哈工大機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)計QFB氣動遙控板高分報告

1、1 .工作原理qfb氣動遙控板為固定裝置的工業(yè)儀表，一般均裝在控制室內(nèi)的儀表 盤上。它們有的與氣動單元組合儀表配套使用，有的做單獨(dú)手操遙控使用， 可以用來測量調(diào)節(jié)器輸出壓力及手操定值器輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（閥門）的壓 力。圖1 qfb氣動遙控工作原理圖qfb氣動遙控工作原理圖如圖1所示。儀表的測量元件用波紋管和彈簧并聯(lián)，通過感知壓力變化可以間接測量氣 體壓強(qiáng)。當(dāng)輸入信號（0.02（m2mpa）即清潔和干燥的氣體進(jìn)入測量波紋 管時，由尸二“人可以知道將會對測量元件施加壓力。由于波紋管和 彈簧組成的彈性測量元件具有線性的工作特性，即在彈性范闈內(nèi)，滿足 = k-as,因此會產(chǎn)生一個位移量。通過傳動放大桿機(jī)

2、構(gòu)把直線位移 轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯罅说闹羔樀慕俏灰?。具體而言，對于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，可以將直線位移轉(zhuǎn)化為角位移，在近似線性區(qū)有；而較鏈四桿機(jī)構(gòu)則 將小的角位移放大為大的角位移，在近似線性區(qū)有2t2 ./。此時, 指針轉(zhuǎn)角亦為%,其指示讀數(shù)即為輸入信號壓力。綜上可知，指針的轉(zhuǎn)角見和被測氣體壓強(qiáng)好之間存在對應(yīng)關(guān)系2 k ,不難看出 指針的轉(zhuǎn)角氣體壓強(qiáng)為線性關(guān)系cqfb氣動遙控板工作流程圖如圖2所示。圖2 qfb氣動遙控工作流程圖2 .設(shè)計流程主要設(shè)計對象為壓力敏感元件（彈簧和波紋管）、傳動放大機(jī)構(gòu)（曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)和銳鏈四桿機(jī)構(gòu)）和示數(shù)機(jī)構(gòu)：設(shè)計內(nèi)容為材料選擇、參數(shù)設(shè) 計和計算以及精度校驗(yàn)：此外還要對各種可調(diào)整結(jié)

3、構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.1 波紋管波紋管是一種具有環(huán)形波紋的圓柱薄壁管，如圖3所示。在壓力 或軸向力的作用下，波紋管伸長或縮短。由于波紋管在很大的變形范圍內(nèi) 與壓力具有線性關(guān)系，有效而積比較穩(wěn)定，因而被廣泛用作測量或控制壓 力的敏感元件.考慮到波紋管的滯后誤差較大以及剛度較小，所以，本設(shè) 計選擇獎波紋管與圓柱螺旋彈簧并聯(lián)使用。圖3波紋管用于制造波紋管的材料主要有不銹鋼、錫青銅和被青銅等。參考教材（見參考文獻(xiàn)1,下同）選材說明可知錫青銅qsn6.5-0.1在 儀表中使用較多，因此本設(shè)計選擇錫青銅qsn6.5-0.1作為波紋管材料。波紋管的尺寸規(guī)格已按內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)系列化（jb“6169-2006）, 一般

4、將波 紋管的內(nèi)徑或外徑作為基本尺寸，其他尺寸以此為基準(zhǔn)按比例確定?？紤] 到本設(shè)計空間限制，選取波紋管外徑d = 20mm.根據(jù)jb/t6169-2006 （教材表15-10）查得其他參數(shù)如表1所示。表1波紋管部分參數(shù)表內(nèi)徑d12mm波距q2.1mm配合端長度ld3 mm單波軸向剛度k單41.5n/mm參照圖冊（見參考文獻(xiàn)，下同）案例仿照選取波紋數(shù)n10.由此計算波紋管剛度為降 41.59kd=4.15n / mm波 n. 10有效而積為4 =靠(。+ )2 =靠(20+12)2 = 201.062?/選取端部結(jié)構(gòu)為nn結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖4波紋管兩端內(nèi)配合結(jié)構(gòu)則計算得波紋管原長lj = nq

5、+ 2* = 10x2.1 + 2x3 = 27 mm2.2 圓柱螺旋壓縮彈簧圓柱螺旋壓縮彈簧是用線材繞制成的空間螺旋形的彈性元件，在儀器 中使用十分廣泛，其一般結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5圓柱螺旋壓縮彈簧本設(shè)計選取常用彈簧材料碳素彈簧鋼絲c級（ii級）。由教材表15-3 查得該材料部分參數(shù)如表2所示。表2碳素彈簧鋼絲c級（h級）參數(shù)表許用應(yīng)力力0.4/彈性模量e206250mpa切變模量81500 mpa由教材表15-4查得拉伸強(qiáng)度極限 = 2080mpj其中預(yù)估彈簧絲直徑出=l 2mm.于是可以計算得到r = 04bb = 04 x 2080 = s32mpa考慮到儀表空間限制，選取彈簧中徑dt

6、= 10mm由此算得環(huán)繞比為c 號唱= 8.3330.615 4x8.3331 0.615曲度系數(shù)為= 1.176+=+4c-4 c4x8.333 4 8.333選取工作圈數(shù)n2 = 7則可以計算得到彈簧剛度為gel4 81500xl.24 czcn,kp =： =；= 3.018n / nun/8x103x7 一下而分析該壓縮彈簧受到的最大軸向力4”工作載荷范圍為f =ap- 4 = (0.12 0.02) x 201.062 = 20.106n工作時，彈簧與波紋管并聯(lián)，如圖6所示。19圖6彈簧與波紋管并聯(lián)彈簧與波紋管并聯(lián)剛度為k 產(chǎn)（ + kj 產(chǎn)3.018+4.15=7.168n / m

7、m工作位移為20,1067.168=2.805mm波紋管預(yù)緊位移為sfv = 1.25s1 =1.25x 2.805=3.506mm彈簧預(yù)緊位移為k波s偉 4.15x3.506 )=.=4.821mm3.018彈簧預(yù)緊力為七并二勺，噌=3.018x4.821 = 14.5507v工作時，最大載荷位移量為pm” a 0.12x201.062 個 c j =5 =3.366mm7.168彈簧受到最大載荷為/工=4彈 + s= 14.550 + 3.366 x 3.018 = 24.709n8/cc3 = - = -!-=0.952mmd. = 1.2mm 卜 ct. 10.5可見滿足強(qiáng)度條件。選取

8、彈簧端部結(jié)構(gòu)為兩端并緊磨平，取在距p = 0.35d. = 0.35 x 10 = 3.5mm則彈簧原長為“0 =+ 1 754 =3.5x7 + 1.75x1.2 = 26.6mm2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)我們知道曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是傳功特性較復(fù)雜的非線性機(jī)構(gòu)，但是曲柄滑 塊機(jī)構(gòu)存在一個較小的線性工作區(qū)間，只要在此區(qū)間內(nèi)，并且非線性度不 超過允許值，就可以認(rèn)為是線性機(jī)構(gòu)，因此廣范應(yīng)用于測量儀表之中。曲 柄滑塊機(jī)構(gòu)如圖7所示。具體而言，當(dāng)產(chǎn)0且d=a時曲柄滑塊機(jī)構(gòu)處于線性區(qū)，設(shè)計時取此 狀態(tài)為中間位置，工作區(qū)間以此對稱分布以減小非線性誤差。_0 ,圖7曲柄滑塊機(jī)構(gòu)選取桿的材料為黃銅h80.以、升b、i 5

9、, =5r=2.805mm 已知輸入范圍為8 r取輸出范圍則線性處有 sg1 _14乃/180a. 2.805= 0.0871于是求得詼=11481s = = 取偏軸距dp =，則相對偏軸量”義=鄉(xiāng)=3,266。取相對桿長處 ,則偽=37.5皿已知誤差驗(yàn)算公式為與=xl00%sr可知實(shí)際位移為s&： =5 (sina-sin/)=11.481 x(sin7-sin(-7)=2.798mm于是由最大非線性誤差2.798-2,8052.805xl00%=0.24%2%可見此組參數(shù)滿足精度要求。為了全面直觀的對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的非線性度有一個了解，下面使用 matlab軟件進(jìn)行誤差曲線繪制，結(jié)果如圖8所

10、示。由曲線可知，最大誤 差為0.24%,滿足精度要求.程序代碼見附錄。圖8曲柄滑塊機(jī)構(gòu)非線性誤差曲線2.4 錢鏈四桿機(jī)構(gòu)本設(shè)計選取錢鏈四桿機(jī)構(gòu)中的雙搖桿機(jī)構(gòu)作為角度放大機(jī)構(gòu)。我們知 道，四連桿機(jī)構(gòu)具有非線性特性，但是在如圖所示的位置附近卻具有近似 線性的特點(diǎn)。其中，在極限位置的非線性誤差最大，我們只需要保證在兩 個極限位置的非線性誤差滿足精度要求，整個機(jī)構(gòu)就具有合格的精度要 求。同理，設(shè)計時取此狀態(tài)為中間位置，工作區(qū)間以此對稱分布以減小非 線性誤差。圖9雙搖桿機(jī)構(gòu)線性位置選取桿的材料為黃銅h80.已知輸入范圍為gt已知輸出范圍為匕田0. a 1二 于是計算得到傳動比c2 = 5.395 mmb

11、2 = 50 mm則 d2 = m-y+b? = 5.414-5.395)2+5()2 = 5o.99477已知誤差驗(yàn)算公式為5=亞=世一士 xloo%匕 匕其中實(shí)際輸出角為小 sin (p- b、2 + c，+ / 一 2a、d, cos (pw； = arctan=+ arccos - -d2 - % cos(p2c2 qa； + d： - 2a. cos (p經(jīng)計算，得到最大非線性誤差為2 =96%2% 由此可見本設(shè)計參數(shù)滿足精度條件要求。為了全面直觀的對雙搖桿機(jī)構(gòu)的非線性度有一個了解，下面使用 matlab軟件進(jìn)行誤差曲線繪制，結(jié)果如圖10所示。由曲線可知，最大 誤差為0.96%,滿足

12、精度要求。程序代碼見附錄。圖8雙搖桿機(jī)構(gòu)非線性誤差曲線3 .結(jié)構(gòu)說明3.1 預(yù)壓縮調(diào)整與零位調(diào)整預(yù)壓縮調(diào)整與零位調(diào)整均由件io帶孔螺柱實(shí)現(xiàn)，調(diào)整時先松開開件 38開槽平端緊定螺釘，然后調(diào)整件10使其旋至預(yù)置位置，即件10下端和 與件10聯(lián)接的帶螺紋孔座下端平齊處，這樣就可以完成預(yù)壓縮。但是由 于制造和安裝誤差等眾多因素，此時指針不一定按預(yù)期指向零位，仍然需 要進(jìn)行零位調(diào)整。進(jìn)行零位調(diào)整時，需要輸入零位輸入信號0.02mpa,再 松開開件38開槽平端緊定螺釘，調(diào)整件10使指針指向零位。調(diào)整完成后, 擰緊件38開槽平端緊定螺釘進(jìn)行鎖緊。3.2 指針范圍調(diào)整刻度范圍調(diào)整通過改變校鏈四桿機(jī)構(gòu)主動搖桿長

13、度實(shí)現(xiàn)，具體而言， 就是調(diào)整件6和件33的聯(lián)接位置。調(diào)整時，需要輸入最大工作信號 0.12mpa,再松開聯(lián)接件6和件33的開槽圓柱頭螺釘，調(diào)節(jié)件6進(jìn)入件33 槽的長度，使指針指向?qū)?yīng)位置。調(diào)整完成后，擰緊聯(lián)接件6和件33的 開槽圓柱頭螺釘。3.3 非線性調(diào)整非線性調(diào)整由調(diào)節(jié)件32差動桿也就是欽鏈四桿機(jī)構(gòu)的連桿來實(shí)現(xiàn)。 差動桿采用旋向相同的兩個螺紋聯(lián)接形成差動機(jī)構(gòu)，可以微調(diào)連桿長度。 由于桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計時取中間位置為線性位置，因此調(diào)整時，需要輸入中間 位置信號0.07mpa,然后調(diào)行件32中的螺母，使指針指向?qū)?yīng)位置。如果 相差較大，可以粗調(diào)節(jié)指針，然后再調(diào)行差動桿。具體方法是松開聯(lián)接指 針套筒與

14、指針軸的緊定螺釘，然后撥動指針直至對應(yīng)位置附近，再擰緊該 緊定螺釘，微調(diào)節(jié)差動桿。3.4 表盤調(diào)整表盤需要進(jìn)行上下和左右兩個方向的調(diào)整。上下調(diào)整由調(diào)整件4表盤 支架完成，調(diào)整時先松開聯(lián)接件4和件9表殼的開槽圓柱頭螺釘，然后上 下移動件4使指針針尖與件3表盤刻度而間距恰當(dāng)，既不太遠(yuǎn)避免視差， 也不要太近以防接觸。調(diào)整完成后擰緊聯(lián)接件4和件9表殼的開槽圓柱頭 螺釘。左右調(diào)整時先松開聯(lián)接件4與件3表盤的開槽圓柱頭螺釘，然后左 右移動件3使表盤處于合中間對稱位置。3.5 超負(fù)荷限位調(diào)整超負(fù)荷限位調(diào)整由件8限位桿完成。調(diào)整時需要輸入超負(fù)荷信號 0.15mpa,然后調(diào)整件8使其上端面和件18波紋管下座恰好

15、接觸。3.6 調(diào)整說明由于各項調(diào)整內(nèi)容之間互有影響，因此調(diào)整時需要反復(fù)逐漸調(diào)整已達(dá) 到各項要求。4 .改進(jìn)意見1）首先是選取比例的問題。本次設(shè)計之初由于比例選擇不當(dāng)而造成 了一定的延誤，原因是比例選擇過小使得圖紙利用不夠充分。在以后的繪 制中，一定要先做出一個較為細(xì)致的圖紙規(guī)劃，提前確定好視圖的個數(shù)， 預(yù)置出標(biāo)寫件號和尺寸線的位置以及明細(xì)欄的位置，然后確定繪圖比例， 原則是盡可能地充分利用圖紙而且比例符合標(biāo)準(zhǔn)。2）其次是圖紙的潔凈度。由于畫圖大而且維持時間長，很容易污損 圖紙降低圖紙質(zhì)量。因此在畫完一部分后可以用干凈的紙遮住該部分。同 時減少手與圖紙的接觸，手下可墊一張紙。用尺子是要輕壓，尤其

16、是在平 移時。此外，用過一段時間后要將尺擦拭干凈后再繼續(xù)使用。3）在繪圖是當(dāng)繪制到標(biāo)準(zhǔn)件時，查到參數(shù)后可以用一張紙記錄下來,以方便在填寫明細(xì)欄時節(jié)省時間。4）在標(biāo)注零部件號時一定要細(xì)心，切不可出現(xiàn)重復(fù)標(biāo)注和漏標(biāo)的情 況，否則就需要做大量的改動。5）在進(jìn)行非線性度誤差校驗(yàn)時，由于計算公式復(fù)雜，一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù) 不可取就需要在重選參數(shù)后再次校驗(yàn)，耽誤時間。為此可以先編寫一個 matlab程序，每次檢驗(yàn)只需簡單地修改幾個參數(shù)即可。實(shí)踐證明，此法 的確有效。在設(shè)計桿長時，初期沒有注意到對指針支撐件位置的影響，使 其不再中間位置，需要解方程重新確定桿長以及進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這樣就節(jié) 省了一些時間，同時避免了計算

17、錯誤引起的不好后果。6）在設(shè)計各種結(jié)構(gòu)時，需要有工程思想，切不可隨意構(gòu)想。要考慮 到零件的制造、加工以及安裝，以結(jié)構(gòu)簡單而又實(shí)現(xiàn)功能為準(zhǔn)。同時對于 需要調(diào)整的機(jī)構(gòu)，就需要設(shè)計出便于調(diào)整的結(jié)構(gòu)。此外，件與件之間的聯(lián) 接最好選擇可拆聯(lián)接。7）關(guān)于新舊標(biāo)準(zhǔn)的問題。由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和對最新情況的了解，導(dǎo)致 不知不覺中使用了舊標(biāo)準(zhǔn)。因此，在參閱資料時應(yīng)盡可能選擇最近出版的 書籍。8）關(guān)于材料的選擇。由于缺乏對眾多材料的了解，導(dǎo)致材料選擇不 當(dāng)。為此，可以參考現(xiàn)成的圖紙進(jìn)行選擇，類似的結(jié)構(gòu)可以選擇類似的材 料。9）關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)件。此次設(shè)計中使用到得零件尺寸很小，查找選用不太 方便。應(yīng)該借閱小尺寸標(biāo)準(zhǔn)件的手冊。5

18、.心得體會此次機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)計不到兩周，但在此期間，我收獲頗多。最直接的感受就是一種因?yàn)閷Ｗ⒍鴰淼某鋵?shí)。我以為世間最快樂的 事情之一就是能夠有一段專門的時間去專心做一件專門的事情。雖然中途 不得不挪出三個晚上和一個下午準(zhǔn)備項目學(xué)習(xí)答辯，但整體上這兩周我?guī)?乎將全部的精力都投入到了繪圖的工作中。每天就去思考儀表中的結(jié)構(gòu)， 連吃飯時還和同學(xué)一起討論，很充實(shí)。在此期間，也鍛煉了我的交流能力, 大家一起去探討一件事，各抒己見，相互理解。此外，這也是一種享受的過程。僅對設(shè)計本身來說，自己親自設(shè)計參 數(shù)、結(jié)構(gòu)，然后漂漂亮亮地畫出來，看著特別舒服。雖然避免不了這兒一 點(diǎn)那兒一點(diǎn)的錯誤，但畢竟是自己一筆一

19、劃認(rèn)認(rèn)真真完成的。雖然有點(diǎn)辛 苦，每天站好幾個小時，甚至后幾天腿都站疼了，但是都很值得。認(rèn)真不 僅是一種態(tài)度，其實(shí)還是一種感覺。當(dāng)我專注于細(xì)l為了在不擦到需要 的線條的情況下擦掉輔助線而不惜切下一小塊橡皮，為了給小零件打上剖 而線而近距離作業(yè)時，為了給結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地方加粗實(shí)線而特意用細(xì)鉛筆反 復(fù)加粗時，都會感到踏實(shí)。正如老師所說，此次課程設(shè)計是一次很好的實(shí)踐機(jī)會。我們學(xué)習(xí)這門 課程，理論知識學(xué)了不少，但一直沒有應(yīng)用的機(jī)會。然而，在此次課程設(shè) 計中我們幾乎用到了課程所學(xué)的大部分重要知識，同時深深體會到了理論 與實(shí)踐的相通之處和不同的地方，深化了對課程的理解。還有一點(diǎn)體會就是自身知識的貧乏以及經(jīng)驗(yàn)不

20、足的無奈。尤其是在像 這樣類似于工程設(shè)計的任務(wù)，需要考慮地相當(dāng)周全與細(xì)致，不僅要根據(jù)理 論設(shè)計，還要兼顧工程實(shí)際。有時遇到魚和熊掌不可兼得的情況，還需舍 魚而取熊掌也。最后，這次課程設(shè)計然我更加體會到了做事不可心浮氣躁的道理。要靜下心來一步一步的做，腳踏實(shí)地按進(jìn)度走，不要想加快完成而降低質(zhì)量, 當(dāng)然更不可拖拖拉拉。穩(wěn)中求快是原則。總而言之，這次課程設(shè)計是我人生中一次難得的體驗(yàn)，很鍛煉能力與 心智。經(jīng)歷過這樣一次洗禮，無論是在學(xué)習(xí)的道路上還是在人生的路途中 都會變得更加成熟與穩(wěn)重。6 .參考資料1蔣秀珍，機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)（第二版），科學(xué)出版社，2011.05蔣秀珍，“機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)”綜合訓(xùn)練圖冊（第三版），科學(xué)出版社,2010.043尚元江等，工程制圖基礎(chǔ)，黑龍江人民出版社，2003.07附錄function gkl()n= 10000;a = 11.481;b = 37.5;d = a;jiao = 14*pi/180;s = 2.805;a2fao = -j iao/2;a2fa = linspace(a2fa0,(a2fa0+jiao),n);for i = 1:1: nss (i)=a* (sin (a2fa (i)-sin(a2fao)+b*(sqrt(1-(a*cos(a2fao)-d) /