301 銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的設計,銷盤式,高溫,高速,摩擦,磨擦,磨損,試驗,實驗,設計 山東大學畢 業(yè) 論 文（設計）論文(設計)題目：銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的設計學 生 姓 名 _____顏培________學 院 ____機械工程學院___專 業(yè) 機械設計制造及其自動化年 級 _______2003 級______指導教師姓名 ______鄧 建 新______2007 年 6 月 12 日山東大學畢業(yè)設計（論文）成績評定表學 院：機械工程學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 年 級：2003級姓 名 顏培 設計（論文）成績設計（論文）題目 銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的設計該同學在畢業(yè)設計過程中，態(tài)度端正，積極主動，搜集了大量課題相關資料。學習并掌握了 Pro/E 軟件的造型設計。 用 Pro/E 軟件設計了銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機，進行了相關的理論分析和計算，繪制了零件圖、總裝圖和生成了 CAD 平面圖?？傮w方案合理可行，結構合理。論文工作量大，寫作符合科技寫作規(guī)范。論文已達到本科生畢業(yè)論文的要求，可以提交答辯。指 導 教 師 評 語評定成績： 簽名： 年 月 日評 閱 人 評 語評定成績： 簽名： 年 月 日答 辯 小 組 評 語答辯成績： 組長簽名： 年 月 日注：設計（論文）成績 =指導教師評定成績（30%）＋評閱人評定成績（30% ）＋答辯成績（40%）目 錄目 錄摘 要． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．ⅠABSTRACT． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．Ⅱ第一章 緒論． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．11.1 本課題的研究目的與意義． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．11.2 摩擦磨損試驗機的分類． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．21.3 摩擦磨損試驗機的特點分析． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．51.4 國內外研究概況． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．71.4.1 濟南試金集團產品． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．71.4.2 美國 CETR 公司產品． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．91.4.3 瑞士 CSM 公司產品． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．10第二章 銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的方案設計、分析與比較． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．132.1 試驗機的整體分析． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．132.2 不同設計方案的制目 錄定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．132.2.1 設計方案一． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．142.2.2 設計方案二． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．152.2.3 設計方案三． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．162.2.4 設計方案四． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．112.3 四種方案的分析比較． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．172.4 設計方案的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．182.5 本章小結． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．19第三章 摩擦磨損試驗機結構設計的相關計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．213.1 試驗機的主要性能指標的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．213.2 試驗機的主傳動系統(tǒng)的相關計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．213.2.1 電機功率的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．213.2.2 同步帶傳動的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．223.2.3 主軸強度校核． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．233.2.4 主軸上鍵的強度校核． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．24目 錄3.2.5 橫梁的強度校核． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．243.2.6 絲杠螺母副的相關計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．243.2.7 軸承的校核． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．263.3 本章小結． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．26第四章 摩擦磨損試驗機的結構設計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．274.1 磨損試驗機的整體結構． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．274.2 摩擦球及其夾持器的設計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．284.3 摩擦盤夾持器的設計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．294.4 橫梁的設計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．324.5 支架的設計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．334.5.1 與橫梁相連的支架． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．334.5.2 與絲杠相連的支架． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．344.5.3 與底板相連的支架． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．354.6 本章小結． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．36結目 錄論． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．37參考文獻． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．39致謝． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．41科技文翻譯及原文． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．43摘 要I摘 要高溫高速摩擦磨損試驗機是進行高溫高速摩擦磨損試驗的有效設備，廣泛運用于對各種高速刀具的高溫摩擦磨損性能進行測試和評價，是高速切削和新型刀具材料研制開發(fā)和應用的必備設備。本論文介紹了摩擦磨損試驗機的基本知識和國內外發(fā)展概況，對摩擦磨損試驗機的分類和特點進行了分析，介紹了銷盤式摩擦磨損試驗機的原理。之后對于銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的整體結構給出了四種不同的設計方案，并對這四種方案進行了分析比較，得到了較為合理的一種方案。并且根據(jù)這種較為合理方案對試驗機的整體機械結構進行了相關計算和結構設計，用 ProE 軟件完成試驗機的三維總裝圖。最后得到了整個試驗機的二維裝配圖和摩擦盤、摩擦銷等重要組成部件的裝配圖。關鍵詞 摩擦磨損；試驗機；機械結構；ProEIIABSTRCSTIIIABSTRACTHigh-temperature high-speed friction and wear testing machine is a effective equipment for the high-temperature high-speed friction and wear testing , and it is widely used for various high-speed tools for the friction and wear properties of high-temperature test and evaluation .It is a essential equipment for the research , development and application of new type of high-speed cutting tool materials.The basic knowledge of the friction and wear testing machine and the development at home and abroad are introduced in this paper,and the classification and characteristics of the friction and wear testing machine are also analysed ,and the principle of a kind of dowel-on-disc type friction and wear testing machine is also introduced. Then four different design options of the overall structure of the high temperature high-speed owel-on-disc type friction and wear testing machine are given , then a more reasonable option is got after the analysing and comparing of the four options. And the relevant calculations and structural designs of the testing machine's overall mechanical structure are based on this options . The ProE software is used to complete the testing machine’s 3D assembly plans . Finally the 2D assembly of the testing machine and friction disc, friction dowel, and other important components of the assembly are also drawn.Keywords: friction and wear ; testing machine ; mechanical structure ; ProE第一章 緒 論1第一章 緒 論1.1 本課題研究的目的與意義隨著冶金、礦山、電力以及工程機械等行業(yè)的發(fā)展，人們對磨損危害的認識有了相當?shù)奶岣?。為了弄清磨損機理以減少有害的磨損，各國學者對材料在常溫下的各種磨損問題均進行了大量的研究，但對于材料在高溫下的磨損問題至今卻研究的較少，這和高溫磨損試驗裝置的缺乏不無關系。1910 年第一臺磨料磨損試驗機即以問世，1975 年美國潤滑工程師學會（ALSE）編著的“摩擦磨損裝置”一書中所公布的不同類型的摩擦磨損試驗機也有上百種，但其中大部分都是常溫磨損試驗機 [1]。近幾十年來，磨損試驗機和試驗方法雖然有了較大的發(fā)展，但這些試驗機大多還是由企業(yè)和研究工作者根據(jù)工作需要和實際工況自行設計制造的，如高溫磨料磨損試驗機，適合高分子及其復合材料試驗用的高溫摩擦磨損試驗機等。只有少數(shù)試驗機是由專門的試驗機廠或儀器制造公司制造和供應的，而且這些試驗機大都結構復雜，價格較貴，這說明了磨損問題的復雜性和進行實驗室磨損試驗研究的困難所在。高溫高速摩擦磨損試驗機是進行高溫高速摩擦磨損試驗的有效設備，廣泛運用于對各種高速刀具的高溫摩擦磨損性能進行測試和評價，是高速切削和新型刀具材料研制開發(fā)和應用的必備設備。該設備是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基礎設備，該設備可以擴展本學科的研究領域和提高研究水平。本設計主要對銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機進行機械結構部分的設計與計算機三維實體造型以及二維圖的繪制。所設計的試驗機滿足下面的性能要求：(1) 主軸轉速范圍 0~3000 r/min，無級調速；(2) 工作的最高溫度 1000 ℃；(3) 加載范圍：0~10 N，采用砝碼加載；(4) 樣品盤最大尺寸為 Φ60 mm，最大厚度 15 mm。本設計要求設計出實現(xiàn)上述要求的較為合理的方案，并進行相關計算。最后對整個試驗機進行機械結構設計，用 PROE 完成每個零件的三維造型和整個系統(tǒng)的總裝圖，并用 AutoCAD 繪制整個試驗機的二維圖。山東大學畢業(yè)論文21.2 摩擦磨損試驗機的分類摩擦磨損試驗機的種類很多 [2]，人們對其分類的方式也不相同，最有代表性額兩種是前蘇聯(lián) И.В.КрагелЬскид的分類法和美國潤滑工程師協(xié)會的分類法。前者為了模擬摩擦面的破壞形式，便于查明各種影響因素，將摩擦磨損試驗機分成8 種類型；后者則是根據(jù)摩擦副的幾何形狀而將試驗機分成 12 大類，以便于在選定了摩擦副的形式之后去查找相應的試驗裝置和了解該裝置的主要技術指標。表 1-1 是對常見摩擦磨損試驗機分類的結果。表 1-1 摩擦磨損試驗機的分類摩擦元素 固體－固體（潤滑劑）相對運動形式單向滑動 往復滑動旋轉滑動 （含滾動）沖擊 微動試驗機 類型單向滑動 摩擦磨損 試驗機往復滑動 摩擦磨損 試驗機旋轉滑動摩擦磨損試驗機沖擊磨損試驗機微動摩擦磨損試驗機磨損類型 滑動磨損 滑動磨損 旋轉滑動磨損 沖擊磨損 微動磨損磨損機理粘著磨損磨粒磨損表面疲勞磨損摩擦化學磨損特殊功能要求相對單向 滑動相對往復 滑動相對旋轉滑動（含相對滾動加滑動）相對沖擊 微動第一章 緒 論3試驗機舉例動摩擦系數(shù)精密測定裝置（日本協(xié)和）RFT-Ⅱ型往復摩擦式試驗機（日本協(xié)和）AMSLER 試驗機（瑞士）沖擊磨損試驗機（美國FALEX 公司）SRV 型標準化微動摩擦磨損測試機（西德Optimol）摩擦元素 固體－固體加磨?；蛘吖腆w－磨粒相對運動形式滑動旋轉滑動（含滾動）滑動 滑動 沖擊試驗機 類型三體磨粒磨損試驗機三體磨粒磨損試驗機二體磨粒磨損試驗機二體磨粒磨損試驗機動載磨粒磨損試驗機磨損類型滑動磨粒 磨損滾動磨粒 磨損固定磨粒 磨損自由磨粒 磨損動載磨粒 磨損磨損機理 磨粒磨損特殊功能要求摩擦面加磨粒相對滑動摩擦面加磨粒相對旋轉滑動（含相對滑動）固定磨粒相對滑動自由磨粒相對滑動沖擊面有磨粒相對滑動試驗機舉例ML－10 型磨粒磨損試驗機Brinel 磨粒磨損試驗機（瑞典）X4－6 試驗機（蘇聯(lián)）“回轉盤型”試驗機（蘇聯(lián)）MLD－10動載磨粒磨損試驗機這是參照磨損類型的分類提出的一種按摩擦系統(tǒng)的結構和摩擦副的相對運動形式對摩擦磨損試驗機進行分類的新方法。這種分類方法突出摩擦元素的特點和對試驗的特殊功能要求，從而便于采用設計方法學原理對試驗機進行設計。由 山東大學畢業(yè)論文4表 1-1 可見，這種方法將摩擦磨損試驗機分成了五大類。第一類是固體－固體摩擦磨損試驗機。這類試驗機又分為 5 小類，即單向滑動，往復運動、旋轉滑動（含滾滑） ，沖擊和微動摩擦磨損試驗機（根據(jù)需要可以在摩擦元素間加或不加潤滑劑） 。每一小類試驗機的摩擦副形式又有很多種，因而它們也各含有許多種試驗機?？梢哉J為，大部分摩擦磨損試驗機都屬于這一大類，它們可以重現(xiàn)粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和摩擦化學磨損。從設計的角度來看，這一大類試驗機體現(xiàn)了摩擦磨損試驗機的基本結構特點。第二類是固體－固體加磨粒（或固體－磨粒）的試驗機，統(tǒng)稱為磨粒磨損試驗機。根據(jù)試件的磨損特性和運動特性又可以將其分為三小類，即三體磨粒磨損、二體磨粒磨損和動載磨粒磨損試驗機。與第一類試驗機相比，三體磨粒磨損試驗機的不同點是要在摩擦副的摩擦面上加磨粒。固定磨粒磨損試驗機的摩擦副一方是固定磨粒（一般都采用砂布盤） ，另一方則可設計成各種形式，其特例是研究單個磨粒磨損的試驗機。在這一小類試驗機中，摩擦副多為銷-盤式（轉動）或銷-板式（往復運動） 。為了防止偏磨，銷最好能夠自旋，但是摩擦路跡一般不重復。自由磨粒磨損試驗機可以設計成試件運動、磨粒運動和試件與磨粒同時運動的三種形式。第三類是固體－液體加磨粒（或固體－液體）的試驗機，其特殊功能是使含磨粒（或不含磨粒）的液體沖刷固體表面，因而關鍵是要形成有一定流速的液流。利用泵、勢能和離心力均可達到這種目的。從相對運動的原理出發(fā)，也可以讓試件相對于液體運動。液流和試件形成的沖擊角是一個重要參數(shù),通常要求可調。第四類是固體－氣體加磨粒的試驗機，其功能是使含磨粒的氣流去沖刷固體表面。作為這類試驗機的特例是單顆磨粒沖擊裝置。這種試驗機有以下三種形式：(1) 供氣系統(tǒng)加磨粒加噴咀加試件；(2) 高速運動的試件加供給的磨粒。這種試驗機一般都要抽真空，以避免轉子旋轉時所產生的空氣動力學現(xiàn)象對磨損的影響；(3) 利用離心力拋出磨粒。對于這類試驗機來說，磨粒向試件的沖擊角也是一個重要參數(shù)，同樣要求可調。第一章 緒 論5第五類是除了以上所述之外的特殊摩擦磨損試驗機?？煽剌d荷、可控氣氛、高溫或低溫摩擦磨損試驗機均可歸入此類。其中，可控載荷指的是在摩擦過程中摩擦元素所受的載荷是變化的?？煽貧夥漳Σ聊p試驗機的特殊要求是抽真空、通入或不通入特種氣體和控制或不控制濕度等。密封問題對其十分重要。非接觸式傳動——力傳動在這類試驗機上可以得到充分的應用。高溫或低溫摩擦磨損試驗機要求產生高溫或低溫，因而需要考慮高溫隔熱和低溫防護，其選材也要能夠滿足高溫或低溫的要求。1.3 摩擦磨損試驗機的特點分析進行摩擦磨損試驗的目的是要模擬實際的摩擦系統(tǒng)，在實驗室再現(xiàn)摩擦磨損現(xiàn)象及其規(guī)律性，以便通過選定參數(shù)的測量分析考察摩擦的工作運轉變量、潤滑變量和氣氛變量等對特定摩擦磨損試驗系統(tǒng)摩擦元素的影響。因此，擦磨損驗機的設就是要依據(jù)這種目的和既定的具體任務要求，構思出磨損的基本系統(tǒng)。其工作運轉變量一般要求在一定范圍內可調，對于測試參數(shù)應當根據(jù)需要選定 [3]。運動形式與試驗機的摩擦副結構有關，二者都是由所要模擬的摩擦副決定的。試驗機的摩擦副結構和運動形式一般是固定的，但也有一些多功能試驗機的摩擦副和運動形式均可通過添加附件而加以改變。例如，美國 FALEX 公司的多功能試樣測試機在添加附件以后，就可以形成球－平面、四球、板－平板（面接觸） 、液體浸蝕、針－盤和滾動四球等多種摩擦副形式。摩擦副最基本的運動形式可以歸納為 4 種，即滑動、滾動、自旋和沖擊。在試驗機上，對運動形式都有明確的規(guī)定，但對運動的位置精度卻要求不高，因而往往不提這方面的要求。負荷是摩擦磨損試驗機的一個重要參數(shù)，其在試驗過程中一般應當保持穩(wěn)定。試驗機對負荷的精度要求很高，國內試驗機負荷示值的相對誤差為 ±1% 。要滿足負荷精度的要求，就必須考慮在試驗機上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力。一般地說，試驗機的加載方式有機械式、液壓式和電磁式三種。其中，機械式加載又可分為杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載等多種，或者是他們的組合；液壓式加載包括動壓加載和靜壓加載兩種。杠桿加載和重物直接加載系統(tǒng)的結構簡單，載荷穩(wěn)定，不存在負荷保持的問題，加載精度也高，但當摩擦副運動不穩(wěn)定時卻會引起山東大學畢業(yè)論文6震動和沖擊。彈簧加載和液壓加載所產生的震動都比較小，但是彈簧加載的精度不是很高，難于實現(xiàn)負荷的精確調整；液壓加載很難保持負荷的穩(wěn)定。動壓加載和電磁加載易于實現(xiàn)負荷的自動控制，但他們的弱點是控制部分的成本較高，而且電磁加載的實例在已有的試驗機上還很少見。在許多場合下，試驗機還必須滿足恒比壓的要求（這里指的是宏觀恒比壓） 。現(xiàn)在，試驗機上實現(xiàn)恒比壓的方法有兩種，其一是從摩擦副的結構上保證摩擦過程中的接觸面積不變，借以在負荷不變的情況下實現(xiàn)恒比壓，如圖 1-1 所示：圖 1-1 從摩擦副上保證接觸面積不變的方法其二是在試驗過程中隨著接觸面積的增大依照一定的規(guī)律增大負荷以實現(xiàn)恒比壓。利用這種方法實現(xiàn)恒比壓的如日本東京試驗機制作所生產的理研-大越式高速磨損試驗機。其原理如圖 1-2：圖 1-2 理研-大越式快速磨損試驗機原理示意圖1－凸輪；2—搖桿；3、5、8—齒輪齒條；4—彈簧；第一章 緒 論76—旋轉圓環(huán)試件；7—片狀試件1.4 國內外研究概況目前，世界只有美國、日本、瑞士等少數(shù)幾個國家有摩擦磨損試驗機的專業(yè)生產企業(yè)，而濟南試金集團是國內最早研制和生產摩擦磨損試驗機的廠家。早在1964 年為了滿足我國石油工業(yè)和材料工業(yè)的發(fā)展需要，濟南試金集團開始研制MQ-12 型四球摩擦試驗機，1965 年研制成功并投入生產，1966 年又研制成功MM-200 型磨損試驗機，兩種試驗機的研制成功標志著我國已有了自行研制摩擦磨損試驗機的能力。1.4.1 濟南試金集團產品圖 1-3 是濟南試金集團的一種產品的圖片。圖 1-3 屏顯式材料端面高溫摩擦磨損試驗機 MM-U5G該試驗機主要用途：該系列試驗機是以滑動摩擦形式，在室溫或高溫以及改變潤滑狀態(tài)（無油潤滑或浸油潤滑） 、負荷、速度、摩擦配偶材料、摩擦副表面粗糙度、硬度等參數(shù)的各種情況下，對環(huán)狀試樣施加較高的端面試驗力進行試驗。主要用于評定工程山東大學畢業(yè)論文8塑料、粉末冶金、合金軸承等材料在不同條件下的摩擦性能，可應用于選擇摩擦副配對材料及材料抗磨損性能的研究。表 1-2 是該公司試驗機的主要技術規(guī)格及參數(shù)：表 1-2 濟南試金集團試驗機的主要規(guī)格和技術參數(shù)主要技術參數(shù) MM-U5G MM-U10G力范圍 1~5 kN 10 kN驗力精度 ±1% ±1%主軸轉速范圍 10~2000 r/min 300~2800 r/min主軸轉速測量精度 ± 10 r/min ± 10 r/min最大摩擦力 300 N 500 N摩擦力精度 ±2% ±3%溫度測控范圍 室溫~ 600 ℃ 室溫~ 600 ℃溫度測控精度 ±2 ℃時間設定 1 s~9999 min試驗機外形尺寸 （長 ×寬×高）1200×870×1700試驗機凈重 850 kg試驗機在下列條件下正常工作：(1) 在室溫 10 ℃~35 ℃的范圍內；(2) 相對濕度不大于 80%的環(huán)境中；(3) 周圍無震動，無腐蝕性和無強電磁干擾的環(huán)境中；(4) 電源電壓的波動范圍不應超過額定電壓的±10%；頻率的波動不應超過額定頻率的±2%；(5) 地面安裝，水平度為 0.2/1000 1.4.2 美國 CETR 公司產品圖 1-4 是美國 CETR 公司的多功能磨損試驗機的實物圖：第一章 緒 論9圖 1-4 多功能摩擦磨損實驗機/ UMT TESTER生產廠家：CETR(Center of trobology)，美國 規(guī)格指標：(1) 最大垂直移動距離：100 mm；定位精度： 0.5 μm；速度：0.001~10 mm/s； (2) 最大橫向移動距離：75 mm； 定位精度： 2 μm； 速度：0.0~10 mm/s； (3) 上試件旋轉速度：1~50 RPM； (4) 最大載荷：25 kg (0.25 kN)；力傳感器測量范圍： 0.2~20 N(0.02 ~2 kg )；(5) 分辨率：0.05 N (5 g) ； (6) 溫度測量范圍：0 ℃ ~100 ℃； (7) 聲發(fā)射傳感器響應頻率：0.5~5.5 MHz 功能介紹：試驗機的主要功能可進行多功能微摩擦試驗和拋光試驗。前者可作為多功能微摩擦試驗機，可以在較大的載荷范圍內進行銷-盤式、往復式、四球式等摩擦磨損試驗，還可以用來進行刻劃試驗以評價薄膜與基體的結合強度，也可以用來測量材料的微觀硬度。后者可以模擬實際拋光的各種條件，如溫度、壓力、轉速、被拋光材料、拋光墊材料、拋光液等等，可以用來研究以上多個工藝參數(shù)對拋光山東大學畢業(yè)論文10速率及拋光質量的影響。1.4.3 瑞士 CSM 公司產品圖 1-5 是瑞士 CSM 公司的摩擦磨損試驗機。圖 1-5 瑞士 CSM 公司的摩擦磨損試驗機瑞士 CSM 公司是世界知名的表面力學性能測試設備制造商，數(shù)十年中，為世界范圍的科研院所、工業(yè)用戶提供了最先進的技術與應用服務。CSM 公司提供多種功能的摩擦磨損實驗設備，按不同的載荷以及使用條件可分為以下幾類：(1) 納米摩擦測試儀 NTR（Nano-tribometer） ；(2) 摩擦試驗機 TRB（Tribometer pin-on-disk） ，可升級為真空摩擦試驗機；(3) 高溫摩擦試驗機 THT（High temperature tribometer） ，可升級為高溫真第一章 緒 論11空摩擦試驗機；(4) 磨損測試儀 CAW（Calowear） ；(5) 膜厚測試儀 CAT（Calotest） ，分為工業(yè)與實驗室用 2 種型號。CSM 公司的摩擦試驗機主要用于測定自潤滑涂層的使用壽命，以及表征固體材料或硬質涂層在不同條件下的摩擦磨損行為，用戶可以通過改變摩擦時間、接觸壓力、運動速率、環(huán)境溫度、濕度、潤滑劑等參數(shù)得到材料的一系列性能指標。一套完整的摩擦試驗機系統(tǒng)包括以下組成：(1) 主機（CSM Tribometer）(2) 計算機通信接口（PC interface box）(3) 數(shù)據(jù)處理工作站（Computer workstation）(4) 儀器操作及數(shù)據(jù)處理軟件（WinXP 平臺）(5) 附件（針式壓頭支架，球形壓頭支架，潤滑劑容器，砝碼，校正模塊）試驗機的尺寸：(1) 主機（Tribometer ）： 500 ×320 mm，550 mm height(2) 計算機接口（PC interface）：500 ×300 mm，50 mm height(3) 毛重：50 kg建議安裝環(huán)境：試驗機應安裝在振動較小的平臺上。圖 1-6 是該試驗機的測試原理示意圖。山東大學畢業(yè)論文12圖 1-6 CSM 公司摩擦磨損試驗機測試原理。試驗機的測試原理是：(1) 平頭或圓形壓頭安放在被測樣品上，用精確測定質量的砝碼施加載荷；(2) 針或球安裝在一支倔強系數(shù)很大的杠桿上，該杠桿被設計為無摩擦切向力傳感器；(3) 當盤式樣品旋轉時，壓頭和樣品間產生的摩擦力會使杠桿發(fā)生輕微的彎曲，該形變程度可被固定在一起的線性差分位移傳感器檢測，并由此計算摩擦力的具體數(shù)值；(4) 通過測量材料的損失體積可計算壓頭和樣品的磨損系數(shù)。第二章 銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的方案設計、分析與比較13第二章 銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的方案設計、分析與比較2.1 試驗機的整體分析試驗機的機械結構部分 [4-8]可以分為如下幾個主要的系統(tǒng)：主傳動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、摩擦盤夾持系統(tǒng)、摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)等主要部分。對上述各個部分不同的方案進行組合，就可以得到不同的整體設計方案方案。2.2 不同設計方案的制定通過比較，初步定下下面四種方案 [9]：2.2.1 設計方案一：圖 2-1 是設計方案一的方案圖。圖 2-1 設計方案一的方案圖山東大學畢業(yè)論文14設計方案一各部分的組成：(1) 主傳動系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動機通過 V 帶和帶輪驅動主軸，帶動摩擦盤旋轉；(2) 加載系統(tǒng)：采用伺服控制連續(xù)加載；(3) 摩擦盤夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉動；(4) 摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)：通過手動旋轉手輪和分度盤帶動橫梁內的一根絲杠，經過絲杠螺母的相互運動控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進給；通過步進電機和編碼器帶動立柱上的絲杠旋轉，通過絲杠螺母副改變橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的軸向位置；(5) 加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。2.2.2 設計方案二：圖 2-2 是設計方案二的方案圖。圖 2-2 設計方案二的方案圖第二章 銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的方案設計、分析與比較15設計方案二各部分的組成：(1) 主傳動系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動機通過連軸器和主軸直接相連，帶動摩擦盤旋轉；(2) 加載系統(tǒng)：采用彈簧加載；(3) 摩擦盤夾持系統(tǒng)：采用螺栓螺母副將摩擦盤固定到主軸的上端；(4) 摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)：通過手動旋轉手輪和分度盤帶動橫梁內的一根絲杠，經過絲杠螺母的相互運動控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進給；通過步進電機和編碼器帶動立柱上的絲杠旋轉，通過絲杠螺母副改變橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的軸向移動；(5) 加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。此外，主軸外用螺旋銅制冷卻管包裹，冷卻管內通入冷卻水，對主軸進行冷卻。2.2.3 設計方案三：圖 2-3 是設計方案三的方案圖。圖 2-3 設計方案三的方案圖山東大學畢業(yè)論文16設計方案三各部分的組成：(1) 主傳動系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動機通過連軸器和主軸直接相連，帶動摩擦盤旋轉；(2) 加載系統(tǒng)：采用傳統(tǒng)的彈簧加載；(3) 摩擦盤夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉動；(4) 摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)：通過步進電機和編碼器帶動底座支架上的絲杠旋轉，通過絲杠螺母副帶動立柱和橫梁一起水平運動，來控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進給；通過手動旋轉手輪和分度盤帶動立柱內的一根絲杠，經過絲杠螺母的相互運動帶動橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的徑向進給；(5) 加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。2.2.4 設計方案四：圖 2-4 是設計方案四的方案圖。圖 2-4 設計方案四的方案圖第二章 銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的方案設計、分析與比較17設計方案四各部分的組成：(1) 主傳動系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動機通過 V 帶和帶輪驅動主軸，帶動摩擦盤旋轉；(2) 加載系統(tǒng)：采用傳統(tǒng)的砝碼加載；(3) 摩擦盤夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤夾持器夾持摩擦盤，摩擦盤和夾持器一起隨主軸轉動；(4) 摩擦銷軸向和徑向進給系統(tǒng)：通過手動旋轉手輪和分度盤帶動底座內的一根絲杠，絲杠螺母的相互運動控制橫梁和立柱的整體的水平位置，來控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進給；通過立柱結構上的可旋轉結構，使得橫梁可以沿立柱上的某一點旋轉一定的角度，用旋轉來代替移動控制摩擦銷的豎直位置；(5) 加熱及冷卻系統(tǒng)：加熱爐外采用隔熱層，加熱爐和主軸箱之間采用石棉隔熱層。2.3 上述四種方案的分析比較方案一采用 V 帶傳動，可以緩和載荷沖擊而且運行平穩(wěn)，無噪聲，制造安裝精度要求不是很嚴格，并且可以防止過載時對電機的損壞。但是帶傳動有彈性滑動和打滑，效率低而且不能保持準確的傳動比，也就是不能保持主軸以一定的速度轉動。主軸外無冷卻裝置，使得主軸在工作狀態(tài)的高溫下容易發(fā)生變形和損壞，降低了主軸的壽命和裝置的測量精度。伺服控制連續(xù)加載雖然精確但設備復雜且成本很高，安裝維修也不方便。手輪和分度盤控制銷子沿盤的徑向位移，結構簡單，但是橫梁剛性較差，對結果誤差有較大的影響。立柱上采用步進電機帶動絲杠螺母，結構復雜，成本高，降低了整個系統(tǒng)的剛度，但對系統(tǒng)測量精度的作用不大。方案二電機通過連軸器直接和主軸相連，結構簡單且緊湊。但減震性能不好，系統(tǒng)的震動較大。而且主軸和電機之間有直接的熱量傳遞，降低了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。主軸外有冷卻裝置，但由于上述的熱傳遞作用，使得其作用不是很明顯，而且由于空間較小，對主軸的冷卻無法有效進行，安裝維修也不方便。摩擦盤通過中間的螺栓孔與主軸上端直接相連，不易保持盤的整體性和運動的平穩(wěn)性，而且山東大學畢業(yè)論文18對于尺寸不大的陶瓷等脆性材料，在摩擦盤的中間打孔也很難實現(xiàn)，并且盤的剛性大大降低。彈簧加載結構簡單，但加載不精確，容易受到彈簧性能等外部因素的干擾，對實驗結果影響很大。手輪和分度盤控制銷子沿盤的徑向位移，結構簡單，但是橫梁剛性較差，對結果誤差有較大的影響。立柱上采用步進電機帶動絲杠螺母，結構復雜，成本高，降低了系統(tǒng)的剛度，但對系統(tǒng)測量精度的作用不大。方案三電機通過連軸器直接和主軸相連，結構簡單且緊湊。但減震性能不好，系統(tǒng)的震動較大。而且主軸和電機之間有直接的熱量傳遞，降低了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。而且主軸外無冷卻系統(tǒng)，使得在工作情況下，加熱爐內的熱量通過主軸連軸器直接傳遞給電機，主傳動系統(tǒng)整體的溫度較高，不易散熱，對系統(tǒng)的剛度和壽命影響大，而且對測量結果會產生很大的誤差。采用專用的摩擦盤夾持器結構較為合理。彈簧加載結構簡單，但加載不精確，容易受到彈簧性能等外部因素的干擾，對實驗結果影響很大。手輪和分度盤控制銷子的軸向位移，效率低，速度慢，而且結構復雜。步進電機控制銷子沿摩擦盤的軸向位移，結構復雜，成本較高，安裝維修不方便。方案四采用電機通過同步帶帶動主軸，可以緩和載荷沖擊而且運行平穩(wěn)，無噪聲，且同步帶傳動無彈性滑動和打滑，效率高而且能保持準確的傳動比，也就是能保持主軸以某一速度穩(wěn)定地轉動。主軸和電機之間的熱影響很小。專用的摩擦盤夾持器保證了摩擦盤旋轉時的精度，又可以保證其整體性，對于例如三角形硬質合金可專位車刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等的試件的夾持又有很大的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的砝碼加載簡單易行而且加載準確，誤差較小。左邊立柱和橫梁是相對固定的，可以繞一個軸旋轉一定的角度，使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測量結果較精確，結構簡單，而且工作效率比較高。手輪和分度盤控制橫梁和立柱的整體位移來控制摩擦銷沿摩擦盤的徑向位移，結構簡單，成本低，維修方便，而且有足夠高的精度。2.4 設計方案的確定通過上面對四種設計方案的優(yōu)缺點的分析比較，可以得出結論：方案四是這四種設計方案中比較合理的一種方案。該方案既可以滿足設計精度的要求，又具第二章 銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的方案設計、分析與比較19有成本低，結構簡單，安裝維修方便等特點。2.5 本章小結(1) 通過幾個主要結構部分的不同的方案組合，給出四種不同的試驗機總體設計方案；(2) 綜合分析比較四種方案各自的優(yōu)缺點；(3) 經過比較，得到這四種方案中最為合理的設計方案。20第三章 摩擦磨損試驗機結構設計的相關計算21第三章 摩擦磨損試驗機結構設計的相關計算3.1 試驗機的主要性能指標的確定參考第一章中的各種試驗機的參數(shù)，結合設計要求，確定該試驗機的主要性能指標如下：(1) 主軸轉速范圍：0~3000 r/min，無級調速；(2) 工作最高溫度：1000 ℃；(3) 加載力的范圍：0~10 N,采用砝碼加載；(4) 摩擦球尺寸：Ф3 mm~Ф6 mm；(5) 摩擦盤尺寸：最大直徑 d=60 mm,最大厚度 h=15 mm 。3.2 試驗機的主傳動系統(tǒng)的相關計算 [8-15]由試驗機的主軸轉速范圍和變速方式，可以選擇變頻調速三相異步交流電動機來實現(xiàn)。因此該試驗機的主傳動路線為：變頻調速三相異步電動機→同步帶和帶輪→主軸→摩擦盤夾持器→摩擦盤3.2.1 電機功率的計算：取摩擦盤和摩擦銷之間的動摩擦系數(shù) f=fmax=1則摩擦產生的最大功率 Pm=Fv= (3-1)fFn(2/60)r???其中： Pm 是摩擦產生的最大功率，Kw ； F 是相互作用力，N ； v 是相對運動速度，m/s ；f 是滑動摩擦系數(shù)； Fn 是正壓力，N； r 是摩擦力作用電相對旋轉軸的距離，m；故 Pm＝ ＝ ＝0.942 KwfaxFn(2/60)r???1(230/6).3??同步帶的傳動效率 η1＝98%滾動軸承的傳動效率 η2＝98%山東大學畢業(yè)論文22故電動機的輸出功率 P 出 ＝ ＝ ＝0.981 Kw (3-2)12m??0.948為使電動機的功率留有余量，負荷率?。?.85P＝P 出 /0.85＝0.981/0.85＝ 1.15 Kw根據(jù)參考資料可知，選擇的電機型號為：YVP90L-4該電機的主要參數(shù)為： 額定功率 P=1.5 Kw ；額定電流 3.8 A ；額定轉矩 10 N?m ； 同步轉速 1500 r/min ；3.2.2 同步帶傳動的計算： (1) 計算功率：Pc＝ = =1.15 Kw (3-3)AkP?1.20(.94/.8)式中： 是同步帶傳動的工作情況系數(shù)，據(jù)資料可取 1.20(2) 選擇帶型和節(jié)距：選擇 L 型同步帶，且節(jié)距 p＝9.525 mm ；(3) 齒數(shù)：根據(jù)傳動要求，令兩帶輪的齒數(shù) z1、z 2 相同，選擇 z1＝z 2＝16；(4) 帶輪節(jié)圓直徑：令 D1、D 2 分別是兩個帶輪的節(jié)圓直徑，則：D1=D2= = mmZP?69.548.??(5) 帶速：(3-4)1 max3..307.6150/6061nv vs??????式中： n 是帶輪的轉速，r/min；(6) 初定中心距 a：12120.7()()DD???令 97am?(7) 帶長 L 及齒數(shù)：第三章 摩擦磨損試驗機結構設計的相關計算23(3-5)1221()cos0223.48.597346.9DDLraam???????????標準節(jié)線長度： mm；齒數(shù) z＝40 ；80Lp(8) 實際中心距：(3-6)221()84 2381.0.8.54.36()m mmDLDa?????????????式 中 ＝(9) 小帶輪嚙合齒數(shù) z： (3-7)1 1m21z()8202pza????(10) 基本額定功率 P0：(3-8)2 20()(45.967.).1211aFqvP Kw?(11) 帶寬 b：mm (3-9)1.41.400.52516.82czkp????式中： mm9.b(12) 軸上載荷：N (3-10)1001.5.76cQPFv???3.2.3 主軸強度校核 ：主軸受到的扭轉力矩的作用遠大于軸向力，軸向力對軸的作用可以忽略不計，僅考慮扭轉力矩對軸的作用即可。切應力 ：T?(3-11)639.510/[]2TTPnMaWd????式中： WT是軸的抗扭截面系數(shù)，mm 3；P 是軸傳遞的功率，Kw；n 是軸的轉速，山東大學畢業(yè)論文24r/min； 許用切應力，MPa；C 是與軸截面有關的系數(shù)。[]T?則軸的最小直徑： (3-12)6339.5102[]TPdCn????主軸的材料選擇 1Gr16N35；可取 452； mm30.94216.3d???7d?取即主軸上直徑最小處： mm3.2.4 主軸上鍵的強度校核：鍵的尺寸初步定為 ，則該鍵連接所能傳遞的轉矩：724?(3-13)1'[]4Thldp?式中： d 是軸的直徑； l’是鍵的接觸長度；h 是鍵的高度；[p]是許用壓強；取，則2,7,'2,[]40l??N?m 1'7240.324Thp???由于軸上受到的力最大為 10 N，T 遠大于軸上實際受到的扭矩。故鍵的強度滿足要求。3.2.5 橫梁的強度校核：由于橫梁受到的軸向和切向力最大均為 10 N，而且摩擦銷與橫梁不是緊密接觸，也就是力不是直接作用在橫梁上。因而橫梁受到的力很小，可以忽略不計，橫梁強度在滿足結構要求的前提下能夠滿足強度和剛度要求。3.2.6 絲杠螺母副的相關計算：該絲杠螺母副主要用于傳遞運動，來控制摩擦銷沿摩擦盤的徑向位移。而沒有很大的力的傳遞，因此其傳遞的力可以忽略不計。下面對絲杠螺母副進行結構設計，強度校核可以不計。第三章 摩擦磨損試驗機結構設計的相關計算25螺母的軸向位移： (3-2lspx???14)式中： φ是螺桿轉角， rad；s 是導程，mm；p 是螺距，mm；x 是螺紋線數(shù)； 令該螺紋為單線螺紋，則 x＝1；由于絲杠帶動摩擦銷的移動距離為 30 mm，又要留下一定的余量，可令螺紋長度 L＝40 mm；設計使螺紋移動 l=30 mm 時，手輪轉動 6 圈，即：rad 261????mm (3-15)305lpx?由此可知： mm 1sp?螺紋中徑： (3-16)20.8pFd??式中： Ψ 是螺母形式參數(shù)，整體式螺母取 1.2~2.5，分體式螺母取 2.5~3.5；p p 是螺紋副許用壓強，N/mm 2；可取 ； ,9p?帶入數(shù)據(jù)，有： mm 100.8..562pFd???由系統(tǒng)結構特點，?。? mm ；25螺母高度： mm 13H?旋和圈數(shù)： 06()5np?:基本牙型高度： mm 1..52.??工作壓強： (3-17)210.01453.4.6pFdhn???工作壓強滿足要求。為了保證自鎖，螺紋升角: 4°30 ′??螺紋牙根部的寬度： mm0.65.3.25bp???山東大學畢業(yè)論文263.2.7 軸承的校核：該系統(tǒng)三處用到了軸承：主軸、絲杠、以及橫梁旋轉軸處的軸承。這三處軸承均不用于承受載荷，僅僅起到支撐作用，受到的力很小，可以忽略不計；而且其轉速均遠遠低于軸承的極限轉速。因此軸承的校核可以省略，而認為這些軸承的均滿足設計要求。3.3 本章小結(1) 根據(jù)相關資料，確定試驗機的主要性能指標；(2) 分別對電機、同步帶、主軸、鍵、絲杠螺母、軸承等部分進行相關計算，進行結構設計和相應的強度校核。第四章 摩擦磨損試驗機的結構設計27第四章 摩擦磨損試驗機的結構設計4.1 磨損試驗機的整體結構摩擦磨損試驗機用 ProE 做出的三維裝配圖 [16-18]的整體外觀效果如圖 4-1 所示。(a)(b)圖 4-1 摩擦磨損試驗機的三維裝配圖山東大學畢業(yè)論文284.2 摩擦球及其夾持器的設計適合于高溫摩擦磨損測試儀的測試球尺寸有 1.5 毫米、3 毫米、6 毫米、10 毫米（均為直徑） 。可以為不同直徑的摩擦球配備不同內徑的夾持器。摩擦球夾持器設計見圖 4-2：（a ）（b）圖 4-2 摩擦球夾持器夾持器中間為中空結構，后面有螺紋，只需將測試球從夾具的后端放入并應第四章 摩擦磨損試驗機的結構設計29用配套的零件旋緊即可。針對高溫摩擦測試熱脹冷縮的特點，可以在夾具中心加入微型彈簧以保證測試球始終保持被夾緊狀態(tài)。圖 4-3 所示為裝配后的摩擦銷的三維圖：（a ）（b）圖 4-3 摩擦銷裝配圖4.3 摩擦盤夾持器的設計由于摩擦盤尺寸相對較小，對于脆性材料摩擦盤進行試驗，摩擦盤的加工尤其是鉆中心孔難度很大，因此采用螺栓直接固定不適合。設計成專用的摩擦盤夾山東大學畢業(yè)論文30持器，如圖 4- 4 所示：圖 4-4 摩擦盤夾持器用螺紋副將摩擦盤夾持器固定在主軸上，使之隨主軸一起旋轉。在摩擦盤下面加上一個墊片，直徑大小和摩擦盤相當，但厚度可調，裝卸方便，用于夾緊不同厚度的摩擦盤，使這個夾持器更加通用化。在摩擦盤外面用一個盤蓋定位，用螺栓緊固夾緊。盤蓋的結構如圖 4-5 示：圖 4-5 摩擦盤盤蓋對于特殊形狀而且尺寸較小的試件，例如可轉位車刀刀片等，可以采用特制的鎳合金盤型夾具來固定，如圖 4-6 所示：第四章 摩擦磨損試驗機的結構設計31（a ）（b）（c ）圖 4-6 可轉位車刀專用夾具山東大學畢業(yè)論文324.4 橫梁的設計將球安裝在一支倔強系數(shù)很大的杠桿上，該杠桿被設計為無摩擦切向力傳感器，當盤旋轉時，壓頭和樣品間產生的摩擦力會使杠桿發(fā)生輕微的彎曲，該形變程度可被固定在一起的線性差分位移傳感器檢測，并由此計算摩擦力的具體數(shù)值。通過測量材料的損失體積可計算壓頭和樣品的磨損系數(shù)。橫梁的設計如圖 4-7：(a)(b)第四章 摩擦磨損試驗機的結構設計33(c)圖 4-7 橫梁在橫梁的兩側可以加上線性差分位移傳感器。摩擦銷受力引起橫梁中間的杠桿的微變形，位移傳感器檢測并指示出相對應的力的大小。橫梁的兩個臂上開的槽是為了提高測量的靈敏度；橫梁兩側與支架相連的部分有個 5 mm 的凸起，是為了使橫梁的杠桿部分與其他零件分隔開，測量過程中減少部件之間的摩擦對測量結果的影響。橫梁右端的孔與摩擦銷的配合采用過渡配合，既可以保證摩擦銷的位置精度，又可以盡量避免和銷在豎直方向上的摩擦力作用，以減少加載時對加載力精度的影響。4.5 支架的設計：此試驗機用到的的支架有三種形式，它們受的力都很小，滿足結構要求的支架就能夠滿足受力的要求。4.5.1 與橫梁相連接的支架：該支架的作用是支撐、固定橫梁，并帶動橫梁一起繞旋轉軸旋轉。圖 4-8 是不同角度下橫梁的效果圖。山東大學畢業(yè)論文34圖 4-8 橫梁不同角度的視圖4.5.2 與絲杠相連的支架：該支架的作用是為橫梁的旋轉提供一個旋轉軸，并且和絲杠相配合，控制摩擦銷沿摩擦盤的軸向位置。橫梁的旋轉角度范圍是由該支架的結構所限制的。圖 4-9 是不同角度時與絲杠相連的支架的視圖。第四章 摩擦磨損試驗機的結構設計35圖 4-9 與絲杠相連的支架不同角度的視圖橫梁的旋轉角度的極限位置是由結構上的橫擋板和 45°的斜面限制的，它們和上述支架下端的兩個面的相互作用來保證了旋轉的位置。由于旋轉僅僅為了使摩擦盤和摩擦銷分開，或者裝卸摩擦銷，而對具體的旋轉角度精度要求不是非常高，這種機械結構完全可以滿足精度要求。4.5.3 與底板相連的支架：圖 4-10 是不同角度時與底板相連的支架的視圖。圖 4-10 與底板相連的支架不同角度的視圖山東大學畢業(yè)論文36該零件的作用是連接底板和上面的零件，為絲杠和導桿提供支撐，使上面的零件能夠較為精確的到達要求的位置。4.6 本章小結(1) 分別對試驗機整體、摩擦球夾持器、摩擦盤夾持器、橫梁和主要的支架進行功能分析和結構設計；(2) 對試驗機的部分零件和結構給出 ProE 圖形表示。第五章 結 論37第五章 結 論高溫高速摩擦磨損試驗機是進行高溫高速摩擦磨損試驗的有效設備，廣泛運用于對各種高速刀具的高溫摩擦磨損性能進行測試和評價，是高速切削和新型刀具材料研制開發(fā)和應用的必備設備。因此本文對銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗機的原理和結構進行介紹，給出了試驗機的基本參數(shù)，并對試驗機的機械結構部分進行了相關設計、計算和計算機三維仿真，為試驗機的設計和實際制作提供了一定的依據(jù)和參考。該設計在滿足設計要求的前提下，力求結構簡單，制造成本低廉，沒有一味地追求高精度，適合進行實際的生產。設計中采用了較為簡單的方法實現(xiàn)了相同的功能，例如在實現(xiàn)摩擦銷和摩擦盤的分離和摩擦銷的安裝這個功能上，沒有采用較高精度的電動機帶動絲杠螺母這一結構，而是采用了簡單的旋轉結構這種純機械結構來實現(xiàn)，既可以保證足夠的精度，又可以簡化結構，降低成本，制造、安裝、維修都大為簡化。此外，摩擦銷、摩擦盤的設計都很靈活，可以適用于尺寸、結構都不同的摩擦副的試驗，例如尺寸不同的摩擦球，不同形狀的摩擦盤。同時也設計了相應的夾持系統(tǒng)，這充分體現(xiàn)了互換性設計的思想。該設計只是針對摩擦磨損試驗機的機械結構部分進行了相關的設計計算和仿真，而電氣控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)還需要進一步的補充。38參 考 文 獻39參考文獻[1] 武文忠，郝建東，蘇俊義。高溫磨損試驗機的研制。北京：試驗技術與試驗機，2002，42（1，2） ，15～17[2] 桂長林，沈健。摩擦磨損試驗機設計的基礎：Ⅰ[1].摩擦磨損試驗機的分類和特點分析。合肥：固體潤滑。1990，10（1） ，48～55[3] 桂長林，沈健。摩擦磨損試驗機設計的基礎：II 摩擦磨損試驗機設計方法的研究。合肥：固體潤滑。1990，10（2） ，120～136[4] 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謝本次設計是在尊敬的鄧建新教授的悉心指導和嚴格要求下完成的，導師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、高度的責任心以及嚴于律己、待人誠懇的思想品德深深的影響著我，這不僅使我順利完成了此項設計，而且也將成為使我受益終生的寶貴財富。從課題的選擇到完成，鄧教授都始終給予我耐心細致的指導和不懈的支持，在此謹向鄧教授致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在完成論文的過程中，還得到了機械工程學院多位老師的建議和指導，同時也得到了韓文廣、李聰、張凱等同學的的熱情幫助和鼓勵，對此，表示深深的感謝和衷心的祝福。42科技文翻譯及科技文原文43科技文翻譯及科技文原文