉，斜拉索桥的钢缆，水电工程的大坝等构件材料的长时力学性能的检测，如：

蠕变、持久强度、松弛、低周疲劳等，材料不同环境温度下使用性能对这些产品的设计、使用安全、寿命等影响极大。

设计使用上必须要有相应的测试设备，了解和检测这些材料在不同温度下的性能。

电子蠕变试验机长时试验控制系统就是为解决完成上述任务而开发设计的新一代蠕变试验机控制系统，该系统所控试验机包括电子蠕变松弛试验机系列，也可扩展到岩石、混凝土单轴、双轴流变试验机，岩石剪切流变试验机，土壤三轴流变试验机等。

该试验控制系统由电子蠕变试验机主机、数字控制器、高低温环境试验装置、计算机群控编检系统等构成，是一种机电一体化的高技术产品。

主机采用由滚珠丝杠、减速机、交流伺服电机构成的机电伺服机构对试样加载，采用高精度、高稳定性的传感器电测系统测量作用到试样上的力和产生的变形。

所采用的控制器是一种内装微处理器的全数字式控制器，在计算机的参与下可对试样进行力、变形和位移的闭环控制，能长时保持作用到试样上的力或变形恒定，还可以按一定的程序或波形对试样加周期性或动态载荷。

开发了一套专用试验软件，利用一台计算机可对多台试验机进行群控和循检。

还可以提供不同温度环境和压力环境的环境试验装置配在主机上，以满足不同材料的试验需要。

目前，该产品的制造技术和性能指标均达到了国际先进水平，其相关软件已经取得了计算机软件著作权，产品投入市场后，创造了可观的社会和经济效益，受到了客户和专家的一致好评，销售额逐年递增，为行业的技术发展做出了较大的贡献。

快速实验有下例基本途径：

（1）、保证实验的不间断性；

（2）、提高加载频率；

（3）、增大载荷中取消一些对寿命无影响或影响较微小的载荷；

（4）、加剧环境介质（污染物腐蚀物等）的作用；

（5）、高测量精度；

（6）、利用统计学的方法和已掌握的规律处理实验结果；

采用科学的实验计划。

由于实验机多是小批和单件生产的，因而统一它们的定型元件，以及在机器中应用标准元件，大批和大量生产机器零件（齿轮、蜗杆、链和带传动、轴承、连轴器、紧固件、弹簧和板簧、密封等）的机器和测试台应当集中制造，而用于实验机个别部件的实验台应当在该部门内制造。

实验机测量各部件参数时，可以分为机械的、气动的、和电学的。

在需要改变常量参数或缓慢变化的参数时，宜用较简单的方法——机械方法。

机器零件强度的实验有以下内容：

强度——静刚度，周期性刚度，冲击强度，高温和低温强度，在腐蚀条件下的强度及蠕变，结合强度等等。

而本实验机所测的，是在缓慢加载的过程中，随着金属材料的纯剪切变形。

利用电作动力源，机械作为加载手段和固定方式，在用电子的办法进行测量，是本实验机的主体构思。

本实验机在测量时会测出两个量，一个是试样在加载后的力，另一个是试样变形长度。

测量试样的加载后的力，通过安装在前箱体内部的负荷传感器来实现。

测量试样变形，通过位置传感器来实现。

由滚珠丝杠和齿形带，精确的传递变化情况。

第1章电子蠕变试验机主机

1.1试验机的试验范围

本次设计的电子蠕变试验机，加载力范围为：

0-100kN。

1.2技术要求

（1）、采用下加载方式，试验力范围：

0—±100KN。

（2）、加载头的有效行程：

300mm。

（3）、试验空间（上下夹头距离）：

600mm。

拉、压加载换向时不得有间隙。

（4）、加载速度：

0.01-100mm/min。

（5）、上下夹头同轴度：

0.1%，夹头与传感器之间要有冷却装置。

（6）、位移测量范围：

0-50mm，精度1%。

（7）、设备工作时的噪音<60db。

1.2.1工作条件

（1）、安装基础稳定，其水平度在1/1000以内；

（2）、工作环境在温室10℃～35℃下；

（3）、无振动；

（4）、电源电压波动不超过±10%；

（5）、环境相对湿度不大于80%。

1.3电子蠕变试验机系统简介

（1）、主机结构采用的是门形框架结构，这是一种封闭加载结构，它是由两个光立柱、上横梁和下横梁组成。

主机结构如图1—1所示。

（2）、动力系统采用的是交流伺服电机，加载方式为下加载方式，采用的是单滚珠丝杠加载。

其特点有控制精度高、矩频特性好、加速性能好、具有过载能力强。

（3）、传动系统采用的是齿形带、涡轮蜗杆减速机和滚珠丝杠。

滚珠丝杠特点为与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3、高精度的保证、微进给可能、高速进给可能，滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）、无侧隙、刚性高。

（4）、测量系统采用的是负荷传感器，负荷传感器在本实验中放在下夹头的下面，与被试件串联在系统中，对被试件进行受力测量。

图1-1100KN电子蠕变主机示意图

第2章电子蠕变试验机主机的工作原理

2.1长时蠕变简介

长时蠕变试验，主要是针对汽车、航空发动机和汽轮机的涡轮叶片，火箭上的密封元件，热电锅炉的壳体，铆钉，斜拉索桥的钢缆，水电工程的大坝等构件材料的长时力学性能的检测，如：

蠕变、持久强度、松弛、低周疲劳等，材料不同，环境温度不同的条件下使用性能对这些产品的设计、使用安全、寿命等影响极大。

2.2标准试样受力时的几何变形

由于试样受到力的作用，发生变形，可绘制相关曲线，例如力和变形长度的曲线，可得出二者之间的关系。

2.3电子蠕变试验机工作原理

本扭转试验机的基本工作原理如下：

（1）、首先将需检测的材料加工成检测标准试样。

这样即便于与夹头进行连接，也有利于实验的结果准确，同时不会因试样的不标准产生应力集中而拉断试样。

（2）、再将试样与上夹头先连接好并锁紧，然后通过控制器操作下夹头上升，当下夹头与试样达到合适位置时，将其用插销连接在一起，这时试样安装完成，可以开始进行试验。

（3）、试验操作过程是：

控制器通过驱动交流伺服电机转动，同时交流伺服电机带动齿形带，齿形带带动蜗轮蜗杆减速机运动，由于减速机连接的是滚珠丝杠，故在减速机的带动下，滚珠丝杠将旋转运动转变为直线运动，又因为滚珠丝杠与夹具连接，从而使滚珠丝杠上的螺母驱动下夹具，由夹具再驱动试样，则完成加载的过程。

（4）、由于负荷传感器与下夹具串联在整个负载环路里，它可以准确的测出被试件加载力的大小，根据指令信号与负荷传感器的反馈信号的比较误差，控制系统自动进行调节伺服电机的加载速度和方向，使加载力达到规定值。

整个系统的工作过程就是控制系统这样不断的进行调节控制，保持试样所受到的负荷值在指令规定的范围内。

其工作原理框图如图2-1所示。

图2-1主机工作原理图

第3章设计说明

3.1主机框架结构的特点：

采用双立柱门形框架结构，该结构具有结构简单、刚性好、试验操作空间大、方便，下台面作为操作工作面，设计高度符合人体工程学设计，便于工作人员操作。

（1）、上横梁设计采用的是钢板焊接结构，没有采用铸造结构，这是因为焊接结构的成本较低，加工工艺容易，受力性能好，符合本次设计的初衷。

上横梁在整机结构中起到上支撑作用。

（2）、下横梁设计采用现成80mm厚的45号钢板，它一方面是与立柱和上横梁构成封闭式加载框架，二是利用下横梁的平台作为操作工作面，三是下横梁还用来固定加载滚珠丝杠副。

下横梁的高度设计符合人体工程学要求，方便实验人员进行操作。

（3）、两个光立柱在门型结构中起到支撑的作用，主要是要承受上下横梁的加载力作用。

由于最大承载力为100KN，所以要选择刚度要大一些。

设计选用直径为70mm的45号刚材料。

3.2动力系统

在这次设计中，由于100KN电子蠕变试验机不同于其他机器设备，对动力有特殊的要求：

要求动力稳定，恒功率的输出，较大的调速比（1：

5000），所以选择交流伺服驱动电机，长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电动机的调速系统。

但直流电动机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护。

换向器换向时会产生火花，使电动机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电动机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高。

而交流电动机，特别是鼠笼式感应电动机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好。

在同样体积下，交流电动机输出功率可比直流电动机提高10﹪～70﹪，此外，交流电动机的容量可比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。

现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势。

因此选择交流伺服电机。

交流伺服电机的特点

（1）、控制精度高

　　步进电机的步距角一般为1．8。

（两相）或0．72。

（五相），而交流伺服电机的精度取决于电机编码器的精度。

以伺服电机为例，其编码器为l6位，驱动器每接收2=65536个脉冲，电机转一圈，其脉冲当量为360‘／65536=0，0055；并实现了位置的闭环控制．从根本上克服了步进电机的失步问题。

（2）、矩频特性好

　步进电机的输出力矩随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速一般在每分钟几十转到几百转。

而交流伺服电机在其额定转速（一般为2000r／min或3000r／rain）以内为恒转矩输出，在额定转速以E为恒功率输出。

　（3）、具有过载能力

　进电机一般不具有过载能力。

交流伺服电机具有较强的过载能力。

以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。

其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。

步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

　（4）、加速性能好

步进电机空载时从静止加速到每分钟几百转，需要200—400ms：

交流伺服电机的加速性能较好.转动惯量小，所以加速性能高。

3.3传动系统

从电动机传来的动力，不能直接作为动力来使用，由于电子蠕变机大多工作在低转速大扭矩的状态下进行试验操作的，因此，需要对此进行减速处理。

3.3.1涡轮减速机的选择及计算

蜗轮蜗杆减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。

在目前用于传递动力与运动的机构中，减速机的应用范围相当广泛。

几乎在各式机械的传动系统中都可以见到它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等.其应用从大动力的传输工作，到小负荷，精确的角度传输都可以见到减速机的应用，且在工业应用上，蜗轮蜗杆减速机具有减速及增加转矩功能。

因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。

减速机的作用主要有：

（1）降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出减速机额定扭矩。

（2）减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。

大家可以看一下一般电机都有一个惯量数值。

3.3.2涡轮蜗杆减速机的特点

（1）、传动比大。

（2）、结构紧凑。

（3）、工作平稳。

（4）、无噪音。

（5）、具有一定的自锁性。

本次设计采用的的是萧山市城东减速机厂生产的WDT型立式涡轮减速机。

图3-1立式蜗轮蜗杆减速机

齿形带传动比为3：

1，涡轮蜗杆传动比为40：

1，所以总传动比为120:

1。

查表得滚珠丝杠的扭矩200NM,通过计算得交流伺服电机的扭矩200÷120=1.67NM，选择转速为2500r/min的交流伺服电机，根据公式

P=9.55×T×n（3.1）

式中P——交流伺服电机的功率W

T——交流伺服电机的转矩N·M

n——交流伺服电机的转速r/s

有P=665W故交流伺服电机选择功率为1000W,扭矩为4NM。

选择交流伺服电机如图3-2所示

图3-2交流伺服电机参数表

3.3.3齿形带

齿形带是一种工作面为齿形的环形传动带,其带体结构和尺寸参数如图3-2所示。

图3-3齿形带结构和尺寸参数

节距t，齿形角φ，齿高h，带全高H，节线齿根距δ，齿顶宽S

为了提高其传动性能,采用伸长率小,抗拉与抗弯曲疲劳强度高的钢丝绳为强力层,其带体各部位包覆的橡胶层要求有强度高、耐撕裂、抗疲劳、耐油、耐磨的胶料性能,并在胶带齿间带体内表面层设有工艺凹槽C,C槽能有效地改善带体柔性,又能在传动过程中可使截留的空气从槽中逸出以消除噪声。

齿形带的主要优点是传动比准确、不打滑、效率高、初张力小、速度及功率范围广,传动比大,传动系统结构紧凑等。

同步齿形带因为带体和传动轮之间的运转达到高度同步而得名，它综合了不同传动方式（齿轮、链条和胶带）之长，从而体现了高效、平稳、噪音低、无需润滑等诸多优点。

这一切都来自其工作面的齿形体与传动轮槽之间的精确啮合。

因此，在传动过程中，带轮与传动轮之间不存在相对滑移，从而在任何瞬间都能实现同步传动。

因此也被称为“时规胶带”或“同步带”。

根据齿形外体的不同，分为梯形同步带和椭圆行同步带两类如图4-2和4-3，前者是最早出现的的常规品种。

其齿形呈上大下小的梯形。

后者则是出现于上世纪70年代，齿形呈圆弧形，与梯形同步带相比，能承受更大的扭矩。

后来,为了适应多轴传动的出现,又衍生出双面形同步带,其节距、齿形和单面传动的同步双面形同步带,其节距、齿形和单面传动的同步错两种排列方式。

齿形带通常由

（1）胶层（背胶）、

（2）强力层（骨架层）、（3）带齿和（4）包布层等4部分组成。

其中

（1）、（3）取材于橡胶,

（2）为由纤维或钢丝组成的绳,（4）则为挂胶帆布。

图3-4齿形带内部结构及材料

同步齿形带因为体薄而强度高、耐屈绕，故传动速率高（最高达40米/秒），传动效率也高，可达100千瓦，所以本次设计的选定电机输出采用多根圆弧形窄带。

减少了噪音，省去了润滑油保证了效率。

3.3.4滚珠丝杠　　

滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。

　　滚珠丝杠由螺杆、螺母和滚珠组成。

它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。

由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。

滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。

滚珠丝杠的特点

（1）、与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3。

　　由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。

与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。

在省电方面很有帮助。

（2）、高精度的保证。

　　滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。

　　（3）、微进给可能。

　　滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。

　　（4）、无侧隙、刚性高。

　　滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性（滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强）。

　　（5）、高速进给可能滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给（运动）。

丝杠螺母机构又称螺旋传动机构。

它主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。

有以传递能量为主的（如螺旋压力机、千斤顶等）；也有以传递运动为主的如机床工作台的进给丝杠）；还有调整零件之问相对位置的螺旋传动机构等。

　　丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。

滑动丝杠螺母机构结构简单，加工方便，制造成本低，具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30％～40％）。

滚珠丝杠螺母机构虽然结构复杂、制造成本高，不能自锁，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92％～98％），精度高，系统刚度好，运动具有可逆性，使用寿命长，因此在机电一体化系统中得到大量广泛应用。

本节主要介绍滚珠丝杠螺母机构。

（1）、工作原理如图2—1所示，丝杠4和螺母1的螺纹滚道间置有滚珠2，当丝杠或螺母转动时，滚珠2沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置3，如图2一la所示的反向器和图2—1b所示的挡珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。

如下图所示

图3-5丝杠螺母结构

3.4夹具

机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。

又称卡具。

从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。

例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。

其中机床夹具最为常见，常简称为夹具。

在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。

夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置、对刀引导元件（确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向）、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。

3.4.1拉杆夹具

本次设计采用的夹具为拉杆夹具。

拉杆夹具对试样采用的是螺纹连接，用外螺母锁