多孔陶瓷畢業(yè)設計說明書

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　多孔陶瓷因為其特殊的多孔結構而表現出多種特性，從而使其作為一種多功能材料而獲得廣泛應用。材料的結構決定其性能和應用。對于多孔陶瓷來說，其孔結構（孔徑、孔形狀、氣孔率、氣孔連通性）的設計和精確控制是多孔陶瓷研究中的主要課題。多孔陶瓷的孔徑和孔徑分布是其重要的性質之一，對其他一系列性質（如滲透速率、透氣度、濾過性能等）影響顯著，

2、因而它的表征方法倍受關注，測試方法也很多。較為常用的有壓汞法、氣體吸附法、顯微法，最近又發(fā)展了小角散射法、核磁共振法、熱孔記法等。目前尚無統(tǒng)一的孔徑分布表征方法。電鏡法比較直觀但屬破壞性檢測，也只能得到局部信息；壓汞法和氣體吸附，脫附法只能適用無支持孔徑測定；氣體滲透法只能估摸孔徑的最大和平均直徑；滲透孔度法的測定孔徑范圍在納米級，不適用于檢測微米孔。</p><p>　　本設計以國家標準為依據，采用液體排除法來

3、測量多孔陶瓷的孔道直徑。所謂液體排除法，就是首先通過對樣品的處理，讓樣品中的孔道中充滿浸潤劑，然后通過加壓的方式使?jié)B透劑進入樣品孔道中而排除浸潤劑。通過排除液體時所需要的壓力來計算孔道直徑。</p><p>　　本設計的設計要求為：測量出多孔陶瓷的孔道直徑的最大值和平均值。本文運用毛細管的原理計算出孔道直徑的最大值和平均值，計算中需要用到浸潤劑剛被排除時的壓力和完全被排除時的壓力，因此所設計的設備必須能夠測量出浸

4、潤劑剛被排除時的壓力和孔道中所有液體都被排除時的壓力。本設計主要解決了以下兩個問題：</p><p>　　樣品制備裝置，制備的樣品也要達到國家標準的要求。本設計根據國標的要求設計了樣品的制備裝置。能夠制造出符合國標要求的樣品。</p><p>　　2.測量裝置，本設計按照孔徑測量理論的要求設計了測量裝置，能夠測量出要求的壓</p><p><b>　　力值

5、。</b></p><p>　　關鍵詞：孔徑 測量 設計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The porous ceramic has showed manifold characteristic because or its especial porous configuration,

6、which makes it apply abroad as a multifunctional material. The configuration of the material itscapability and appliance. As for the porous ceramic, the designof its frame(aperture, shape, porosity) and the exact control

7、 are main problem in the porous ceramic study. The aperture and its distributing of the porous ceramic are one of its importan tqualities, and have a distinct infection on the other</p><p>　　This design was

8、on the base of the national criterion, and the diameter of the porous ceramic by LLDP(Liquid-liquid Displacement)</p><p>　　As for LLDP, namely deal with the sample first, and make their aperture be full of t

9、he soakage. According to the pressure to work out the diameter.</p><p>　　The request of this design was to measure the maximal and average diameter of the porous ceramic by capillary theory, and needed the p

10、ressure of the soakage when it was eliminated at the first time and when totally eliminated. So the equipment of th edesign can measure the pressure. This design mainly solved two questions as follows; 1. the sample prep

11、aration setand the sample must achieve the national standard. The sample preparation set was designed according to the international requests in t</p><p>　　Keywords: aperture measure design</p><

12、p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　目 錄III</p><p><b>　　1引言1</b></p><p>　　1.1

13、課題的來源、意義及國內外研究現狀、存在的問題1</p><p>　　1.2多孔陶瓷的結構多孔陶瓷1</p><p>　　1.3多孔陶瓷的性能與表征2</p><p>　　1.3.1孔徑與孔徑分布2</p><p>　　1.3.2顯氣孔率和容重2</p><p>　　1.3.3液體滲透速率2</p>

14、;<p>　　1.3.4透氣度2</p><p>　　1.4多孔陶瓷的應用2</p><p>　　2多孔陶瓷孔道直徑檢測的方法及原理3</p><p>　　2.1檢測方法的選擇3</p><p>　　2.2液體排除法測定孔徑分布的原理4</p><p>　　2.3測量裝置流程圖6</p&

15、gt;<p>　　3測量裝置的設計7</p><p>　　3.1樣品制備裝置的設計7</p><p>　　3.2夾具的設計11</p><p>　　4設備整體圖及操作說明13</p><p>　　5單片機控制系統(tǒng)15</p><p>　　5.1控制原理15</p><p&g

16、t;　　5.2步進電機的選擇16</p><p>　　5.3傳動機構的設計16</p><p>　　5.3.1整體結構圖16</p><p>　　5.3.2滾動螺旋副結構17</p><p>　　5.4 控制主程序的編制19</p><p><b>　　6總結22</b></p&

17、gt;<p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　謝 辭24</b></p><p><b>　　1引言</b></p><p>　　1.1課題的來源、意義及國內外研究現狀、存在的問題</p><p>　　多孔陶瓷因為其特殊的多孔結

18、構而表現出多種特性，從而使其作為一種多功能材料而獲得廣泛應用。材料的結構決定其性質和應用。對于多孔陶瓷來說，其孔結構（孔徑、孔形狀、氣孔率、氣孔連通性）的設計和精確控制是多孔陶瓷研究中的主要課題。多孔陶瓷的孔徑及孔徑分布是其重要的性質之一，對其他一系列（如滲透速率、透氣孔、濾過性能等）影響顯著，因而對其孔徑進行測量是非常有意義和必須得。</p><p>　　目前國內外用于測量孔道直徑的方法中，較為常用的測量方法有

19、壓汞法、氣體吸附法、顯微法，最近又發(fā)展了小角散射法、核磁共振法、熱孔記法等。但目前國內外尚無統(tǒng)一的氣孔分布表征方法。電鏡法比較直觀但屬破壞性檢測，也只能得到局部信息；壓汞法和氣體吸附，脫附法只能適用無支持孔徑測定；氣體滲透法只能估摸孔徑的最大和平均直徑；滲透孔度法的測定孔徑范圍在納米級，不適用于檢測微米孔。</p><p>　　1.2多孔陶瓷的結構多孔陶瓷</p><p>　　多孔陶瓷一般

20、由骨料（50%-90%）、結合劑（10%-50%）、增孔劑（10%-20%）構成。他是由眾多的氣孔在空間通過各種方式排列而成的一類材料，可大致分為兩類：蜂窩狀（honey-comb）和泡沫狀（Foam）多孔陶瓷。蜂窩狀多孔陶瓷中的氣孔單元排列成二維的列陣，而泡沫狀多孔陶瓷則由多面體孔洞在三維排列而成它進一步可根據單個氣孔是否擁有固態(tài)孔壁（或稱面）分為兩類。如果組成氣孔的固相物質僅占據氣孔的棱角，則材料中的氣孔是開口的，即各氣孔空間通過共

21、用的表面呈開口相連，這類材料稱為開孔多孔陶瓷，它具有較高的滲透率。如果氣孔為固態(tài)物質所完全包圍，則氣孔是相互孤立，即閉孔的，這類材料稱為閉孔多孔陶瓷。</p><p>　　多孔陶瓷最大的結構特征就是多孔性。因制造工藝不同多孔陶瓷的孔結構主要有三種類型。即直通氣孔，這類氣孔直線貫通，相互之間沒有連通或連通較少如蜂窩陶瓷等用模具劑制形成的氣孔；閉氣孔，這類氣孔互不相通，相互孤立，如發(fā)泡法形成而沒有破裂貫通的氣孔，過分

22、焙燒，產生液相過多，將氣孔封閉也形成閉氣孔；開氣孔，顆粒燒結法、添加造孔劑法、有機泡沫浸漬法制備的多空陶瓷氣孔大多是開氣孔，這類氣孔相互貫通，且與外界連通，極大多數的開氣孔都是彎彎曲曲的。不同類型的孔結構使多孔陶瓷種類繁多，性能特別，用途廣泛。此外，多孔陶瓷的孔結構還有氣孔率高，孔徑均勻等特征。</p><p>　　1.3多孔陶瓷的性能與表征</p><p>　　多孔陶瓷的孔結構特征與陶瓷

23、本身的優(yōu)異性能結合，使其具有均勻的透過</p><p>　　過性、發(fā)達的比表面積、低密度、低熱導率、低熱容以及優(yōu)良的耐高溫、耐磨損、耐氣候性、耐腐蝕性和良好的剛度、一定的機械強度等特性。這些性能使多孔陶瓷成為發(fā)展迅速，應用廣泛，前景廣闊的新型材料。</p><p>　　1.3.1孔徑與孔徑分布</p><p>　　多孔陶瓷的孔徑分布是其重要性質之一，對其它一系列性質

24、（如滲透速率、滲透氣度、濾過性能等）影響顯著，因而它的表征方法倍受關注，測試方法很多。較為常用的有壓汞法、氣體吸附法、顯微法，最近又發(fā)展了小角度散射法、核磁共振法，熱孔計法等。</p><p>　　1.3.2顯氣孔率和容重</p><p>　　試樣中開口孔隙（指與大氣相通的氣孔）的體積與試樣總體積的百分率稱為顯氣孔率。試樣干燥重量與試樣總體積之比，稱為容重（g/cm3）。顯氣孔率與容重對于

25、多孔陶瓷的熱性能與機械性能有較大影響，一般情況下，顯氣孔率越大，容重越小，多孔陶瓷的隔熱性能越好，而抗壓強度和抗彎強度等機械性能則越差。其測試方法見中華人民共和國國家標準法（GB1996-80）。</p><p>　　1.3.3液體滲透速率</p><p>　　多孔陶瓷的液體滲透速率是指在1000mm水柱壓差條件下，每秒鐘通過厚度為1cmm，面積為1cm2的多孔陶瓷試樣的液體流量。液體滲透

26、速率是多孔陶瓷作為過濾和分離設備時的兩個重要性能，測試方法見中華人民共和國國家標準（GB1969-80）。</p><p><b>　　1.3.4透氣度</b></p><p>　　多孔陶瓷制品的透氣度是指室溫下，在壓力差為1mm水柱時，一小時內層流狀態(tài)通過厚為1cm，面積為1m2的多孔陶瓷制品的空氣立方米數。測試方法見中華人民共和國國家標準（GB1968-80）。&

27、lt;/p><p>　　此外，對某些有特殊性能要求（如機械強度或耐化學腐蝕性能）的多孔陶瓷而言，其抗壓強度，抗壓彎度，耐酸、耐腐蝕性能也很重要。測試方法見中華人民共和國國家標準：抗壓強度（GB1964-80）、抗彎強度（GB1965-80）、耐酸、堿腐蝕性能（GB1970-80）。</p><p>　　1.4多孔陶瓷的應用</p><p>　　對于具有連通氣孔的多孔陶瓷

28、，當通過流體時，骨架對流體具有很好的接觸、攪拌效果以及阻擋大顆粒的作用。這些特性使得多孔陶瓷在化工生產中具有重要作用，如除臭裝置等用的催化劑載體、氣體吸收塔、蒸餾塔的填料以及流化床中的過濾器。利用多孔陶瓷向液體中吹入反應氣體，用吹養(yǎng)方法培養(yǎng)微生物等。利用多孔陶瓷制成的酸性溶液電解用隔膜，可以防止電極間生成的物質與電解液相混合，提高電解效率。從原子能發(fā)電廠生產的大量放射性廢物中，大部分是可燃物，因此，需要經燃燒使其變?yōu)樵诨瘜W上穩(wěn)定的灰。在

29、燃燒過程中，放射性固體顆粒，進行再燃燒，實現凈化處理，這樣保管起來既安全又經濟。</p><p>　　由于多孔陶瓷過濾液體時，沒有溶出物，不會污染食品。因此，制糖和釀造工業(yè)使用預涂層多孔陶瓷過濾器進行最后解階段的精密過濾，進行啤酒、醋、酒的精加工。用這種方法精密過濾啤酒時，可省掉加熱處理工序，與其它方法相比，啤酒味道更美。</p><p>　　由于高開氣孔率多孔陶瓷具有較大的表面積、密度低

30、、熱阻大等特性，使得它在能源領域中獲得重要應用，如用作固體熱轉換元件、多孔燃燒器。將多孔陶瓷換熱元件置于燃燒氣體通路中，能吸收排氣中的熱，然后以固體輻射的形式輻射到加熱爐一側，回收余熱，可大幅度節(jié)能燃燒消耗量。多孔陶瓷燃燒器具有耐高溫、使用壽命長等特點，它不僅節(jié)能，而且可以減少NOx的排出物，是近年來發(fā)展起來的新型技術，具有十分誘人的應用前景。</p><p>　　多孔陶瓷在環(huán)保領域中的一個重要應用就是作為汽車尾

31、氣催化凈化器，不僅可以收集柴油排出的黑煙顆粒，還可以將廢氣中的CO轉化為CO2，NOx轉化為N2，CnHm轉化為H2O和CO2。此外，它還可以用于高溫廢氣的凈化器、污水處理散氣裝置以及控制噪聲的吸聲材料等。</p><p>　　網眼型多孔陶瓷與人體的海綿骨具有近乎相同的三維網狀結構。由于這種多孔網狀結構能使骨組織長入孔隙中，時種植體與生物體之間產生更為牢靠的固定，所以多孔生物陶瓷材料特別是網眼多孔磷灰石材料將成為

32、非常重要的骨移植材料，并成為當前無機生物材料研究中的熱點。</p><p>　　2多孔陶瓷孔道直徑檢測的方法及原理</p><p>　　2.1檢測方法的選擇</p><p>　　多孔陶瓷的孔道直徑與其滲透分離性能密切相關，然而目前尚無一種統(tǒng)一的孔徑測量方法。電鏡法比較直觀但屬破壞性檢測，也只能得到局部信息；壓汞法和氣體吸附，脫附法只能適用無支持孔徑測定；氣體滲透法只

33、能估摸孔徑的最大和平均直徑；滲透孔度法的測定孔徑范圍在納米級，不適用于檢測微米孔，不適于檢測微濾膜。因此需要一種方法或技術，能夠對有不同孔徑范圍孔的陶瓷進行測量。</p><p>　　利用微孔內的兩相平衡和滲透性質的排除法屬于“無損”檢測技術，可直接測定膜的“活性孔”的分布。按滲透劑，排除法可分為氣體-液體排除法和液體-液體排除法。氣體泡壓法針對微米孔是一種十分有效和方便的檢測手段，其裝置簡單、操作方便，還可以檢

34、測最大孔徑或缺陷尺寸，故常用于檢測商品的產品質量。但氣體泡壓法測定膜的孔徑分布在理論和測定技術兩個方面有待于進一步完善。這是由于氣體在微孔中的滲透機理十分復雜，目前還難于直接建立孔徑分布與氣體滲透性的數學關系；作為滲透介質的氣相和浸潤劑的液相之間的界面張力往往較大，在測定較小的孔徑時所需的壓差較高。另外，測定過程中還難于避免浸潤劑隨滲透劑的蒸發(fā)攜帶，尤其是當氣體流量較大時，如在壓差與流量曲線的拐點處，蒸發(fā)攜帶比較嚴重，導致測定結果的失真

35、。以液體為滲透劑的液體排除法，在一定程度上可以克服氣體泡壓法的上述缺點。液體的滲透通量較小，浸潤劑和滲透劑互不相溶，故溶解攜帶的影響較小。液體在孔中的流動理論也相對成熟，可又傳遞方程直接導出孔徑分布函數表達式。此外，液體間的界面張力范圍較寬，因此可以降低定壓差、拓寬孔徑的測量范圍。在本設計中選用液體-液體排除法。</p><p>　　2.2液體排除法測定孔徑分布的原理</p><p>　　

36、由毛細管作用的原理可知，當多孔陶瓷的微孔被一種液體（浸潤劑）所充滿時毛細管內的液相壓力（P2）將與作為滲透劑的一種與該浸潤劑不互溶的液體壓力（P1）達到靜力學平衡，如圖一所示：</p><p>　　圖一毛細管作用示意圖</p><p>　　這種平衡的關系可用Laplace方程表述：</p><p><b>　?。?）</b></p>

37、<p>　　式（1）中，為樣品兩側的壓差，MPa；r為孔徑，m；σ為兩種液體間界面張力，N/m；θ為接觸角，（°）</p><p>　　由上式可見，當兩側的壓差大于時，毛細管內的液體將為滲透劑所置換，如已知液體間的界面張力σ和接觸角θ，則可以利用上式由ΔP計算對應的孔半徑r。</p><p>　　根據流體力學理論，液體在圓孔中的滲透速率與壓差的關系可以由HagenP

38、oiseuille方程描述：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中，Q為液體的流量，m3/s；μ為液體的粘度，pa·s；l為樣品的厚度，m;τ為樣品的孔曲率，計算時采用文獻近似值。</p><p>　　運用（1）和（2）式可以導出膜的孔徑分布函數f（r）。在（2）式中n為被打開的半徑為r的孔的數目。若假

39、設膜孔的總數數目為N，則：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　相應，可得到如下的液體的累積滲透流量與壓差及孔半徑的關系：</p><p><b>　　（4）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>

40、　　對（4）式求導，有：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　整理（5）式得到如下的分布函數表達式：</p><p><b>　　（6）</b></p><p>　　可以利用測量所得的離散的點對式（6）求數學期望來獲得平均值。但這樣求的效率較低不適合工廠生產的需要，可以在

41、以上理論的基礎上簡化計算過程，以公式（1）計算孔道最大直徑和平均直徑。</p><p>　　圖二測量數據處理示意圖</p><p>　　2.3測量裝置流程圖</p><p>　　根據液體排除法的測定理論，所建立的測定裝置的示意圖如圖三：</p><p>　　圖三體液排除法測定裝置流程</p><p>　　其中：1氣瓶2

42、減壓閥3微調閥4三通閥5放空閥6精密壓力表7滲透劑儲罐</p><p>　　8夾具9放空閥10換向閥11流量計12壓力計13開關閥14儲罐</p><p>　　試樣裝入夾具后在試樣上面充滿浸潤劑然后以氣體為壓力源將滲透劑壓入夾具中，壓力由小到大，當流最計剛開始有讀數時記錄兩個壓力計的讀數，算出壓力差。繼續(xù)加壓可以得到一系列壓差與流量的數值。根據這些數值就能做壓差一流量圖了。</p&g

43、t;<p><b>　　3測量裝置的設計</b></p><p>　　本裝置測量所用的浸潤劑為水，滲透劑為正辛醇。兩種液體的界面張力為8.5×10-3N/m。兩種液體要互為飽和。根據《機械設計手冊》中關于壓力容器公稱壓力的要求（表一），選擇1.6Mpa為設計時的基準壓力。</p><p>　　表一壓力容器的公稱壓力</p><

44、;p>　　本測量裝置中選用20號無縫鋼管作為液體流通的管道，根據《機械設計手冊》選用20號無縫鋼管，表號為G30，壁厚為2mm，外徑為14mm，公稱直徑為10mm。要對鋼管進行校核，其校核公式如下：</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　式中P為設計壓力，Mpa;Di為鋼管直徑，mm;δe為鋼管的有效厚度，mm;[σ]t為材料的許用壓力

45、，Mpa;φ焊縫系數，取1。</p><p>　　查表有20號的鋼管的[σ]t為130Mpa，取P=1.6Mpa，Di=10mm，δe=1.4mm，φ=1有：</p><p>　　由于其計算值小于20號鋼管的許用壓力故鋼管的選擇是安全的。鋼管的直徑14mm，選用普通細牙螺紋進行連接，公稱直徑為14mm，螺距為1mm，右旋，旋合長度為10mm，中等旋合長度。公差等級大徑為6h，中徑為6h螺紋

46、名稱為：M14×1-6h-10與其配合的內螺紋的名稱也可以確定為：M14×1-6H。</p><p>　　鋼管在和其它裝置連接后要進行膠密封，其承受的力很小，因此不需要對螺紋強度進行校核。</p><p>　　3.1樣品制備裝置的設計</p><p>　　在測量以前要進行試樣的制備，樣品的制備要符合國標的要求。本樣品的制備依據的是GB1966-8

47、0第12條第1款規(guī)定的方法。試樣制備的目的是要使樣品中微孔孔道被浸潤劑飽和。根據《機械設計手冊》及相關資料得到如圖四所示的裝置圖，從圖中可知該裝置由7部分組成，零件1是底座主要起固定作用，零件2是底座旋蓋起密封作用，零件3是樣品室用來裝樣品，零件7是壓緊圓筒主要用來壓緊樣品以達到密封效果，零件4和6是密封圈起密封的作用。在制備試樣前要將零件3、4、5、6、7組裝好放入零件1中，然后旋緊零件2，再在零件l中剩余空間中注滿粘度較大的液體。液

48、體注入的多少以使零件2上表面有一定的液體存在為益。注滿液體有兩個作用：一是可以對零件2中的螺紋起到密封；二是當向上旋零件3時有利于真空的產生。</p><p>　　根據國家標準的要求，樣品制備裝置要保證抽真空后剩余壓力小于10毫米汞柱，一個大氣壓相當于76毫米汞柱，當溫度一定時氣體的體積V和壓力P的乘積是不變的，要使其剩余壓力小于10毫米汞柱，只需將其體積擴大8倍以上。在本裝置中零件1的兒乎所有的空間都被液體占據

49、著，很容易實現體積擴大8倍的要求。</p><p>　　在此裝置圖中零件l和零件2，零件2作用。在零件1和零件2的連接中，零件1和零件3是通過管螺紋連接的，主要是起密封的采用圓錐螺紋，零件2采用圓柱螺紋，有效螺紋長度為21.4mm，基準長度為13mm，螺紋名稱為：Rpll/4/Rll/4。在零件2和零件3的連接中，零件2采用圓柱螺紋，零件3采用圓錐螺紋，有效螺紋長度為22mm，基準長度為16mm，螺紋名稱為Rp2

50、/R2。</p><p><b>　　圖四樣品制備裝置</b></p><p>　　其中：1底座2底座旋蓋3樣品室4密封圈5樣品6密封圈7壓緊圓筒</p><p>　　此裝置的工作過程如下：首先按圖四組裝好零件3、4、5、6、7，零件7中的螺紋要全部旋入，然后把裝配好的整體放入零件1中，旋緊零件2，接著關閉和零件1相連的閥門，再在零件1中注入液

51、體，最后快速的向上旋緊零件3。3旋入2的過程中其密封由加入的液體保證：在3向上旋入時，由于零件2的上表面有液體存在，在大氣壓的作用下液體會通過螺紋之間的間隙向零件1中流動，從而阻止空氣向零件l中的滲入，保證了密封。</p><p>　　零件2和零件3之間的螺紋校核可以用受拉螺栓的校核方法進行?？梢园哑淇醋魇且粋€受預緊力和軸向工作載荷的緊螺栓聯結。工作拉力F可由以卜公式求得：</p><p>

52、;<b>　　F=PS（8）</b></p><p>　　式中P為零件3上下表面的壓力巍處取P=l.olxlo"Pa,s為零件3承受壓力的面積又如下公式求得：</p><p><b>　　（9）</b></p><p>　　式中D為零件3的最大表面的直徑，設計值為42.435mm，此處取D=43mm，將D的值代入

53、公式（9）中有：</p><p>　　可以得出S的值為1451.465×10-6m，然后把求的S值和P值代入公式（8）中有：</p><p>　　可以求的F的值為146.60N。由于此處是用來密封故預緊力F″可以由下面的公式求得：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　取1.6代入公

54、式有：</p><p>　　求得F″的值為234.56N。零件受到的總拉力Fo可用以下公式求得：</p><p><b>　?。?1）</b></p><p><b>　　代入F和F″值有：</b></p><p>　　可以求得Fo的值為381.16N。預緊力F′可用如F公式計算：</p>

55、;<p><b>　　（12）</b></p><p>　　式中 可查表得到，查表有 值為0.2~0.3取0.2則 的值為0.8，代入公式（12）中有：</p><p>　　可以求得F′為351.84N。查表可知45號鋼的抗拉強度為，，其許用應力可由公式（13）求得：</p><p><

56、b>　　（13）</b></p><p>　　式中S為安全系數取S=2代入公式（13）有：</p><p>　　設圓柱的外徑為D，mm；內徑為d，min有：</p><p><b>　　（14）</b></p><p>　　式中Fo為管螺紋受到的總拉力為381.16N，d的設計值為30mm，代入公式（1

57、4）中求得：</p><p>　　D≥30.058mm</p><p>　　零件3的設計外徑為42.435mm滿足大于30.058mm的要求，所以設計是合理的。對于零件1和零件2，零件3和零件7中的螺紋配合也可以用上面所述的方法進行螺紋的校核可知設訓‘都是合理得。零件3的擰緊力Ft可由下面的公式求得：</p><p><b>　?。?5）</b>

58、;</p><p>　　式中F為軸向力根據前面的計算可取F=F′=263.88N。φ為升角，ρV為當量摩擦角可分別由如下公式求得：</p><p><b>　?。?6）</b></p><p><b>　?。?7）</b></p><p>　　公式（16）中的中的n為線數本設計取n=1，p為螺距取p

59、=2.309，d2為螺紋中徑取d2=40.431有：</p><p>　　公式（17）中μv當量摩擦系數，可由如下公式求得：</p><p><b>　?。?8）</b></p><p>　　式中μ為實際摩擦系數，取μ=0.2，β為牙型斜角，可由下面的計算公式計算得出：</p><p><b>　　（19）&l

60、t;/b></p><p>　　式中α為螺紋的牙型角，由于本設計所用為管螺紋取。α=55°代入公式（19）有：</p><p>　　將μ=0.2和β=27.5代入公式（18）中有：</p><p>　　把μv的值μv=0.2254代入公式（17）中有：</p><p>　　把φρν的值代入（15）中可以計算出擰緊力Ft：<

61、;/p><p>　　Ft=263.88×tg(1.045°+12.706°)=64.56N</p><p>　　本測量對密封的要求是比較高的，一旦密封不好，將導致測量的失敗。因此零件1和零件2采用管螺紋密封，零件3和零件2采用管螺紋密封，而零件7和零件3、樣品和零件3之間采用了密封墊圈。零件7的主要作用就是讓樣品和零件3之間有良好的密封性能，在零件1中注入粘度較大

62、的液體也是為了起到密封的作用。密封墊圈選用的原則為：對于要求不高的場合，可憑經驗來選取，不合適時再更換。但對那些要求嚴格的場合，例如易爆、劇毒和可燃性氣體以及強腐蝕的液體設備、反應罐和輸送管道等，則應根據工作壓力、工作溫度、密封介質的腐蝕性及結合密封面的形式來選用。本裝置密封墊圈的選擇以《機械設計手冊》為依據，主要考慮工作壓力的要求來選用，密封材料為橡膠石棉板，密封圈種類為XB200，在使用過程中要根據實際情況來選擇墊圈的厚度和寬度。&

63、lt;/p><p>　　對于那些不需要經常拆卸的聯結可以采用膠密封，零件1和管道的聯結就采用了膠密封，在本設計中采用液態(tài)密封膠，選用Y-150。</p><p><b>　　3.2夾具的設計</b></p><p>　　夾具的設計結構如圖五所示：</p><p><b>　　圖五夾具</b></p

64、><p>　　零件1是夾具底座主要起固定作用；零件2是導氣管用來排出樣品下總匯的氣體，當零件10和零件9的螺紋旋緊以后零件2和樣品要想結合，零件3是調節(jié)墊圈，主要是當零件2受壓時向下有段緩沖的蹁，同時也起一定的密封作用；零件5、6、7、8、9和樣品制備裝置中的零件3、4、5、6、7是相同的零件，當樣品制備好后，可直接把樣品制備裝置中零件3、4、5、6、7作為一個整體拿到夾具中使用。零件10是壓緊旋蓋主要起壓緊作用以便

65、獲得良好的密封。</p><p>　　夾具的工作過程為：首先按圖裝配好各零件，零件10的螺紋要全部旋完以便壓緊有利于密封，然后從如圖所示的夾具下方左邊孔輸入滲透劑直到夾具右邊的孔有液體流出時，關閉與右邊孔相連的閥門。在輸入滲透劑的同時可以通過夾具上方左邊孔輸入浸潤劑，也是到右邊孔有液體流出時停止輸液，關閉左邊孔的閥門。在作了這些準備工作之后，就可以繼續(xù)往夾具中輸入滲透劑來進行測量了。</p><

66、;p>　　測量過程中夾具的下部承受的壓力最大，所以要對夾具下部進行校核，以便檢查壁厚是不是達到要求?？梢哉J為夾具下部為一圓鋼管，這樣就可以應用公式（7）對其進行校核了，取P=1.6Mpa；Di=43mm為設計值；σe=5mm為設計值；[σ]t=180Mpa；φ焊縫系數，取1。校核如下：</p><p>　　由于其小于材料的許用應力，所以壁厚設計是合適的。</p><p>　　零件10

67、中的螺紋可以用樣品制備裝置中的螺紋校核方法進行。</p><p>　　夾具的密封要求和樣品制備裝置的要求是一樣的，選擇密封圈的準則也相同，在夾具中有四個地方要進行膠密封分別是夾具的上下兩個孔，此處的孔不是經常拆卸的。</p><p>　　在夾個的零件中零件2是很重要也是比較難設計的零件，如果氣體不能完全排出，在測量的過程中可能通過孔道滲透到浸潤劑中對測量結果產生一定的影響；其次零件2在與陶

68、瓷樣品接觸的同時要保證接觸面的壓力要同其它樣品平面的壓力相等，這一點可以通過在導氣管的頂端開小直徑的半圓孔來實現；再次在零件10未旋緊以前導氣管與陶瓷樣品的間隙也較難確定，間隙太小，零件10旋緊時可能破壞陶瓷樣品，太大就有可能不能保證導氣管與樣品接觸或是對零件3調節(jié)墊圈的壓縮量太小而不能保證其密封要求，使導氣管喪失導氣的作用，本裝置中間隙為Ilnm左右，此間隙是在壓緊圓通和壓緊旋蓋未壓緊前的距離，可以通過設計零件時控制其長度來實現。具體

69、數值在零件圖上有表述。</p><p>　　4設備整體圖及操作說明</p><p>　　綜合以上的敘述可以得到如圖六的整體圖，圖中1為氣瓶，2為減壓閥，3為壓力計，4為定值器，5、7、10、11、18、19、23為彎接頭，6為滲透劑儲罐，8為截IL閥，9為壓力傳感器，12為截止閥，13為夾具，14為浸潤劑儲罐，16為截止閥，17為快換接頭，20為壓力傳感器，21為流量傳感器，22為快換接頭

70、，24為廢液罐。</p><p>　　夾具裝配好后，打開氣瓶閥門，調節(jié)減壓閥2使氣體壓力保持在2公斤/厘米2。打開閥門8、12、16，同時向夾具里注入滲透劑和浸潤劑，當閥12有滲透劑流出，廢液罐中有浸潤劑流入時，關閉閥門12和閥門16，打開停頓開關，關閉復位開關，啟動步進電機控制程序，此時通過步進電機控制壓力的增大，當流量傳感器剛有讀數時，步進電機第一次停止轉動，記下壓力傳感器和流量傳感器的值，計算出壓力差△Pd

71、，以此壓力差通過公式（l）計算最大孔道直徑。關閉停頓開關，步進電機繼續(xù)轉動，當達到下一個測量點時，打開停頓開關使步進電機停轉，記錄壓力值和流量值，計算壓差。以此步驟測量得到一系列壓差和流量。測量完畢后，打開復位開關，然后通過步進電機控制電路使步進電機反轉回到原位。在測量的過程中可以隨時使用復位開關終止測量。以壓力差△P為橫坐標，流量Q為縱坐標，在毫米格紙上作壓力差和流量的曲線。</p><p><b>

72、　　圖六整體圖</b></p><p>　　液體在管道中流動時會有沿程壓力損失，經過彎道是會有局部壓力損失，由于液體在管道中的流速比較低，再加上金屬圓管中臨界雷諾數較大，可以認為液體在金屬圓管中的流動是層流。沿程壓力損失可以由下面的公式求得：</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　式中ρ為液體密度，v為液

73、休平均流速，l為管道長度，d為管道直徑。λ為沿程阻力系數，與累諾數的關系為：</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　局部壓力損失可由下面的公式求得：</p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　△pn為閥在額定流量qn下的壓力損失，q為通過閥的實際流

74、量，qn為閥的額定流量。由于在測量的過程中液體的流量和流速都很小，根據公式（20）和（22）可知其沿程壓力損失和局部壓力損失都很小，可以忽略不計。</p><p><b>　　5單片機控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　5.1控制原理</b></p><p>　　在本設計中以MCS-51單片機對系統(tǒng)進行控制，使用

75、的芯片為8051，以P2.1作為流量傳感器的反饋端口，P2.2為復位開關端口P2.3為停頓開關端口。以Pl.0接步進電機的A相繞組，P1.1接電機的B相繞組，Pl.2接電機的C相繞組，如圖七所示：</p><p>　　步進電動機與壓力工作閥相連，通過電動機的轉動帶動閥門閥芯轉動來控制閥門兩側的壓力大小。選擇的單片機為雙相三拍的方式，每拍、轉過的角度是4.5度。工作前要將復位開關關閉，保持端口P2.2為低電平；停頓

76、開關打開，讓端口P2.3保持高電平。工作過程如下：在單片機的控制下，步進電機帶動壓力控制閥轉動，感器有讀數，傳感器增大壓力，當流量傳感器沒有測到流量時，這個動作將一直保持下去，一旦流量傳就通過反饋電路給端口P2.l一個高電平此時電動機將停止轉動，記錄下此時壓力傳感器和流量傳感器的讀數：這樣通過停頓開關控制步進電機的停、轉就能得到二系列的壓力和流量數值。測量完后，打開復位開關，然后通過電動機控制電路使電動機反轉回到原始位置。</p&

77、gt;<p><b>　　圖七芯片接口</b></p><p>　　5.2步進電機的選擇</p><p>　　本設計采用的是三相反應式步進電機，規(guī)格和性能見表二：</p><p>　　表二 步進電機規(guī)格和性能</p><p>　　外形尺寸及安裝尺寸見表三和圖八。</p><p>　

78、　表三 步進電機的外形尺寸及安裝尺寸</p><p><b>　　圖八步進電機尺寸圖</b></p><p>　　5.3傳動機構的設計</p><p>　　5.3.1整體結構圖</p><p><b>　　圖九傳動機構</b></p><p>　　如圖九所示該傳動機構通過一

79、滾動螺旋副把步進電機的旋轉運動轉變?yōu)檫B桿的軸向運動，從而控制壓力閥。</p><p>　　5.3.2滾動螺旋副結構</p><p>　　滾動螺旋副本身由螺母1，軸套2，擋軸器3，鋼球4，螺桿5組成，具體如圖十所示。螺桿和螺母的螺紋滾道間置有鋼球，當螺桿或螺母傳動時，鋼球在螺紋滾道內傳動，使螺桿和螺母作相對運動時為滾動摩擦，提高了傳動效率和傳動精度。</p><p>

80、　　圖十滾動螺旋副結構圖</p><p>　　l-螺母2-軸套3-擋球器4-鋼球5-螺桿</p><p>　　滾動螺旋副的承載能力是以額定靜載荷和額定動載荷來表示的。這里只考慮額定靜載荷。滾動螺旋副在靜態(tài)條件下，受接觸應力最大的滾動體和滾道接觸面間產生的塑性變形量之和達到了0.0001倍滾動體直徑時的軸向載荷，定義為基木額定靜載荷。</p><p><b>

81、;　　其值可用下式計算</b></p><p><b>　　（23）</b></p><p>　　式中β-為接觸角（滾動體合力作用線和螺旋軸線垂直平面間的夾角）</p><p>　　Dw-鋼球直徑mIn</p><p>　　Z-每圈螺紋內滾動體的數量</p><p><b>

82、　?。ㄈ≌麛担?lt;/b></p><p>　　dm-為滾動螺旋公稱直徑mm</p><p>　　i-螺母的總工作圈數</p><p><b>　　i＝圈數×列數</b></p><p>　　K0-基本額定靜載荷特性值，與滾道的兒何形狀、材料等有關。</p><p>　　一組（相

83、當數量）相同參數的滾動螺旋副，90%不發(fā)生疲勞擴展的特定轉數（或在一定轉速下的工作時數），定義為它的額定壽命。</p><p>　　壽命計算的基本公式是</p><p><b>　?。?4）</b></p><p>　　式中 L-額定壽命 106轉 </p><p>　　Ca-基本額定動載荷 N</p>

84、<p>　　F-軸向載荷，變載荷時，應取其平均載荷Fm</p><p>　　在實際選用，常用小時數表示額定壽命，則有</p><p><b>　　（25）</b></p><p>　　式中 L-工作壽命 h</p><p>　　n-轉速，變速時，應取其平均轉速nm r/min</p>&l

85、t;p>　　滾動螺旋副若在變轉速和變載荷情況下工作，計算壽命時應取其平均轉速nm和平均載荷Fmo在變轉速和穩(wěn)定載荷條件下，其平均轉速nm為：</p><p>　　r/min （26）</p><p>　　式中n1、n2……-各種工作轉速 r/min</p><p>　　q1、q2……-相應轉速的工作時間與總工作時間之比 %</p

86、><p>　　5.4 控制主程序的編制</p><p>　　電動機的工作方式為雙相三拍，根據其特點可有如下表的控制模型：</p><p>　　表四 雙相三拍控制模型</p><p>　　根據控制過程及控制模型可以得到如圖十一所示的步進電機控制程序流程圖根據流程圖編制的程序如下：</p><p>　　MAIN: MO

87、V RO ， #00H</p><p>　　MOV R1 ， 00H</p><p>　　LCALL ROUTN </p><p>　　ROUTN： JB P2.2 ， LOOP2</p><p>　　LOOP1： JB P3.1 ， LOOP3</p><p>　　MOV

88、 A ， #03H</p><p>　　MOV P1 ， A</p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　CJNE R0 ， #00H ， NEXT1</p><p><b>　　I

89、NC R1</b></p><p>　　NEXT1： JB P2.2 ， LOOP2</p><p>　　JB P2.1 ， LOOP3</p><p>　　MOV A ， #06H</p><p>　　MOV P1 ， A</p><p>　　LCALL DELAY<

90、/p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　CJNE R0 ，#00 ， NEXT2</p><p><b>　　INC R1</b></p><p>　　圖十一 程序流程圖</p><p>　　NEXT2： JB P2.2 ， L

91、OOP2</p><p>　　JB P2.1 ， LOOP3</p><p>　　MOV A ， #06H</p><p>　　MOV P1 ， A</p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b>　　INC R0</b></p><p

92、>　　CJNE R0 ，#00 ， NEXT3</p><p><b>　　INC R1</b></p><p>　　NEXT3： JB P2.2 ， LOOP2</p><p>　　JB P2.1 ， LOOP3</p><p>　　LJMP LOOP1</p><

93、p>　　LOOP3： JB P2.2 ， LOOP2</p><p>　　JB P2.3 ， LOOP41</p><p>　　CON1： MOV A ， #03H</p><p>　　MOV P1 ， A</p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b&g

94、t;　　INC R0</b></p><p>　　CJNE R0 ，#00H， NEXT4</p><p><b>　　INC R1</b></p><p>　　NEXT4： JB P2.2 ， LOOP2</p><p>　　JB P2.3 ， LOOP42</p>&

95、lt;p>　　CON2： MOV A ， #06H</p><p>　　MOV P1 ， A</p><p>　　LCALL DELAY</p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　CJNE R0 ，#00H， NEXT5</p><p>

96、<b>　　INC R1</b></p><p>　　NEXT5： JB P2.2 ， LOOP2</p><p>　　JB P2.3 ， LOOP43</p><p>　　CON3： MOV A ， #05H</p><p>　　MOV P1 ， A</p><p&g

97、t;　　LCALL DELAY</p><p><b>　　INC R0</b></p><p>　　CJNE R0 ，#00H， NEXT6</p><p><b>　　INC R1</b></p><p>　　NEXT6： JB P2.2 ， LOOP2</p>

98、<p>　　JB P2.3 ， LOOP44</p><p>　　CON4： LJMP LOOP3</p><p>　　LOOP2： JB 2.2 ，LOOP2</p><p>　　LJMP MAIN</p><p>　　LOOP41： JB P2.3 ，LOOP41</p><p&g

99、t;　　LJMP CON1</p><p>　　LOOP42： JB P2.3 ，LOOP42</p><p>　　LJMP CON2</p><p>　　LOOP43： JB P2.3 ，LOOP43</p><p>　　LJMP CON3</p><p>　　LOOP44： JB P2.3

100、，LOOP44</p><p>　　LJMP CON4</p><p>　　程序說明：當流量傳感器無讀數時P2.1端口為0，當有讀數時P2.1端口為1，此時程序將跳轉到下一步；當停頓開關打開即要求停頓時P2.3端口為1；當復位時端口P2.2為1。程序中的R0，R1是用來計數的，主要是為了將來對系統(tǒng)進行改進時的需要，在此控制系統(tǒng)中，步進電機的回位是通過外部的硬件電路實現的，可以對LOOP2

101、程序段進行改進，從而對步進電機的回位實現軟件控制，這就要用到R0，R1的計數值。程序中的延遲子程序所延遲的時間需要根據電動機及轉動裝置的響應時間來測定。</p><p><b>　　6總結</b></p><p>　　本設計是以國家標準為依據，根據機械設計的相關理論設計的設備，用來測量多孔陶瓷孔道直徑。設計的過程中查閱了一些資料，解決了夾具中氣體的排出的難題，使用了膠

102、密封很大程度上減小了產品的外形尺寸。設計了樣品制備裝置，解決了樣品制備的問題。對系統(tǒng)的控制也進行了一定的研究，編制了系統(tǒng)控制程序以對步進電機進行控制，能夠精確的控制壓力的增加。但同時也存在一些問題，如裝置中密封圈的選擇還需要通過實驗來改進；導氣圓管也需要通過實驗來測量其工作的可靠性?？刂葡到y(tǒng)也可以進行改進，可以通過編制程序使步進電機的復位自動完成而不需要硬件去實現，從而降低勞動強度；運用計算機對數據進行處理，以減少手工作圖花費的時間。&

103、lt;/p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 成大先.機械設計手冊（第5版）[M].化學工業(yè)出版社，2010</p><p>　　[2] 馬振福.液壓與氣壓傳動[M].機械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[3] 孫靖立.畫法幾何及工程制圖[M].機械工業(yè)出版社，2008</p&

104、gt;<p>　　[4] 黃曉榮，李妍緣，盧吉平.機械設計基礎課程設計指導書[M].</p><p>　　中國電力出版社，2009</p><p>　　[5] 甘永立.幾何量公差與檢測[M].上?？茖W技術出版社，2009</p><p>　　[6] 高峰.多孔陶瓷膜截留性能與膜孔徑關系的研究[M].南京化工大學，2006</p><

105、p>　　[7] 羅氏華，曾令可.多孔陶瓷的表征與性能測試技術[M].景德鎮(zhèn)陶瓷學院，</p><p>　　華南理工大學材料學院，2004</p><p>　　[8] 何飛，赫曉得.多孔陶瓷的制備、性能及應用[M].</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學復合材料研究所，2003</p><p>　　[9] 文忠和.多孔陶瓷的結構、性能及應用

106、[M].萍鄉(xiāng)高等?？茖W校，2003</p><p>　　[10] 劉志偉.多孔陶瓷材料引論[M].新華書目報，2008</p><p>　　[11] 徐坦，魯淑群，譚蔚，朱企新，曲金秋，葉世海.</p><p>　　無機陶瓷膜孔徑及孔徑分布的測定與表征[M].天津大學，2007</p><p>　　[12] 張利平.液壓傳動系統(tǒng)設計與使用[M

107、].化學工業(yè)出版社，2010</p><p>　　[13] 曾令可，王慧，羅民華.多孔陶瓷的制備與應用[M].化學工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[14] 楊涵崧，朱永長，李慕勤.多孔陶瓷材料的研究現狀與進展[M].</p><p>　　佳木斯大學學報，2005</p><p>　　[15] 劉紅華.多孔陶瓷的制備及應用發(fā)展[M].

108、聊城大學材料學與工程學院，2005</p><p><b>　　謝 辭</b></p><p>　　在設計的過程中，我得到了xxx指導老師的精心指導，xx老師每周都檢查我的設計，發(fā)現問題及時糾正。當我的設計遇到難題時，一時無法解決的時候，xx老師除了給我必要的提示外，還要求我獨立思考，學會運用所學知識解決實際問題。在設計中跟著xx老師學到了很多知識，在這里對xx老師