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机械设计试题答案及复习要点汇总(完整版).doc124页
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1、机器的基本组成要素是什么？
【答】机械系统总是由一些机构组成，每个机构又是由许多零件组成。所以，机器的基本组成要素就是机械零件。
2、什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例。
【答】在各种机器中经常能用到的零件称为通用零件。如螺钉、齿轮、弹簧、链轮等。
在特定类型的机器中才能用到的零件称为专用零件。如汽轮机的叶片、内燃机的活塞、曲轴等。
3、在机械零件设计过程中，如何把握零件与机器的关系？
【答】在相互连接方面，机器与零件有着相互制约的关系；
在相对运动方面，机器中各个零件的运动需要满足整个机器运动规律的要求；
在机器的性能方面，机器的整体性能依赖于各个零件的性能，而每个零件的设计或选择又和机器整机的性能要求分不开。
机械设计总论
1、机器由哪三个基本组成部分组成？传动装置的作用是什么？
【答】机器的三个基本组成部分是：原动机部分、执行部分和传动部分。
传动装置的作用：介于机器的原动机和执行部分之间，改变原动机提供的运动和动力参数，以满足执行部分的要求。
2、什么叫机械零件的失效？机械零件的主要失效形式有哪些？
【答】机械零件由于某种原因丧失工作能力或达不到设计要求的性能称为失效。
机械零件的主要失效形式有
1）整体断裂；
2）过大的残余变形（塑性变形）；
3）零件的表面破坏，主要是腐蚀、磨损和接触疲劳；
4）破坏正常工作条件引起的失效：有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，如果破坏了这些必要的条件，则将发生不同类型的失效，如带传动的打滑，高速转子由于共振而引起断裂，滑动轴承由于过热而引起的胶合等。
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桥式起重机端梁连接为高强螺栓，预紧力大小一般有何规定
据上海有色网分析，桥式起重机的正确安装是塔机按设计要求分布荷载、安全正常工作的前提，塔身是塔机最重要的基础部件之一，在塔机的正常工作中起着决定性的作用，而塔身大多是由标准节通过高强螺栓连接而成的，螺栓连接的预紧能增强连接的可靠性，防止连接在工作载荷下发生松动，因此高强螺栓的预紧鼎袱尺惶侔耗踌同穿括是保证塔机安装质量的决定因素。目前，塔机安装施工和加固过程中塔身标准节连接用高强螺栓普遍存在预紧力偏小，甚至少数无预紧的现象，我们在工程实际中碰到过这样一个触目惊心的例子引起了我们对塔身高强螺栓预紧的关注。某工地一台QTZ315型塔机，2002年8月上旬安装完成后，没有立即投入使用，偶尔空载运行几次，十月初准备使用，检查塔身标准节连接用高强螺栓预紧情况时，出现如下一组数据：该机共有9节标准节，每个标准节连接面上有8（=2×4）个M24高强螺栓，塔身上与下支座、下与底架同样用8个M24高强螺栓连接，在总计80个高强螺栓中，有27个没有预紧力（徒手即能向压紧方向转动螺母），占高强螺栓总数的33.75%，预紧高强螺栓的预紧转矩均在300 N·m以下。自下而上的第六连接面的8个螺栓中未预紧的有6个，第五、八连接面每层的8个螺栓中未预紧的有5个。1 规范对高强螺栓预紧要求的分析目前广泛使用的水平臂架小车变幅上回转塔式起重机塔身标准节连接用高强螺栓主要承受拉力，在这种情况下，接头接触面之间有分离趋势，同时标准节之间的水平力要靠螺栓预紧力使结合面产生的摩擦力来承受。从理论上讲，螺栓只能承受拉力，而不能抵抗剪力。如果螺栓未拧紧，则容易松动。此时，螺栓既受拉又受剪，交替冲击，受力恶化，很容易产生力断裂，这是高强度螺栓最常见的破坏形式，也是塔机常见的事故形式之一。《塔式起重机设计规范》(GB/T13753-92)（以下简称规范）5.5.2.2.2条有这样的要求：“接头设计应保证在外拉力作用下，接合面之间有一定的压紧力，不得出现分离现象。”这可以理解为：接头在最大外力作用下，接合面之间的压紧力大于零，且此时压紧力产生的摩擦力应能抵抗标准节之间的水平力，即满足要求。规范中给出的高强螺栓预紧力Ｆ1的计算公式为：Ｆ1 = ｋ1·ＦN式中：Ｆ1 ——高强螺栓预紧力， Nｋ1 ——系数，与载荷组合有关，ｋ1=1.1~1.65ＦN ——单个螺栓所受的外拉力，N以QTZ315型塔机（主参数：最大起重量30 kN；工作幅度3 ~ 41.8 m；独立起升高度30 m ；平衡重60 kN）为例，在最恶劣工况（工作状态突然卸载或吊具突然脱落）下，塔身所承受的最大弯矩为：Ｍmax=352 kN·m ，由塔身截面尺寸计算得：Ｆ′N===471.2 kNＦN===117.8 kN计算时所取Ｍmax已考虑载荷组合，117.8 kN 可作为高强螺栓抵抗拉力所需预紧力，即Ｆ1 =117.8 kN。在组合载荷作用下，接头的摩擦力是由螺栓的残余预紧力Ｆ′0产生的。Ｆ′0= Ｆ1 －（1－ ｋc）ＦN 式中：Ｆ′0——螺栓残余预紧力，NＦ1 ——螺栓预紧力，Nｋc ——系数，一般取0.25ＦN——螺栓外拉力，N故：Ｆ′0 = Ｆ1－0.75ＦN 有Ｆ1 & 0.75ＦN=0.75×117.8=88.35 kN； 在考虑到适当的安全裕度时，国标GB3811 取 Ｆ′0=Ｆ1－1.4ＦN 有Ｆ1&1.4 ＦN = 1.4×117.8 = 164.9 kN；欧洲标准FEM 取 Ｆ′0=Ｆ1－ＦN 有Ｆ1&ＦN =117.8 kN ；国标GBJ17-88取 Ｆ′0= Ｆ1 －1.25 ＦN 有Ｆ1&1.25 ＦN =1.25×117.8=147.25 kN；规范编制说明中指出，GB/T采用GBJ17-88中的值，给出性能等级8.8级的M24高强螺栓预紧力为：155 kN。再按下式计算预紧力矩Ｔ：Ｔ = 0.2 Ｆ1·ｄ式中：Ｆ1——预紧力ｄ——高强螺栓直径，此处ｄ = 24 mm可分别得到如下数据：规范中给出8.8级M24高强螺栓预紧力矩值为：理论预紧力矩710 N·m ；实际使用预紧力矩640 N·m 。比较上述数据可得：实际预紧时对标准给定的值打折扣是错误的，不安全的。目前施工中确实存在着“塔式起重机塔身高强螺栓的实际预紧转矩可以减小到规范给定值的65%～80%”这种观点和做法，而且还有一定的市场。前言述及的例子出现后，我们一直在关注塔身高强螺栓预紧的现状，曾几次在国内、省内的有关塔式起重机技术交流会上做过口头调查，只有少数国内几个知名的业内企业像中联、北建工等基本控制在规范给定值附近，几乎所有的中小塔机企业都对规范给定值打折扣，他们通常将规范给定的不同型号塔机高强螺栓的实际预紧转矩值除以1.4而作为施工中的实际控制值。考虑到施工中预紧值控制的多种影响因素如：工具、人员素质、体力、环境条件以及塔机型号不同偏差值有所不同，因此我们给出了“65%～80%”的区间系数。这种观点和做法的形成可以说由来已久，原因是传统的人工方式预紧要想达到规范给定的值有一定的难度，而按给定值的65%～80%控制的结果并未直接导致塔机事故的发生，久而久之人们便认为这种观点和做法是正确的。确实，我们查阅过数篇事故分析论文、鉴定报告及有关起重机事故分析的书籍，也未曾见到这种“直接导致事故发生”的记载。“直接导致事故”通常被认为是看到高强螺栓受拉、剪而断裂导致机毁人亡的事故，但我们分析认为：部分由塔身屈曲而倒塔的事故是由高强螺栓预紧力不够而间接引起的。预紧力不够，则螺栓容易松动，即使塔身标准节接触面有微小的间隙，也将会导致塔机重心前移，塔身所受弯矩大幅度增加，可能导致事故发生，正所谓差之毫厘失之千里。QTZ315型塔机，独立起升高度30 m，当高强螺栓中心处下部第三标准节接触面有0.1 mm间隙时，塔身以上部分整体前移3.2 mm，在最恶劣工况下，塔身所受最大弯矩增大 1.13 kN·m。2 塔身标准节连接用高强螺栓预紧方式分析高强螺栓的拧紧有以下两种方式：（1)传统的人工方式 这种方式的松紧程度靠工人经验控制。（2)力矩扳手方式 力矩扳手有机械、液压、电动和气动等多种形式。力矩扳手可方便地调整预紧力矩标定值（有表盘刻度、数字等标定方式），准确拧紧到设计预紧力矩值，各螺栓受力均匀，非常适合预紧力矩精度要求高的螺栓紧固。就目前塔式起重机塔身安装和加固过程中，塔身高强螺栓预紧所使用的工具、预紧力、预紧力矩的控制等情况，笔者对部分塔机厂家做过调查，基本情况是这样的：使用的工具：普通扳手85 %力矩扳手15 %预紧力矩的控制：凭感觉90 %先标定后预紧10 %预紧方法： 随加节随预紧90 %旋转吊臂依次对受压螺栓预紧10%“旋转吊臂依次对受压螺栓预紧”的预紧方法是这样的：塔式起重机在安装或空载状态下，塔身处在平衡臂下方的一侧受压而吊臂一侧受拉，旋转吊臂可以先后使同一平面的四处高强螺栓处于平衡臂下方而受压。安装时先同一平面四处（4×2或4×3个，塔身四角）依次预紧，然后由下到上；加固时可先预紧两三个不同平面的同一塔身角的受压螺栓，然后依次其它角，再由下到上或由上到下。上述调查结果表明几乎全部厂家在使用人工方式，靠工人经验来控制高强螺栓的松紧程度，同时由于某些厂家人员素质较差，责任心不强，导致前言述及的例子。我们曾测试过采用人工方式安装的高强螺栓，预紧力矩大多在400 N·m～500 N·m之间，想再增加预紧力矩，工人的劳动强度将大幅度增加。力矩扳手虽有机械、液压、电动、气动等多种形式，但全部是机械安装中通用的工具，机械式便宜、耐用，较其它力矩扳手使用方便。一方面这种扳手由于自重和长度一般是普通扳手的两倍以上，另一方面由于塔机安装和调试的特殊工作条件，使得工人的劳动强度大大增加，要想使实际预紧力矩达到500 N·m 难度相当大。液压式省力，但价格贵，更笨重，使用更麻烦，特别是在加固时受液压泵站的限制。气动式由于受到现场条件的限制，使用者更少。因此我们认为，尽快研制一种方便、携带使用灵活，力矩值便于控制，自动化程度高的塔机专用力矩扳手是非常必要的。我们曾对“旋转吊臂依次对受压高强螺栓预紧”这一方法做过这样一个试验，塔机型号：QTZ315；试验工况条件：无风、空载；塔身的平衡臂一侧受压，吊臂一侧受拉；高强螺栓：M24；塔机部位：自下第二、三标准节连接面。得到以下数据：受压高强螺栓控制预紧力矩值：400 N·m受拉时高强螺栓预紧力矩测得值：490~530 N·m受压高强螺栓控制预紧力矩值：450 N·m受拉时高强螺栓预紧力矩测得值：600 ~ 630 N·m由此可以看出，这种方法可以使实际起作用的力矩值增大 10%~40%，增大幅度与高强螺栓所受拉力和压力的差值有关。这种方法是有效而切实可行的。3 结论“施工中桥式起重机塔身高强螺栓的实际预紧扭矩可以减小到规范给定值的65%～80%”这种观点和做法是错误的。增强对高强螺栓预紧重要性的认识，保证规范中给定的预紧力矩值，研究高强螺栓预紧的方法，研制高强螺栓预紧专用电动工具，从而保证塔机的安装质量，提高塔机运行的安全性，是亟待解决的问题。更多关于螺栓信息您可以登录上海有色网（ ）查询。
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控制预紧力是什么意思
09-03-19 &匿名提问 发布
工业生产中，螺纹联接质量的重要性已引起广泛的重视。螺纹联接的质量是保证设备质量及设备正常运转的基础。绝大多数螺纹在联接时都要预紧，目的在于增强联接的刚性、紧密性、防松及防滑。预紧力的适当控制又是确保螺纹联接质量的关键。因为螺纹联接的预紧力将对螺纹的总载荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响。过大或过小的预紧力均是有害的，所以预紧力的大小、准确度都十分重要。从而使预紧力的控制成为螺纹联接的重要问题之一。常用的方法有力矩法、螺母转角法、螺栓预伸长法、特殊垫圈法等，这4种控制预紧力的方法，都是施加力矩拧紧螺栓联接的，所以始终会遇到一个或几个难以（有的几乎不可能）预知的控制因素。如果改变拧紧方法，给螺栓施加拉力，使之伸长，然后轻轻旋紧螺母，待撤去拉力后，由于螺栓收缩就可在联接中产生和拉力相等的预紧力。本文重点介绍马鞍山市大华机械有限公司的JYB-20液压扭矩扳手。2 预紧力不适当带来的后果不适当的预紧力可引起一系列不良后果：（1）螺纹联接零件的静力破坏若螺纹紧固件拧得过紧，即预紧力过大，则螺栓可能被拧断，联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也可能螺纹牙被剪断而脱扣。（2）被联接件滑移、分离或紧固件松脱对于承受横向载荷的普通螺栓联接，预紧力使被联接件间产生正压力，依靠摩擦力抵抗外载荷，因此，预紧力的大小决定了它的承受能力。若预紧力不足，被联接件将出现滑移，从而导致被联接件错位、歪斜、折皱，甚至紧固件被剪断。对于受轴向载荷的螺栓联接，预紧力使接合面上产生压紧力，受外载荷作用后的剩余预紧力是接合面上工作时的压紧力。预紧力不足将会导致接合面泄漏，如压力管道漏水、发动机漏气，甚至导致两被联接件分离。预紧力不足还将引起强烈的横向振动，致使螺母松脱。（3）螺栓疲劳破坏大多数螺栓因疲劳而失效。减小预紧力虽然能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小，但却使载荷变幅增大，因此，总的效果大多数是使螺栓疲劳寿命下降。（4）增大设备质量与成本若预紧力过小，需使用较多和（或）较大的紧固件，往往也需采用较大的被联接件，因而增大了产品成本。同时，许多产品的成本是与需要装配的零件数目成正比的，所以预紧力过小将导致装配成本和制造成本以及维修费用的增加。3 预紧力与拧紧力矩的关系螺栓联接的拧紧力矩指达到要求预紧力时的扳手力矩。拧紧螺母时，要克服螺旋副间的螺纹力矩T1和螺母与被联接件（或垫圈）支承面的端面摩擦力矩T2。因此，拧紧力矩T=T1+T2=K0q0d (1)式中d——螺纹公称直径，mm；Q0———系统预紧力，N；K0——拧紧力矩系数，K0可概括影响拧紧力矩与预紧力关系的每一个因素，如摩擦系数、扭转变形、弯曲变形、螺纹牙的塑性变形等。预紧力的大小根据螺栓组受力和联接的工况要求决定。一般规定拧紧后螺纹联接件的预紧力不得大于其材料屈服极限σs的80%。4 利用JYB-29型液压扭矩扳手实施预紧力控制JYB-20型液压扭矩扳手是在学习和借鉴国外同类先进产品的基础上，由马鞍山市大华机械有限公司开发的预紧力控制专用装置。适用于绝大多数螺栓联接的预紧力定量检测控制，在设备安装、装配、检修螺栓紧固与拆卸中，可以达到预期的预紧力，并大大提高工效，保证联接质量，降低劳动强度。4.1 JYB-20型液压扭矩扳手性能参数适用螺纹直径 M20~M90公称扭矩/kNm 20油压/MPa 70手动油泵流量/mL*次-1 3.3油箱容积/L 0.7手柄最大压力/N 5004.2 JYB-20型液压扭矩扳手控制预紧力的方法利用JYB-20型液压扭矩扳手控制预紧力的方法：实施力矩法和实施螺母转角法。力矩法直接测定产生预紧力的拧紧力矩，误差小，可得到高精度的预紧力，紧固与检测一次完成，操作简便易掌握，得到普遍应用。根据螺纹联接状态及参数，可在产品使用手册上查出荐用的拧紧力矩指示值Ty。拧紧螺母使扳手上的扭矩表读数与查出的拧紧力矩指示值Ty相同即完成力矩法。对于一般的螺纹联接，产品使用手册所列参数仅为螺纹规格及其材料的屈服极限σs值。对于重要的螺纹联接，产品使用手册所列的参数包括：螺母与被联接件支承面摩擦表面状态（摩擦系数）、螺纹联接件材料的屈服极限σs值、螺纹的种类、规格等。按螺母转角控制预紧力是利用螺母转角与预紧力的线性关系。在产品使用手册上查出该螺纹联接参数并计算出该联接所需螺母转角φ，同时查出荐用拧紧力矩指示值Ty，一般当扳手扭矩表读数为荐用拧紧力矩指示值Ty的5%时，开始计扳手上转角指针的刻度数，此时的刻度数计为相对转角度数0，当指针相对转角度数为所需的螺母转角φ时，完成预紧过程。上述两种预紧力控制方法可以互相校核调整，一般采用以力矩法为优先的原则，即力矩法预紧、螺母转角法调整，当扭矩表读数达到所需拧紧力矩Ty，螺母转角读数为φ-△时，则以所需拧紧力矩Ty为控制值；当扭矩表读数未达到所需拧紧力矩，Ty为Ty-△时，螺母转角读数已达到所需的螺母转角φ，则修正所需拧紧力矩，以所需拧紧力矩Ty-（△/2）为控制值。当螺纹联接所需的预紧力矩在手册中所标示的区域内时（该区域荐用力矩较小），可采用以螺母转角法为优先的原则，力矩法调整。5 JYB-20型液压扭矩扳手的应用实例中型水电机组的大轴螺栓，包括水轮机主轴与转轮的联接螺栓和水轮机主轴与发电机大轴的联接螺栓，其尺寸较大（M64-M120），联接的部件也很重要。原来靠人工用扳手采用大锤或游锤打紧。由于水轮机主轴与发电机大轴的联接螺栓常因位置不适，空间狭窄，往往打紧一个螺栓要挥动大锤30-50次。劳动强度高，效率低，而且预紧量难以测量和控制。例：某发电厂12500KW立式水轮发电机组联接螺栓，其总负载因两法兰面之间有径向键传递力矩而只需考虑工作时的轴向负载；最大轴向推力（查转轮运转特性曲线）为850kN，转轮质量约10T，水轮机主轴质量约7T，联接螺栓共8根，每根受力Qe=127.5kN。由文献［1］可知：工作时，螺栓的总轴向负载Q=Q0+CeQe（2）工作时，两法兰面之间的剩余预紧力QT=Q0-(1-Ce)Qe（3）式中Ce———外载系数，Ce=C1/(C1+Cf）；C1———螺栓的刚度；Cf———被联接件的刚度。若取预紧力Q0=2.5Qe，则联接螺栓可满足强度要求。JYB-20型液压扳手推荐用预紧力矩计算公式（参考式（1））为Ty=1.4K0Q0d根据JYB-20液压扭矩扳手的尺寸，可以导出液压值p与扭矩Ty的对应关系为p=3.46x10-6Ty本例中，p=3.46x10-6x5.04x106=17.5MPa，为了防止先后拧紧的螺栓因预紧力变化过大造成变形，采用分3 次拧紧和反序拧紧的方法。即：第1次拧紧力矩以50%Ty为准，依序对称拧紧各个螺栓；第2次以80%Ty为准，反序对称拧紧各个螺栓；第3次以100%Ty为准，再依序对称拧紧各个螺栓。使用液压扳手既解决了工作空间狭窄带来不便的问题，又大大减轻了紧固时的劳动强度，工作效率大幅度提高。紧固螺栓的精确度也进一步加强，液压扭矩扳手的许多优点是其他预紧装置无法比拟的。可以预言，液压扭矩扳手将给我国设备安装、维修行业带来新的希望，为提高工业企业设备运行质量，降低维修成本，增强竞争力作出贡献。(佳工机电网)
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