真空摩擦試驗機的設計含11張CAD圖

真空摩擦試驗機的設計含11張CAD圖,真空,摩擦,磨擦,試驗,實驗,設計,11,十一,cad 真空摩擦試驗機的設計 摘 要 摩擦磨損試驗機在生活中很多種品種，根據(jù)我的了解，僅僅在ASLLE（美國潤滑工程協(xié)會）這一個單獨的協(xié)會就收集了很多，他們所收錄的摩擦磨損試驗機種類的大概有上百種。下面我就簡單的舉例一些，比如有滾子式，四球式，往復式，盤銷式，切入式這些品種的摩擦磨損試驗機等等。摩擦磨損試驗主要是為了測量某一種材料抗磨損的功能的大小，試驗之后我們就可以清楚的知道材料耐磨性的好壞，從而選擇適合的材料。真空摩擦磨損試驗機的作用讓被檢測的材料在一種高真空的環(huán)境工況下進行模擬試驗，從而測量出材料的耐磨性好壞。它是摩擦磨損試驗在真空環(huán)境工況下進行試驗，并得到數(shù)據(jù)的基本工具。廣泛運用于航天航空等高技術，航天器的許多設備都是要在高真空的環(huán)境下運行。所以進行真空摩擦磨損試驗機的研制就變得非常的具有意義了。 關鍵詞：摩擦；試驗機；真空 Abstract Friction and wear testing machine in the life a lot of kinds of varieties, according to my understanding, only in ASLLE (the American association of lubrication engineering) that will have a large collection of a single association, they are included there are about hundreds of kinds of friction and wear testing machine. I'm going to give you a few simple examples, such as roller, four-ball, reciprocating, disc pin, cut-off type of friction and wear testing machine, and so on. Friction and wear test is to measure the function of a certain material abrasion of size, after the test, we can clearly know the stand or fall of material abrasion resistance, so as to select suitable materials. The function of the vacuum friction and wear testing machine makes the tested materials simulate the test in a high vacuum environment, so as to measure the abrasion resistance of the material. It is a basic tool for the test of friction and wear test under vacuum condition. Widely used in aerospace and other high technologies, many of the spacecraft's equipment is to operate in a high vacuum environment. Therefore, the development of vacuum friction and wear testing machine has become very meaningful. Keywords: friction； testing machine； vacuum. III 目錄 引言 1 第一章 緒論 2 1.1課題研究的目的及意義 2 1.2發(fā)展趨勢 3 1.3小結 4 第二章 摩擦磨損試驗機的影響因素 5 2.1、實驗條件的影響 5 2.2試驗負載的影響 7 第三章 方案設計和工作原理 10 3.1試驗機的整體分析 10 3.2設計方案的制定 10 3.3工作原理 11 3.3.1主傳動部分 11 3.2.2控制系統(tǒng) 11 3.2.3加載系統(tǒng) 11 3.2.4真空系統(tǒng) 11 3.2.5小結 11 第四章 真空摩擦試驗機結構設計的相關計算 13 4.1試驗機的主要指標性能確定 13 4.2試驗機主傳動系統(tǒng)的相關計算 13 4.2.1電機的選擇 13 4.2.2同步帶的計算 14 4.2.3主軸計算 18 4.2.4、主軸上鍵的強度校核 20 4.2.5聯(lián)軸器的選擇 21 4.2.6、橫梁的強度校核 21 4.2.7絲桿螺母的相關計算 21 4.2.8軸承的校核 22 4.2.9扭矩傳感器的選擇 24 4.2.10真空腔室的選擇 24 第五章 摩擦磨損試驗機整體結構 26 第六章 總結 28 參考文獻 29 謝 辭 30 II 引言 真空摩擦試驗機主要是用于研究真空環(huán)境下材料的耐磨性，主要是用于航天航空當中。真空摩擦試驗機在航天航空中有著極其重要的關鍵作用。想要航空航天器的真空工況環(huán)境，那么研究真空摩擦試驗機就變得非常有意義了。真空摩擦試驗機，就是讓所研究的材料處于真空的工況環(huán)境當中，通過試驗分析材料的耐磨性，最后選擇出最適合的材料。由于真空摩擦試驗機目前面臨著許多難以解決的問題，比如說真空環(huán)境的實現(xiàn)，運動過程的密封，數(shù)據(jù)的實時收集等，導致國內對于真空摩擦機的研究困難重重。所以造成了一個結果就是我國對真空環(huán)境工況下的材料的耐磨性的分析這方面的具體產(chǎn)品非常的缺乏。不過進來真空摩擦問題的顯得越發(fā)的重要，我國也更加的重視，國內外這方面的研究人員都投入更加大的經(jīng)濟和精力。我相信真空摩擦的研究會取得飛速的發(fā)展。 第1章 緒論 1.1課題研究的目的及意義 在我們平時的日常的生活當中，摩擦和磨損的現(xiàn)象是隨處可見的，而且這些現(xiàn)象切切實實的影響著我們的生活。為了合理的利用這些現(xiàn)象，摩擦學就在這樣的情況下誕生了。我們可以把摩擦理解為在表面有著接觸的物體，如果他們產(chǎn)生了相互的運動，那么就會有互相作用的力，那么這個力可以稱為摩擦力。摩擦學就是研究這一方面的問題的相關技術的一門學科。我們可以利用這一學科，科學的解決裝備中的磨損，潤滑等方面的問題?？茖W技術的日新月異，從宏觀上研究摩擦學的辦法已經(jīng)變成了現(xiàn)在的微觀研究，可以從根本上了解材料的組織結構變化。 摩擦學學科的迅速發(fā)展是與工業(yè)屆的需求密不可分的。隨著產(chǎn)品的精益求精，想要生產(chǎn)出更高品質的產(chǎn)品，就要求我們有更高精度的機械設備。所以機械設備的要求在不斷的提升著，大多數(shù)的設備具有更大的功率和更高的速度，還有一些還要求能在特殊的工況環(huán)境下進行工作。這樣就導致了機械零件摩擦產(chǎn)生的磨損增大，壽命變短，而機械零件的實效又會導致整個設備故障甚至喪失功能，生產(chǎn)的成本隨即大大的增加。因此，對機械設備日常工作的維護修理，就變成了機械工程師最為關注的重點。如果想要進行這方面的研究，那么我們就一定要使用到摩擦磨損試驗機，它是我們進行研究工作必須要求的一樣工具。在這樣的環(huán)境之下，摩擦試驗機就被人們重視，也產(chǎn)生了各式各樣的摩擦試驗機。比如國內使用最多的滾子式的，四球式的，往復式的，盤銷式的，切入式的。借助這些設備，我們可以對材料的耐磨性進行分析，選擇適合的材料，來延長零件壽命，節(jié)約成本。 目前，我國航空航天技術日新月異，航天器在太空中運行，所以他的大多數(shù)的裝備都是要長期處于高真空的環(huán)境下進行工作的，在這樣的高真空環(huán)境下，摩擦學的研究是與平常有著區(qū)別的。比如，真空的環(huán)境下，沒有氧氣還有一些大氣反應。金屬在表面，在空氣中很容易形成的新的氧化膜，在大氣當中一旦消失，就很難再次形成，金屬的摩擦表面沒有了氧化膜的保護而直接的接觸，導致了接觸面發(fā)生非常嚴重的粘著；在大氣的環(huán)境當中，少了氣體的對流把摩擦產(chǎn)生的熱量帶走，摩擦產(chǎn)生的熱量就會聚集在表面，使得溫度急劇增高，導致發(fā)生摩擦的材料的物理結構，化學性能產(chǎn)生了改變；在真空的環(huán)境下，液體的潤滑分子揮發(fā)速度很快，將會導致潤滑劑飛速的流失，導致潤滑失去作用。 想要了解并且解決這些在真空中發(fā)生的問題，發(fā)現(xiàn)各種各樣適合的材料和潤滑劑，那么一定要做的事情就是做很多關于這方面的試驗。在實驗室中進行模擬實驗，對比在實際工況下觀察摩擦磨損來說。試驗的條件將會十分的寬泛，試驗成本相對于實際工況也會變得非常的低廉。并且在實驗室當中，我們得到所需要數(shù)據(jù)的時間也比真正的工作下快得多，可以為我們節(jié)省非常多的時間，最重要的是許多的東西也是比較容易得到控制，能夠很大程度上保證我們的人生安全。因此，如果我們要研究摩擦學，進行大量的實驗是非常有必要和有意義的。這樣一來，進行這些實驗的設備就變得更加的意義重大了。 在這樣的情況下，摩擦磨損試驗機的研究取得了非常大的重視。真空摩擦試驗機在航天航空中有著極其重要的關鍵作用。想要航空航天器的真空工況環(huán)境，那么研究真空摩擦試驗機就變得非常有意義了。真空摩擦試驗機，就是讓所研究的材料處于真空的工況環(huán)境當中，通過試驗分析材料的耐磨性，最后選擇出最適合的材料。由于真空摩擦試驗機目前面臨著許多難以解決的問題，比如說真空環(huán)境的實現(xiàn)，運動過程的密封，數(shù)據(jù)的實時收集等，導致國內對于真空摩擦機的研究困難重重。所以造成了一個結果就是我國對真空環(huán)境工況下的材料的耐磨性的分析這方面的具體產(chǎn)品非常的缺乏。不過進來真空摩擦問題的顯得越發(fā)的重要，我國也更加的重視，國內外這方面的研究人員都投入更加大的經(jīng)濟和精力。我相信真空摩擦的研究會取得飛速的發(fā)展。 1.2發(fā)展趨勢 今日，科學技術日新月異，摩擦磨損測試的水平也在不斷的提高，最近更是有著飛速發(fā)展的勢頭，摩擦磨損試壓機按照下面的趨勢在更新?lián)Q代： （1） 傳統(tǒng)的機械變速系統(tǒng)已經(jīng)逐漸消失，取而代之的是電機系統(tǒng)：目前，電機系統(tǒng)的性能大多數(shù)比較高，而且技術也變得十分成熟，電機的調速比目前可以做到一比數(shù)百，數(shù)千，甚至更加的高。使用電機直接驅動主軸，不僅僅可以大大的簡單化機械的結構，還可以較少摩擦試驗機由于摩擦所造成的耗損量，這樣一來，我們使用的這些機械就能夠使用更加長的時間，也就是保證了我們機器的壽命，也保證機器的可靠性能。這種電機系統(tǒng)的性能高，唯一的缺點就是造價昂貴，會導致整個機器的成本變高。但是瑕不掩瑜，它在我們的整個生產(chǎn)制作過程當中，還是被廣泛使用著的。 （2） 現(xiàn)在的摩擦試驗機，一般來說都是配備了微型計算機：微型計算機的優(yōu)點有許多，比如說造價成本低，使用起來方便簡潔，在使用過程當中也比較穩(wěn)定。微型計算機不但是可以當做以往的那些二次儀表來實現(xiàn)對試驗機的操控，而且還可以對所需要測量的一系列數(shù)據(jù)進行自動收集和整理，所以能夠使摩擦磨損實驗的功能取得非常大的提升。 （3）、提高測試手段； （4）、提高穩(wěn)定性、精準性； （5）、提升實驗的結果的可重復性和再現(xiàn)性。 1.3小結 這個設計的目的，我們主要是計算并且設計出真空摩擦磨損試驗機的機械機構的部分，并且對這一部分的合理性進行計算分析，最終使用AutoCAD繪制出二維圖紙。根據(jù)要求，我們所設計出來的摩擦磨損試驗機要確保滿足的性能要求就和下面說列舉的： (1)旋轉軸的轉速范圍在 r/min，無級別調速； (2)加載的范圍：N，采用砝碼加載的辦法； (3)樣品盤的最大的尺寸是 mm，最大的厚度10 mm。 （4）真空度要求：Pa 這個設計要求完成以上的要求的真空摩擦實驗機的設計，并且進行相關方面的計算整理。完成結構設計，并且繪制二維的三視圖，完整表達出整個結構。 第2章 摩擦磨損試驗機的影響因素 摩擦實驗對現(xiàn)實中真正的摩擦系統(tǒng)進行模擬，使得可以在實驗室中完成摩擦場面，還有觀察摩擦磨損場面的規(guī)律，選定參數(shù)的測量分析對于沒有確定的摩擦實驗系統(tǒng)當中摩擦元素的影響。所以我們使用摩擦磨損試驗機就是為了完成上面的目標和任務。在這一個的整個過程當中，有著很多的影響因素，我們就是調整這些因素，來做到我們所需要的試驗目的。因此，他的工作變量是寬泛的，在一定的范圍內是可以調整的。 2.1、實驗條件的影響 （1）運動形式的影響 運動的形式和摩擦磨損試驗機的摩擦副息息相關，是哪種運動形式，主要是看它的運動摩擦副。在發(fā)展的初期，摩擦磨損試驗機都是具有固定的摩擦副結構和運動形式的。但是科學技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的摩擦試驗機一般是多功能實驗摩擦副還有運動形式均是可以改變的。在目前所有的摩擦試驗機上的摩擦副上，摩擦副的運動的形式在目前所了解的有滑動，滾動，自旋，沖擊這樣簡單的四種。在實驗機當中，運動形式通常有著比較高的要求，往往都是事先給定并且不能改變的。但是對于運動位置這方面的精度，通常都是沒有什么特殊的要求的，所以對于運動位置這一方面來說，大多數(shù)情況下是可以選擇忽略不計的。 （2）負荷的影響 摩擦磨損實驗機有一個非常關鍵的參數(shù)，那就是負荷，他在整個實驗的過程當中，往往能保持著一定的相對穩(wěn)定。負載這個參數(shù)，在摩擦磨損試驗機當中，它所需要的精度要求通常都不是很低，有些甚至可以說是有些高，國內試驗機在這方面的精度要求的規(guī)定是不能超過百分之十一。對于如此之高的精度要求，如果我們想要滿足這個要求，我們必須考慮到一個很困難的問題，那就是加載系統(tǒng)在試驗的過程當中，所產(chǎn)生的摩擦的阻力。降低這個摩擦阻力，相對的我們就能夠提高負荷的精度。目前，摩擦試驗機當中，我們最經(jīng)常使用的加載的方法可以分為三個：分別是機械式的加載方法，液壓式的加載方法，電磁式的加載方法。這三個方法又可以繼續(xù)細分，其中，機械式加載方法包括杠桿加載方法，彈簧加載方法，重物直接加載的方法，或者以上三種加載的結合。杠桿加載的方法和重物直接加載的方法系統(tǒng)具有很多的有點。比如構成比較簡潔，相對穩(wěn)定，不用考慮載荷怎么樣持續(xù)加持這方面的事情，加載的精度高，但有一個非常致命的缺點是摩擦副運動不穩(wěn)定就會很容易的造成震動和沖擊；彈簧加載的辦法所造成的震動不大，但缺點是精度低，完成不了負荷精度調節(jié)。。液壓式加載方法有動、靜兩種加載辦法，兩種加載的辦法都無法保證負荷的穩(wěn)定性；電磁加載的辦法可以輕松的完成負荷自動的操控，但成本高，所以在已有的摩擦磨損試驗機當中很少使用。 （3）速度的影響 摩擦磨損試驗機有一個重要的研究參數(shù)，那就是速度的大小?；瑒铀俣雀鶕?jù)方向的不同可以分為兩種，一種是單方向的運動，另一種是往復式運動。在這兩個當中，往復運動又可以分為兩種，其中的一種是來回擺動，另外的一種是往復的直動。在試驗機上，如果想要實現(xiàn)擺動，辦法有很多，一種就是我們可以使用機械的辦法，比如凸輪機構或者曲柄搖桿滑塊機構；另外一種就是使用伺服電機或者是步進電機來實現(xiàn)。往復直線的運動通常只能使用一種辦法來實現(xiàn)，那就是機械的辦法。試驗機的速度的大小往往都不是固定的，我們用來調節(jié)速度辦法有兩種，一種是有級調速，另外一種是無級調速。有級調速實現(xiàn)的辦法是利用有傳動比或者速度比等方法。無集調速有機械式和電機式。機械式一般是使用摩擦輪和差動輪系等；電機式是使用電機進行，它有著十分寬泛的調速范圍。如果采用電機無級調速，那么通常是要求速度的平穩(wěn)。 溫度的影響 （4）溫度的影響 摩擦磨損試驗受著各種各樣因素的影響，其中一個就包括溫度。溫度這個因素往往不做具體的要求，對于實驗的環(huán)境有著具體的需要的一些實驗，也只是分為高溫和低溫。想要得到一個高溫的環(huán)境，通常有著各種不同的辦法，比如就是使用電阻絲加熱的辦法來或者，另一個就是使用高頻率加熱的方法獲得等等。如果是高溫試驗機，我們不僅僅要考慮到里面的隔熱和散熱的問題，還必須考慮到在高溫環(huán)境下，如何進行材料的選擇。低溫摩擦磨損試驗機，通常是使用適當?shù)闹评涞霓k法，讓所需要的試件的周圍的環(huán)境保持在較低的溫度這個狀態(tài)下。如果條件允許的話，還可以將摩擦副放置到制冷劑當中，通過這樣的辦法來完成低溫環(huán)境的實現(xiàn)。 （5）氣氛的影響 氣氛（比如真空），在一些特殊的試驗當中是有著明確規(guī)定的。在一個實驗當中，如果僅僅是要求控制濕度，所需要的精度不高的話，那么我們利用一個最簡單的辦法就是用密封性比較好罩子將摩擦副和一些有水的盒子套住。如果所需要控制濕度的精度較高，我們這個時候就可以用濕度傳感器進行自動調節(jié)和控制。此外，如果一個實驗要求是在真空的環(huán)境下進行研究的，對于真空度要求不是特別高的時候，我們可以使用一些簡易的辦法來實現(xiàn)，比如說只要摩擦副的部分加上一個真空腔，與外界連接的部分用真空閥密封，這樣我們就可以得到一個簡單的真空環(huán)境。如果實驗要求十分的精確，對真空度要求很高，這個時候我們單純的使用真空腔和真空閥往往是難以實現(xiàn)的，所以考慮到了真空泵。使用真空泵的一個令人頭疼的問題就是動密封。為了解決動密封責怪問題，往往需要采用價格昂貴的磁力傳動，借助磁力傳動來減少甚至不用動密封。 （6）試驗時間的影響 摩擦試驗機的每一個實驗的試驗時間都是不相同的，需要根據(jù)它們的情況來確定。此外，試驗機大多數(shù)是沒有控制時間的裝置，也就是定時裝置的。如果摩擦磨損試驗機要求控制時間，有一個辦法就是通過控制動力源，動力源通過定時器可以十分簡單的做到控制時間。此外，還有另外一個辦法就是利用摩擦力或者是摩擦力矩的極限值，當達到這個極限值的時候，摩擦試驗機就會停機。這種控制方法還有一個另外的好處就是它可以保護摩擦磨損試驗機，不至于發(fā)生超載的危險。 2.2試驗負載的影響 （1） 負荷的影響： 摩擦試驗機在進行試驗的過程當中，通常有許多需要測量的物理量，其中比較重要的一個就是負荷。測量負荷的辦法，如果加載方法的不同，那么測量的辦法也是不相同的。比如說，如果要測量使用杠桿--砝碼加載這樣的機械式加載的負荷，那么我們可以通過加載在上面的砝碼，根據(jù)砝碼的重量，直接就可以得到負荷值；如果是機械式的彈簧加載，在加載的過程當中，彈簧因為力的作用發(fā)生形變，我們可以通過彈簧形變的程度來確定出負荷的大小。如果使用的是液壓加載，我們往往不是可以直接得出負荷值，而是需要根據(jù)加載油缸的壓力，進行具體的一系列的計算而得到負荷的大小。此外，不管我們如何的加載，利用負荷傳感器，我們都可以直接的得到負荷值的大小。值得注意的是傳感器的安裝位置，為了減少不必要的摩擦所引起的誤差，傳感器的安裝位置應該與摩擦副盡量可能的接近。 （2）摩擦力(摩擦系數(shù))的影響； 摩擦力（摩擦力矩）和摩擦系數(shù)在摩擦磨損的試驗當中是重要的參數(shù)。在這兩個參數(shù)需要測量的時候，通常我們只需要測量摩擦力（摩擦力矩）或者摩擦系數(shù)的其中一個，另外一個我們可以根據(jù)公式求得。例如，如果負荷P我們已經(jīng)測量得出，我們只需要得到摩擦力或者摩擦系數(shù)的其中一個，就可以根據(jù)公式求解得出另外的一個的數(shù)值。測量摩擦力的辦法有很多，我們通常用到的有兩個，其中的一個是測量驅動軸上的扭矩，另外的一個是利用彈性元件測出作用在固定件上的力。如果利用第二個辦法，操作不當和容易造成測量精度不高。因為固定件在自由運動的時候，由于存在摩擦，必然會產(chǎn)生力的作用，所以，我們可以把它放置在一些低摩擦的裝置上。這樣產(chǎn)生的摩擦力就會減少，測量的精度也隨著增大。如果想摩擦扭矩，可以直接利用扭矩傳感器，它放置的位置通常都是不是固定的，比如可以放置在運動軸上，或者是放置在固定軸。使用扭矩傳感器時，需要注意的是信號問題，信號輸出必須保證良好。 （3）速度的影響； 速度作為影響摩擦磨損實驗的因素之一，在一些試驗當中通常是需要進行測量的。測量速度的方法我們有很多，比如我們可以利用測速發(fā)電機，或者是利用光電傳感器這些測速裝置直接的測量得到。而轉速的記錄我們最經(jīng)常使用到的就是計數(shù)器。 （4）測溫方法的影響； 摩擦磨損試驗機當中，由于發(fā)生摩擦，那么必定會產(chǎn)生熱量，溫度必然發(fā)生變化。在一個摩擦試驗機之中，我們需要了解的溫度有很多，比如環(huán)境溫度，潤滑劑的溫度，還有摩擦副摩擦所引起的摩擦面的溫度，其中，最難測量得到的就是摩擦面的溫度，因為它并不是“裸露”在外的，我們無法直接的測量。測溫的方法并不是只有單獨一種，最經(jīng)常使用的有兩種，其中的一種是熱電偶法，就是把熱電偶放置在接近摩擦副的位置上，這種辦法是無法得到摩擦面溫度的準確值，得到的只是一個近似值。因為摩擦面上我們無法放置熱電偶。另外的一種辦法就是紅外測溫法，這種辦法也是無法得到精確的溫度值，因為紅外測溫法測到的啥指示摩擦面邊界的溫度。因為的這兩種辦法都無法得到精確值，我們就需要了解試件上溫度的分布情況，以用來對結果修正。 （5）磨損量的影響； 摩擦實驗當中的一個必須要測量的參數(shù)是磨損量。目前，磨損量還很難做到在線測量，以前測量磨損量的方法通常都是把試件取下，然后對磨痕進行測量；還有另外的一種辦法就是稱重，我們可以測量失重，從而得出磨損量。現(xiàn)在，隨著科學技術日新月異，以往的傳統(tǒng)方法已經(jīng)被打破，我們可以利用電測法或者光柵來對磨損量進行在線測量。它的原理在于測量出整個工作的過程當中相對的移動位置。但是這樣的辦法價錢比較昂貴，操作也很復雜，還沒有被廣泛的利用。 （6）重復性和再現(xiàn)性； 試驗的重復性和再現(xiàn)性是衡量一個試驗機的精度的重要指標，也是衡量試驗機價值的關鍵因素。想要得到較高的重復性和再現(xiàn)性，就必須保證每次試驗所使用的試桿和試驗的環(huán)境工況要保持相同。一臺摩擦磨損試驗機想要保證足夠良好的重復性和再現(xiàn)性，那么就必須確保關鍵部件運動的穩(wěn)定性。也只有保證了這個穩(wěn)定性，才能夠確保足夠的精度。此外，摩擦副的接觸形式也影響著重復性和再現(xiàn)性。合理的摩擦副接觸是良好的重復性和再現(xiàn)性的保證。通常情況下，面接觸相對于點接觸所受到的外界影響要大很多。所以在相同的條件下，如果沒有具體的要求的話，我們優(yōu)先選用點接觸。 第3章 方案設計和工作原理 3.1試驗機的整體分析 通過我們對試驗機的了解，我們可以把試驗機的機械結構大體的分為下面幾部分：主傳動系統(tǒng)，真空處理系統(tǒng)，加載系統(tǒng)，摩擦盤夾持系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等主要部分。通過對這些系統(tǒng)的設計，再經(jīng)過合理的組合，我們可以完成設計方案。 3.2設計方案的制定 圖3-1是使用cad完成的方案原理圖 圖3-1 設計方案 1、 真空腔 2、觀察窗 3、摩擦銷4、下試樣盤5、試樣平臺6、軸承7、同步帶和帶輪8、伺服電機9、真空泵接口法蘭10、分度盤11、真空閥12、底座13、絲桿14、套筒15、自重塊16、懸臂梁 3.3工作原理 根據(jù)示意圖，我們并不困難的可以得到整個試驗機的工作原理。 3.3.1主傳動部分 通過伺服電機通電轉動，經(jīng)過同步帶帶動主軸的旋轉，主軸的旋轉再帶動試樣平臺的運動旋轉，達到工作的效果。 3.2.2控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要是用來控制摩擦銷的徑向和軸向的運動，用以達到試驗時候的準確的位置。徑向的運動主要是通過分度盤和絲桿螺母進行控制，轉動分度盤，帶動絲桿的轉動，引起絲桿螺母的徑向運動。它在底座上的運動，可以帶動于它連在一起的豎直梁的運動，從而推動摩擦銷的徑向水平位移。而軸向的運動主要是利用套筒來實現(xiàn)。套筒的上下運動就可以完成摩擦銷的豎直運動。 3.2.3加載系統(tǒng) 通過對比一系列的加載辦法，最后選用砝碼加載，因為砝碼加載的運動平穩(wěn)，試驗的精度較高。而且砝碼加載，需要得到的負荷值也可以很簡單的測量出來。在砝碼加載的另一端加上自重塊，用以平衡砝碼加載所產(chǎn)生的作用力。 3.2.4真空系統(tǒng) 因為所需的真空度并不是特別的高，可以利用一個上部可以打開的真空室。在真空室于其他地方有開口的地方，都使用真空閥密封。在底部有一個真空泵法蘭，可以利用這個真空泵連接抽真空系統(tǒng)。真空室的左側使用透明材料作為觀察窗，可以在實驗的過程當中觀察整個試驗的過程，出現(xiàn)故障的話可以及時的調整。 3.2.5小結 在真空系統(tǒng)當中，真空室（1）的側壁有至少一個的觀察窗（2），真空泵接口法蘭（9）用來連接真空室與真空泵，真空室的頂部可以打開，用來實現(xiàn)在破真空之后調整摩擦銷的位置。摩擦盤夾持系統(tǒng)中，下試樣盤（4）固定在試樣平臺（5）上。摩擦銷（3）在下試樣平臺（4）上運動，達到試驗的效果。動力的傳動是通過伺服電機，通過同步帶，帶動軸的轉動，軸的轉動帶動了試樣平臺的轉動，達到目的效果?？刂葡到y(tǒng)主要是通過絲桿在底座的運動來控制徑向的運動，通過帶孔的套筒的上下移動控制了軸向的運動。加載使用砝碼直接加載，可以從另一端的自重塊調節(jié)平衡。就這樣，整個試驗機的工作過程都可以實現(xiàn)。設計方案就確定下來了。 第4章 真空摩擦試驗機結構設計的相關計算 4.1試驗機的主要指標性能確定 結合第一章確定下來的試驗機的數(shù)據(jù)，在根據(jù)我們所需要的設計方案的要求，初步把這個試驗機的指標確定下來，主要的參數(shù)如下： (1)旋轉軸的轉速范圍在 r/min，無級別調速； (2)加載的范圍：N，采用砝碼加載的辦法； (3)樣品盤的最大的尺寸是 mm，最大的厚度10 mm。 （4）真空度要求：Pa 4.2試驗機主傳動系統(tǒng)的相關計算 根據(jù)試驗機的要求，我們可以把主軸轉速范圍確定下來，變速的方式我們也初步確定，選定的電動機為Y系列的三相異步電動機。整個電動機的傳動部分的傳動路線我們可以確定下來：三相異步電動機帶動通過同步帶和帶輪，帶動了主軸的旋轉，和主軸連接的摩擦盤的夾持器由于主軸的旋轉而開始旋轉，摩擦盤夾持器的旋轉又可以帶動摩擦盤的旋轉，從而達到我們想要的目的。 4.2.1電機的選擇 取摩擦盤和摩擦銷之間的動摩擦系數(shù) ，則摩擦產(chǎn)生的最大功率 其中： Pm是摩擦產(chǎn)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）； = 同步帶的傳動效率 ： 滾動軸承的傳動效率 ： 則總傳動效率： 電動機的輸出功率 故 為使電動機的功率留有余量，負荷率?。?.85 根據(jù)參考資料可知，選擇的電機型號為：Y系列三相異步電動機，機座號為80. 電機參數(shù)：功率 0.75， 效率75%，功率因素0.84. 尺寸參數(shù)：A：1250.70 B：1000.70 C：500.70 D： E：400.31 F： G： H: K： 4.2.2同步帶的計算 1、 計算功率： Kw 式中：是同步帶工作的工況系數(shù)，查表可得1.40 P為傳遞功率 2、 選擇帶型和節(jié)距： 根據(jù)計算功率和小帶輪轉速，查閱手冊選擇H型同步帶。 齒形如圖所示（4-4） 圖4-4齒形圖 周節(jié)制節(jié)距mm 齒形角： 40 齒根厚度s：6.12mm 齒高： 2.29mm 帶高： 4.30mm 齒根圓角半徑：1.02 齒頂圓角半徑：1.02 3、 小帶輪齒數(shù)： 查閱機械設計手冊，根據(jù)小帶輪轉速和齒形，可以確定=20 ，根據(jù)設計方案 4、 小帶輪節(jié)圓直徑 直接查閱機械設計手冊，可以得到小帶輪直徑mm 5、 大帶輪齒數(shù)： 根據(jù)設計的方案，同步帶只是起到了傳動的作用，不改變速度，所以兩個帶輪的齒數(shù)、是相等的，所以=25； 6、 大帶輪節(jié)圓直徑： 根據(jù)公式 （4-4） mm mm 7、 帶速計算： （4-5） m/s 通常H型=40m/s，所以符合要求。 8、 初定中心距： （4-6） ，取a==202.12 9、 初定帶的節(jié)線長度 帶長： （4-7） mm 查閱機械設計手冊，齒數(shù)Z=60； 10、 實際中心距的計算： 中心距可以調整 （4-8） 中心距不可以調整 （4-9） 式中：小帶輪包角，inv是角的漸開線函數(shù)，根據(jù)算出的inv值，查表即可以得到精確的值。 按照設計要求，中心距可以調整 所以=mm 11、 小帶輪嚙合齒數(shù)： （4-10） =10 12、 基本額定功率： （4-11） 式中：是帶寬為的許用工作拉力，m是帶寬為的單位長度的質量。 kw 13、 計算帶寬： (4-12) 式中：是小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，是選定型號的基準寬度 查表選取 所以mm 按照設計要求，可以確定帶寬19.1mm，代號075. 14、 作用在軸上的力： （4-13） N 15、 帶輪的結構和尺寸： 根據(jù)直邊齒輪的尺寸和公差，查閱機械設計手冊，選擇 槽型： H 齒槽底寬: 齒高: 槽半角°: 齒根圓角半徑: 1.98 齒頂圓角半徑: 節(jié)頂距: 1.372 節(jié)圓直徑d： 外圓直徑： 4.2.3主軸計算 ： 1、 主軸輸出功率，轉速，轉矩計算： 根據(jù)第一部分電機的計算，可以得到Kw，n=2400r/min 所以轉矩Nmm 2、 軸的最小直徑計算： 由公式= （4-14） 主軸的材料選擇為45鋼，查閱機械設計手冊 ，。 所以 取整數(shù)，可以得到，由此可以得出軸的最小軸徑應該是大于5mm。 3、 軸的結構設計： （1） 設計出軸上的零件裝配，并使用AutuoCAD繪制簡圖 圖4-5 軸上零件裝配方案 （2） 根據(jù)設計的要求，確定軸各段的長度和直徑 初步選定軸承。根據(jù)軸承的受力情況，選定圓錐滾子軸承，大概選擇的軸承為30206，尺寸大小=30mm62mm16mm，所以可以確定，。 （3） 根據(jù)結構的要求，把其他各段軸的參數(shù)確定：，； ，； ，； ，； ，。 4、 軸的強度校核： 按照扭矩強度條件計算，公式如下： （4-15） 由前面的計算就可以知道=0.15Kw，n=2400r/min， 所以 根據(jù)軸的最小直徑計算： 由此可得，這個軸的每一段都合理。 4.2.4、主軸上鍵的強度校核 由主軸的設計，我們可以得出，鍵所在的軸的直徑是24mm，查閱機械設計手冊，選取的鍵為普通平鍵，它的尺寸為，進行強度校核計算： （4-16） 在這個公式當中：d是軸的直徑；l是鍵的工作長度，；h是鍵的高度，是許用壓力；k是鍵與鍵槽的接觸高度，k=0.5h；T是傳遞的轉矩。 查閱手冊，可以得到d=24，h=7，l=14，，可以得到： MPa遠遠的小于100MPa。 由此可以得出這個鍵滿足強度要求。 4.2.5聯(lián)軸器的選擇 （1） 類型的選擇 根據(jù)不存在相對位置這個特點，選擇結構簡單，成本低的凸緣聯(lián)軸器。 （2） 載荷的計算 公稱轉矩：Nmm （4-17） 式中：T是公稱轉矩，是工作情況系數(shù)，查閱表格可得=1.7。 Nm （3） 型號的選擇 查閱手冊，選取GY4，軸孔直徑25。 4.2.6、橫梁的強度校核 從設計方案中我們可以看出，橫梁承受的軸向力與切向力都不大，最重要的是，摩擦銷與橫梁沒有緊密接觸的，橫梁受到的沖擊也就很小了。所以橫梁所承受的力也很小，它的強度和剛度的要求可以忽略不計，我們只需要滿足它的結構要求。 4.2.7絲桿螺母的相關計算 （1） 絲桿螺母副的主要作用是控制摩擦銷在摩擦銷盤上的徑向運動。由此我們可以看出，他是傳遞運動的，并不是用來傳遞力的。只受到各種阻力的作用，所以它的強度校核忽略不計。 （2） 螺母的軸向位移： （4-18） 公式中：為螺桿轉角，s是導程，x為螺紋線數(shù)。 選取單線螺紋，所以x=1； 根據(jù)摩擦盤的直徑為40mm，我們選定的螺紋長度L=50mm； 初步選定螺紋移動l=40的時候，手輪轉動8圈，所以可以得到： =16π rad mm （4-19） 由此可以知道：s=px==5mm 螺紋中徑： （4-20） 式中：是螺母形式參數(shù)，是螺紋副的許用壓強。查閱手冊，??； 代入數(shù)據(jù)計算，有mm 根據(jù)整個系統(tǒng)的結構特點，取mm； 由此可以得到整個絲桿螺母結構： 絲桿公稱直徑：，小徑：mm； 螺母高度：； 絲桿旋動圈數(shù)： 基本牙型高度： 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：b=0.65p=0.655=3.25 mm 4.2.8軸承的校核 整個系統(tǒng)只有主軸和絲桿使用了軸承。絲桿處的軸承主要的作用就是支撐，因為并不承受載荷，收到的力很小，載荷的校核可以忽略不計。下面對主軸上的深溝球軸承進行校核： 根據(jù)主軸設計可以知道： Nmm 根據(jù)帶輪，我們可以得到： d=101.06mm 所以 N N 所以 查閱手冊，深溝球軸承e的最小值為0.22，由此可得 初定當量動載荷P： （4-21） 查表可得： ，確定。 所以P=1.24299.32=5159.184 N 確定軸承的額定動載荷： （4-22） 計算可得：C=N 校核軸承壽命： （4-23） 計算可得：h5000h 由此可得，軸承合理。 4.2.9扭矩傳感器的選擇 在網(wǎng)上查閱資料，扭矩傳感器選擇CYT-302旋轉型扭矩傳感器。它的外形尺寸圖如下： 安裝示意圖如下圖 4.2.10真空腔室的選擇 （1） 真空度的確定：由殘余氣體導熱原理，真空室的壓力達到某一個極限的值的時候，氣體在換熱表面之間導熱量可以忽略不計。在壓力很低的情況下，氣體的平均自由程要大于結構尺寸，表面之間單位面積上氣體的傳導的功率： （4-23） 式中：是兩個換熱表面的適應系數(shù)，與面積有關；p是壓力，是內表面溫度，是外表面溫度，K是常數(shù)，在空氣之中，K=0.016.如果要求導熱占輻射能力不超過百分之一，那么系統(tǒng)壓力不能大于1.49Pa。 （2） 腔體的設計 為了使腔體的制造方法簡單，強度好。我們選用圓筒形的真空腔?？紤]到摩擦銷軸向的調整需要，我們真空室設計為上部能夠打開。壁厚公式： （4-24） 由公式計算，我們得到壁厚為 4.89mm，考慮到真空撿漏，向腔體內沖壓等問題，我們選用壁厚為5mm。 第5章 摩擦磨損試驗機整體結構 根據(jù)整體設計，CAD做出的圖效果如下： 圖5-1 主視圖 圖5-2 俯視圖 圖5-3 左視圖 第六章 總結 目前，航天航空技術日新月異，我們使用到真空摩擦機的地方也越來越多。這個設計說明書主要是設計出了一個簡單的真空摩擦試驗機。選取適當?shù)膮?shù)，構造了摩擦試驗機的機械結構部分，繪制了CAD圖。 對這個試驗機的設計，它的有點在于可以不用破真空就能調節(jié)摩擦副部分的徑向運動，在不改變環(huán)境的情況下，改變了運動情況。雖然真空度和精度不是非常的高，但好在結構簡單，成本低。 最后，這個設計只針對了結構的部分，真空抽氣系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)沒有進行設計。 參考文獻 [1] 桂長林，沈健.摩擦磨損試驗機設計的基礎[J].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 [2] 桂長林，沈健.摩擦磨損試驗機設計的基礎[J].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 [3] 楊學軍，趙浩峰，趙昕月.高溫銷盤磨損試驗機的研制[J].太原：太原理工大學學報，2005，36（4），477～479 [4] 李霞，許志慶，楊永.高速摩擦磨損試驗機的總體設計[M].北京：中國儀器儀表，2003，19～21 [5] 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因為我個人的基礎是比較薄弱的，所以在老師為我講解的時候往往不是能在第一時間內就夠完全的理解，但是老師并沒有生氣，而是耐心的為我講解，直到我能夠完全的理解為止。比如說我這個真空摩擦試驗機最困難的有兩個，一個是真空環(huán)境的完成，另一個就是控制系統(tǒng)如何完美的實現(xiàn)摩擦銷的軸向和徑向的控制。在真空環(huán)境完成這一方面，老師給我推薦了許多的參考文獻，讓我了解了其中的工作原理，然后一個個方案的嘗試，最后在老師的指導下完成了這一部分。而早控制系統(tǒng)的部分，一開始因為對專業(yè)知識了解得不夠，整出了許多不合理的地方。最后在老師的指導下，一種種方案的設計和更改。例如，一開始使用絲桿和機械手來調節(jié)它的徑向和軸向運動，因為太過復雜而放棄了；然后又想使用齒輪齒條和絲桿來控制，又因為齒輪齒條無法實現(xiàn)自鎖而放棄了；最終采用了帶有孔的套筒來實現(xiàn)軸向運動，利用絲桿來實現(xiàn)徑向運動。在完成這個的過程當中，能夠讓自己可以非常好的把平時在課堂上學習到的理論知識運用起來，結合到實際的問題當中來解決掉這些實際遇到的問題。在老師的悉心指導下，感覺現(xiàn)在的我已經(jīng)能夠獨立的完成一些簡單的設計問題，感覺到自己得到了提升。特別是當自己完成畢業(yè)設計的時候，整個人都是非常興奮，激動和自豪的。最好再次真心的謝謝任靖日老師的耐心指導。 37