旋架式加速度過載模擬實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1、1 前 言1.1 選題的意義現(xiàn)代軍事、國防領(lǐng)域?qū)鸸て凤w行器的機(jī)動性能要求很高?；鸸て返臋C(jī)動性能好，對其整體強(qiáng)度要求就越高，承受機(jī)動過載的能力越強(qiáng)。我國對導(dǎo)彈等飛行器的研究方向大多集中在對其控制系統(tǒng)的研究這方面。但是為了滿足現(xiàn)代導(dǎo)彈的一些高性能要求，如導(dǎo)彈的全方位、大空域機(jī)動，末端改變軌跡運(yùn)動等，采納傳統(tǒng)的姿態(tài)控制方案是難以奏效的，一定對導(dǎo)彈的法向過載直接加以控制。以往過載控制是基于局部線性化的線性模型，并且過載控制與姿態(tài)控制并存于同一個系統(tǒng)中，導(dǎo)彈過載控制系統(tǒng)的非線性反演設(shè)計(jì)【16】提出了一種新的過載控制方案，這種方案只需要對過載量進(jìn)行測量控制，而不再需要對一些角度進(jìn)行測量和控制，因此這種方

2、案使整個控制系統(tǒng)所需要的零部件減少，控制器結(jié)構(gòu)更加簡潔明白。非線性自適應(yīng)控制在最近十幾年引起人們的廣泛關(guān)注，并取得了顯著的進(jìn)展。其中比較典型的是反演設(shè)計(jì)技術(shù)，它是一種系統(tǒng)的非線性設(shè)計(jì)方法，通過一步一步地構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)推導(dǎo)出控制律，取得了全局的穩(wěn)定性，并且這種穩(wěn)定性分析是構(gòu)造性的。文章中證明白飛行器姿態(tài)的收斂與過載收斂等價，并提出了一種關(guān)于導(dǎo)彈過載量嚴(yán)格反饋形式的簡化數(shù)學(xué)模型。并利用反演設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)了該過載系統(tǒng)的控制器，并應(yīng)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時給出實(shí)例，進(jìn)行了仿真。導(dǎo)彈過載控制系統(tǒng)的非線性反演設(shè)計(jì)【16】在證明白飛行器姿態(tài)的收斂與過載收斂等價的基礎(chǔ)上，提出了一種導(dǎo)彈

3、過載控制系統(tǒng)的簡化非線性數(shù)學(xué)模型，并利用反演設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)了縱向過載的控制器,該方法使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化。仿真研究驗(yàn)證了簡化過載模型的合理性和控制方法的有效性。導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng),它是導(dǎo)彈的核心組成部分,而對導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的研究落腳于對制導(dǎo)規(guī)律和控制規(guī)律的設(shè)計(jì),參照導(dǎo)彈實(shí)體,結(jié)合工程實(shí)際,考慮現(xiàn)有制導(dǎo)規(guī)律和控制規(guī)律存在的問題,具體進(jìn)行的主要工作如下: (1)導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)分析。主要包括對導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的原理、組成的分析,介紹其分類,并給出了設(shè)計(jì)制導(dǎo)控制系統(tǒng)應(yīng)滿足的指標(biāo),結(jié)合研究對象,對自動尋的制導(dǎo)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的探討。 (2)導(dǎo)彈運(yùn)動學(xué)建模。引入了研究導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系

4、統(tǒng)常用的坐標(biāo)系及各坐標(biāo)系之間的關(guān)系;分析了作用在導(dǎo)彈上的力與力矩,在此基礎(chǔ)上建立了導(dǎo)彈動力學(xué)方程和運(yùn)動學(xué)方程,結(jié)合導(dǎo)彈質(zhì)量改變和對導(dǎo)彈的操縱關(guān)系,建立了空空導(dǎo)彈的運(yùn)動學(xué)模型;針對研究對象,在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了傾斜轉(zhuǎn)彎導(dǎo)彈的數(shù)學(xué)模型。在飛行器工程領(lǐng)域【17】，能量治理技術(shù)并不陌生。如軌道器無推力再人返回段的末端能量治理(taem)，以及耗盡關(guān)機(jī)固體彈道導(dǎo)彈的能量治理。與這兩種已有能量治理技術(shù)不同的是，thaad導(dǎo)彈的emm發(fā)生在剛剛放射后的主動段，導(dǎo)彈飛行在距離放射點(diǎn)不遠(yuǎn)的稠密大氣層中。受反導(dǎo)攔截反應(yīng)時間的限制，其能量治理不宜采納taem式的增大飛行距離方法。而可供選擇的另一種方法就是增大導(dǎo)

5、彈的飛行攻角，依靠阻力的增大、主發(fā)動機(jī)推力沿速度軸重量的減小來降低速度、耗散能量。通過大攻角飛行特性分析可知，在導(dǎo)彈飛行主動段，當(dāng)導(dǎo)彈以90。以內(nèi)的大攻角飛行時，阻力作用增大，推力增速作用減小，導(dǎo)致飛行速度增幅減小，從而轉(zhuǎn)彎慣性減?。煌屏υ谒俣确ㄏ虻闹亓颗c非線性升力相疊加，彈道轉(zhuǎn)彎作用力增大，法向加速度增大。所以，在轉(zhuǎn)彎慣性減小與法向加速度增大兩項(xiàng)作用下，導(dǎo)彈具有“速度耗散”與“高機(jī)動快速轉(zhuǎn)彎”的綜合特性。并且，主動段大攻角高機(jī)動飛行，由于可以采納高操縱性的推力矢量控制方法進(jìn)行大攻角飛行穩(wěn)定控制而具有可實(shí)現(xiàn)性。因此，采納大攻角飛行的彈道設(shè)計(jì)方法可以達(dá)成對導(dǎo)彈速度的能量治理。明顯，大攻角飛行可以

6、達(dá)到能量耗散的目的。然而，如何給定適當(dāng)?shù)目刂浦噶?，控制?dǎo)彈以大攻角飛行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)形式的高機(jī)動彈道軌跡，成為實(shí)現(xiàn)大攻角飛行能量耗散技術(shù)的關(guān)鍵問題。通過分析，耗盡關(guān)機(jī)固體彈道導(dǎo)彈能量治理控制的“姿態(tài)調(diào)制法”，可以應(yīng)用于此。采納耗盡關(guān)機(jī)方案的固體彈道導(dǎo)彈，為了進(jìn)行能量治理、實(shí)現(xiàn)射程和橫向控制，在發(fā)動機(jī)耗盡關(guān)機(jī)前采納了“姿態(tài)調(diào)制導(dǎo)引控制方法”。其具體控制方式為將姿態(tài)改變設(shè)計(jì)成調(diào)制波形，控制彈體姿態(tài)連同發(fā)動機(jī)主推力方向與原期望速度增量方向產(chǎn)生較大夾角，降低主推力沿期望速度方向作用的加速度增量，從而達(dá)到消耗多余能量的目的。導(dǎo)彈等飛行器格外是對對空放射等高質(zhì)量、高精度的武器，它們有很高的要求：要有很好的機(jī)

7、動性能，導(dǎo)彈的機(jī)動性能越好，要求它的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就越高，承受機(jī)動過載的能力越強(qiáng)，格外是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，這類導(dǎo)彈用于攻擊快速活動目標(biāo)，對姿態(tài)控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)要求較高，尤其要求具有反應(yīng)迅速和能使導(dǎo)彈產(chǎn)生所需較大過載（橫向和法向加速度）的性能，因此對發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)性能就要求越高，像這種高科技武器，一般是要求沒有質(zhì)量問題，所以我們在生產(chǎn)使用前一定對一些參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)性測試，這樣才能保證它在高空過載情況下正常放心使用，并且保證其誤差在同意范圍內(nèi)，因此，我們一定設(shè)計(jì)出相關(guān)儀器來測試出其參數(shù)。導(dǎo)彈在機(jī)動過載情況下其殼體的受力比較復(fù)雜，它會受到很多方面的影響：導(dǎo)彈在機(jī)動過載情況下其殼體的受力比較復(fù)雜，假設(shè)導(dǎo)彈的主翼壓

8、心（f主）、質(zhì)心（f質(zhì)）及尾翼壓心（f尾）的分布是按圖1-1所示。如果控制導(dǎo)彈的俯仰、偏航是由f尾（f尾可能是尾翼、燃?xì)舛婊蛉嵝試姽艿犬a(chǎn)生的側(cè)向力）來實(shí)現(xiàn)的，導(dǎo)彈在有大的離軸角度變向（如抬頭）時其飛行軌跡如圖1-1。圖1-1 導(dǎo)彈機(jī)動過載下的受力簡圖導(dǎo)彈在機(jī)動過載情況下產(chǎn)生的法向加速度對發(fā)動機(jī)的影響為：1） 法向加速度對導(dǎo)彈機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響一般機(jī)動性能好的導(dǎo)彈過載高達(dá)幾十個g，在這種情況下彈體的彎曲變形非常明顯，彎曲幅度在幾十毫米甚至上百毫米（與導(dǎo)彈長度有關(guān)）。很明顯這么大的變形勢必影響發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，甚至彈體可能會被折斷；同時大變形也可能引起絕熱層的脫粘等，增加了發(fā)動機(jī)著火、燒穿等的可能性。2

9、 ） 法向加速度對導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)內(nèi)流場的影響法向加速度造成彈體的變形改變了發(fā)動機(jī)內(nèi)部空間，內(nèi)流場有很大改變，格外是在發(fā)動機(jī)的后部形成折射使該處能量相對聚集，加速了此處絕熱層的沖刷和燒蝕，增加了發(fā)動機(jī)燒穿的可能性。法向加速度造成發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的燃燒產(chǎn)物（格外是凝聚相組份）會沿著法向方向有相對運(yùn)動。也就是說此刻的內(nèi)流場中燃燒產(chǎn)物分布的密度有很大差別，發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)法向方向一側(cè)凝聚相產(chǎn)物的密度要大大高于另一側(cè)，這種現(xiàn)象又加速了這側(cè)的燒蝕。法向加速度對導(dǎo)彈的影響結(jié)果如圖1-2所示。圖1-2 法向加速度對導(dǎo)彈的影響示意圖實(shí)踐證明如果導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)只做地面平常熱試車試驗(yàn)，不研究在法向加速度作用下的性能，可能會因此

10、而導(dǎo)致導(dǎo)彈在機(jī)動飛行中失效。為保證導(dǎo)彈的產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，一定設(shè)計(jì)和制作一套地面過載熱試車系統(tǒng)，對導(dǎo)彈在法向加速度作用下的性能進(jìn)行評價，用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制。所以，綜上所述，設(shè)計(jì)的機(jī)器不僅要能滿足地面的平常的熱試車試驗(yàn)，而且還要能在法向加速度作用下對飛行器進(jìn)行性能的檢測，不至于導(dǎo)彈在機(jī)動飛行中失效。1.2 國內(nèi)外進(jìn)展?fàn)顩r導(dǎo)彈的氣動布局是這樣設(shè)計(jì)的：在導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭之后，緊接著有兩組十字型翼面。前面一組為固定的鴨式翼，后面一組用于俯仰和偏航控制。在俯仰和偏航控制翼面之后有一%w6a(x6 對副翼，與自由滾轉(zhuǎn)的尾部一起實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定。在彈體的后段還有4片翼板與十字型尾翼連0i+ly接在一起

11、，以在導(dǎo)彈進(jìn)行大過載機(jī)動時對彈體后段起加強(qiáng)作用。因?yàn)樵诠裟┒?，固體發(fā)動t;j!o%l(kk機(jī)已快燃燒完，彈體后段實(shí)際上是一個空殼，如果沒有這些翼板，在導(dǎo)彈進(jìn)行大過載機(jī)動*v aj0t%x:q時，彈體可能由于應(yīng)力作用而解體。據(jù)認(rèn)為，巨蟒4導(dǎo)彈可承受的最大加速度過載高達(dá)70g，而美國的aim9m卻只有35g。到目前為止，在加速度對發(fā)動機(jī)性能的影響方面，人們主要進(jìn)行了火箭自旋引起的橫向加速度對推進(jìn)劑藥柱產(chǎn)生的加速度效應(yīng)研究，即燃速增加導(dǎo)致發(fā)動機(jī)內(nèi)彈道性能發(fā)生畸變，影響了發(fā)動機(jī)的正常工作，這方面，國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析工作，并取得了重大的進(jìn)展。然而實(shí)踐證明，自旋產(chǎn)生的橫向加速度與導(dǎo)彈

12、機(jī)動飛行的橫向加速度對發(fā)動機(jī)工作產(chǎn)生的影響是有較大差別的，后者對發(fā)動機(jī)的影響更為突出，而且長期被人們忽視，國內(nèi)外至今缺乏對其的研究資料。橫向加速度對飛行發(fā)動機(jī)絕熱層燒蝕影響的試驗(yàn)研究10設(shè)計(jì)了試驗(yàn)發(fā)動機(jī)和試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了一系列飛行固體火箭發(fā)動機(jī)橫向過載模擬試驗(yàn)，獲得了不同加速度下發(fā)動機(jī)絕熱層燒蝕率定量化的式樣數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了橫向加速度嚴(yán)峻影響局部絕熱層燒蝕的事實(shí)，研究表明，橫向加速度對絕熱層燒蝕影響主要原因是由于橫向加速度導(dǎo)致燃燒室內(nèi)流場發(fā)生改變，離心力方向側(cè)壁絕熱層形成“燒蝕坑”，并且絕熱層的燒蝕率隨橫向加速度的增加有加倍增長的趨勢。因此十分必要開展橫向加速度對發(fā)動機(jī)性能的影響研究，獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)

13、，指導(dǎo)工程型號設(shè)計(jì)。固體火箭發(fā)動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺【12】，從方案設(shè)計(jì)、動力源選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳感器選擇等方面研究了高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺涉及的幾個主要問題。雖然從實(shí)際使用情況看，圖示固體火箭發(fā)動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺能夠滿足推力和壓力時間曲線同時測量的要求，同時震驚噪聲也較低，試驗(yàn)臺運(yùn)轉(zhuǎn)、使用和維護(hù)性能也較好。但此試驗(yàn)臺不能滿足我們對發(fā)動機(jī)進(jìn)行離心過載的模擬試驗(yàn)。圖1-3 高速旋轉(zhuǎn)立式試驗(yàn)臺組成原理示意圖國內(nèi)外的實(shí)踐證明如果導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)只做地面平常熱試車試驗(yàn)，不研究在法向加速度作用下的性能，可能會因此面導(dǎo)致導(dǎo)彈在機(jī)動飛行中失效。為保證導(dǎo)彈的產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，一定設(shè)計(jì)和制作一套熱試車系統(tǒng)，對導(dǎo)彈在法向加速度作

14、用下的性能進(jìn)行評價，用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制。1.3 論文的主要內(nèi)容首先是了解該課題的特點(diǎn)以及進(jìn)展?fàn)顩r,對所選課題有個初步的了解,為總體方案的提出打下基礎(chǔ).第二步是傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)、比較與確定,通過對傳動方案的選擇,從而完成整體設(shè)計(jì).畫出裝配圖,裝配圖畫好后,從裝配圖中設(shè)計(jì)計(jì)算選擇各零件以及完成對零件圖的初步繪制, 用三維軟件solidworks 2010建立實(shí)體模型。給模型添加運(yùn)動學(xué)參數(shù)、質(zhì)量特性參數(shù)、力學(xué)特性參數(shù)等外部環(huán)境，基于solidworks simulationxpress完成試驗(yàn)虛擬平臺下的運(yùn)動測試。最終是對工件的夾緊方案的設(shè)計(jì)、比較與確定,完成設(shè)計(jì)后,是要與生產(chǎn)部門協(xié)商加工

15、問題,看設(shè)計(jì)的方案是否符合加工方案,不合適的地方再加以再進(jìn).最終使之能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。2 試驗(yàn)臺的總體方案設(shè)計(jì)2.1技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)2.1.1 待測件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)本試驗(yàn)臺應(yīng)該適應(yīng)以下發(fā)動機(jī)試驗(yàn)要求：1）過載模擬（單臺或雙臺發(fā)動機(jī)）2）發(fā)動機(jī)不點(diǎn)火試驗(yàn)3）待測件長度：1000 2000mm4）待測件直徑：120 150mm5）待測件重量： 35kg2.1.2 待測件載荷設(shè)計(jì) 最大離心加速度：70g 旋轉(zhuǎn)架承載能力：不低于15000n2.1.3 轉(zhuǎn)臺運(yùn)動參數(shù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺采納變頻調(diào)速方式，技術(shù)指標(biāo)：旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速：小于300r/min旋轉(zhuǎn)架啟動平穩(wěn)時間：180s電機(jī)額定功率：5.5kw上面裝有壓力應(yīng)變片，并

16、且配有控制箱，具有安全措施保障人員安全2.2 總體方案的提出以及特點(diǎn)2.2.1 方案方案圖： 圖2-1 方案總圖方案圖結(jié)構(gòu)組成：1.底座； 2.支柱； 3.支撐板； 4.大軸承；5.主軸； 6.夾具； 7. 夾具1； 8. 夾具2；9. 夾具3； 10. 內(nèi)軸； 11. 螺栓；12.試件； 13. 小軸承； 14.螺釘； 15. 螺栓；實(shí)體圖：圖2-2 方案實(shí)體圖2.2.2 特點(diǎn)主要特色是：結(jié)構(gòu)簡潔、拆裝便利、較好的制造工藝，并且使用同步帶的傳動可以提高傳動效率，在過載的環(huán)境下能夠起到自我愛護(hù)作用，提高了使用的安全性能，并且可以能夠較好的滿足設(shè)計(jì)的要求性能。同時在8根支撐柱的支撐作用下，可以承

17、擔(dān)相當(dāng)大的軸向載荷，這也為在試驗(yàn)臺的安全性能方面起到了很重要的穩(wěn)定作用，因?yàn)樵谳S向方向的力還是很大的，使用支撐柱而不是用箱體結(jié)構(gòu)也不影響使用帶的傳動方式的使用。其二，使用空心軸的同時不僅能夠滿足引出線的目的，同時也提高了軸的抗扭強(qiáng)度。其三、在測試件這一塊，也有別于以往的水平和垂直放置的相對單一的擺放方式，但是同時這也對設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因?yàn)檫€有考慮剃度加速度對測試件的影響。因此，可以說這套設(shè)計(jì)方案還是有其獨(dú)特的地方。3 試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1電動機(jī)的選擇： 以知條件： 旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速： 小于300r/min 旋轉(zhuǎn)架啟動平穩(wěn)時間：180s 最大離心加速度：70g3.1.1選擇電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式

18、y系列籠型三相異步交流電動機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡潔，制造、使用和維修便利，價格廉價，并且具有效率高、啟動轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)，適用于不易燃、不易爆、無腐蝕性氣體的一般場所和無格外要求的機(jī)械上，故選用y系列籠型三相異步交流電動機(jī)。3.1.2 選擇電動機(jī)的容量電動機(jī)工作時所需的功率pd:pd=pw/（kw）工作機(jī)所需的功率pw： pw=t·nw / 9550（kw）式中 t 試驗(yàn)臺的工作阻力矩 n·m； nw 試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速 r/min， 試驗(yàn)臺的阻力矩：t=iz·（n·m）式中 i 試驗(yàn)臺的轉(zhuǎn)動慣量 kg·m2 試驗(yàn)臺的角加速度rad/ s2，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取

19、。由已知條件可取被測試件的重量為35kg，被測試件的重心到轉(zhuǎn)臂中心的距離取500mm。考慮到試驗(yàn)臺工作時要求轉(zhuǎn)臂兩邊平衡，可在轉(zhuǎn)臂另一邊對稱的放置一個配重，則試驗(yàn)臺的轉(zhuǎn)動慣量，則，被測試件的轉(zhuǎn)動慣量為： i1=2mr2=2350.52=17.5 kg·m2另外，轉(zhuǎn)臂自身及其夾具的轉(zhuǎn)動慣量可初步估算，這里?。篿2=12.5 kg·m2則，試驗(yàn)臺的總轉(zhuǎn)動慣量i=17.5+12.5=30 kg·m2試驗(yàn)臺從啟動到穩(wěn)定轉(zhuǎn)動所需的時間為3分鐘，其最大角加速度為70g，選取=3.8/ s2則，試驗(yàn)臺的工作阻力矩為：t=i·=303.8=114 n·m所以p

20、w=114300/9550=3.58 kw傳動總效率：v帶輪的傳動效率1=0.96；四角接觸球軸承的傳動效率2=0.98；滾動軸承的傳動效率3=0.98；=123=0.960.980.98=0.922因此pd=pw/=3.58/0.992=3.30 kw 因?yàn)楹雎粤孙L(fēng)阻以及系統(tǒng)的一些摩擦力矩，電動機(jī)額定功率pde大于pd即可，由機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)的表14-1選得 y 系列電動機(jī)額定功率pde為5.5 kw。3.1.3 選擇電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 回轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)約速為300r/min 通常，帶輪輪傳動i=24 ,故電動機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為6001200 r/min 從重量、價格以及傳動比等考慮，選用 y160m28 電動

21、機(jī)。3.1.4確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速 同一類型、功率相同的電動機(jī)具有多種轉(zhuǎn)速。如選用轉(zhuǎn)速高的電動機(jī)，其尺寸和重量小，價格較低，但是會使傳動裝置的總傳動比、尺寸結(jié)構(gòu)和重量增加。選用速度低的情況剛好相反。因此，在綜合考慮電動機(jī)及傳動裝置的尺寸、重量、價格，并且根據(jù)傳動比的需要，選用電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為：1000 rmin?，F(xiàn)由根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)有用手冊選電動機(jī)的型號為：y160m28。具體參數(shù)如下：電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)型號 額定功率kw轉(zhuǎn)速r/min 電流a 效率% 功率因素cos y160m2-85.572013.3850.74堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量重量（kg）6.02.02.00.9311193.1.5

22、電動機(jī)的安裝b3型安裝型式尺寸機(jī)座號abcdefg160m254210108421101237lkhabacadhd600151600-0.5330325255385安裝圖樣 圖3-1 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2裝配圖的設(shè)計(jì)方案圖： 圖3-2 方案總圖方案圖結(jié)構(gòu)組成：1.底座； 2.支柱； 3.支撐板； 4.大軸承；5.主軸； 6.夾具； 7. 夾具1； 8. 夾具2；9. 夾具3； 10. 內(nèi)軸； 11. 螺栓；12.試件； 13. 小軸承； 14.螺釘； 15. 螺栓；實(shí)體圖：圖3-3 方案實(shí)體圖轉(zhuǎn)臂的長度1987.85mm; 整體高度：1655mm箱體底座離轉(zhuǎn)盤的距離：655mm3.3帶傳動

23、的選擇與計(jì)算以下公式參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊單行本帶傳動和鏈傳動p31表14.1331、選帶：膠帆布平帶2、帶速：取v=10 m/s < 20 m/s3、小帶輪直徑：=265.26 mm取 =280 mm4、大帶輪直徑:= i=2.4280(1-0.01)= 665.28 mm 取 =710 mm5、中心距：=（1.52）（+）=（1.52）（280+710）=14851980 mm 取 =1700 mm6、帶長：l=2+(+)+=21700+(250+600)+ =4754.9167 mm取 l=5000 mm7、小帶輪包角：=1800-57.30=1800-57.30=165.5060>

24、;15008、撓曲次數(shù)：y= =29、帶厚：=1.2n=1.26=7.2 mm10、設(shè)計(jì)功率：工況系數(shù)：=1.1小帶輪傳遞功率：p=5.5 kw功率：pd=p=1.15.5=6.05 kw11、帶截面積：a=膠帶單位面積所能傳遞的基本額定功率：=2.0包角修正系數(shù)：=0.97傳動布置系數(shù)：=1.0計(jì)算得：a=3.11856 cm2 12、帶寬：b=43.31mm取 b=90 mm13、為帶的預(yù)緊應(yīng)力，取=1.8 mpa14、有效圓周力：ft=605 n15、作用在軸上的力：fr=1113.71312 n3.4軸的設(shè)計(jì)軸設(shè)計(jì)的主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算兩方面的內(nèi)容：（1）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)軸

25、上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是軸設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。（2）軸的工作能力計(jì)算是指軸的強(qiáng)度、剛度和震驚穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度。這時只需對軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止鍛裂和塑性變形。而對剛度要求高的軸和受力的細(xì)長軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，以防止工作是產(chǎn)生過大的彈性變形。3.4.1軸的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程如下：以下數(shù)據(jù)均出自機(jī)械設(shè)計(jì)3.4.1.1.初步確定軸的最小直徑先按式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取

26、軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15-3，取a0=126,于是得dmin=a0=126=33.87 mmp1=p=5.50.922=5.071 kw 為空心軸內(nèi)外徑比,取=0.6為安全，乘安全系數(shù)1.8，d=33.87×1.8=60.96 mm，現(xiàn)取d=60 mm考慮軸上開有兩個鍵槽應(yīng)增大10%-15%即d=70 mm.輸出軸的最小直徑明顯是安裝下端軸承的直徑d-，參照軸承設(shè)計(jì)手冊，選取內(nèi)徑d=70mm，外徑d=125mm代號為33214的圓錐滾子軸承。3.4.1.2.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1)擬定軸上零件的裝配方案圖3-4 主軸數(shù)據(jù)1圖3-4 主軸數(shù)據(jù)2圖3-5 主軸數(shù)據(jù)32)根據(jù)軸向的

27、定位要求確定軸的各段直徑和長度(1)為了滿足軸承的軸向的定位要求，-軸段右端需制出一軸肩，參照軸承安裝尺寸，故取-段的直徑為79mm。-段的長度參照軸承寬度尺寸，現(xiàn)取l-=77mm。-段的長度臨時定為53mm 。軸承與軸的配合公差為h7/r6。確定軸上圓角和倒角尺寸，取軸端倒角為245°。（2）軸-段為軸與大帶輪配合。根據(jù)大帶輪直徑確定內(nèi)徑d=110mm，所以取段軸直徑d-=110mm，帶輪與軸的配合公差為h7/r6。長度方向上，為滿足軸向定為，此段軸長應(yīng)大于大帶輪輪緣寬度，取l-=120mm。（3）軸-段為支撐段，考慮受力及帶輪直徑，現(xiàn)取d-=170mm，l-=210mm 。 （4

28、）軸-段位支撐板，考慮大帶輪外徑及安裝要求，取代號為30630的圓錐滾子軸承配合安裝，參照軸承的安裝尺寸，取d-=630mm，=35mm 。轉(zhuǎn)盤直徑d=1300mm，=55mm 。 （5）軸-段位固定夾具段，根據(jù)測試件長度及旋轉(zhuǎn)半徑尺寸，現(xiàn)取d-=150mm，l-=1600mm。3)內(nèi)軸設(shè)計(jì) 內(nèi)軸的作用是：（1）將測試件上應(yīng)變片的引線通過集流環(huán)引出； （2）在旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生意外的時候起到一定得愛護(hù)作用。圖3-5 內(nèi)軸數(shù)據(jù)參照主軸，取外徑=38mm，內(nèi)徑=24mm，長度l=1615mm，底部為100，孔8.84均布3.5 底座設(shè)計(jì)此方案的底座主要承受裝置的壓力，因此選用鑄造t250剛，結(jié)構(gòu)如下圖：具

29、體尺寸入下圖：3.6 立柱設(shè)計(jì)為便利帶傳動的工作，本方案采納的是八根支撐整個試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)，由于立柱只承受試驗(yàn)臺的壓力，整個裝置的扭矩可以忽略，因此擬定這八根立柱的材料為鑄鋼th250,具體尺寸如下： 長l=370mm，兩邊聯(lián)接處厚度各為20mm聯(lián)接孔的定位：在直徑為100mm的圓周上均布13.58的直徑孔。4 主要零件的設(shè)計(jì)驗(yàn)算4.1 軸的校核4.1.1 軸強(qiáng)度校核進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力。這次設(shè)計(jì)主要是既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算步驟如下：1） 作出軸的計(jì)算簡圖（即力學(xué)模型）軸所受

30、的載荷是從軸上零件傳來的。計(jì)算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)，通過查表確定。2） 作出彎矩圖根據(jù)簡圖，分別按水平和垂直面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別作出水平面上的彎矩mh圖和垂直面上的彎矩圖mv；然后按下式計(jì)算總彎矩并作出m圖； m=3） 作出彎矩圖4） 校核軸的強(qiáng)度已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險(xiǎn)截面（即彎矩和扭矩大而軸徑可能不足的截面）作彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算。按第三強(qiáng)度理論，計(jì)算應(yīng)力ca=式中：ca軸的計(jì)算應(yīng)力，單位為mp

31、a; m軸所受的彎矩，單位為n·mm t軸所受的扭矩，單位為n·mm w軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm3, -1對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力。5）旋轉(zhuǎn)軸的校核p1=p=5.50.922=5.071 kwn1=n=720=300 r/mint=161426.83 n·mm有效圓周力： ft=2935.03 n作用在軸上的力：fr=1113.71312 n軸的計(jì)算簡圖如下：圖4-1 軸的載荷分析圖水平面上的受力圖：圖4-2 軸在水平面上的受力圖水平面上的彎矩圖：圖4-3 軸在水平面上的彎矩圖垂直面上的受力圖：圖4-4 軸在垂直面上的受力圖垂直面上的彎矩圖：圖4-5

32、軸在垂直面上的彎矩圖合成彎矩圖：圖4-6 軸的合成彎矩圖扭矩圖：圖4-7 軸的扭矩圖從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面c是軸的危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將計(jì)算出的截面c處的mh 、mv 及m的值列于下表：表4-1載荷水平面h 垂直面v支反力y1=1991.63 n , y2=943.40 nz1=755.73 n , z2=357.98 n彎矩mh=268869.71 n·mmmv=102023.79 n·mm總彎矩m=287575.69 n·mm扭矩t=161426.83 n·mm按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度由于的截面改變不是很大，所以通常只校核軸上承受最大彎

33、矩和扭矩截面（即截面c）的強(qiáng)度。因?yàn)榕まD(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)應(yīng)力，所以取=0.6ca= =2.62 mpa前面已經(jīng)選定軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得-1=60mpa.因此ca < -1,故安全。4.1.2基于solidworks simulationxpress軸的靜態(tài)應(yīng)力和位移分析 1）在軸承固定處添加夾具 圖4-8 軸分析圖12）添加載荷，根據(jù)前面計(jì)算得離心載荷，現(xiàn)添加1500n的力。圖4-9 軸分析圖23）選擇材料 4）應(yīng)力結(jié)果分析最小應(yīng)力：153.353 n/m2，最小應(yīng)力位置：(1.88383mm, 491.017mm, 509.318mm)；最大應(yīng)力：2.6664

34、4e+006 n/m2，最大應(yīng)力位置：(-75.8565mm, -75.2896mm, 573.238 mm)。圖4-10 軸應(yīng)力分析結(jié)果圖5）位移結(jié)果分析最小位移0 mm，最小位移位置：(3.83314e-014mm, 313mm, 460mm)；最大位移0.101821 mm, 最小位移位置：(-140mm, 74.8461mm, 2162.92mm)。圖4-11 軸位移分析結(jié)果圖5）變形變形比例：2115.37圖4-12 軸變形分析結(jié)果圖4.2軸承的選擇與校核4.2.1 特點(diǎn)與選擇：軸上的軸承即要求承受徑向載荷，又承受軸向載荷，根據(jù)其具體要求選擇圓錐滾子軸承，它可以承受徑向和軸向（單向）

35、載荷聯(lián)合作用，其特點(diǎn)為能在較高轉(zhuǎn)速下工作，由于一個軸承只能承受單方向的軸向載荷，因此一般成對使用，現(xiàn)確定的軸承代號為33214和30630。具體尺寸如下：（1） 圓錐滾子軸承33214：基本尺寸/mm基本額定載荷/kn極限轉(zhuǎn)速/r.min-1重量/kgddtbccrcor脂油70125414132208298300038002.10計(jì)算系數(shù)軸承代號其他尺寸/mmeyy033214arminr1min0.411.50.830.721.5安裝尺寸/mmdamindbmaxdamindamaxdbmin79791071161207921.5（2）圓錐滾子軸承30630：基本尺寸/mm基本額定載荷/k

36、n極限轉(zhuǎn)速/r.min-1重量/kgddtbccrcor脂油6309201341289434107100320430286計(jì)算系數(shù)軸承代號其他尺寸/mmeyy030630arminr1min0.431.40.781667.57.5安裝尺寸/mmdamindbmaxdamindamaxdbmin7297748649329024.2.2 校核與計(jì)算:圓錐滾子軸承:由以上的設(shè)計(jì)過程可知：在軸反裝兩個圓錐滾子軸承。此回轉(zhuǎn)臺為間歇使用的機(jī)械，中斷后果嚴(yán)峻 所以選預(yù)期計(jì)算壽命lh為12000h 查滾動軸承樣本可知33214軸承的基本額定動載荷為cr =208 kn ，額定靜載荷為cor =298 kn；3

37、0630軸承的基本額定動載荷cr=3410kn 額定靜載荷cor=7100kn1)求兩軸承受到的徑向載荷fr1和fr2由軸的受力分析可知：載荷水平面h 垂直面v支反力y1=1991.63 n , y2=943.40 nz1=755.73 n , z2=357.98 n彎矩mh=268869.71 n·mmmv=102023.79 n·mm總彎矩m=287575.69 n·mm扭矩t=161426.83 n·mm把派生軸向力的方向與外加軸向載荷fa的方向一致的軸承標(biāo)為2,另一端標(biāo)為軸承1。由于反裝所以:fr1=1009.04 n fr2=2130.19 n

38、 2)求兩軸承的計(jì)算軸向力fa1和fa2查表得33214軸承的e1=0.41 , y1=1.5查表得30630軸承的e2=0.43 , y2=1.4fd1=fr1/(2y1)= 1009.04/3=336.347 nfd2=fr2/(2y2)= 2130.19/2.8=760.782 nfa1=fd2+fa=760.782+15000=15760.782 n> fd1=336.347 n 所以1軸承為壓緊端fa2=fd2=760.782 n fa1/fr1=15760.782 /1009.04=15.62 > e1=0.41 fa2/fr2=760.782/2130.19=0.35

39、7 < e2=0.43取徑向載荷系數(shù)x1=0.4 , x2=1；取軸向載荷系數(shù)y1=1.5，y2=0 ,所以p=fp(xfr+yfa)回轉(zhuǎn)臺并不承受大載荷，所以只能是輕微沖擊，取fp=1.1。則p1= fp(x1fr1+y1fa1)=1.1(0.41009.04+1.515760.782) n =26449.27 np2= fp(x2fr2+y2fa2)=1.1(12130.19+0760.782) n=2343.21 n因?yàn)閜1>p2.所以以軸承1來校核壽命。lh=53731.17 h> lh=12000 h故所選軸承可滿足壽命要求。4.3螺栓與螺釘?shù)倪x擇與校核4.3.1各

40、螺栓與螺釘直徑與數(shù)目的確定：1） 底座與立柱聯(lián)接和立柱與大軸承支撐板以及測試件固定架與主軸的直徑與數(shù)目：所選螺栓直徑d=12mm,數(shù)目為140個。2） 定軸與底座聯(lián)接、軸承壓板與底盤聯(lián)接、測控設(shè)備與主軸聯(lián)接的數(shù)目與直徑：確定螺釘直徑d=8mm，數(shù)目為4個。3） 旋轉(zhuǎn)軸與夾具聯(lián)接用的螺栓直徑與數(shù)目：據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)，確定螺釘直徑d=20mm，數(shù)目為6個。4） 固定夾具和測試件的螺栓直徑與數(shù)目：先擬定確定螺栓直徑d=16mm,數(shù)目為24個。4.3.2校核： 1.旋轉(zhuǎn)軸與夾具的螺釘：據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊p表322，預(yù)緊聯(lián)接，徑向靜載荷，全部螺栓承受的徑向載荷fx=g+fcos450=(352+50)9.8+

41、1500=2236.66 n單個螺栓承受的徑向力fa=372.78 n所以螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度：=螺栓桿的剪切強(qiáng)度：=式中as為螺紋部分危險(xiǎn)截面之計(jì)算面積,as=mm，d為螺紋小徑，mm；as=254.34 mm，所以=0.62 mpa <=72 mpa =1.47 mpa <=72 mpa2.固定試件的螺釘校核同上。3.底座與支撐柱聯(lián)接用的螺栓和支撐柱與支撐板聯(lián)接用的螺栓從裝配圖結(jié)構(gòu)看，由于旋轉(zhuǎn)架及其以上各零件的重力作用，這兩處螺栓的強(qiáng)度沒有必要校核，此處不校核。地腳螺栓：用類比法確定的，不校核。4.4 鍵的選擇與校核:4.4.1選擇：據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表61，確定鍵如下：帶輪與軸的聯(lián)

42、接鍵：鍵b×h =28×16 gb/t 109679；4.4.2校核:鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，由機(jī)械設(shè)計(jì)表62查得許用擠壓應(yīng)力p =100120 mp，取其平均值，p=110mp,鍵的工作長度l=lb=10028=72 mm，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=0.5×16=8mm,由機(jī)械設(shè)計(jì)式（61）可得：= 式中：t 傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為n·m； k 鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h,此處h為鍵的高度，單位為mm； l 鍵的工作長度，單位為mm,圓頭平鍵l=lb,平頭平鍵l=l,這里l為鍵的公稱長度，單位為mm；b為鍵的寬度，單位為mm； d 軸

43、的直徑，單位為mm。t=9550=9550 n·m=161.427 n·m所以=mpa=5.096 mpa=110 mpa （合適）5 工件的夾緊5.1工件的夾緊的要求一般情況下，工件在轉(zhuǎn)動情況下需要夾緊。因?yàn)樵谛D(zhuǎn)過程中工件受到離心力及重力等外力的作用，若不夾緊，工件在外力作用下就可能發(fā)生移動，輕則使測量出來的參數(shù)有錯誤，重則工件夾緊裝置，以至危害人的安全，甚至發(fā)生人生事故。同時，工件在定位過程中獲得的既定位置，也要依靠夾緊來保持，有時工件的定位也是在夾緊過程中實(shí)現(xiàn)的，因此夾緊裝置是此設(shè)計(jì)的重要組成部分。對夾緊機(jī)構(gòu)和裝置有下列基本要求：（1）在夾緊過程中應(yīng)能保證工件更好的

44、得到定位；（2）夾緊應(yīng)該可靠和適當(dāng)。（3）夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)操作安全、便利、省力；（4）夾緊機(jī)構(gòu)的自動化程度及復(fù)雜程度應(yīng)盡量相適應(yīng)。設(shè)計(jì)夾緊裝置時，首先要合理選擇夾緊點(diǎn)、夾緊力作用方向，并且正確確定所需要夾緊力大小。然后設(shè)計(jì)合適的夾緊機(jī)構(gòu)予以保證。試驗(yàn)臺開始工作時，通過齒輪傳動帶動轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)架上測試件隨著轉(zhuǎn)架一起旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在，我們要通過操作裝置的簡便性、安全性，并且在試驗(yàn)時盡可能的多點(diǎn)與多角度測試工件的參數(shù)。于是，我們就要想一套方案，怎么把測試件固定在轉(zhuǎn)盤上。5.2 方案 圖51 固定支架圖52 裝夾圖5.2.2 方案的特點(diǎn)：此方案我們把一塊方形的軸固定在旋轉(zhuǎn)臺上，同時我們在上面，前后兩面上

45、打了12個螺釘孔。這里我們選用了三個地方夾緊。分別是上，中，下夾緊裝置。上，中夾緊裝置，我們選用了，上面打上螺釘孔，具體尺寸及位置見零件圖。分別安裝在軸的前后兩面，通過螺栓聯(lián)接和軸固定起來。當(dāng)試驗(yàn)臺工作的時候，擔(dān)憂由于離心力引起的螺栓松動，我們還選用了拉桿直接將前后壓板固定聯(lián)接。下夾緊裝置，我們選用的是承力塊下夾緊裝置。通過螺栓聯(lián)接把夾座和前后兩塊壓板連接在一起。這樣試驗(yàn)時很安全，裝夾也很牢固，中途不會出現(xiàn)什么問題。但此方案也存在不少問題，一看此裝置就知道中間要有一根很大的軸，還要有好幾塊大的壓板，這樣就顯得這裝置很笨重，轉(zhuǎn)動起來風(fēng)阻也格外大，測量角度也是非常有限。參考文獻(xiàn)1. 王昆等主編機(jī)械

46、設(shè)計(jì),機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì),19952. 曹維慶等主編.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，20003. 洪家娣等主編.機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo).江西高校出版社，20014. 吳宗澤主編.機(jī)械設(shè)計(jì)有用手冊. 化學(xué)工業(yè)出版社，1991 5. 戴曙等主編.金屬切削機(jī)床.機(jī)械工業(yè)出版社,20006. 濮良貴等主編.機(jī)械設(shè)計(jì).高等教育出版社，20017. 孫桓等主編.機(jī)械原理.高等教育出版社，20018. 機(jī)械工程手冊編輯委員會編.機(jī)械工程師手冊.機(jī)械工業(yè)出版社，19929. 王先逵主編.機(jī)械制造工藝學(xué).清華大學(xué)出版社，199910. 李越森.葉定友.利鳳翔. 橫向加速度對飛行發(fā)動機(jī)絕熱層燒蝕影響的試驗(yàn)研究.航空動力學(xué)報(bào).200419（2）：279-28211. 相瑜才等主編.工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社，199712. 王彬.武曉松.余陵.王棟.固體火箭發(fā)動機(jī)高速旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺設(shè)計(jì).南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,29