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湘潭大學興湘學院 畢業(yè)論文 題 目：高溫高速摩擦磨損試驗機的設計 學 院： 興湘學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2008963112 姓 名： 馬 滔 指導教師： 周后明 完成日期： 2012年5月 目錄 第一章 摩擦磨損試驗機簡介 3 1.1 摩擦磨損試驗機的發(fā)展過程研究意義 3 1.2 兩種國際公認摩擦磨損試驗機的分類方法 4 1.3 現(xiàn)階段國內國際研究最新成果及今后發(fā)展方向 6 1.4 本次設計相關指標 11 第二章 摩擦磨損試驗機摩擦系數的影響因素 12 2.1 表面膜對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 12 2.3 載荷對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 13 2.4 滑動速度對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 13 2.5 溫度對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 13 2.6 表面粗糙度對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 14 第三章 整體方案的初步比較與確定 15 3.1 摩擦磨損試驗機的整體分析 15 3.2 多種方案的設計 15 3.3 方案的優(yōu)劣比較與最終確定 18 第四章 試驗機的主要零件強度校核及零部件選用 21 4.1 本設計要求的主要性能指標的確定 21 4.2 方案中主傳動系統(tǒng)的計算 21 4.2.1 動力源的選擇： 21 4.2.2 傳動方式的計算： 23 4.2.3 軸的受力分析： 27 4.2.4 主軸上鍵的強度校核計算： 29 4.2.5 橫梁的受力分析及強度校核： 29 4.2.6 絲杠螺母副的尺寸計算： 29 4.2.7 軸承的選用： 30 第五章 根據校核結果進行非標準件的結構設計 33 5.1、整體結構的確定 33 5.2、箱體的結構設計 34 5.3、橫梁的結構設計 34 5.4、支架的結構設計： 35 5.5、摩擦銷的結構設計： 36 5.6、摩擦盤夾持器的結構設計： 36 第六章 論文總結 37 感謝 38 參考文獻 39 高溫高速摩擦磨損試驗機 摘要：摩擦磨損試驗機廣泛用于表面工程（如薄膜、涂層）等領域的摩擦磨損測試。具有銷盤（pin-on-disk）、球盤（ball-on-disk)摩擦磨損等多種模式。可在旋轉運動模式、線性往復運動模式下，記錄材料的摩擦系數隨摩擦時間（或距離）的變化，從而評估材料的磨損壽命。通過潤滑條件、接觸方式、試驗載荷、運動速度和試驗頻率的變化，可以獲得不同條件下的試驗結果，支持點、線面等接觸形式，從而確定符合使用要求的摩擦副元件的最優(yōu)參數。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，該設備可以擴展該學科的研究領域和提高研究水平。 關鍵詞：摩擦、磨損、試驗機、高溫、高速 Pin-on-disk temperature and high friction and wear tester Abstract: Friction and wear testing machine is widely used for surface engineering (such as film, coating) and other areas of friction and wear test. Has the bolt plate (pin-on-disk), ball plate (ball-on-disk) friction and wear, as a model. Support the rotary motion mode, linear reciprocating motion mode, can record material of the friction coefficient with the frictional time (or the distance) changes to evaluate the material wear life. Through the lubricating condition, contact method, test load, movement speed and test frequency changes, can get test results under different conditions, and support the face of point, line contact form, so as to determine comply with requirements of the use of friction pair of components of the optimal parameter. Temperature and high friction and wear tester of high temperature is high speed friction and wear of the test of effective equipment, widely used in all kinds of high speed cutting tools for the high temperature frictional wear performance testing and evaluation, is high speed cutting and new cutting tool materials development and application of the necessary equipment. The equipment is high speed processing and the cutting tool material research direction of the research work are in urgent need of infrastructure, the equipment can expand the subject field of study and improve research level. Key words: friction testing machine, high temperature, high-speed 第一章 摩擦磨損試驗機簡介 1.1摩擦磨損試驗機的發(fā)展過程及研究意義 隨著機械行業(yè)的發(fā)展，人們對磨損危害的認識有了更大的提高。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。從1910年第一臺磨料磨損試驗機即以問世，到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已達上百種，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。 摩擦磨損問題存在于人類物質活動的各個方面。在汽車、發(fā)電、設備、冶金、鐵道、宇航、電子和農機等各方面的機械都大量存在著摩擦學的問題。據估計，全世界約有1/2- 1/3的能源以各種形式消耗在摩擦上，如果從摩擦學方面采取正確的措施，就可以大大節(jié)約能源消耗。磨損是機械零部件3種主要的失效形式之一，所導致的經濟損失是巨大的，大約有80%的機械零件由于各種磨損導致失效。特別是隨著物質文明的進步和工業(yè)技術現(xiàn)代化的發(fā)展，機械設備的開發(fā)使用普遍趨于重載、高速、高效率化，如何控制和改善機械的摩擦磨損狀況、提高其使用壽命和工作可靠性，已成為機械工業(yè)技術人員必須關注的問題，并促使其研究不斷的深入和發(fā)展。 這些摩擦試驗機多采用靜態(tài)選位法觀察摩擦試件，雖然簡單易行，但不能獲得摩擦過程的動態(tài)信息，更不能對磨損（摩擦）過程進行動態(tài)觀測及動態(tài)數據記錄；另外由于受到試驗機轉速的限制，摩擦副相對運動的速度大多較低（一般不超過10m/s ）。然而現(xiàn)代機械裝備中許多摩擦副的相對滑動速度相當高，如高速 列車運行時的速度約為300km/h，制動時制動盤與剎車片之間摩擦速度為60～70m/s.而目前還未曾見到可用于高速條件下數據動態(tài)測量所需的商用摩擦磨損試驗機。 摩擦磨損試驗的目的是為了對摩擦磨損現(xiàn)象及其本質進行研究，正確地評價各種因素對摩擦磨損性能的影響，從而確定符合使用要求的摩擦副元件的最優(yōu)參數。摩擦磨損試驗研究的內容非常廣泛，如探討摩擦、磨損和潤滑機理以及影響摩擦、磨損的諸因素，對新的耐磨、減磨及摩擦材料和潤滑劑進行評定等。由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復雜，摩擦磨損條件不同，試驗方法和裝置種類繁多，如何準確地獲取摩擦磨損過程中的參數變化成為一個十分重要的研究課題。為了探索和驗證機械工程中摩擦磨損問題的機理以及有關影響因素，在摩擦學研究中開展摩擦磨損測試技術和數據分析研究具有非常重要的作用。 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，該設備可以擴展該學科的研究領域和提高研究水平。 1.2兩種國際公認摩擦磨損試驗機的分類方法： 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,如表1-1。 表 1-1摩擦磨損試驗機的分類 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 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,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，同樣要求可調。 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 現(xiàn)階段國內國際研究最新成果及今后發(fā)展方向 目前，世界只有美國、日本、瑞士等少數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。 1.3.1 濟南試金集團產品（圖1-1） 圖 1-1 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： 表 1-2 濟南試金集團試驗機的主要規(guī)格和技術參數 主要技術參數 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 1.3.2 美國CETR公司產品 圖 1-2是美國CETR公司的多功能磨損試驗機的實物圖： 圖 1-2 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對拋光速率及拋光質量的影響。 1.3.3 瑞士CSM公司產品 圖 1-3是瑞士CSM公司的摩擦磨損試驗機。 圖 1-3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、潤滑劑等參數得到材料的一系列性能指標。 圖 1-4是該試驗機的測試原理示意圖。 圖1-4 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 隨著現(xiàn)代科學技術的進步，摩擦磨損測試技術呈快速發(fā)展之勢，摩擦磨損試驗機呈以下發(fā)展趨勢： （1）、以高性能的電機系統(tǒng)取代機械變速系統(tǒng)：目前，高性能的電機系統(tǒng)己經比較成熟，調速比可以達到一比幾百、幾千甚至更高。利用這種系統(tǒng)既可以實現(xiàn)轉動，也可以實現(xiàn)擺動和直線運動。由高性能電機直接驅動主軸，不僅能使機械結構大大簡化，而且還能降低試驗機的摩擦損耗，提高整機的壽命和可靠性。但高性能電機系統(tǒng)價格比較昂貴。 （2）、在摩擦磨損試驗機上應用微型計算機：微型計算機的價格低廉，操作簡單，性能穩(wěn)定，不僅可以取代以往的二次儀表對試驗機進行控制，而且還可以對測試參數進行自動采集和數據處理，因而能使試驗機的功能大大加強。 （3）、改進測試手段； （4）、提高穩(wěn)定性、測試精度，以使試驗結果具有更好的重復性和再現(xiàn)性。 1.4 本次設計相關指標 在這一章我主要介紹了摩擦磨損試驗機研究的意義及國內外此類試驗機發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，并分別例舉了國外國內的幾款試驗機的主要參數，最后總結了今后的發(fā)展趨勢，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二維圖的繪制。所設計的試驗機主要技術指標如下： 1、最大試驗力：20N 2、主軸速度范圍：0~3000r/min 3、工作的最高溫度1000 ℃ 4、加載范圍：0~20 N，采用砝碼加載 5、樣品盤最大尺寸為Φ80 mm，最大厚度10 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，并用繪制整個試驗機的總裝配圖及主要零部件圖。  第二章 摩擦磨損試驗機摩擦系數的影響因素 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，以便通過選定參數的測量分析考察圖2-1所示的工作運轉變量、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，摩擦磨損試驗機的設計就是要依據這種目的和既定的具體任務要求，構思形成圖2-1所示的基木系統(tǒng)，其工作運轉變量一般要求在一定范圍內可調，對于測試參數應當根據需要選定. 圖2-1 摩擦磨損試驗機的基本系統(tǒng) 1、2 ——摩擦元素 3、——潤滑劑 4——氣氛 2.1表面膜對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 具有表面氧化膜的摩擦副，摩擦主要發(fā)生在膜層內。對于金屬的摩擦來說，由于表面氧化膜的塑性和機械強度比金屬材料差，在摩擦過程中，膜先被破壞，金屬摩擦表面不易發(fā)生粘著，使摩擦系數降低，磨損減少。在金屬摩擦表面涂覆軟金屬能有效地降低摩擦系數。其中以鎘對摩擦系數的影響最為明顯，但鎘與基體金屬的結合力較弱，容易在摩擦時被擦掉。 2.2材料性質對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 摩擦副的摩擦系數，隨配對材料性質的不同而不同。分子或原子結構相同或相近的兩種材料互溶性大，互溶性較大的材料組成摩擦副，易發(fā)生粘著，摩擦系數增高；反之，分子或原子結構差別大則互溶性小，互溶性較小的材料組成摩擦副，不易發(fā)生粘著，摩擦系數一般都比較低。因此，在設計摩擦副時，應盡可能地選擇分子結構或原子晶格差別大，互溶性小的材料組成摩擦副，以降低其摩擦系數。如果條件允許的話，應盡可能選擇金屬與非金屬(工程塑料、復合材料等)組成摩擦副。 2.3載荷對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 載荷的大小直接影響摩擦副的接觸狀態(tài)，在不同的接觸狀態(tài)下，摩擦副所表現(xiàn)出來的摩擦特性也就不一樣一般情況下，摩擦系數將隨載荷的增加而增大，當載荷足夠大時越過一極大值，隨著載荷的繼續(xù)增大而摩擦系數趨于穩(wěn)定或減小。 2.4滑動速度對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 在一般情況下，摩擦系數隨滑動速度增加而升高，越過一極大值后，又隨滑動速度的增加而減少?；瑒铀俣葘δΣ料禂档挠绊?，主要是它引起溫度的變化所至?；瑒铀俣纫鸬陌l(fā)熱和溫度的變化，改變了摩擦表面層的性質和接觸狀況，因而摩擦系數必將隨之變化。對溫度不敏感的材料（如石墨），摩擦系數實際上幾乎與滑動速度無關。 2.5溫度對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 在摩擦過程中,溫度的變化使摩擦副表面材料的性質發(fā)生改變,從而影響摩擦系數。摩擦系數隨摩擦副工作條件的不同而變化。具體情況需用試驗方法測定。 2.5.1對于大多數金屬摩擦副而言，其摩擦系數均隨溫度的升高而降低，極少數（如金-金）的摩擦系數均隨溫度的升高而升高。 2.5.2對于散熱性比較差的材料，特別是由熱塑性工程塑料組成的摩擦副，開始摩擦系數將隨著溫度的升高而增大，當表面溫度達到一定值，材料表面將被熔化。所以,一般工程塑料都只能在 一定的溫度范圍內使用，超過這個溫度范圍，摩擦副材料將喪失其工作能力。 2.5.3對于金屬與復合材料組成的摩擦副，其摩擦系數在一定的范圍內受溫度的影響較小，但是，當溫度超過某一極限值時，摩擦系數將隨溫度的升高而顯著下降。通常把這種現(xiàn)象稱為材料的熱衰退性。對于制動摩擦副，尤其應控制在熱衰退的臨界溫度以下工作，以保證其具有足夠的制動能力。 2.6表面粗糙度對摩擦磨損試驗機的摩擦系數的影響 根據摩擦的分子—機械理論，當表面粗糙度值大于50μm時，分子分量可以忽略不計，因此，摩擦系數隨著表面粗糙度值的減小而降低；當表面粗糙度值特別小，小于20μm時，摩擦系數中的分子分量起主要作用，機械分量可以忽略不計，因此，摩擦系數隨著表面粗糙度值的減小而增大；表面粗糙度值愈小，實際接觸面積愈大，因而摩擦系數也就愈大；在一般情況下，即20μm ＜Ra＜50μm范圍內，表面粗糙度對摩擦系數的影響不大。 第三章 整體方案的初步比較與確定 3.1 摩擦磨損試驗機的整體分析 根據上一章的介紹不難確定，試驗機的機械結構部分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。 3.2 多種方案的設計 通過分析，制定下面四種方案： 設計方案一： 圖 3-1是設計方案一的方案圖。 圖3-1 設計方案一 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齒輪驅動主軸，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。 設計方案二： 圖 3-2是設計方案二的方案圖： 圖3-2 設計方案二 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。 設計方案三： 圖 3-3是設計方案三的方案圖。 圖3-3設計方案三 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。 設計方案四： 圖 3-4是設計方案四的方案圖。 圖3-4設計方案四 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。 3.3 方案的優(yōu)劣比較與最終確定 方案一采用齒輪，可以保證傳動比，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。但是齒輪傳動噪音大，震動劇烈，況且由于齒輪的金屬質地使電動機的產熱影響到實驗精度。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。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。 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，又具有成本低，結構簡單，安裝維修方便等特點。 第四章 試驗機的主要零件強度校核及零部件選用 4.1、本設計要求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，結合設計要求，確定該試驗機的主要性能指標如下： 主軸轉速范圍：0~3000 r/min，無級調速； 工作最高溫度：1000 ℃； 加載力的范圍：0~20 N,采用砝碼加載； 摩擦球尺寸：Ф3 mm~Ф6 mm； 摩擦盤尺寸：最大直徑 d=80 mm,最大厚度 h=10 mm 。 4.2方案中主傳動系統(tǒng)的計算 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器→摩擦盤。 4.2.1動力源的選擇： 取摩擦盤和摩擦銷之間的動摩擦系數 f=fmax=1，則摩擦產生的最大功率 Pm=Fv= (4-1) 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； Fn是正壓力（N）； R:是摩擦力作用電相對旋轉軸的距離（m）； Pm＝＝＝0.251 Kw 同步帶的傳動效率 ： η1＝95% 滾動軸承的傳動效率 ： η2＝98% 則總傳動效率： η總＝η1η2＝0.931 電動機的輸出功率P出＝ (4-2) 故＝＝0.2696 Kw 為使電動機的功率留有余量，負荷率?。?.85 P＝P出/0.85＝0.261/0.85＝0.317 Kw 根據參考資料可知，選擇的電機型號為： YVF280M1-4(摘自JB/T 7118-2004) 該電機的主要參數為： 額定功率 P=0.55Kw ；額定轉矩 3.5 N?m； 同步轉速 1500 r/min ；電機軸：D=19mm。 結構圖如圖4-1、4-2所示 圖4-1 圖4-2 機座號: 80M 凸緣號: FF165 安裝尺寸及公差|A|基本尺寸: 125mm 安裝尺寸及公差|A/2|基本尺寸: 62.5mm 安裝尺寸及公差|A/2|極限偏差: ±0.50mm 安裝尺寸及公差|B|基本尺寸: 100mm 安裝尺寸及公差|C|基本尺寸: 50mm 安裝尺寸及公差|C|極限偏差: ±1.5mm 安裝尺寸及公差|D|基本尺寸: 19mm 安裝尺寸及公差|D|極限偏差: (+0.009,-0.004)mm 安裝尺寸及公差|E|基本尺寸: 40mm 安裝尺寸及公差|E|極限偏差: ±0.310mm 安裝尺寸及公差|F|基本尺寸: 6mm 安裝尺寸及公差|F|極限偏差: (0,-0.030)mm 安裝尺寸及公差|G①|基本尺寸: 5.5mm 安裝尺寸及公差|G①|極限偏差: (0,-0.10)mm 安裝尺寸及公差|H|基本尺寸: 80mm 安裝尺寸及公差|H|極限偏差: (0,-0.5)mm 安裝尺寸及公差|K②|基本尺寸: 10mm 安裝尺寸及公差|K②|極限偏差: (+0.360,0)mm 安裝尺寸及公差|K②|位置度公差: φ1.0mm 安裝尺寸及公差|M: 165mm 安裝尺寸及公差|N|基本尺寸: 130mm 安裝尺寸及公差|N|極限偏差: (+0.014,-0.011)mm 安裝尺寸及公差|P③: 200mm 安裝尺寸及公差|R④|基本尺寸: 0mm 安裝尺寸及公差|R④|極限偏差: ±1.5mm 安裝尺寸及公差|S②|基本尺寸: 12mm 安裝尺寸及公差|S②|極限偏差: (+0.430,0)mm 安裝尺寸及公差|S②|位置度公差: φ1.0mm 安裝尺寸及公差|T|基本尺寸: 3.5mm 安裝尺寸及公差|T|極限偏差: (0,-0.120)mm 安裝尺寸及公差|凸緣孔數: 4mm 外形尺寸|AB: 165mm 外形尺寸|AC: 175mm 外形尺寸|AD: 145mm 外形尺寸|HD: 220mm 外形尺寸|L: 370mm 4.2.2傳動方式的計算： 1、計算功率： Pｄ＝ (4-3) Pｄ= =0.36Kw 式中： 是同步帶傳動的工作情況系數，據機械設計手冊可取1.40 2、選擇帶型和節(jié)距： 根據計算功率Pd和n1,選擇L型同步帶。 齒形如圖所示（圖4-4） 周節(jié)制其節(jié)距Pb＝9.525 mm ； 齒形角2β°: 40 齒根厚s: 4.65mm 齒高ht: 1.91mm 帶高②hs: 3.6mm 齒根圓角半徑rr: 0.51mm 齒頂圓角半徑ra: 0.51mm 圖4-4齒形圖 3、小帶輪齒數Z1： 根據國標(JB/T 7512.2-1994),查取Zmin=20 根據設計方案Z1＝25； 4、小帶輪節(jié)圓直徑： 何以由公式 （4-4） 計算，也可查詢機械設計手冊。得小帶輪直徑為mm 5、大帶輪齒數： 根據設計方案，同步帶只起傳動作用，不改變速度，故令兩帶輪的齒數Z1、Z2等，取Z1＝Z2＝25； 6、大帶輪節(jié)圓直徑： 由公式 7、帶速計算： （4-5） 通常L型，則符合要求。 8、初定軸間距： 根據機械手冊知 （4-6） 即，取a==151.2mm 9、計算帶長及齒數： 帶長： （4-7） 查機械設計手冊得，齒數； 10、實際軸間距計算： 實際軸間距計算分為兩種情況，軸間距可調整時 （4-8） 軸間距不可調時 （4-9） （4-10） 根據設計要求，軸間距可調 則 11、小帶輪嚙合齒數： （4-11） 12、基本額定功率： （4-12） 基本額定功率是個帶型基準寬度的額定功率，(摘自GB/T 11362-1989) ——寬度為的帶的需用工作拉力（N），查機械手冊 ——寬度為的帶單位長度的質量（），查機械手冊 則 13、計算帶寬： （4-13） ——嚙合齒數系數，查機械設計手冊 應按表4.4選取標準值，一般小于 則 式中： mm 按照以上設計要求要求 確定公稱帶寬12.7mm，代號050 14、作用在軸上的力： （4-14） 則 15、帶輪的結構和尺寸： 圖4-5直邊齒帶輪的尺寸和公差 根據直邊齒帶輪的尺寸和公差(摘自GB/T 11361-1989)如圖4-5查的 槽型: L 齒槽底寬bw: 3.05±0.10 齒高hg: 2.67(0,-0.10) 槽半角φ±1.5°: 20 齒根圓角半徑rf: 1.19 齒頂圓角半徑ra: 1.17(+0.13,0) 節(jié)頂距2δ: 0.762 外圓直徑da: da＝d-2δ 外圓節(jié)距pa: pa＝π·da/z(z──帶輪齒數) 根圓直徑df: df＝da-2hg 4.2.3軸的受力分析： 1、主軸輸出功率，轉速，轉矩計算： 根據第一部分電機計算可以得出， 則轉矩 2、軸的最小直徑計算： 計算公式為 （4-15） 主軸的材料選擇為，查設計手冊可得 則，取 即主軸上直徑最小處：mm 3、軸的結構設計： （1） 擬定軸上的零件裝配方案，見圖4-6 圖4-6 軸上零件的裝配方案 （2）根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度： 見圖4-7 圖4-7主軸結構設計 1）為了滿足帶輪的尺寸要求， 2）初步選擇滾動軸承。因軸承受有徑向力和軸向力的作用，故選取深溝球軸承和推力球軸承，初步選取0基本游隙組，標準精度級的深溝球軸承6206和推力球軸承51206，其尺寸分別為、，故，。 3）根據結構要求擬定，； ，； ，； ，。 （3）、軸的強度校核： 按鈕局強度條件計算，公式如下 （4-16） 已知， 則 根據設計軸的最小直徑為， 則其他各段也符合要求。 4.2.4、主軸上鍵的強度校核計算： 根據主軸設計，鍵所在軸的直徑為24mm，查機械設計手冊（摘自GB/T1095-2003，GB/T1096-2003)選取鍵的尺寸選定為，普通平鍵連接的強度條件為： (4-17) 式中： d是軸的直徑；l是鍵的工作長度，l=L-b=14-8=6；h是鍵的高度；[p]是許用壓力；k鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h,T傳遞的轉矩,取，則 故鍵的強度滿足要求。 4.2.5、橫梁的受力分析及強度校核： 由于橫梁受到的軸向和切向力最大均為20 N，而且摩擦銷與橫梁不是緊密接觸，橫梁所受的沖擊也很小。因而橫梁受到的力很小，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。 4.2.6、絲杠螺母副的尺寸計算： 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。 螺母的軸向位移： (4-18) 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； 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40 mm，又要留下一定的余量，可令螺紋長度L＝50 mm； 設計使螺紋移動l=40 mm時，手輪轉動8圈，即： rad mm (4-19) 由此可知： mm 螺紋中徑： (4-20) 式中： Ψ是螺母形式參數，整體式螺母取1.2~2.5，分體式螺母取2.5~3.5；[P]是螺紋副許用壓強，N/mm2；可?。? 帶入數據，有： mm 由系統(tǒng)結構特點，?。?mm ； 絲桿公稱直徑d=20,小徑：20-5.5=14.5mm 螺母高度： mm 絲桿旋動圈數： 基本牙型高度： mm 工作壓強： 工作壓強滿足要求。 為了保證自鎖，螺紋升角: 螺紋牙根部的寬度： mm 4.2.7、軸承的選用： 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。后兩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。下面對主軸上的深溝球軸承和推力球軸承進行壽命校核： （一）、深溝球軸承壽命校核 1根據主軸設計可知： 由帶輪計算可知： 則 則 查機械設計得深溝球軸承的最小e值為0.22，故此時 2、初步計算當量動載荷P，根據式（4-22） （4-21） 查機械設計得，取； 則 3、根據公式（4-23），求軸承應有的基本額定動載荷： （4-22） 則 4、演算軸承壽命，根據公式（4-24） （4-23） 則該軸承符合設計要求。 （二）推力球軸承壽命校核（同上） 第五章 根據校核結果進行非標準件的結構設計 5.1、整體結構的確定 摩擦磨損試驗機用CAD裝配圖的整體外觀效果如圖 5-1、5-2、5-3所示。 圖5-1裝配圖（正視圖） 圖5-2裝配圖（左視圖） 圖5-3裝配圖（俯視圖） 5.2、箱體的結構設計 根據計算所得的尺寸來看，為了能夠是整體結構緊湊美觀設計箱體如圖（5-4）所示 圖5-4箱體結構設計 5.3、橫梁的結構設計 將球安裝在一支倔強系數很大的杠桿上，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。橫梁的設計如圖 （5-5）： 圖5-5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。 5.4、支架的結構設計： 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。因此對與絲桿相連的支架進行介紹： 與絲杠相連的支架-------滑動支架： 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徑向位置。支架上的橫桿是用來防止其支撐的橫梁發(fā)生側翻。圖 （5-6）是與絲杠相連的支架的視圖。 圖 5-6支架 5.5、摩擦銷的結構設計： 適合于高溫摩擦磨損測試儀的測試球尺寸有