機械系統性能參數可視化分析實驗臺的設計

王　偉

(空軍第一航空學院 基礎部，河南 信陽 464000)

機械系統性能參數可視化分析實驗臺的設計

王偉

(空軍第一航空學院 基礎部，河南 信陽 464000)

摘要：機械系統性能參數可視化分析實驗臺具有集成性、可視化和便捷性等特點，主要為機械基礎實驗室機械設計類綜合實驗而設計，目前在實際教學中得到了廣泛應用。對機械系統性能參數可視化分析實驗臺進行了設計，介紹了實驗臺的工作原理，并對實驗臺的驅動源、主體結構和主要模塊等主要部件的設計進行了詳細說明，同時對實驗臺的測試控制系統進行了設計和功能分析，改善了傳統機械設計類綜合實驗的教學模式。通過研究設計得出了有益結論，為提高課堂教學效果提供了重要指導作用。

關鍵詞：機械系統；可視化分析；實驗臺

機械系統性能參數可視化分析實驗臺主要為機械基礎實驗室機械設計類綜合實驗而設計。機械性能實驗項目由于局限于了解特定機械傳動的某一部分功能，因而無法讓學生全面了解機械性能參數在實際系統中的變化和聯系，更無法讓學生對機械系統的整體設計和性能產生綜合性、創新性的思維[1]。從系統角度了解機械傳動、聯接的功能和設計原理成為該類實驗發展的趨勢。該實驗臺(見圖1)以達到此目的為設計思路，通過可組合多負載機械系統，向學生展示了典型機械結構的機械性能參數隨實際工作情況變化而變化的特點，為學生研究分析機械性能參數提供了平臺；同時，該實驗臺以先進的測試技術和計算機分析技術為表達手段，為啟迪學生思維提供了重要的方法。

1實驗臺工作原理

該實驗系統是在以往的傳統驗正型實驗基礎上開發而成，綜合了帶傳動、液體動壓滑動軸承、螺栓組聯接、鏈傳動速度波動效應、動力學速度波動調節和動態變負載螺栓聯接實驗。本文以帶傳動為例進行詳細說明。

圖1　實驗臺

該實驗系統不但可以單獨完成某項實驗，還可以同時完成幾個實驗，總體結構采用移動柜式，方便整個設備室內布置，而且可大大節約實驗空間及時間。實驗臺機械系統均裝在實驗臺的平板上，其中，1臺可水平移動的直流電動機作為系統驅動，通過第1級帶傳動帶動負載和后面的多級傳動，另一級傳動可安裝帶或鏈傳動(以驅動變載裝置)，中間增加可操縱元件——電磁離合器，從而充分拓寬學生的設計視野[2]。靜態螺栓組聯接加載采用螺紋加載方式，加載力可通過荷重傳感器直接測得。在整個實驗臺機械系統中，第1級傳動為平帶傳動，第2級傳動可采用三角帶或鏈傳動，帶傳動實驗采用工業用磁粉加載器加載，該系統是一個有多級負載模式、多級傳動的系統。

2主要部件的設計

2.1驅動源的設計

驅動源(見圖2)采用雙軸伸懸掛結構，2個軸承座固定在移動底板上，兩端各安裝1個帶輪，正面的帶輪用于液體滑動軸承及后面的各級傳動，另一端帶輪單獨用于帶傳動實驗。電動機、移動底板和導軌裝置組成可移動副，在電動機的腹部安裝有測力壓頭及電動機活動調節桿，電動機運轉時壓頭保持跟傳感器接觸，調節電動機，在不同轉速下可獲得電動機的工作力矩，如果做其他的實驗，需將調節桿的螺母擰緊，防止因力過大損壞傳感器。電動機移動底板的正下方安裝1個鋼絲連接支架，鋼絲繞過一對滑輪組通過施加砝碼來調節帶的預緊力。在做帶傳動以外的實驗時，通過調節螺桿張緊皮帶方可進行其他實驗，調節M12螺母即可張緊正面的皮帶。電動機背面的帶輪上安裝有測速光電盤，正下方是測速傳感器，在實驗過程中可獲得電動機轉速。

圖2　驅動源

2.2帶傳動模塊的設計

帶傳動獨立加載模塊如圖3所示，加載器部件如圖4所示。

圖3　帶傳動獨立加載模塊

圖4　加載器部件

由圖4可知，帶傳動張緊可采用2種方式：一種是定距張緊，通過螺桿調節裝置調節M12螺母來調節帶輪之間中心距；另一種是采用定力張緊，通過施加砝碼達到帶的預緊。驅動源帶動磁粉制動器主軸旋轉，通過調節控制面板上的旋鈕改變加載器的電流來獲得外載荷，加載器充當以往傳統帶傳動的燈泡負載，加載器的側面安裝1個懸臂杠桿，主軸旋轉時產生的力矩通過壓頭傳遞給壓力傳感器，通過計算機換算可得到輸出轉矩，主軸通過連接套與角位移編碼器連接可獲得輸出轉速，即得到帶傳動所需的4個基本參數：輸入轉速n1、輸入轉矩T1、輸出轉速n2和輸出轉矩T2，通過計算機軟件可獲得帶傳動的滑擦—效率曲線。

3結語

本文設計的機械系統性能參數可視化分析實驗臺，在以往的傳統驗正型實驗基礎上開發而成，綜合了6種機械基礎實驗室機械設計類實驗， 改變了傳統的教學模式。本文設計的實驗臺可組合多負載的機械系統，向學生展示了典型機械結構的機械性能參數隨實際工作情況變化而變化的過程，為學生研究分析機械性能參數提供了平臺，為啟迪學生的思維提供了重要的方法。

參考文獻

[1] 秦偉. 機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2] 張策. 機械原理與機械設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

責任編輯鄭練快

Performance Parameters of the Mechanical System Visualization Analysis Test-bed Design

WANG Wei

(Department of Basic Aviation Academy Air Force's First Mechanical Basis for Teaching and Research, Xinyang 464000, China)

Abstract：Mechanical system performance parameters of visualization analysis experiment platform has the characteristics of integration, visualization and convenience, it is designed primarily for mechanical basis laboratory mechanical experimental design, and the actual teaching has been widely used. The mechanical system performance parameters of visual analysis test platform have been designed to introduce the working principle of the experimental units, and test-bed of the driving source, the main structure, the main modules and other major components of the design are described in detail, while the experimental test control system design and functional analysis can improve the traditional mechanical design class integrated teaching experiments. Through the research design obtaining some valuable conclusions, provide important guidance for improving the effect of classroom teaching.

Key words:mechanical systems, visual analysis, test-bed

收稿日期：2015-01-06

作者簡介：王偉(1983-)，男，碩士，講師，主要從事機械設計基礎等方面的教學和科研。

中圖分類號：TH 122

文獻標志碼:A