毕业设计论文简易疲劳试验机的设计.docx

简易疲劳试验机的设计DESIGNOFSIMP1EFATIGUETESTINGMACHINE摘要本文主要介绍了疲劳试验机的研究历史及发展现状，并针对当前疲劳试验机发展所存在的一些问题，设计一款简易弯曲疲劳试验机。试验机主要包括机械系统和测控系统。疲劳试验机的机械系统部分，主体采用曲柄滑块机构，并简单设计了试验机的试件。本课题主要设计一款简支梁式的弯曲疲劳试验机，可进行平面弯曲试验中的三点弯曲试验。综合考虑各种因素的影响，重点设计了转轴、偏心轮机构、驱动杆、夹具、机架等主要机构，为避免试验时可能发生的意外，为试验机设计了一款安全装置。本试验机的测控系统主要包括电气控制系统和测试系统。电气控制系统采用变频器实现对交流电机的转速控制；测试系统主要包括交变载荷检测系统和循环次数检测系统。交变载荷检测系统，采用电阻应变式传感器对载荷进行检测，经由放大电路以及数模转换器处理后，通过单片机进行控制显示。循环次数检测系统，通过接近开关感应信号，并由单片机控制计数及显示。关键词疲劳试验机；三点弯曲；变频器；载荷检测AbstractThispapermain1yintroducestheresearchhistoryanddeve1opmentstatusoffatiguetestingmachine,anddesignsasimp1ebendingfatiguetestingmachineforsomeprob1emsexistinginthedeve1opmentoffatiguetestingmachine.Thetestingmachinemain1yinc1udesmechanica1systemandmeasurementandcontro1system.Fatiguetestingmachinepartofthemechanica1system,themainbodywithacranks1idermechanism,andasimp1edesignofthetestmachinetestpieces.Themaindesignofasimp1ebeam-typebendingfatiguetestingmachine,canbecarriedoutinthep1anebendingtestofthethree-pointbendingtest.Consideringtheinf1uenceofvariousfactors,thekeyinstitutionssuchasrotatingshaft,eccentricwhee1mechanism,drivingrod,fixtureandframearedesigned.Inordertoavoidaccidentsthatmayoccurduringthetest,asafetydeviceisdesignedforthetestingmachine.Thetestingandcontro1systemofthetestmachinemain1yinc1udese1ectrica1contro1systemandtestsystem.Thee1ectriccontro1systemadoptsthefrequencyconvertertorea1izetherotationa1speedcontro1oftheACmotor.Thetestsystemmain1yinc1udesthea1ternating1oaddetectionsystemandthecyc1enumberdetectionsystem.A1ternating1oaddetectionsystem,theuseofresistancestrainsensortodetectthe1oad,throughtheamp1ifiercircuitanddigita1-ana1ogconverterprocessing,throughthemicro-contro11ertocontro1thedisp1ay.Cyc1enumberdetectionsystem,throughtheproximityswitchsensorsigna1,andbythemicro-contro11ercontro1countanddisp1ay.Keywordsfatiguetestingmachinethree-pointbendingfrequencyconverter1oaddetection摘要AbstractIII1绪论11.1 引言11.2 课题的背景和研究意义11.2.1 课题背景11.2.2 研究意义11.3 国内外疲劳试验机的发展概况21.4 课题研究的主要问题22疲劳试验机的总体方案设计32.1 机械部分总体方案设计32.1.1 激振方法的选择与设计32.1.2 试件选择及疲劳加载方式确定32.1.3 驱动载荷计算42.1.4 转轴最小转矩计算72.1.5 最大工作载荷计算82.2 电气控制系统的总体方案设计92.2.1 总体方案要求92.2.2 控制系统总体设计93疲劳试验机的机械部分设计113.1 疲劳试验机的工作原理及机械结构H3.1.1 疲劳试验机的工作原理113.1.2 疲劳试验机的机械结构组成113.2 转轴的设计123.2.1 轴的类型选择123.2.2 转轴的材料123.2.3 转轴的结构设计123.2.4 轴上载荷的计算143.2.5 转轴的强度校核计算163.2.6 转轴的刚度校核计算183.2.7 转轴的振动203.3 试验机加载机构的设计213.3.1 激振机构的设计213.3.2 驱动杆的设计233.3.3 连杆设计243.3.4 导轨设计243.3.5 机架设计253.3.6 夹具的设计263.3.7 安全装置的设计274疲劳试验机的测控系统设计284.1 电气控制系统设计284.1.1 电气控制系统的类型及工作原理284.1.2 电机调速方法设计284.1.3 变频器的简要介绍及选型304.1.4 变频调速的基本原理及特性304.1.5 变频器的组成及其控制原理314.2 疲劳试验机的检测系统设计324.2.1 交变载荷循环次数的系统设计334.2.2 交变载荷测试系统的硬件设计344.2.3 交变载荷测试系统的软件设计40结论43致谢44参考文献451绪论1.1 引言对于疲劳试验的研究，在很长一段时间内都是国内国际研究的重要内容。早在1830年左右，一名德国科学家就针对有关铁链重复载荷的试验，发表了关于金属疲劳问题的报告。多年以来，各国研究者、科学家都对疲劳问题做出了自己的贡献，金属疲劳的许多困难也被逐渐克服。不过不管从前还是现在，因为疲劳问题而产生的事故仍然时有发生。比如，2011年的4月，一架属于美国西南航空公司的波音737飞机在机身上出现了一个长度为1.8米的破洞。虽然这一事故并没有导致人员死亡和太大的经济损失，但是在世界各地都存在类似的问题。这些问题意味着警告，警告我们对于金属疲劳问题的研究要坚持不懈，要从现在做起。金属疲劳的问题，从某种意义上来说，也可以把它当作是人类的疲劳问题。换句话说,当我们人类经历了剧烈运动或者处于焦虑、充满压力的环境下，我们将会感到疲惫。而金属也是一样，当金属材料到达了它的极限，由于金属内部结构的不均匀性，有些地方会出现应力集中现象，材料表面裂隙因而产生，并进一步延伸，最终造成所用材料的损伤。疲劳试验机主要功能是检测材料疲劳、探测材料的疲劳寿命。对于各种金属材料、合金材料以及相关的机械构件，疲劳试验机能够对它们进行多种测试，包括拉伸、压缩、弯曲等疲劳试验。通过对于材料裂纹的检测，疲劳试验机可以检测得出所测材料的基本性能、疲劳特性及其他试验数据和结论。在如今的材料检测领域上，疲劳试验机有着非常重要的决定性影响。1.2 课题的背景和研究意义1.2.1 课题背景对于现如今的各种机器设备、检测材料，通常情况下它们所承受的载荷一般是交变载荷。根据有关研究记录发现，因为疲劳损伤而导致的破坏占了汽车配件破坏中百分之八十五左右；而因为疲劳断裂而导致的飞机等航空零件的破坏占了百分之七十左右。由此可见，疲劳问题在我们的生产实践中是较为常见的。疲劳试验机的发明与改进，对于预测金属疲劳失效起到了非常重要的作用。高负荷、高频率、低消耗等都是试验机所具有的特点，这些特点使研究者在做试验时能更好地缩短试验时间，降低试验费用。它能够测定出金属的极限峰值，保证了对于金属的安全使用，同时也能准确地知道金属的属性、特性，这样能够更好地防止意外事故的产生。1.2.2 研究意义最近的几十年，机械仪器、工程设备等机器的主要发展前景是高速多样化、智能化、万能化等，这必然导致机器需要必要的寿命检测。这种趋势也促使了试验机技术的前进。而对于材料疲劳性能的检测是科学家在科学研究中想要了解的重点内容。但在许多情况下，对于所测材料的性能研究并没有有效的理论方法，所以只好以试验的形式对材料加以校核检验，并最终找出所测材料的一般疲劳规律。而上述所说的这些试验所用的设备自然就是疲劳试验机。1.3 国内外疲劳试验机的发展概况当今世界，随着现代电子技术、机器工业、仪器仪表工业、国防工业等产业的迅猛发展，要求机器零件及结构能够更加安全、可靠，要求器件的材料能够有着更好的力学性能。在航空工业的发展中，这种要求尤为突出。所有机器和构件在使用中的破坏，大部分是由于机器的零件在承受动载荷后产生疲劳裂纹引起的。因而疲劳试验在材料试验中日趋重要。疲劳试验机是测定材料疲劳强度最重要的试验设备之一，故近年来国内外对于疲劳试验机的研究，发展得异常迅速。并且随着液压技术、电子技术等技术的快速发展，和对于大规模集成电路的深入研究，试验机在结构和性能方面都得到了很大的改进和提高。随着各种新型材料的发展和加工技术的提高，更是为疲劳试验机的研制奠定了坚实的基础。现代试验机产品的发展趋势也正朝着智能化、低频高应力化、万能化、自动化和专用化等特点发展。就拿高频疲劳试验机为例，现如今的许多国家比如日本、德国，试验机的类型主要是共振型的疲劳试验机，并且是靠电磁激励的。随着电液伺服技术的进一步研究和发展，电液伺服谐振式的试验机将引领高频疲劳试验机的发展网。总体来说，随着各种科学技术以及先进加工方法的产生及发展，对于疲劳试验机的研究将迈向崭新的未来。1.4 课题研究的主要问题本课题设计一款简易的弯曲疲劳试验机，主要能够实现对试件的三点弯曲疲劳试验。本设计中需要解决的主要问题如下：1疲劳试验机的机械结构设计，主要设计了疲劳试验机的加载机构部分及驱动机构部分，包括对曲柄偏心轮机构、机架、夹具和传动机构等的设计；2疲劳试验机的动力供应设计；3疲劳试验机的电气测控系统设计，包括电气控制设计、检测系统设计以及相应的控制电路和程序设计。2疲劳试验机的总体方案设计2.1 机械部分总体方案设计2.1.1 激振方法的选择与设计激振方法是根据试验目的及其参数而选取的，各种类型的激振方法的主要介绍见表2-10表2-1各类激振方法的介绍类型激振方法电磁电动磁致伸缩式曲柄偏心式恒定载荷加载式压缩空气式电气液压式载荷能力小中大小大频率变化范围高频（55000曲秒）低频（110次/秒）中频（5100次/秒）低频中低频（0500次/秒）振幅变化范围小（13毫米左右）大（10100毫米）小（3毫米左