機(jī)械工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書修改2012年9月一

PAGEPAGE25實(shí)驗(yàn)一：低碳鋼、鑄鐵的拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測定低碳鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率。2.測定鑄鐵的抗拉強(qiáng)度。3.測定鑄鐵壓縮時的抗壓強(qiáng)度。4.觀察上述兩種材料在拉伸過程中的各種現(xiàn)象，并繪制拉伸圖。5.分析比較低碳鋼和鑄鐵的力學(xué)性能特點(diǎn)與試樣破壞特征。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.鑄鐵拉伸實(shí)驗(yàn)；2.鑄鐵壓縮實(shí)驗(yàn)；3.低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)。三、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段常溫、靜載下的軸向拉伸實(shí)驗(yàn)是材料力學(xué)試驗(yàn)中最基本、應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)。通過拉伸試驗(yàn)，可以全面地測定材料的力學(xué)性能，如彈性、塑性、強(qiáng)度、斷裂等力學(xué)性能指標(biāo)。這些性能指標(biāo)對材料力學(xué)的分析計算、工程設(shè)計、選擇材料和新材料開發(fā)都有及其重要的作用。實(shí)驗(yàn)表明，工程中常用的塑性材料，其受壓與受拉時所表現(xiàn)出的強(qiáng)度、剛度和塑性等力學(xué)性能是大致相同的。但廣泛使用的脆性材料，其抗壓強(qiáng)度很高，抗拉強(qiáng)度卻很低。為便于合理選用工程材料，以及滿足金屬成型工藝的需要，測定材料受壓時的力學(xué)性能是十分重要的。因此，壓縮實(shí)驗(yàn)同拉伸實(shí)驗(yàn)一樣，也是測定材料在常溫、靜載、單向受力下的力學(xué)性能的最常用、最基本的實(shí)驗(yàn)之一。依據(jù)國標(biāo)GB/T228－2002《金屬室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》分別敘述如下：1.低碳鋼試樣。在拉伸實(shí)驗(yàn)時，利用試驗(yàn)機(jī)的自動繪圖器可繪出低碳鋼的拉伸曲線，見圖1-1所示的F—ΔL曲線。FpFDEBB?AOFpFDEBB?AOFbFsO?K圖1-1拉伸實(shí)驗(yàn)過程分為四個階段：（1）線彈性階段；（2）屈服階段；（3）強(qiáng)化階段；（4）局部變形階段。2.鑄鐵試樣。做拉伸實(shí)驗(yàn)時，利用試驗(yàn)機(jī)的自動繪圖器繪出鑄鐵的拉伸曲線，如圖1-2所示。在整個拉伸過程中變形很小，無屈服、頸縮現(xiàn)象，拉伸曲線無直線段，可以近似認(rèn)為經(jīng)彈性階段直接斷裂，其斷口是平齊粗糙的。以低碳鋼為代表的塑性材料，軸向壓縮時會產(chǎn)生很大的橫向變形，但由于試樣兩端面與試驗(yàn)機(jī)支承墊板間存在摩擦力，約束了這種橫向變形，故試樣出現(xiàn)顯著的鼓脹，如圖1-2所示。塑性材料在壓縮過程中的彈性模量、屈服點(diǎn)與拉伸時相同，但在到達(dá)屈服階段時不像拉伸試驗(yàn)時那樣明顯，因此要仔細(xì)觀察才能確定屈服載荷Ps。當(dāng)繼續(xù)加載時，試樣越壓越扁，由于橫截面面積不斷增大，試樣抗壓能力也隨之提高，曲線持續(xù)上升。

以鑄鐵為代表的脆性金屬材料，由于塑性變形很小，所以盡管有端面摩擦，鼓脹效應(yīng)卻并不明顯，而是當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值后，試樣在與軸線大約成的方向上發(fā)生破裂，如圖1-4所示。這是由于脆性材料的抗剪強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，從而使試樣被剪斷。

圖1-2

圖1-3圖1-4

四、實(shí)驗(yàn)條件1.液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)；2.游標(biāo)卡尺；3.試件。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.測量試件尺寸根據(jù)國標(biāo)GB/T228－2002《金屬室溫拉伸試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，測定試樣原始橫截面積。本次試驗(yàn)采用圓形試樣，應(yīng)在標(biāo)距的兩端及中間處的兩個相互垂直的方向上各測一次橫截面直徑，取其算術(shù)平均值，選用三處測得的直徑最小值，并以此值計算橫截面面積。測定試樣的原始標(biāo)距長度2.選試驗(yàn)機(jī)量程根據(jù)試樣的形狀、尺寸和預(yù)計材料的抗拉強(qiáng)度來估算最大拉力，并以此力作為示力盤量程的40％～80％，以選擇合適的示力盤和相應(yīng)的擺錘。然后，選用與試樣相適應(yīng)的夾具。3.為消除活動框架等的自重影響，應(yīng)開動油泵送油，將活動平臺升高到10毫米以上。4.轉(zhuǎn)動齒桿微調(diào)或指針齒輪粗調(diào)將示力盤指針調(diào)整到零位。5安裝試樣，快速調(diào)節(jié)萬能試驗(yàn)機(jī)的夾頭位置，并將自動繪圖裝置調(diào)好。經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后即可開始試驗(yàn)。5.加載試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，要求均勻緩慢地進(jìn)行加載。對于低碳鋼試樣的拉伸試驗(yàn)，要注意觀察拉伸過程四個階段中的各種現(xiàn)象。并記下屈服載荷值，最大載荷值。對于鑄鐵試樣，只需測定其最大載荷值。試樣被拉斷后立即停機(jī)，并取下試樣。

6.對于拉斷后的低碳鋼試樣，要分別測量斷裂后的標(biāo)距和頸縮處的最小直徑。按照國標(biāo)GB/T228－2002中的規(guī)定測定時，將試樣斷裂后的兩段在斷口處緊密地對接起來，直接測量原標(biāo)距兩端的距離。六、思考題1.實(shí)驗(yàn)時如何觀察低碳鋼的屈服點(diǎn)？測定時為何要對加載速度提出要求？2.比較低碳鋼和鑄鐵的拉伸壓縮斷口形狀，分析其破壞的力學(xué)原因。七、實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)報告應(yīng)應(yīng)包括試驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量并記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、分析討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及誤差原因并寫出心得體會。材料載荷F/KN標(biāo)距l(xiāng)0/mm直徑d0/mm最小橫截面積A0/mm2截面Ⅰ截面Ⅱ截面Ⅲ屈服載荷最大載荷12平均12平均12平均附1-1液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)材料試驗(yàn)機(jī)是測定材料力學(xué)性能的主要設(shè)備。常用的材料試驗(yàn)機(jī)有拉力試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)等。能兼作拉伸、壓縮、彎曲等多種試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)稱為萬能材料試驗(yàn)機(jī)，簡稱萬能機(jī)。供靜力試驗(yàn)用的普通萬能材料試驗(yàn)機(jī)，按其傳遞載荷的原理可分為液壓式和機(jī)械式兩類?，F(xiàn)以國產(chǎn)WE系列為例，介紹液壓萬能機(jī)。圖1-5為這一系列中最常見的WE一1000A、600試驗(yàn)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-6所示。下面分別介紹其加載系統(tǒng)和測力系統(tǒng)。測力計主機(jī)圖1-5底座；2底座；2—固定立柱；3—固定橫梁；4—工作油缸；6—上橫梁；7—活動立柱；8—活動平臺；9—上夾頭；12—下夾頭；13—螺桿；17—送油閥；18，19—油管；20—回油閥；29—示力指針；30—示力度盤；32—滾筒；35—油泵電機(jī)開關(guān)；36—下夾頭升降按鈕；37—油箱；38—放油閥一、加載系統(tǒng)在底座1上由兩根固定立柱2和固定橫梁3組成承載框架。工作油缸4固定于框架上。在工作油缸的活塞5上支承著由上橫梁6、活動立柱7和活動平臺8組成的活動框架。當(dāng)油泵16開動時，油液通過送油閥17，經(jīng)送油管18進(jìn)入工作油缸，把活塞5連同活動平臺8一同頂起。這樣，如把試樣安裝于上夾頭9和下夾頭12之間，由于下夾頭固定，上夾頭隨活動平臺上升，試樣將受到拉伸。若把試樣置放于兩個承壓墊板11之間，或?qū)⑹軓澰嚇又梅庞趦蓚€彎曲支座10上，則因固定橫梁不動而活動平臺上升，試樣將分別受到壓縮或彎曲。此外，試驗(yàn)開始前如欲調(diào)整上、下夾頭之間的距離，則可開動電機(jī)14，驅(qū)動螺桿13，便可使下夾頭12上升或下降。但電機(jī)14不能用來給試樣施加拉力。圖1-.6圖1-.6二、測力系統(tǒng)加載時，開動油泵電機(jī)，打開送油閥17，油泵把油液送入工作油缸4頂起工作活塞5給試樣加載；同時，油液經(jīng)回油管19及測力油管21（這時回油閥20是關(guān)閉的，油液不能流回油箱）。進(jìn)人測力油缸22，壓迫測力活塞23，使它帶動拉桿24向下移動，從而迫使擺桿26和擺錘25聯(lián)同推桿27繞支點(diǎn)偏轉(zhuǎn)。推桿偏轉(zhuǎn)時，推動齒桿28作水平移動，于是驅(qū)動示力盤的指針齒輪，使示力指針29繞示力度盤30的中心旋轉(zhuǎn)。示力指針旋轉(zhuǎn)的角度與測力油缸活塞上的總壓力（即拉桿24所受拉力）成正比。因?yàn)闇y力油缸和工作油缸中油壓壓強(qiáng)相同，兩個油缸活塞上的總壓力成正比（活塞面積之比）。這樣，示力指針的轉(zhuǎn)角便與工作油缸活塞上的總壓力，亦即試樣所受載荷成正比。經(jīng)過標(biāo)定便可使指針在示力度盤上直接指示載荷的大小。試驗(yàn)機(jī)一般配有重量不同的擺錘，可供選擇。對重量不同的擺錘，使示力指針轉(zhuǎn)同樣的轉(zhuǎn)角，所需油壓并不相同，即載荷并不相同。所以，示力度盤上由刻度表示的測力范圍應(yīng)與擺錘的重量相匹配。以WE－1000試驗(yàn)機(jī)為例，它配有A、B、C三種擺錘。擺錘A對應(yīng)的測力范圍為0—200kN，A＋B對應(yīng)0—500kN，A＋B＋C對應(yīng)0一1000kN。開動油泵電機(jī)，送油閥開啟的大小可以調(diào)節(jié)油液進(jìn)人工作油缸的快慢，因而可用以控制增加載荷的速度。開啟回油閥20，可使工作油缸中的油液經(jīng)回油管19泄回油箱37，從而卸減試樣所受載荷。試驗(yàn)開始前，為消除活動框架等的自重影響，應(yīng)開動油泵送油，將活動平臺略微升高。然后調(diào)節(jié)測力部分的平衡鉈31，使擺桿保持垂直位置，并使示力指針指在零點(diǎn)。試驗(yàn)機(jī)上一般還有自動繪圖裝置。它的工作原理是，活動平臺上升時，由繞過滑輪（1）和（2）的拉繩33帶動滾筒32繞軸線轉(zhuǎn)動，在滾筒圓柱面上構(gòu)成沿周線表示位移的坐標(biāo)；同時，齒桿28的移動構(gòu)成沿滾筒軸線表示載荷的坐標(biāo)。這樣，試驗(yàn)時繪圖筆34在滾筒上就可自動繪出載荷——位移曲線。當(dāng)然，這只是一條定性曲線，不是很準(zhǔn)確的。三、操作規(guī)程及注意事項(xiàng)1．根據(jù)試樣尺寸和材料，估計最大載荷，選定相適應(yīng)的示力度盤和擺錘重量。需要自動繪圖時，事先應(yīng)將滾筒上的紙和筆裝妥。2.先關(guān)閉送油閥及回油閥，再開動油泵電機(jī)。待油泵工作正常后，開啟送油閥將活動平臺升高約1cm，以消除其自重。然后關(guān)閉送油閥，調(diào)整示力度盤指針使它指在零點(diǎn)。3.安裝拉伸試樣時，可開動下夾頭升降電機(jī)以調(diào)整下夾頭位置，但不能用下夾頭升降電機(jī)給試樣加載。4．緩慢開啟送油閥，給試件平穩(wěn)加載。應(yīng)避免油閥開啟過大進(jìn)油太快。試驗(yàn)進(jìn)行中，注意不要觸動擺桿或擺錘。5.試驗(yàn)完畢，關(guān)閉送油閥，停止油泵工作。破壞性試驗(yàn)先取下試樣，再緩緩打開回油閥將油液放回油箱。非破壞性實(shí)驗(yàn)，自然應(yīng)先開回油閥卸載，才能取下試樣。實(shí)驗(yàn)二彎扭組合變形主應(yīng)力和內(nèi)力素的測定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、測定薄壁圓管在彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形下，其表面某點(diǎn)處的主應(yīng)力大小和方向；2、掌握使用應(yīng)變花測量某一點(diǎn)處主應(yīng)力大小及方向的方法；3、學(xué)習(xí)組合變形時內(nèi)力素的測量方法，測量薄壁圓管在彎扭組合作用下，測量彎矩及扭矩；4、將實(shí)驗(yàn)方法所測得的主應(yīng)力的大小和方向與理論值進(jìn)行比較和分析。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測定彎扭組合主應(yīng)力；2.測定彎扭組合內(nèi)力素（彎矩、扭矩）。三、實(shí)驗(yàn)原理、方法和手段1.主應(yīng)力及主方向的測定彎扭組合作用下，圓管的m點(diǎn)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。若在xy平面內(nèi)，沿x、y方向的線應(yīng)變?yōu)棣舩、εy，剪應(yīng)變?yōu)椋鶕?jù)應(yīng)變分析，沿與x軸成角的方向n（從x到n反時針的為正）線應(yīng)變?yōu)椋╝）隨的變化而改變，在兩個互相垂直的主方向上，到達(dá)極值，稱為主應(yīng)變。主應(yīng)變由下式計算（b）兩個互相垂直的主方向由下式確定（c）對線彈性各向同性材料，主應(yīng)變ε1、ε2和主應(yīng)力方向一致，并由下列廣義胡克定律相聯(lián)系（d）圖3-1主應(yīng)力測試裝置圖圖3-2應(yīng)變花粘貼方案圖實(shí)測時由a、b、c三個應(yīng)變片組成直角應(yīng)變花，并把它粘貼在圓筒固定端附近的表面點(diǎn)m。選定x軸如圖所示，則a、b、c三個應(yīng)變片的角分別為，-45000,+450代入式（a），得出沿這三個方向的線應(yīng)變分別是（e）從以上三式中解出（f）由于和可以直接測定，所以和可由測量的結(jié)果求出。將它們代入公式（b），得（g）把和代入胡克定律（d），便可確定m點(diǎn)的主應(yīng)力。將式（f）代入式（c），得（h）（i）由上式解出相差的兩個，確定兩個相互垂直的主方向。利用應(yīng)變圓可知，若的代數(shù)值大于，則由x軸量起，絕對值較小的確定主應(yīng)變（對應(yīng)于）的方向。反之，若，則由x軸量起，絕對值較小確定主應(yīng)變（對應(yīng)于）的方向。2.內(nèi)力素的測定利用電橋原理的基本公式：，合理把所需測量的應(yīng)變計組成測量橋路接到電阻應(yīng)變儀中，用增量法逐級加載，分別測量應(yīng)變計相應(yīng)的應(yīng)變，再利用應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，即可求得相應(yīng)的內(nèi)力。

（1）彎曲應(yīng)力的測量取m、m′兩點(diǎn)處沿軸向方向兩片應(yīng)變計組成半橋橋路，因?yàn)檠豖軸方向只有彎曲引起的拉伸和壓縮應(yīng)變，其數(shù)值大小相等，符號相反，則：式中εr為應(yīng)變儀讀數(shù)，εT為溫度應(yīng)變。根據(jù)虎克定律，則彎曲應(yīng)力為：

設(shè)薄壁圓管的外徑為D，內(nèi)徑為d，令系數(shù)α＝d/D，則彎矩為：

（j）式中：E為材料的彈性模量,WX為圓管抗彎截面模量。（2）、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的測量受扭矩作用的圓管表面上各點(diǎn)均為純剪切應(yīng)力狀態(tài)。由應(yīng)力狀態(tài)分析可知，主應(yīng)力大小相等，符號相反，且主方向與圓管軸線成450。選擇好m、m′兩點(diǎn)沿軸向成450的4片應(yīng)變計組成全橋橋路，則：式中εr為應(yīng)變儀讀數(shù)，εT為溫度應(yīng)變，ε45為主應(yīng)變。根據(jù)廣義虎克定律，則扭轉(zhuǎn)主應(yīng)力為：

（k）由扭矩公式可得扭矩為：

（l）式中：WT為抗扭截面模量。四、實(shí)驗(yàn)條件1、數(shù)字式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。2、游標(biāo)卡尺與鋼尺。3、材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺。五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、測量薄壁圓管試件的有關(guān)尺寸（內(nèi)外直徑d、D；懸臂端距測試點(diǎn)距離L；加力點(diǎn)距空心軸懸臂端軸線距離L1。），材料的常數(shù)E和μ由實(shí)驗(yàn)室給出。2、采用多點(diǎn)半橋公共補(bǔ)償法或全橋法進(jìn)行測量。設(shè)計測試橋路，選擇應(yīng)變花的6個應(yīng)變計中所需的應(yīng)變計和溫度補(bǔ)償片接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀相應(yīng)接線柱上。3、檢查接線無誤后，打開智能全數(shù)字式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀電源開關(guān)，設(shè)置好參數(shù)，預(yù)熱5分鐘左右，檢查各應(yīng)變儀各通道是否平衡。4、采用等增量法進(jìn)行加載，加載分為五級。加載方式在多功能實(shí)驗(yàn)裝置上用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行加載，每加一級載荷讀取各測量應(yīng)變計的應(yīng)變值大小。達(dá)到最終載荷后，記錄相應(yīng)應(yīng)變值。卸載，應(yīng)變儀讀數(shù)回到初始狀態(tài)。5、重復(fù)實(shí)驗(yàn)不少于三次，直至取得三次有效測量數(shù)據(jù)，并取其算術(shù)平均值或用最小二乘法處理數(shù)據(jù)。六、思考題測量值的誤差主要是由那些因素引起的？分析誤差產(chǎn)生的原因。七、實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)報告應(yīng)包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃砗喪?、組橋方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理，以及誤差分析等。表3-1測量對象測量橋路橋臂系數(shù)讀數(shù)應(yīng)變增量加載級數(shù)讀數(shù)應(yīng)變則增量平均值12345實(shí)驗(yàn)值M=T=理論值M=T=誤差表3-2材料常數(shù)：彈性模量E=GPa,伯松比=載荷增量F=N裝置尺寸：圓筒外徑D=mm,圓筒內(nèi)徑d=mm加載臂長h=mm,測點(diǎn)位置=mm讀數(shù)應(yīng)變增量加載級數(shù)讀數(shù)應(yīng)變增量平均值12345b點(diǎn)d點(diǎn)主應(yīng)力及主方向誤差分析b點(diǎn)理論值實(shí)驗(yàn)值誤差/%d點(diǎn)理論值實(shí)驗(yàn)值誤差/%1、主應(yīng)力的理論計算公式如下：

（3-1）

（3-2）式中

（3-3）

（3-4）2、主方向的理論計算公式如下：

(3-5)其中σW：由彎矩作用引起的應(yīng)力

τT：由扭矩作用引起的應(yīng)力MEW：作用在測試點(diǎn)上的彎矩

MET：作用在測試點(diǎn)上的扭矩WW：抗彎截面模量

WT：抗扭截面模量

列表比較最大主應(yīng)力的實(shí)測值和相應(yīng)的理論值，算出相對誤差，畫出理論和實(shí)驗(yàn)的主應(yīng)力和主方向的應(yīng)力狀態(tài)圖。3、數(shù)據(jù)計算時，取三次測量的平均值計算，三次實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)線性不好的一組應(yīng)作為可疑數(shù)據(jù)，舍去或重做。4、彎矩和扭矩的理論計算依據(jù)以下公式：

M=PL

T=PL1可將彎矩和扭矩的理論值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，計算相對誤差。附2-1組合式材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺組合式材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺是方便同學(xué)們自己動手作材料力學(xué)電測實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，一個實(shí)驗(yàn)臺可做七個以上電測實(shí)驗(yàn)，功能全面，操作簡單。構(gòu)造及工作原理1、外形結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺為框架式結(jié)構(gòu)，分前后兩片架，其外形結(jié)構(gòu)如圖2-1。前面架可做彎扭組合受力分析，材料彈性模量、泊松比測定，偏心拉伸實(shí)驗(yàn)，壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，懸臂梁實(shí)驗(yàn)、等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)；后面架可做純彎曲梁正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)標(biāo)定，組合疊梁實(shí)驗(yàn)等。(a)前面(b)后面圖2-1組合式材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺外形結(jié)構(gòu)圖1.傳感器；2.彎曲梁附件；3.彎曲梁；4.三點(diǎn)撓度儀；5.千分表（用戶需另配）；6.懸臂梁附件；7.懸臂梁；8.扭轉(zhuǎn)筒；9.扭轉(zhuǎn)附件；10.加載機(jī)構(gòu)；11.手輪；12.拉伸附件；13.拉伸試件；14.可調(diào)節(jié)底盤2、加載原理加載機(jī)構(gòu)為內(nèi)置式，采用蝸輪蝸桿及螺旋傳動的原理，在不產(chǎn)生對輪齒破壞的情況下，對試件進(jìn)行施力加載，該設(shè)計采用了兩種省力機(jī)械機(jī)構(gòu)組合在一起，將手輪的轉(zhuǎn)動變成了螺旋千斤加載的直線運(yùn)動，具有操作省力，加載穩(wěn)定等特點(diǎn)。3、工作機(jī)理實(shí)驗(yàn)臺采用蝸桿和螺旋復(fù)合加載機(jī)構(gòu)，通過傳感器及過渡加載附件對試件進(jìn)行施力加載，加載力大小經(jīng)拉壓力傳感器由力＆應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀的測力部分測出所施加的力值；各試件的受力變形，通過力＆應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀的測試應(yīng)變部分顯示出來，該測試設(shè)備備有微機(jī)接口，所有數(shù)據(jù)可由計算機(jī)分析處理打印。操作步驟1、將所作實(shí)驗(yàn)的試件通過有關(guān)附件連接到架體相應(yīng)位置，連接拉壓力傳感器和加載件到加載機(jī)構(gòu)上去。2、連接傳感器電纜線到儀器傳感器輸入插座，連接應(yīng)變片導(dǎo)線到儀器的各個通道接口上去。3、打開儀器電源，預(yù)熱約20分鐘左右，輸入傳感器量程及靈敏度和應(yīng)變片靈敏系數(shù)（一般首次使用時已調(diào)好，如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及傳感器沒有改變，可不必重新設(shè)置），在不加載的情況下將測力量和應(yīng)變量調(diào)至零。4、在初始值以上對各試件進(jìn)行分級加載，轉(zhuǎn)動手輪速度要均勻，記下各級力值和試件產(chǎn)生的應(yīng)變值進(jìn)行計算、分析和驗(yàn)證，如已與微機(jī)連接，則全部數(shù)據(jù)可由計算機(jī)進(jìn)行簡單的分析并打印。注意事項(xiàng)1、每次實(shí)驗(yàn)最好先將試件擺放好，儀器接通電源，打開儀器預(yù)熱約20分鐘左右，講完課再作實(shí)驗(yàn)。2、各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)不得超過規(guī)定的終載的最大拉壓力。3、加載機(jī)構(gòu)作用行程為50mm，手輪轉(zhuǎn)動快到行程末端時應(yīng)緩慢轉(zhuǎn)動，以免撞壞有關(guān)定位件。4、所有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完后，應(yīng)釋放加力機(jī)構(gòu)，最好拆下試件，以免閑雜人員亂動損壞傳感器和有關(guān)試件。5、蝸桿加載機(jī)構(gòu)每半年或定期加潤滑機(jī)油，避免干磨損，縮短使用壽命。附2-2電測法的基本原理電測法的基本原理是用電阻應(yīng)變片測定構(gòu)件表面的線應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變—應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。這種方法是將電阻應(yīng)變片粘貼的被測構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件變形時，電阻應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，然后通過電阻應(yīng)變儀將此電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）的變化，再換算成應(yīng)變值或者輸出與此應(yīng)變成正比的電壓（或電流）的信號，由記錄儀進(jìn)行記錄，就可得到所測定的應(yīng)變或應(yīng)力。其原理框圖如圖2-2。電量欲電量欲測量被測物體敏感元件測量儀器光、電、機(jī)傳感器數(shù)據(jù)采集與處理物理量力學(xué)量生物參數(shù)機(jī)械量 物理量力學(xué)量生物參數(shù)機(jī)械量數(shù)字量電數(shù)字量電流電壓圖2-2電測技術(shù)原理圖電測法的優(yōu)點(diǎn)：1、測量靈敏度和精度高。其最小應(yīng)變?yōu)?με（με—微應(yīng)變，1με=10-6ε）。在常溫靜態(tài)測量時，誤差一般為1～3%；動態(tài)測量時，誤差在3～5%范圍內(nèi)。2、測量范圍廣?？蓽y±1～2×104με;力或重力的測量范圍10-2～105N等。3、頻率響應(yīng)好?？梢詼y量從靜態(tài)到數(shù)105Hz動態(tài)應(yīng)變。4、輕便靈活。在現(xiàn)場或野外等惡劣環(huán)境下均可進(jìn)行測試。5、能在高、低溫或高壓環(huán)境等特殊條件下進(jìn)行測量。6便于與計算機(jī)聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動化及無線電遙測。電測法測量電路及其工作原理電橋基本特性通過電阻應(yīng)變片可以將試件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成應(yīng)變片的電阻變化，通常這種電阻變化很小。測量電路的作用就是將電阻應(yīng)變片感受到的電阻變化率△R/R變換成電壓（或電流）信號，再經(jīng)過放大器將信號放大、輸出。測量電路有多種，惠斯登電路是最常用的電路，如圖2－3。設(shè)電橋各橋臂電阻分別為R1、R2、R3、R4，其中任一橋臂都可以是電阻應(yīng)變片。電橋的A、C為輸入端接電源E，B、D為輸出端，輸出電壓為UBD。從ABC半個電橋來看，A、C間的電壓為E，流經(jīng)R1的電流為I1＝E/（R1＋R2）R1兩端的電壓降為UAB=I1R1=R1E/(R1+R2)同理，R4兩端的電壓降為UAD=I3R4=R4E/(R3+R4)BR1R2UBD UBDA CR4R3D E圖2－3因此可得到電橋輸出電壓為UBD=UAB-UAD=R1E/(R1+R2)-R4E/(R3+R4)=(R1R3-R2R4)E/(R1+R2)(R3+R4)由上式可知，當(dāng)R1R3=R2R4或R1/R2＝R4/R3時，輸出電壓UBD為零，成為電橋平衡。設(shè)電橋的四個橋臂與粘在構(gòu)件上的四枚電阻應(yīng)變片聯(lián)接，當(dāng)構(gòu)件變形時，其電阻值的變化分別為:R1+△R1、R2+△R2、R3+△R3、R4+△R4，此時電橋的輸出電壓為經(jīng)整理、簡化并略去高階小量，可得當(dāng)四個橋臂電阻值均相等時即:R1＝R2＝R3＝R4＝R，且它們的靈敏系數(shù)均相同，則將關(guān)系式△R/R＝Kε帶入上式，則有電橋輸出電壓為（2－1）由于電阻應(yīng)變片是測量應(yīng)變的專用儀器，電阻應(yīng)變儀的輸出電壓UBD是用應(yīng)變值εd直接顯示的。電阻應(yīng)變儀有一個靈敏系數(shù)K0，在測量應(yīng)變時，只需將電阻應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)調(diào)節(jié)到與應(yīng)變片的靈敏系數(shù)相等。則εd=ε,即應(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)變εd值不需進(jìn)行修正，否則，需按下式進(jìn)行修正K0εd＝Kε（2－2）則其輸出電壓為由此可得電阻應(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)變?yōu)椋?－3）式中ε1、ε2、ε3、ε4分別為R1、R2、R3、R4感受的應(yīng)變值。上式表明電橋的輸出電壓與各橋臂應(yīng)變的代數(shù)和成正比。應(yīng)變ε的符號由變形方向決定，一般規(guī)定拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù)。由上式可知，電橋具有以下基本特性：兩相鄰橋臂電阻所感受的應(yīng)變ε代數(shù)值相減；而兩相對橋臂電阻所感受的應(yīng)變ε代數(shù)值相加。這種作用也稱為電橋的加減性。利用電橋的這一特性，正確地布片和組橋，可以提高測量的靈敏度、減少誤差、測取某一應(yīng)變分量和補(bǔ)償溫度影響。溫度補(bǔ)償電阻應(yīng)變片對溫度變化十分敏感。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，因應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)與被測構(gòu)件的線膨脹系數(shù)不同，且敏感柵的電阻值隨溫度的變化而變化，所以測得應(yīng)變將包含溫度變化的影響，不能反映構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)變，因此在測量中必須設(shè)法消除溫度變化的影響。消除溫度影響的措施是溫度補(bǔ)償。在常溫應(yīng)變測量中溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ遣捎脴蚵费a(bǔ)償法。它是利用電橋特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)摹＃?）補(bǔ)償塊補(bǔ)償法把粘貼在構(gòu)件被測點(diǎn)處的應(yīng)變片稱為工作片，接入電橋的AB橋臂；另外以相同規(guī)格的應(yīng)變片粘貼在與被測構(gòu)件相同材料但不參與變形的一塊材料上，并與被測構(gòu)件處于相同溫度條件下，稱為溫度補(bǔ)償片，將它接入電橋與工作片組成測量電橋的半橋，電橋的另外兩橋臂為應(yīng)變儀內(nèi)部固定無感標(biāo)準(zhǔn)電阻，組成等臂電橋。有電橋特性可知，只要將補(bǔ)償片正確的接在橋路中即可消除溫度變化所產(chǎn)生的影響。（2）工作片補(bǔ)償法這種方法不需要補(bǔ)償片和補(bǔ)償塊，而是在同一被測構(gòu)件上粘貼幾個工作應(yīng)變片，根據(jù)電橋的基本特性及構(gòu)件的受力情況，將工作片正確地接入電橋中，即可消除溫度變化所引起的應(yīng)變，得到所需測量的應(yīng)變。應(yīng)變片在電橋中的接線方法應(yīng)變片在測量電橋中，利用電橋的基本特性，可用各種不同的接線方法以達(dá)到溫度補(bǔ)償；從復(fù)雜的變形中測出所需要的應(yīng)變分量；提高測量靈敏度和減少誤差。半橋接線方法①半橋單臂測量(圖2－4a)：電橋中只有一個橋臂接工作應(yīng)變片（常用AB橋臂），而另一橋臂接溫度補(bǔ)償片（常用BC橋臂），CD和DA橋臂接應(yīng)變儀內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電阻?？紤]溫度引起的電阻變化，按公式（2－3）可得到應(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)變?yōu)棣興＝ε1＋ε1t－ε2t由于R1和R2溫度條件完全相同，因此（△R1/R1）t=（△R2/R2）t，所以電橋的輸出電壓只與工作片引起的電阻變化有關(guān)，與溫度變化無關(guān)，即應(yīng)變儀的讀數(shù)為εd＝ε1②半橋雙臂測量（圖2－4b）：電橋的兩個橋臂AB和BC上均接工作應(yīng)變片，CD和DA兩個橋臂接應(yīng)變儀內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電阻。因?yàn)閮晒ぷ鲬?yīng)變片處在相同溫度條件下，（△R1/R1）t=（△R2/R2）t，所以應(yīng)變儀的讀數(shù)為εd＝（ε1＋ε1t）―（ε2＋ε2t）＝ε1―ε2由橋路的基本特性，自動消除了溫度的影響，無需另接溫度補(bǔ)償片。 B BR1RR1R2 dUDB dUDBA C A CR4R3R4R3DD E E (a)半橋單臂測量(b)半橋雙臂測量圖2－4半橋電路接線法全橋接線法相對橋臂測量（圖2－4c）：電橋中相對的兩個橋臂接工作片（常用AB和CD橋臂），另兩個橋臂接溫度補(bǔ)償片。此時，四個橋臂的電阻處于相同的溫度條件下，相互抵消了溫度的影響。應(yīng)變儀的讀數(shù)為εd＝（ε1＋ε1t）―ε2t＋（ε3＋ε3t）－ε4t＝ε1＋ε3②全橋測量（圖2－4d）：電橋中的四個橋臂上全部接工作應(yīng)變片，由于它們處于相同的溫度條件下，相互抵消了溫度的影響。應(yīng)變儀的讀數(shù)為εd＝ε1―ε2+ε3-ε4 B BR1R2R1R2 dUDB dUDBA C A CR4R3R4R3DD E E(c)相對橋臂測量(d)全橋測量圖2－4全橋電路接線法橋臂系數(shù)同一個被測量值，其組橋方式不同，應(yīng)變儀的讀數(shù)εd也不相同。定義測量出的應(yīng)變儀的讀數(shù)εd與待測應(yīng)變ε之比為橋臂系數(shù)，因此橋臂系數(shù)B為

實(shí)驗(yàn)三機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、培養(yǎng)根據(jù)實(shí)際機(jī)構(gòu)模型繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的能力。2、熟悉并掌握機(jī)構(gòu)自由度的計算方法。3、正確處理機(jī)構(gòu)自由度計算時應(yīng)注意的三個問題。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、油泵、牛頭刨、沖床等機(jī)構(gòu)模型。2、自備繪圖工具（圓規(guī)、三角板、鉛筆、橡皮等）。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖繪制（1）確定構(gòu)件類型及其數(shù)目轉(zhuǎn)動原動件，按傳動順序仔細(xì)觀察構(gòu)件之間的相對運(yùn)動關(guān)系，認(rèn)清機(jī)架、原動件、從動件和執(zhí)行件并確定構(gòu)件數(shù)目（活動構(gòu)件的數(shù)目和構(gòu)件總數(shù)目）。（2）確定運(yùn)動副類型及數(shù)目重復(fù)以上操作，根據(jù)構(gòu)件之間的相對運(yùn)動性質(zhì)認(rèn)清移動副、回轉(zhuǎn)副、高副、低副，并數(shù)清其數(shù)目（3）選擇機(jī)構(gòu)運(yùn)動瞬時位置選擇能清楚表達(dá)機(jī)構(gòu)運(yùn)動特征的一般瞬時位置.不要選特殊位置。（4）合理選擇投影面選擇能清楚表達(dá)機(jī)構(gòu)運(yùn)動特征的平面作為投影面，對平面機(jī)構(gòu)應(yīng)選運(yùn)動平面為投影面。（5）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖選擇適當(dāng)?shù)谋壤?按GB446084中規(guī)定的構(gòu)件和運(yùn)動副的符號,畫出機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。（6）構(gòu)件和運(yùn)動副編號從原動件開始順著傳動路線在圖中依次引序號1,2,3…；標(biāo)出原動件;在回轉(zhuǎn)副中心、移動副導(dǎo)路上或高副接觸處引出A,B,C…。2、計算機(jī)構(gòu)的自由度（1）套公式將以上確定的參數(shù)代入平面機(jī)構(gòu)的自由度計算公式：F=3n-2PL-Ph（2）檢驗(yàn)正誤根據(jù)計算所得的自由度值判定機(jī)構(gòu)運(yùn)動的確定性，并用實(shí)際機(jī)構(gòu)的運(yùn)動確定情況檢驗(yàn)，如發(fā)生矛盾說明簡圖或計算有錯，須做如下檢查。(a)自由度計算檢查檢查是否考慮了復(fù)合鉸鏈、局部自由度、虛約束等情況。(b)運(yùn)動簡圖檢查檢查所繪制的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖的構(gòu)件數(shù)、運(yùn)動副類型及數(shù)目是否與原實(shí)際機(jī)構(gòu)一致。四、實(shí)驗(yàn)報告要求1、實(shí)驗(yàn)結(jié)果每人在實(shí)驗(yàn)報告紙上繪出十個測得的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論（1）計算上述機(jī)構(gòu)的自由度（2）判定運(yùn)動的確定性（3）指出每一個機(jī)構(gòu)中存在的復(fù)合餃鏈、局部自由度和虛約束。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)論實(shí)驗(yàn)四機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案創(chuàng)新設(shè)計實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.培養(yǎng)學(xué)生對機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動方案的整體認(rèn)識，加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐背景的訓(xùn)練，拓寬學(xué)生的知識面，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、綜合設(shè)計及工程實(shí)踐動手能力；2.通過機(jī)構(gòu)的拼接，在培養(yǎng)工程實(shí)踐動手能力的同時，可以發(fā)現(xiàn)一些基本機(jī)構(gòu)及機(jī)械設(shè)計中的典型問題，通過解決問題，可以對運(yùn)動方案設(shè)計中的一些基本知識點(diǎn)融會貫通，對機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動特性有一個更全面更深入的理解；3.加深學(xué)生對機(jī)構(gòu)組成原理的認(rèn)識，進(jìn)一步掌握機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案構(gòu)型的各種創(chuàng)新設(shè)計方法。二、設(shè)備和工具創(chuàng)新組合模型一套，包括組成機(jī)構(gòu)的各種運(yùn)動副、構(gòu)件、動力源及一套實(shí)驗(yàn)工具(扳手、起子)。構(gòu)件包括機(jī)架、連桿，圓柱齒輪，齒條、圓錐齒輪，蝸輪蝸桿，凸輪及從動件，槽輪及撥盤和皮帶輪等，運(yùn)動副包括轉(zhuǎn)動副、移動副、齒輪副、凸輪副、槽輪副等。1、機(jī)架：給構(gòu)件和運(yùn)動副提供了一個多層、多面和多維支撐的機(jī)架(見圖6-1)。圖6-1機(jī)架機(jī)架滑塊橫梁輔架圖6-1機(jī)架機(jī)架滑塊橫梁輔架把手聯(lián)接片主立柱角聯(lián)接片輔立柱底架圖6-圖6-2連桿圖6-3連桿的加長2、連桿：提供5種長度的連桿，運(yùn)動學(xué)尺寸在整個連桿長度(20～700)范圍內(nèi)無級調(diào)整。另外齒輪上有多個軸孔，因而均可用作連桿，當(dāng)曲柄使用，其運(yùn)動學(xué)尺寸為18、20、26mm。每根連桿端部有M8的螺孔，分別與各運(yùn)動副接頭M8的螺桿相連。其中間的螺母起調(diào)整和所緊作用(見圖6-3所示)。連桿表面有一淺槽，是緊定螺釘?shù)慕佑|表面(需要時用)。另外，每臺提供了1個連桿連接頭，可以將現(xiàn)有的兩個連桿連接起來，起到加長連桿的作用，因而可實(shí)現(xiàn)連桿的運(yùn)動學(xué)尺寸在20～700mm內(nèi)調(diào)整(見圖3所示)。圖6-4齒輪與圓錐齒輪圖6-4齒輪與圓錐齒輪圖圖6-5齒條4、齒條：提供了長度相同的兩個齒條，長度約300mm(有的小組是250mm)。5、圓錐齒輪：齒數(shù)25的圓錐齒輪2件，可實(shí)現(xiàn)垂直軸間的運(yùn)動傳遞。6、蝸輪蝸桿：提供齒數(shù)40的蝸輪l件，頭數(shù)為l的蝸桿l件?？蓪?shí)現(xiàn)垂直交錯軸間的運(yùn)動傳遞及減速。7、凸輪與從動件：每組提供一個盤形凸輪，即可實(shí)現(xiàn)一種從動件運(yùn)動規(guī)律。從動件有兩種，一種是對心滾子從動件，一種是平底從動件。凸輪上打有鋼號，每種鋼號對應(yīng)一種從動件運(yùn)動規(guī)律，具體如下：鋼號凸輪名稱升程(mm)升程運(yùn)動規(guī)律回程運(yùn)動規(guī)律滾子半徑(mm)l雙停凸輪25改進(jìn)梯形規(guī)律()改進(jìn)正弦規(guī)律()142單停凸輪25諧波函數(shù)規(guī)律()諧波函數(shù)規(guī)律()143無停凸輪2l等速運(yùn)動規(guī)律()減速運(yùn)動規(guī)律()14為了保證凸輪和從動件始終接觸，還提供了幾種彈簧使其產(chǎn)生力鎖合。8、皮帶輪：提供直徑為40mm的雙層皮帶輪l件和直徑為80mm的單層皮帶輪兩件，可實(shí)現(xiàn)減速和多種形式的運(yùn)動傳遞。每組提供5根長度不同的皮帶供選擇使用。如圖6-6所示圖6-6皮帶輪9、槽輪和撥盤：每組僅提供一套槽輪機(jī)構(gòu)，包括槽數(shù)為4的槽輪、一個撥盤(單銷或雙銷撥盤)。如圖6-7所示圖6-6皮帶輪圖6-7槽輪、撥盤10、各種規(guī)格的運(yùn)動副接頭：可以與各種軸類零件組成各種轉(zhuǎn)動副；可以與連桿表面組成移動副。如圖6-8所示圖6-7槽輪、撥盤主要功能介紹：1)圓軸：運(yùn)動副接頭l上的圓軸與運(yùn)動副接頭2的圓孔形成轉(zhuǎn)動副，圓軸的不同長度，適用于將構(gòu)件安裝在不同的層內(nèi)，避免構(gòu)件間的運(yùn)動干涉?？捎萌舾筛魤|進(jìn)行軸向定位。2)圓軸上的M8的螺紋：可與M8的螺母或端蓋零件連接。圖8圖8運(yùn)動副接頭1、2、3(從左至右)4)M8的螺桿：可與連桿上M8的螺紋孔連接。5)M5的螺紋孔：各接頭上M5的螺孔，在需要時，可用于將相對運(yùn)動的兩構(gòu)件固定。11、傳