毕业论文--转臂式加速度过载模拟实验台结构设计与分析

南昌航空大学科技学院学士学位论文 转臂式加速度过载模拟实验台结构设计与分析 1 前言1.1选题的依据及意义：现代军事、国防领域对火工品飞行器的机动性要求很高。火工品的机定性越好，对其整体强度要求及越高，承受机动过载的能力越强。为保证火工品的产品的质量和可靠性，必须进行火工品的地面过载实验，对火工品在法向加速度作用下的性能进行评价，用于指导产品设计与质量控制。离心加速度实验装置就是在地面上测试过载情况下火工品飞行器(如导弹等)某些性能的一种专用设备。例如，飞机在作水平盘旋机动时所受的力与角加速度有直接关系，质量大的飞机由于有受力极限角加速度就不能太大，而质量小的飞机在同样的受力极限上可以达到更大的角加速度，也就是说可以转的更快，转弯半径更小，水平机动性能更好。 离心试验台是由电机驱动带动实验台转动，从而通过测算轴的转速计算出加速度的试验装置，此外，还可以将样品进行分离。实验室用试验台的处理里量较小，体积和重量也较小，但分离的精确度较好，主要用在实验室中的分离提取与分析研究中。由于其功能的独特性，广泛应用干生物医学、石油化工、农业、食品卫生、航空工业等领域，它利用不同物质在离心力场中沉淀速度的差异，实现样品的分析分离。1.2国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：转臂式离心过载模拟实验台是通过传动系统使固定在旋转架上的发动机转动而产生离心力，在过载情况下测试其某些性能参数的变化情况，主要用于航天航空等领域的科学研究。普通的离心机装置是靠不同物质的沉降系数的不同，在一定的离心力的作用下，将不同的物质分离出来。即它是通过离心运动中不同比重的物质所受离心力不同，因而被分离开来，在工业生产中，离心机基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及固体颗粒分级等工艺过程，它是随着各工业部门的发展而相应发展起来的。至目前为止,在加速度对发动机性能的影响方面,人们主要进行了由火箭自旋引起的横向加速度对推进剂药柱产生的加速度效应研究,即燃速增加导致发动机内弹道性能发生畸变,影响发动机的正常工作。这方面,国内外学者进行了大量的试验研究和理论分析工作,并取得了重大进展。然而，某飞行试验的结果发现，由自旋产生的横向加速度与由导弹机动飞行产生的横向加速度对发动机工作产生影响的侧重面是有较大差别的，后者对发动机内绝热层烧蚀的影响最为突出，而且长期被人们所忽视，国内外至今缺乏对其的研究资料已有专家设计了实验发动机与实验装置,进行了一系列飞行固体火箭发动机横向过载模拟试验,获得了不同加速度下发动机内绝热层烧蚀率定量化的试验数据。验证了横向加速度严重影响局部绝热层烧蚀的事实。机理分析表明,此种结果是由于横向加速度作用下燃气中Al2O3液态粒子偏离发动机中心线,沿离心力方向大量沉积所致。此项研究为相关的工程设计提供了基础性的依据。离心试验台不仅在调速技术方面取得进展，而且随着制造和应用技术的发展，在多功能和自动化方面也有长足进步，如可变速率起制动、程序变速、直接输入离心力、操作程序的存储和调用、仪器状态的自动诊断、要求尽可能全的显示离心机的参数和状态信息、更加完善的安全保护功能等，有些功能不仅是锦上添花，而且直接影响离心效果，如可变速率起制动和程序变速可以改善区带离心效果和缩短离心时间等。从离心试验台制造业整体来看，不可否认的是，我国离心试验台制造行业的整体水平与国外的离心试验台的制造、新技术研发、尤其在整机可靠性、稳定性、使用寿命、装配精度、操作的灵活性、人性化、以及某些新技术的应用（主要是是新概念的应用）等方面等方面还存在一定的差距。但我国离心试验台工业已经有部分厂家、在某些技术、性能方面，已经达到了国际先进水平，在某些专项技术上甚至已经超过了部分国外品牌。目前国内离心试验台制造商主要从多方面考虑进行设计、改进，使我国的卧螺离心试验台新技术应用、生产技术等方面得到进一步提高。离心试验（过载试验、恒定加速度试验、恒加速度试验、加速度试验）一般可分为两类：第I类为性能试验，用以验证设备功能适应使用加速度环境的能力；第II类为结构试验，用以验证设备结构承受使用加速度环境的能力。如无明确规定，设备一般应进行这两类试验，在通过所规定各方向的性能试验考核后，再作各方向结构试验的考核。1.3论文的主要内容设计一个测量离心加速度的立式转台，待测件重量15kg，直径90-120mm，长度900-1200 mm，最大离心加速度70g。要求转台的结构设计，并进行相应的强度计算。第一步，查阅资料，熟悉离心机原理，了解离心实验台在国内外的发展状况和存在的问题。了解转臂式离心加速度过载模拟实验装置的特点以及在日常生产生活中的用途。根据其运用场合不同，适当选择合适的方案，以达到实用、经济、可靠的目的。第二步，在对所选课题有个初步的了解之后，再确定转臂式离心加速度过载模拟实验的研究内容及实验方案。第三步，试验台的总体方案设计，进行系统方案的设计、比较与确定,依据对选择的传动方案,查阅相关参考文献，从而完成，联轴器的设计. 装配图及其各零件的设计，设计好了之后再对各主要零部件进行强度校核，最后确定整体方案。第四步，根据方案，画出装配图,装配图画好后,从装配图中设计计算选择各零件以及完成对零件图的初步绘制。第五步，对工件的夹紧方案进行设计、比较与确定，最后选择合适的润滑剂。2 试验台的总体方案设计2.1试验台各零件参数设计2.1.1待测件结构尺寸设计本试验台应该适应以下发动机试验要求：过载模拟待测件长度：900 1200mm待测件直径：90 120mm待测件重量： 15Kg2.1.2 待测件载荷要求 最大离心加速度：70g 旋转架承载能力：大于1500N2.1.3 转台运动参数设计转台采用变频调速方式，技术指标如下：旋转架转速：小于300r/min旋转架启动平稳时间：180S电机额定功率：5.5KW实验转台上装有压力应变片，且配有控制箱，从而更好的保障人员安全2.2总体方案的提出以及特点方案1方案图： 图2-1 方案1总图组成：1.支撑定架； 2.带轮传动； 3.旋转平台； 4.旋转支架；5.刹车系统； 6.定 轴； 7.减震系统； 8.安装系统；9.轴 承； 10.底 座；方案一优点：（1）整个结构尺寸较大，适合大型试件的测试；（2）传动部分采用带传动，在过载情况下可以保护电动机，系统的安全性能好（3）结构简单、拆装方便、较好的制造工艺。相对于箱体结构而言，支撑柱的使用使整体结构更简单，装配也更方便。易于实现自动化，提高生产率。其二，使用空心轴的同时不仅能够满足引出线的目的，同时也提高了轴的抗扭强度。（3）：整个传动过程平稳，噪音小（4）：可以测量多种形式放置和多种形状的元件。但是同时这也对设计提出了更高的要求，因为还有考虑剃度加速度对测试件的影响。方案一缺点：（1）传动带更换时需要同时拆卸实验装置主轴等部件，维修不方便。（2）用八根立柱作为支承承担整个载荷，载荷过大时，立柱受载荷后容易产生扭转变形，从而降低实验装置的可靠性。（3）：只能测量一定重量的待测件。由于带传动只能在轻载条件下工作，当被测件超过一定重量时，同步带传动易出现打滑现象，从而无法实现传动。（4）：传动效率低，准确性不足。由于采用带传动，使整个结构传动效率低，寿命短，而且由于带传动的传动比不准确，故在测算离心力时，其转速存在偏差，使离心力的计算结果不准确。又实验台中采用的8根细长的支撑柱支撑，当转台和带测件稍重时，很容易使整个结构很失稳，从而产生很大的振动，从而影响测量的准确性，此时寿命也将降低。（5）：实验台床身体积庞大，操作不方便。本实验台高度上近三米，操作时极其的不方便，当机床运动时，其稳定性也很得到保证。（6）生产效率低，成本高。过高的床身会增加工人的劳动强动，且生产成本也将增加。方案2方案图： 图2-2 方案2总图组成： 1.支撑定架； 2.带轮传动； 3.旋转平台； 4.夹具；5.定 轴； 6.减震系统；7.安装系统；8.轴承；9.底座；方案二优点： （1） 相对方案一的结构尺寸大为减小（2） 实验装置的重心降低，动架上的载荷减小，稳定性增加（3） 对测量件的要求也大大降低了，而且可以实现多个角度范围测量。方案二缺点（1）每个角度都需设计一套专用夹具，对于不同角度的测量需要多个夹具，提 高了生产成本高。（2）测量的角度也比较固定，在测量不同角度时，要更换夹具，给拆卸方面带 来不便，从而降低了生产效率。方案3 方案图： 图2-3 方案3总图组成： 1.箱体； 2.集流环； 3.角接触球轴承； 4.大转动轴；5.大锥齿轮； 6.套筒； 7.箱体盖； 8.大轴承盖； 9.拉杆；13.旋转架； 19.套杯； 20.圆锥滚子轴承； 22.小轴承盖；24.齿轮轴； 29.箱体底盖； 31.连接块方案三优点:转盘结构的变化：从圆盘式变成圆盘带转臂式；通过和以上两方案中转盘的比较，本方案中转盘有以下特点：（1）采用转臂式转架，使测试件在转臂上的范围扩大（2）采用圆锥齿轮传动取代带传动，可避免更换带传动所带来的一系列问题（3）采用箱体作为支撑零件，可承受较大的扭矩，使整个装置的稳定性和可靠 性提高。（4）节省材料，降低成本。使用铸造的方法很生成转盘，较上述两方案中转盘的制造更能节约成本。此外，适当降低转盘和待测件对箱体的作用力，可以降低轴承等受力大的零部件的制造要求，可以使整个系统结构更简洁，制造工艺更好，从而降低生产成本。（5）工作稳定，使测量精度高。本方案中才用齿轮传动，它具有效率高、寿命长、工作可靠、传动比稳定等特点，使测量结果更可靠，精度更高。（6）扭矩低。过大的盘在高速的旋转状态下，产生很大的离心力和扭矩，这样很容易对零部件造成破坏，本方案中的采用的转盘和夹具固定在一起的方法可以减少运动时产生的离心力和扭矩。整体结构的变化： 在综合考虑实验台的使用性能、测量精度和生产成本的前提下，采用箱体的结构设计，使整机的高度从3167降到1800，并不影响其测量结果。当实验台的高速旋转时，由于离心力很大，产生的扭矩随之加大，这对轴承的选材和制造工艺有很大的要求，而且实验台的稳定性也难以保证。这中失稳在实验台越大时表现得更加明显。而且很高的实验台在高速旋转时易发生倾倒切对地基的要求也很高，因此适当简化整体的结构对测量精度和生产成本有很大影响。传动形式的变化：带传动改为齿轮传动； 齿轮传动的主要特点是效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定。在常用的机械传动中，齿轮传动的效率最高，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小，在设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，综合比较以上方案中传动形式，齿轮传动明显更好。2.3 确定方案以上提出了三种设计方案结果来看，几种方案都能满足设计要求，但在综合比较其制造成本，制造工艺，实用性以及测量精度等各方面的要求后，方案三更合理。因此选择方案三。3试验台的结构设计3.1电动机的选择： 已知条件： 旋转架转速： 小于300r/min