一種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題 目 ： 一種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： D 機(jī)加工 122 學(xué) 號(hào)：231120414 學(xué)生姓名： 管磊鑫 指導(dǎo)教師： 劉桂芝，卞榮 2016 年 3 月 10 日 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 學(xué)生姓名 管磊鑫 學(xué) 號(hào) 231120414 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名 劉桂芝/卞榮 職 稱 教授/講師 所在院系 工業(yè)中心 課題來源 自擬課題 課題性質(zhì) 工程設(shè)計(jì) 課題名稱 一種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的 采用文獻(xiàn)分析法、文本細(xì)讀法、比較法、綜合分析法等方法，進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、油箱、摩擦測(cè)試組件組成，其中，摩擦組件又由加載 組件及測(cè)力組件構(gòu)成。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容： 1、設(shè)計(jì)計(jì)算 a) 摩擦力測(cè)量機(jī)構(gòu)理論計(jì)算分析 b) 各零部件尺寸估算 2、機(jī)械制圖 a)圖紙清晰，布局合理，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無重大錯(cuò)誤； b) CAD 繪制試驗(yàn)機(jī)裝配圖 0 號(hào)圖 1 張 c) 繪制其它典型零件 CAD 圖紙，合 0 號(hào)圖 1.5 張 3、翻譯有關(guān)外文資料 a) 文章大意、作者觀點(diǎn)基本正確，無重大語病 b) 專業(yè)術(shù)語翻譯正確 內(nèi)容和意義 4、按要求撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 本課題研究的意義： 本課題對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，摩擦磨損問題存在于人類物質(zhì)活動(dòng)的各個(gè)方 面。在汽車、發(fā)電、設(shè)備、冶金、鐵道、宇航、電子和農(nóng)機(jī)等各方面的機(jī)械都大量存在 著摩擦學(xué)的問題。其意義如下： 1、為了弄清磨損機(jī)理以減少有害的磨損，各國(guó)學(xué)者對(duì)材料在常溫下的各種磨損問 題均進(jìn)行了大量的研究，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是一種比不可少的工具。 2、促進(jìn)控制和改善機(jī)械的摩擦磨損狀況、提高使用壽命和工作可靠性，并促使其 研究不斷的深入和發(fā)展，擴(kuò)展該學(xué)科的研究領(lǐng)域和提高研究水平。 文獻(xiàn)綜述 隨著機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)磨擦危害的認(rèn)識(shí)有了新的提高。在工業(yè)生產(chǎn)中，嚴(yán)重 的摩擦?xí)鸸ぷ髁悴考哪p，從而影響到工件的性能以及使用壽命。所以在很多情 況下，我們需要抑制并且減小摩擦，這就需要我們對(duì)各種環(huán)境下的不同類型材料的摩擦 性能進(jìn)行研究。 為了弄清摩擦原理減少有害的磨擦，各國(guó)學(xué)者對(duì)材料在常溫下的各種磨擦問題進(jìn)行 了大量研究，但對(duì)高溫下的磨擦問題至今研究較少，這和高溫摩擦磨損試驗(yàn)裝置的缺乏 不無關(guān)系。自 1910 年第一臺(tái)磨料磨損試驗(yàn)機(jī)問世，到 1975 年美國(guó)潤(rùn)滑工程師學(xué)會(huì)編著 的《摩擦磨損裝置》中所公布的不同類型的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)已達(dá)上百種，但大部分都是 常溫磨損試驗(yàn)機(jī)[1]。近幾十年來，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)方法雖然有了較大的發(fā)展，但 大多還是由企業(yè)和研究工作者根據(jù)工作需要和實(shí)際工況自行設(shè)計(jì)制造的，如高溫磨料磨 損試驗(yàn)機(jī)，適合高分子及其復(fù)合材料試驗(yàn)用的高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等。只有少數(shù)試驗(yàn)機(jī) 是由專門的試驗(yàn)機(jī)廠或儀器制造公司制造和供應(yīng)的，而且這些試驗(yàn)機(jī)大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià) 格較貴，這說明了磨損問題的復(fù)雜性和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室磨損試驗(yàn)研究的困難所在。 摩擦磨損試驗(yàn)的目的是為了對(duì)摩擦磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進(jìn)行研究，正確地評(píng)價(jià)各種因 素對(duì)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(shù)。[2]摩擦磨 損試驗(yàn)機(jī)是進(jìn)行高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)的有效設(shè)備，廣泛運(yùn)用于對(duì)各種高速刀具的高溫 摩擦磨損性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)，是高速切削和新型刀具材料研制開發(fā)和應(yīng)用的必備設(shè) 備。該設(shè)備是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基礎(chǔ)設(shè)備，該設(shè)備可以擴(kuò)展 該學(xué)科的研究領(lǐng)域和提高研究水平。 目前，按照摩擦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式可以將摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分為五 大類。[3]這種分類方法突出摩擦元素的特點(diǎn)和對(duì)試驗(yàn)的特殊功能要求，從而便于采用設(shè) 計(jì)方法學(xué)原理對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這五大類分別是固體－固體摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、固體－ 固體加磨粒（或固體－磨粒）的試驗(yàn)機(jī)、固體－液體加磨粒（或固體－液體）的試驗(yàn)機(jī)、 固體－氣體加磨粒的試驗(yàn)機(jī)、可控載荷、可控氣氛、高溫或低溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。[4] 第一類固體－固體摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。這類試驗(yàn)機(jī)又分為 5 小類[5]，即單向滑動(dòng)，往 復(fù)運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)（含滾滑），沖擊和微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（根據(jù)需要可以在摩擦元素 間加或不加潤(rùn)滑劑）。[6]每一小類試驗(yàn)機(jī)的摩擦副形式又有很多種，因而它們也各含有 許多種試驗(yàn)機(jī)。可以認(rèn)為，大部分摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)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(xué)磨損。從設(shè)計(jì)的角度來看，這一大類試驗(yàn)機(jī) 體現(xiàn)了摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 第二類固體－固體加磨粒（或固體－磨粒）的試驗(yàn)機(jī)，統(tǒng)稱為磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)。[7] 根據(jù)試件的磨損特性和運(yùn)動(dòng)特性又可以將其分為三小類，即三體、二體和動(dòng)載。[8]與第 一類試驗(yàn)機(jī)相比，三體磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)的不同點(diǎn)是要在摩擦副的摩擦面上加磨粒。固定 磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)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(shè)計(jì)成各 種形式，其特例是研究單個(gè)磨粒磨損的試驗(yàn)機(jī)。在這一類試驗(yàn)機(jī)中，摩擦副多為銷-盤 文獻(xiàn)綜述 式或銷-板式。為了防止偏磨，銷最好能夠自旋，但是摩擦路跡一般不重復(fù)。自由磨粒 磨損試驗(yàn)機(jī)可以設(shè)計(jì)成試件運(yùn)動(dòng)、磨粒運(yùn)動(dòng)和試件與磨粒同時(shí)運(yùn)動(dòng)的三種形式。 第三類固體－液體加磨粒（或固體－液體）的試驗(yàn)機(jī)，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(guān)鍵是要形成有一定流速的液流。[9]利用泵、勢(shì) 能和離心力均可達(dá)到這種目的。從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理出發(fā)，也可以讓試件相對(duì)于液體運(yùn)動(dòng)。 液流和試件形成的沖擊角是一個(gè)重要參數(shù),通常要求可調(diào)。 第四類固體－氣體加磨粒的試驗(yàn)機(jī)，其功能是使含磨粒的氣流去沖刷固體表面。作 為這類試驗(yàn)機(jī)的特例是單顆磨粒沖擊裝置。對(duì)于這類試驗(yàn)機(jī)來說，磨粒向試件的沖擊角 也是一個(gè)重要參數(shù)，同樣要求可調(diào)。 第五類除了以上所述之外的特殊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。[10]可控載荷、可控氣氛、高溫或 低溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)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(duì)其十分重要。非接觸式傳動(dòng)——力傳動(dòng)在這類試 驗(yàn)機(jī)上可以得到充分的應(yīng)用。高溫或低溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)要求產(chǎn)生高溫或低溫，因而需 要考慮高溫隔熱和低溫防護(hù)，其選材也要能夠滿足高溫或低溫的要求。 本次設(shè)計(jì)主要研究固體－液體加磨粒（或固體－液體）的試驗(yàn)機(jī)，這種摩擦磨損實(shí) 驗(yàn)機(jī)效果較好，該設(shè)計(jì)在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，沒有 一味地追求高精度，適合進(jìn)行實(shí)際的生產(chǎn)。 參考文獻(xiàn)： [1]武文忠，郝建東，蘇俊義.高溫磨損試驗(yàn)機(jī)的研制.北京：試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，2002， 42（1，2），15～17 [2]桂長(zhǎng)林，沈健.摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：Ⅰ[1].摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的分類和特點(diǎn)分析。 合肥：固體潤(rùn)滑.1990，10（1），48～55 [3]桂長(zhǎng)林，沈健.摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：II 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)方法的研究。合 肥：固體潤(rùn)滑。1990，10（2），120～136 [4]楊學(xué)軍，趙浩峰，趙昕月.高溫銷盤磨損試驗(yàn)機(jī)的研制.太原：太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005， 36（4），477～479 [5]李霞，許志慶，楊永.高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì).北京：中國(guó)儀器儀表，2003 [6]?？烧?，金志浩。MPX—2000 型盤銷式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的改裝.北京：機(jī)械科學(xué)與技 術(shù)。1999.18（3），470～471，474 [7]何國(guó)仁，曾漢民，楊桂成.高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的研制.北京：北京：試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn) 機(jī).1991，31（5），11～16 [8]王斌，蔡興旺.一種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì).北京：農(nóng)機(jī)化研究。2003，10，118～119 [9]馮辛安.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社。2004 年 1 月 [10]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（單行本）機(jī)械傳動(dòng).北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004 年 1 月 研究?jī)?nèi)容 該設(shè)計(jì)在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉，設(shè)計(jì)中采用了較 為簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)了相同的功能，采用文獻(xiàn)分析法、文本細(xì)讀法、比較法、綜合分析法 等方法，進(jìn)行的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、油箱、摩擦測(cè)試組件組成，其中，摩擦 組件又由加載組件及測(cè)力組件構(gòu)成。對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵零部件進(jìn)行 校核。 1. 摩擦試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及原理分析 2. 動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)：包括摩擦副運(yùn)動(dòng)形式、載荷預(yù)估、動(dòng)力傳輸 3. 摩擦測(cè)試組件設(shè)計(jì)：包括加載組件及測(cè)力組件 4. 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及應(yīng)用 5. 箱體設(shè)計(jì)及零部件的校核 研究計(jì)劃 研究周期與時(shí)間安排 畢業(yè)設(shè)計(jì)起止日期：2.22~6.03（第一周~第十五周） 第 1 周 (2.22-2.26) 收集資料，學(xué)習(xí)有關(guān)書籍文獻(xiàn)。 第 2 周 (2.29-3.04) 搜集設(shè)計(jì)過程中所要遵照的有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行學(xué)習(xí)，提出初 步設(shè)計(jì)所采用的方案； 第 3 周 (3.07-3.11）完成開題報(bào)告及外文材料翻譯； 第 4 周 (3.14-3.18)完成試驗(yàn)機(jī)的三維草圖設(shè)計(jì)及摩擦系數(shù)的計(jì)算； 第 5 周 (3.21-3.25)完成裝配圖草圖設(shè)計(jì)； 第 6 周 (3.28-4.01)進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)，進(jìn)行機(jī)械制圖工作 第 7 周 (4.04-4.08）畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查 第 8 周 (4.11-4.15）進(jìn)行 CAD 繪制零件圖 第 9 周 (4.18-4.22)完成零件圖繪制，同期準(zhǔn)備論文的撰寫 第 10 周 (4.25-4.29）完成裝配圖、零件圖的繪制 第 11 周 (5.02-5.06)遞交論文初稿 第 12 周 (5.09-5.13)修改論文并定稿 第 13 周 (5.16-5.20)論文評(píng)審及答辯資格確定 第 14 周 (5.23-5.27)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯 第 15 周（5.30-6.03）整理資料存檔 特色與創(chuàng)新 1．該設(shè)計(jì)在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，設(shè)計(jì)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 2．采用常見的零部件及材料制造，成本低廉。 3．無液壓件，加載組件緊湊穩(wěn)定，測(cè)力組件零件少，測(cè)量簡(jiǎn)單，減少了中間誤差。 4．該設(shè)計(jì)具有一定的靈活性，可通過更換不同的摩擦副或不同摩擦系數(shù)的彈簧， 進(jìn)行不同種類的摩擦磨損試驗(yàn)。 指導(dǎo)教師 指導(dǎo)教師簽名： 意 見 年 月 日 分中心意見 中心意見 分中心主任簽名： 教學(xué)主任簽名： 年 月 日 年 月 日 南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 南京工程學(xué)院 工 業(yè) 中 心 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 題 目： 一種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： D機(jī)加工122 學(xué) 號(hào)： 231120414 學(xué)生姓名： 管磊鑫 指導(dǎo)教師： 劉桂芝、卞榮 起迄日期： 2016.2.22～2016.6.03 設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 工程中心5號(hào)樓206 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要 摘要： 在涉及到摩擦學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)方面，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用越發(fā)普遍。目前，世界上只有幾個(gè)少數(shù)國(guó)家像美國(guó)、英國(guó)、日本等擁有專業(yè)的企業(yè)來生產(chǎn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，有很多資料表明目前世界上大部分的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的式樣都以滑塊和圓盤為主，在一定的范圍之內(nèi)可以控制載荷、溫度、速度、潤(rùn)滑量等因素的變化。本次課題是一種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用的實(shí)驗(yàn)方法是在相同的模擬工況下，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)摩擦材料副、潤(rùn)滑油的摩擦性能等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這款試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制作費(fèi)用低廉還具有一定的靈活性。主要用來測(cè)定摩擦力、摩擦系數(shù)和摩擦力矩等參數(shù)的大小。 關(guān)鍵詞：摩擦磨損 實(shí)驗(yàn)機(jī) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摩擦系數(shù) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）英文摘要 Title Mechanism design of a friction and wear testing machine Abstract In the research and development of products related to tribology, friction and wear testing machine are wildly applied. Currently, only a few countries like the United States, Britain, Japan and other professional enterprise can produce the world's wear tester, a lot of data indicate that now most of the friction and wear tester in the world are in the style slider and disc mainly within a certain range of variation can be controlled load, temperature, speed, amount of lubrication and other factors. In this paper, a friction and wear test machine was designed. Test method used is the same simulation conditions, comparative tests of friction performance lubricant experiment. This testing machine has simple structure, high reliability and low production costs with some flexibility. Primarily used to determine the size of the friction coefficient of friction and friction torque and other parameters. Keywords Friction and wear；Testing Machine；Structural Design；Friction coefficient 南京工程學(xué)院工業(yè)中心畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 目 錄 前 言 1 第一章 緒論 2 1.1 摩擦的應(yīng)用 2 1.1.1 摩擦力在生活中應(yīng)用的必要性 2 1.1.2 摩擦力在生活中應(yīng)用的合理性 3 1.2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的功能與特點(diǎn) 4 1.3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 5 1.4 國(guó)內(nèi)外摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的典型 6 1.4.1 四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 6 1.4.2 端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 7 1.4.3 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 8 1.4.4 環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 8 1.4.5 微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 9 1.5 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在發(fā)展中存在的問題 9 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 11 2.1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)及要求 11 2.2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)及組成 11 2.2.1 加載組件 11 2.2.2 測(cè)力組件 13 2.3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的工作原理 13 第三章 零部件設(shè)計(jì) 15 3.1 電機(jī)的選取 15 3.2 油箱設(shè)計(jì) 15 3.3 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì) 16 3.4 模塊與摩擦環(huán)塊的選擇 17 第四章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)計(jì)算 18 4.1 正壓力計(jì)算 18 4.2 摩擦力計(jì)算 18 4.2.1 彈簧的拉伸長(zhǎng)度計(jì)算 18 4.2.2 摩擦力與擺角關(guān)系 20 4.3 摩擦系數(shù)計(jì)算 21 4.4 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析 21 4.5 電機(jī)功率的選取 22 第五章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 23 5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目的與意義 23 5.2 成本材料分析 23 5.2.1 非標(biāo)準(zhǔn)件 23 5.2.2 標(biāo)準(zhǔn)件 24 5.3 課題技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算依據(jù) 25 5.3.1 成本計(jì)算依據(jù) 25 5.4 課題技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算 26 第六章 結(jié)論 28 致謝 30 參考文獻(xiàn) 31 II 前 言 摩擦力對(duì)我們生活的影響是不可忽視的，然而這種影響在工業(yè)生產(chǎn)中卻尤為明顯。在工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械零部件主要的三種失效形式之一便是摩擦產(chǎn)生的磨損，由其導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失極為龐大。每一年，由于各種原因的磨損致使約有百分之八十的機(jī)械零部件失效。從本質(zhì)上來說，減少摩擦磨損的目的是節(jié)省能量消耗和提高材料的利用率。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)對(duì)于摩擦學(xué)來說是一個(gè)巨大的進(jìn)步，現(xiàn)在越來越多的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)用來評(píng)定潤(rùn)滑油的極壓特性、抗磨損性能并且計(jì)算摩擦系數(shù)從而運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中。 機(jī)械設(shè)備中各個(gè)零部件之間的摩擦磨損和零部件的材質(zhì)、工況環(huán)境（壓力、沖擊、溫度和潤(rùn)滑）等因素密切相關(guān)。機(jī)械零部件通過摩擦引發(fā)的一系列摩擦學(xué)的問題，諸如磨損、潤(rùn)滑、材料和能源的消耗，這些普遍存在的問題極大地影響了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。特別是隨著社會(huì)環(huán)境的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的現(xiàn)代化發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用普遍趨于高速、重載、高效率化，在機(jī)械系統(tǒng)中，機(jī)械構(gòu)件的運(yùn)行是最基本也是最重要的功能。機(jī)械構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和接觸作用大都是通過摩擦來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)也在摩擦副的表面產(chǎn)生摩擦、磨損和潤(rùn)滑等物理現(xiàn)象。機(jī)械中任何一個(gè)摩擦出現(xiàn)問題，都會(huì)導(dǎo)致機(jī)械的相關(guān)部件或全部功能的失效?，F(xiàn)代機(jī)械類技術(shù)人員尤為關(guān)注的問題便是如何控制和改善機(jī)械的摩擦磨損狀態(tài)，提高機(jī)械的使用壽命和工作可靠性，這也是促使人們研究進(jìn)步的不竭動(dòng)力。 伴隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展與完善，雖然摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)在近些年得到迅猛發(fā)展，但是人們也越來越提高了對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的要求，今后的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用范圍和實(shí)驗(yàn)要求也會(huì)逐漸提高。開始向著高性能、高精度、高轉(zhuǎn)速等方面發(fā)展，相信今后的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)自動(dòng)化程度更高，運(yùn)行更加穩(wěn)定，模擬環(huán)境更為真實(shí)，處理速度也會(huì)更快。  第一章 緒 論 1.1 摩擦的應(yīng)用 在物理學(xué)中，摩擦力是任意兩個(gè)相互接觸的物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在它們的接觸面上出現(xiàn)的一種互相阻礙的力。摩擦學(xué)就是針對(duì)摩擦力的研究。1966年,一篇著名有關(guān)摩擦學(xué)的學(xué)術(shù)著作《潤(rùn)滑(摩擦學(xué))、教育和研究》得以發(fā)表。這份著作得到了人們普遍的關(guān)注，它清晰的解釋了“摩擦學(xué)”的定義及它在社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)中的重大影響。而此時(shí)的摩擦學(xué)已然發(fā)展成為對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要影響的科學(xué)[1]。 在人們平時(shí)生活中摩擦是一種很普遍的現(xiàn)象，應(yīng)用在生活中的例子也有很多，比如鞋子就是鞋底和路面產(chǎn)生摩擦；吃飯喝水就是手跟碗盤、水杯的摩擦；而穿衣就是人體和衣物的摩擦等等，這些都是有利的一面[2]。但任何事都應(yīng)該從正反兩面來看，摩擦力在我們生活中也不都是有利的，它同樣也有它自己的弊端，比如鞋底跟地面的摩擦?xí)斐尚椎哪p；機(jī)械的運(yùn)行也需要摩擦，但同時(shí)摩擦也會(huì)造成內(nèi)部零件的磨損、機(jī)械的發(fā)熱，也會(huì)消耗不少動(dòng)力，縮短機(jī)械內(nèi)部零部件的使用壽命等。 據(jù)資料表明，通過各種途徑消耗在摩擦上的能源大約占全世界的二分之一。工業(yè)生產(chǎn)里面，如果要大量減少能源消耗，就必須根據(jù)摩擦學(xué)知識(shí)采取正確的措施。所以我們?cè)诶媚Σ羴頌槲覀兩罘?wù)的同時(shí)，也要盡可能的選用正確的方法來減少摩擦給我們帶來的損害，合理的利用摩擦力。 1.1.1 摩擦力在生活中應(yīng)用的必要性 有摩擦才可以安全出行。人類在幾千年前，就已經(jīng)發(fā)明了鞋子，細(xì)心的人們會(huì)發(fā)現(xiàn)，不管什么鞋子，在它的底面都會(huì)有很多條紋，這些條紋均勻地分布在鞋底，它們的存在可不僅僅是為了美化鞋子，而是含有一定的物理知識(shí)的，那就是用來增大鞋底和地面之間的摩擦力。正是靠著鞋底和地面的摩擦力，人們才能在地面上奔跑、先走、跳躍，而鞋底一旦過度磨損或地面過于光滑就會(huì)減少兩者之間的摩擦，就會(huì)容易跌倒，所以如果沒有摩擦，人們將“寸步難行”；還有我們大多數(shù)人用過的交通工具——自行車，如果沒有摩擦力的存在，自行車就不會(huì)出現(xiàn)，也談不上為人類服務(wù)，利用輪胎和地面的摩擦人們才可以在路面上安全行駛。沒有摩擦汽車無法正常開動(dòng)，飛機(jī)無法正常啟動(dòng)，這將嚴(yán)重影響人們的生活。 有摩擦才可以拿放東西。生活中刷牙洗臉，人類大多通過手與其他物品接觸。日常生活中人們拿放餐具，如果沒有摩擦，餐具將一次次從手中滑落，人類將無法吃飯補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)；生產(chǎn)勞動(dòng)時(shí)人們拿放工具，如果沒有摩擦，工具將一次次從手中滑落，人們將無法正常的完成工作。 有摩擦才可以做運(yùn)動(dòng)。跑步是校內(nèi)體育活動(dòng)中深受學(xué)生喜愛的一項(xiàng)集體運(yùn)動(dòng)。跑步時(shí)穿上釘子鞋，可加大鞋底與地面的阻力, 防止鞋掌與地面多余的摩擦，減少做功才有可能贏得比賽；像籃球、足球、排球、乒乓球等運(yùn)動(dòng)，都需要物體和人體相應(yīng)部位之間的摩擦，沒有摩擦這些運(yùn)動(dòng)將無法進(jìn)行，同學(xué)們也享受不到運(yùn)動(dòng)的樂趣。 圖1.1步行 圖1.2騎行 1.1.2 摩擦力在生活中應(yīng)用的合理性 通過一些實(shí)際例子，我們知道不管事在日常生活中還是在工作中，我們都離不開摩擦力，沒有摩擦力的生活簡(jiǎn)直難以想象。人們?cè)诶闷錇槿祟惙?wù)的同時(shí)，也在盡可能的減少其所帶來的損害。例如人們?cè)谠O(shè)計(jì)自行車時(shí)合理的給前軸、中軸、后軸加上滾珠，或者給自行車加潤(rùn)滑油來減小摩擦，保證鏈條正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以免帶來不必要的麻煩。在機(jī)械的運(yùn)行過程中，工人師傅會(huì)在轉(zhuǎn)帶和機(jī)械滑輪之間、機(jī)械的各個(gè)零部件之間抹上潤(rùn)滑油來盡可能減少磨損，同時(shí)也有著冷卻的作用，將機(jī)械的發(fā)熱程度降到最低，維持機(jī)械的正常運(yùn)行，這樣也可以延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。 摩擦力在人們的生活中起著舉足輕重的作用。而如何增大或減小摩擦力使其更好地服務(wù)于人類呢？這就需要運(yùn)用相關(guān)的物理知識(shí)。若想增大摩擦，則需增大壓力和加大接觸面的粗糙程度；而減小摩擦則需要減小正壓力、減小接觸面的粗糙程度、用滾動(dòng)代替滑動(dòng)，使接觸面分開等。只有了解這些相關(guān)的物理知識(shí)，才能在日常生活工作中更好的利用摩擦力為人們服務(wù)。 1.2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的功能與特點(diǎn) 開展摩擦磨損試驗(yàn)是為了知曉摩擦磨損現(xiàn)象和它的本質(zhì)，正確評(píng)估影響摩擦磨損性能的各類客觀因素，從而抉擇出符合要求的摩擦副元件最優(yōu)參數(shù)。摩擦磨損試驗(yàn)可以用來測(cè)量摩擦、磨損性能，評(píng)定不同介質(zhì)潤(rùn)滑油的作用[3]。由于摩擦磨損實(shí)驗(yàn)環(huán)境的多樣化，對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的要求也逐步提高。摩擦磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)受諸多因素的制約，往往難以進(jìn)行權(quán)衡比較，不過隨著人們的不斷研究，很快就有人提出通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的摩擦磨損試驗(yàn)來規(guī)范摩擦磨損試驗(yàn)的方法。最近幾年，越來越多的國(guó)家開始實(shí)現(xiàn)摩擦磨損試驗(yàn)方法的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。機(jī)械零部件摩擦磨損性能是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素，為了獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)論，必須嚴(yán)格規(guī)范試驗(yàn)的過程，控制試驗(yàn)的環(huán)境。 當(dāng)前摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)采用的試驗(yàn)方法可以概括為兩類: (1) 實(shí)驗(yàn)室試件試驗(yàn) (2) 模擬性臺(tái)架試驗(yàn) 世界上第一臺(tái)磨擦磨損試驗(yàn)機(jī)于1910年問世，由此摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)拉開了序幕。而在1975年，美國(guó)潤(rùn)華工程學(xué)會(huì)(AlSE)在其編寫的《摩擦磨損裝置》一書中就已經(jīng)公布了上百種不同類型的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。由此可見，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)方法在短短的幾十年里迅猛發(fā)展，不過生產(chǎn)成本較高依舊是困擾人們的一個(gè)重要問題。 早在80年代初期，就有人開始高溫磨損試驗(yàn)機(jī)的研究，這些人一共研發(fā)了三臺(tái)高溫磨擦磨損試驗(yàn)機(jī)，并且利用該試驗(yàn)機(jī)研究了純鋁和純銅在400℃的固定室溫范圍內(nèi)，在空氣中的摩擦磨損的性能。 到了80年代末期，德國(guó)Fischer A等人在歸納總結(jié)以往人們對(duì)試驗(yàn)機(jī)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)明了一臺(tái)可以操控溫度變化的試驗(yàn)機(jī)：高溫三體磨損試驗(yàn)機(jī)。它可以控制氣溫變化，并且嚴(yán)格保證了溫度、磨料、載荷等因素的固定。但是它仍然存在一些問題,如容易發(fā)生粘著磨損、缺乏冷卻系統(tǒng)、設(shè)備精度低等。 90年代，西安交通大學(xué)的邢建東教授等人研制的高溫磨損試驗(yàn)機(jī)在電阻爐內(nèi)的磨損室內(nèi)置一水平端放的砂輪，砂輪上裝有些許松散磨料。在試樣夾上，同樣材料的三種試品在受到載荷的情況下則會(huì)作用于表面鋪有松散磨料的砂輪上，試樣和砂輪以及松散磨料之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生兩體和三體混合磨料磨損。該款摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)行有效的控制溫度，并且一次三個(gè)試樣則可以減少重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)。不過它并不是完美的，一個(gè)是試樣總是在同一個(gè)相同軌跡上反復(fù)磨損，磨損屑料會(huì)掉入砂輪的間隙中，致使砂輪研磨能力逐漸下降；二是氣溫不容易控制；三是這種混合磨損與實(shí)際的工礦相差較遠(yuǎn)。我國(guó)西安交大的幾位教授在原有的高溫氧化磨損試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，研制出一種高溫氧化三體磨損試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)機(jī)主要的優(yōu)點(diǎn)為：一是摩擦學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理；二是溫度可控；三是關(guān)鍵零部件處設(shè)有冷卻系統(tǒng)。主要不足之處是：一是密封還存在一些問題；二是雖然有冷卻系統(tǒng)不夠完善；三是不能定量測(cè)定氣溫的成分。 北方交通大學(xué)的李霞教授研究制造了高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。它最大滑動(dòng)速度可達(dá)70m/s，可以測(cè)量高速狀態(tài)下的摩擦學(xué)參數(shù)；可以模擬高速列車制動(dòng)；可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試數(shù)掘的顯示和同步紀(jì)錄。 另外，我國(guó)的宋寶玉教授等人一同研究制造出一款真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)可提供4×10Pa的壓力環(huán)境，可以在0～2800r/min的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)速度，并且可以進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理。此外，該試驗(yàn)機(jī)機(jī)可以在等多種條件下測(cè)量材料的磨擦性能，諸如真空、不同氣體環(huán)境、加熱及冷卻等。 現(xiàn)在，越來越多的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開始運(yùn)用在工業(yè)生產(chǎn)中，以期評(píng)定潤(rùn)滑油的極壓特性、抗磨損性能以及計(jì)算摩擦系數(shù)。在一定的接觸壓力下，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可以通過模擬滑動(dòng)、滾動(dòng)或者兩者的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，來完成點(diǎn)、線、面的摩擦模擬試驗(yàn)。由此可以用來評(píng)定潤(rùn)滑劑（潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂）、塑料、涂層、陶瓷等材料的摩擦磨損性能。并且實(shí)驗(yàn)人員可以按照不同的工況或者實(shí)驗(yàn)要求來選擇不同的機(jī)型繼續(xù)進(jìn)行摩擦模擬實(shí)驗(yàn)。 1.3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)依據(jù)摩擦的運(yùn)動(dòng)方式、摩擦副、載荷范圍等不同的分類方式，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前最少有兩百多種分類方式。美國(guó)的潤(rùn)滑工程師協(xié)會(huì)把摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分為12類基于摩擦副的幾何形狀，前蘇聯(lián)學(xué)者克拉蓋爾斯基基于模擬摩擦面的破壞形式的分類方法，把摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分為8類。而在我國(guó)，合肥工業(yè)大學(xué)的教授桂長(zhǎng)林等提出了把摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形分為五類。 較早時(shí)候，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是由純粹的機(jī)械組成的結(jié)構(gòu)。它為了測(cè)試被測(cè)材料以及潤(rùn)滑脂的性能,通過依靠電機(jī)來帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)副的反復(fù)運(yùn)動(dòng)。但是這類摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)還存在一些缺點(diǎn)，它不能進(jìn)行較為復(fù)雜的加載，并且實(shí)驗(yàn)溫度和電機(jī)扭矩參數(shù)變化幅度較大，很不穩(wěn)定。因此在和實(shí)際情況進(jìn)行比對(duì)參考時(shí)存在一定難度。 而在90年代以后，隨著摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用不斷推廣，試驗(yàn)機(jī)本身的結(jié)構(gòu)趨于完美。不僅如此，還從國(guó)外引入進(jìn)來一些測(cè)控系統(tǒng)來完善試驗(yàn)機(jī)?？墒羌词惯@樣，這些試驗(yàn)機(jī)還是只能控制單一的參數(shù)，且仍需要通過人工來處理大量數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果，因此這些試驗(yàn)機(jī)在性能的檢測(cè)方面以及自動(dòng)化程度方面依舊存在著不足，而這些不足已經(jīng)不再適應(yīng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代發(fā)展的需求。 目前有很多摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開始利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW來進(jìn)行開發(fā)。利用LabVIEW 開發(fā)的多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和試驗(yàn)環(huán)境控制等功能為一體，實(shí)現(xiàn)了溫度、速度、壓力、力矩和摩擦系數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。利用LabVIEW 內(nèi)嵌的C語言子程序可以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，使其更為強(qiáng)大和靈活。 隨著社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)在的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)相較以前已經(jīng)有了很大發(fā)展，不過還沒有達(dá)到完美無缺的程度，在很多方面仍然有著發(fā)展的空間。比如在某些真空狀態(tài)下、極限的超高溫度下或者是超高轉(zhuǎn)速的高強(qiáng)度工作負(fù)荷下，這些惡劣的環(huán)境都比較難模擬，所以很難進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，不過也不是毫無建樹，目前我們國(guó)家也研制出了一些專門針對(duì)特殊環(huán)境下的特種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，不過這些試驗(yàn)機(jī)由于新近研發(fā)，仍有許多問題，無法形成經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 1.4 國(guó)內(nèi)外摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的典型 在這里我們簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)國(guó)內(nèi)外常用的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理。 1.4.1 四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)由一個(gè)與之壓緊的旋轉(zhuǎn)球和三個(gè)固定球組成的運(yùn)動(dòng)副，該試驗(yàn)機(jī)可以研究在滑動(dòng)情況下和轉(zhuǎn)動(dòng)情況下潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能。被測(cè)潤(rùn)滑油的性能則是通過實(shí)驗(yàn)之后產(chǎn)生的磨損痕跡大小或者膠合時(shí)載荷的大小來評(píng)定。 我國(guó)最早研制和生產(chǎn)四球摩擦試驗(yàn)機(jī)的廠家是濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠，它根據(jù)我國(guó)在石油和材料工業(yè)的需求，研發(fā)了一款四球摩擦試驗(yàn)機(jī)。不過該試驗(yàn)機(jī)的體積較為龐大、沒有良好的穩(wěn)定性。 MRS-10G杠桿式四球摩擦試驗(yàn)機(jī)是該公司最新研發(fā)的一款試驗(yàn)機(jī)，它的加載載荷最大可達(dá)到5000N，并且可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，室溫在0~100℃內(nèi)試驗(yàn)油的溫度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，該試驗(yàn)機(jī)在我國(guó)石油化工行業(yè)算是較為先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備，有較高程度的自動(dòng)化、能夠進(jìn)行較為精密的測(cè)量。 大多數(shù)國(guó)家使用的FALEX四球摩擦試驗(yàn)機(jī)是由美國(guó)一家名為FALEX的公司研制的，它的加載系統(tǒng)較其他試驗(yàn)機(jī)比較精密，此款試驗(yàn)機(jī)分為兩種：可變驅(qū)動(dòng)四球試驗(yàn)機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)四球試驗(yàn)機(jī)。此外，此款實(shí)驗(yàn)機(jī)最多可以將室溫自動(dòng)加熱至232℃左右。現(xiàn)在很多國(guó)家已經(jīng)把四球試驗(yàn)機(jī)定為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)。 旋轉(zhuǎn)球 錐形體 固定球 軸 圖1.3 四球摩擦試驗(yàn)機(jī)摩擦學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成 1.4.2 端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 模擬和檢測(cè)面接觸的運(yùn)動(dòng)副可以通過端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行，端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)試樣間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)上試樣，用加載盤來保持上、下試樣間的壓力，如果需要獲得在相應(yīng)工況下摩擦副之間的摩擦系數(shù)，可以將通過試驗(yàn)測(cè)得到的正壓力、摩擦扭矩、端面摩擦副外徑和內(nèi)徑代入公式進(jìn)行計(jì)算求得摩擦系數(shù)。 濟(jì)南一家試驗(yàn)機(jī)廠研究制造的MMU-2型高速端面摩擦試驗(yàn)機(jī)，有著靈活的控制方式、極廣的調(diào)速范圍、高程度的自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此被很多國(guó)內(nèi)的科研院校列為首選對(duì)象。而國(guó)外只有缺少專門的端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，因此進(jìn)行端面摩擦磨損試驗(yàn)大多數(shù)都使用多功能的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來替代。 1.試樣一 2.試樣二 3.支架 圖1.4 端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)摩擦學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成 1.4.3 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分為幾類，主要是運(yùn)用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件材料的實(shí)驗(yàn)研究。WMJ-1500型試驗(yàn)機(jī)是一款國(guó)產(chǎn)的高速往復(fù)試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)的在連桿帶動(dòng)下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具備微機(jī)控制和全平衡式等特點(diǎn)。日本的一款往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)來進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速高，行程大[4]。主要用于試驗(yàn)各種平板類材料或者涂層表面的實(shí)驗(yàn)，另外還可以避免一些因操作者失誤時(shí)而產(chǎn)生的誤差，不過這需要操作者用摩擦磨損解析軟件運(yùn)算平均動(dòng)摩擦來完成。 1.固定塊 2.磨塊 3.摩擦塊 4.動(dòng)力源 圖1.5 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 1.4.4 環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 在測(cè)量線接觸摩擦副方面，環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)就是典型的測(cè)量機(jī)構(gòu)。通過轉(zhuǎn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)和受壓緊的矩形塊兩個(gè)方面，組成了這個(gè)機(jī)構(gòu)的摩擦副，在這個(gè)試驗(yàn)機(jī)里面，加載結(jié)構(gòu)和橫桿是要連接在一起的，這樣才可以進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)量。當(dāng)矩形塊受到載荷時(shí)，在矩形塊的上方會(huì)出現(xiàn)高低不平的條形摩痕寬度，同樣，摩擦副之間受到載荷會(huì)改變摩擦力和摩擦系數(shù)，通過這兩個(gè)方面的測(cè)量，摩擦系數(shù)的改變就會(huì)一目了然，這也是判斷潤(rùn)滑劑承受載荷的能力和判斷摩擦副材料的摩擦磨損性能是否良好的一個(gè)檢測(cè)方法[5]。 最早的一款環(huán)塊實(shí)驗(yàn)機(jī)叫做Timken，通過加載機(jī)構(gòu)、冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)以及一臺(tái)可以工作需求可調(diào)整的變速馬達(dá)等一系列結(jié)構(gòu)組成了這個(gè)試驗(yàn)機(jī)，主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)到3400轉(zhuǎn)每分鐘，并且可以承受500N的附加載荷。這個(gè)試驗(yàn)機(jī)是通過ASTM測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)。 試件 潤(rùn)滑油 塊 載荷 圖1.6 環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 圖1.7 Timken試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán) 1.4.5 微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 用于研究摩擦副接觸面間產(chǎn)生的微小振幅，而在進(jìn)行相對(duì)滑動(dòng)時(shí)摩擦副材料或者潤(rùn)滑材料的摩擦學(xué)性能的是微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。該款試驗(yàn)機(jī)可以從獲得微動(dòng)位移幅度以及交變應(yīng)力的動(dòng)力源角度進(jìn)行分類，一共分為電磁、機(jī)械以及電液伺服三種驅(qū)動(dòng)方式。 WWM-1型微動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)由濟(jì)南某家廠家生產(chǎn)。該類試驗(yàn)機(jī)可以評(píng)定材料的微動(dòng)磨損特性，擁有兩種不同控制方式：手動(dòng)及自動(dòng)。有著操作便捷，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。 圖1.8 微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 1.5 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在發(fā)展中存在的問題 隨著社會(huì)的發(fā)展，雖然現(xiàn)在的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)相較以前已經(jīng)有了很大發(fā)展，不過還沒有達(dá)到完美無缺的程度，在很多方面仍然有著發(fā)展的空間。比如在某些真空狀態(tài)下、極限的超高溫度下或者是超高轉(zhuǎn)速的高強(qiáng)度工作負(fù)荷下，這些惡劣的環(huán)境都比較難模擬，所以很難進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，不過也不是毫無建樹，目前我們國(guó)家也研制出了一些專門針對(duì)特殊環(huán)境下的特種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，不過這些試驗(yàn)機(jī)由于新近研發(fā)，仍有許多問題，無法形成經(jīng)濟(jì)價(jià)值。  第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)及要求 大學(xué)四年，悄然逝去。這四年里，不僅是學(xué)習(xí)的過程，也是一段提高期，學(xué)到了很多，可畢竟只是書本上的理論知識(shí)，和實(shí)際的仍然有很大的差別，通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我可以更好的總結(jié)所學(xué)的理論知識(shí)并進(jìn)行實(shí)踐，從而鍛煉自己，也是為以后的職業(yè)生涯積累經(jīng)驗(yàn)。 設(shè)計(jì)也是教育的一個(gè)重要組成部分，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我需要靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)體系，提高自己的分析能力，養(yǎng)成解決問題的認(rèn)真態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)格，在老師的指導(dǎo)下，更快更好的完成并且完善自己的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。同時(shí)也要學(xué)習(xí)更快更好的查閱文獻(xiàn)資料和所需文檔，學(xué)會(huì)參考資料，收集和比較有價(jià)值的數(shù)據(jù)，盡可能吸收其他試驗(yàn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，并且因?yàn)闂l件有限，所以設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，制作費(fèi)用低廉，具有更好的使用價(jià)值和良好的經(jīng)濟(jì)效益。 在潤(rùn)滑油的摩擦磨損性能試驗(yàn)中，需要測(cè)定摩擦力、摩擦系數(shù)、摩擦力矩、磨損量及磨損率等具體參數(shù)。通常的試驗(yàn)方法有兩種:一種是按試驗(yàn)規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，如潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法（如四球法）；一種是在相同的模擬工作條件下，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。前一種方法試驗(yàn)規(guī)范、得到的數(shù)據(jù)較為可靠。但對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求高，而且標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備價(jià)格昂貴；后一種方法試驗(yàn)在設(shè)計(jì)方面就比較靈活，試驗(yàn)的環(huán)境和設(shè)備的選擇有一定的自主性，可以根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求，模擬不同的工作條件，自己研制儀器設(shè)備[6]。因?yàn)榭紤]到成本等問題，所有選取第二種實(shí)驗(yàn)方法，要求設(shè)計(jì)出來的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制作費(fèi)用低廉，能夠測(cè)出材料副相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力大小，從而計(jì)算出摩擦系數(shù)和摩擦力矩。 2.2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)及組成 該試驗(yàn)機(jī)主要測(cè)試組件由油箱、動(dòng)力系統(tǒng)、磨損測(cè)試組件及摩擦組成。其中，摩擦組件的兩部分構(gòu)成分別是加載組件以及測(cè)力組件，其結(jié)構(gòu)原理如圖2.1所示。 2.2.1 加載組件 加載組件是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)加載的部分，由于摩擦力是在一定壓力下產(chǎn)生的，所以加載組件是必不可少的。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的重要參數(shù)之一是載荷，載荷在試驗(yàn)過程中需要保證一定的穩(wěn)定性。試驗(yàn)機(jī)對(duì)于載荷的精度要求較高，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)載荷數(shù)值的相對(duì)誤差在正負(fù)0.01之間。在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力可以滿足載荷的精度要求。目前機(jī)械式、液壓式和電磁式是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)常用的三種加載方式。其中，機(jī)械式加載又分為四種加載形式：彈簧加載、杠桿加載和重物直接加載以及以上三種加載方式的組合形式[7]。其中，杠桿加載以及重物直接加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都相較簡(jiǎn)單，加載精度高，但是在遇到摩擦副運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定的情況下卻會(huì)引發(fā)振動(dòng)和沖擊；彈簧加載產(chǎn)生的振動(dòng)相對(duì)較小，但是，彈簧加載的精度不高，難以實(shí)現(xiàn)載荷的精確調(diào)整。動(dòng)壓加載和靜壓加載是液壓式加載的兩種形式，但液壓加載很難維持載荷的穩(wěn)定性。電磁加載相對(duì)來說容易實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的自動(dòng)控制，但它的弱點(diǎn)是控制部分的成本較高，并且在先有的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用的較少。 加載組件的基本要求： (1)加載系統(tǒng)要可以穩(wěn)定地施加壓力并且為了保證試驗(yàn)過程的需要，應(yīng)該便于操作和控制。便于操作包括可以較為簡(jiǎn)單地施加載荷并且保證施加載荷能夠控制在一定范圍內(nèi)，卸載時(shí)同樣應(yīng)該方便。 (2)加載組件的壓力應(yīng)該便于控制和測(cè)量，只有壓力便于控制，才能保證試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)和結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性。 因?yàn)榭紤]到設(shè)計(jì)的是較為簡(jiǎn)單的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)于精度要求不高，所以最終我選擇了通過螺母擰緊，推動(dòng)彈簧加載的方式，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是彈簧加載產(chǎn)生的振動(dòng)比較小，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，成本經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。缺點(diǎn)是加載的精度不高。 在本次設(shè)計(jì)中，加載組件是由調(diào)節(jié)套、擰緊螺母、端板3部分組成。調(diào)節(jié)套套在螺母上，調(diào)節(jié)套上攻有外螺紋和端板中心孔的內(nèi)螺紋組成螺旋副，進(jìn)行力的傳遞。在使用該加載組件在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行加載時(shí)，采用人工手動(dòng)加載，力的大小未知?？梢愿鶕?jù)胡克定律來計(jì)算摩擦力的大小。 設(shè)計(jì)參考如圖1所示，用兩根圓鋼桿穿過固定塊3，一端固定在滾動(dòng)軸承5上，另一端焊接在端板上，端板上攻有內(nèi)螺紋，使得擰緊螺母1可以擰進(jìn)擰出。擰緊螺母1擰緊，由于螺旋副的作用，螺母同時(shí)在做直線運(yùn)動(dòng)，把力傳給壓縮彈簧2推動(dòng)固定塊3，固定塊將磨塊壓緊在摩擦環(huán)塊4上，兩者就產(chǎn)生摩擦。通過測(cè)量壓縮彈簧的壓縮長(zhǎng)度，根據(jù)胡克定律N=KX，可以求出正壓力N，其中K為彈性系數(shù)，X為壓縮長(zhǎng)度。 2.2.2 測(cè)力組件 測(cè)力組件主要是通過觀察刻度盤來直觀的了解摩擦力的大小，它是由刻度盤、指示力臂和拉伸彈簧組成的。如圖1所示，指示力臂固定連接在滾動(dòng)軸承5上，由于摩擦力的影響，指示力臂發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，克服拉伸彈簧的彈力直至平衡[8]。 2.3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的工作原理 該機(jī)構(gòu)的受力簡(jiǎn)圖如下： 圖2.1 受力簡(jiǎn)圖 如圖2.1所示，主要有如下零件組成：1.擰緊螺母 2.端板 3.壓縮彈簧 4.固定塊 5.磨塊 6.摩擦環(huán)塊 7.導(dǎo)向桿 8.放油螺釘 9.軸承 10.拉伸彈簧 11.指示力臂 12.刻度盤 13.油箱 14.液位計(jì) 這是油箱內(nèi)部機(jī)構(gòu)的一個(gè)受力簡(jiǎn)圖。這里簡(jiǎn)單介紹一下試驗(yàn)機(jī)的工作原理及各零部件的作用：1.擰緊螺母是用來調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量，是加載組件的關(guān)鍵部件，產(chǎn)生正壓力。2.端板主要用來和擰緊螺母通過螺紋副連接，采用兩邊對(duì)稱的形式，保證兩邊通孔相對(duì)稱。兩邊通孔用來安裝導(dǎo)向桿。3.壓縮彈簧受到正壓力作用產(chǎn)生彈簧力推動(dòng)固定塊4.固定塊主要是固定磨塊，受到彈簧力會(huì)推動(dòng)磨塊運(yùn)動(dòng)。固定塊通過兩邊的導(dǎo)向桿導(dǎo)向，順著導(dǎo)向桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。5.磨塊用來和摩擦環(huán)塊接觸產(chǎn)生摩擦。6.摩擦環(huán)塊逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)與磨塊接觸產(chǎn)生向下的摩擦力。7.導(dǎo)向桿一端固定在端板上，另一端與指示力臂一同固定在固定套上，可以繞著連接環(huán)塊的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。8.放油螺釘，通過擰開放油螺釘實(shí)現(xiàn)放油。9.選用深溝球軸承進(jìn)行滾動(dòng)，因?yàn)樯顪锨蜉S承主要受一個(gè)徑向力，它在理論上不受軸向力的作用或者只受輕微軸向力作用。此外它還具有一定的調(diào)心作用。10.拉伸彈簧與指示力臂連接，施加一個(gè)拉力保證受力平衡。11.指示力臂固定在固定套上，當(dāng)摩擦環(huán)塊與磨塊形成摩擦，產(chǎn)生向下的摩擦力時(shí)，指示力臂受摩擦力影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)。12.刻度盤查看指示力臂偏轉(zhuǎn)的角度。13.油箱用來安裝其他零部件和潤(rùn)滑油，油箱上端設(shè)有進(jìn)油口和觀察口，底部設(shè)有放油螺釘，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要自行加油和放油。14.液位計(jì)用來觀察油箱內(nèi)油液高度，并且?guī)в袦囟扔?jì)可以測(cè)量油液溫度。 工作原理：如圖2.1所示，首先啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸連接，從而帶動(dòng)傳動(dòng)軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸上安裝一個(gè)摩擦環(huán)塊并且通過鍵連接固定。摩擦環(huán)塊繞傳動(dòng)軸做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。我們通過擰緊螺母來壓縮彈簧產(chǎn)生正壓力，彈簧受到外力作用變形，從而產(chǎn)生彈簧力，彈簧力推動(dòng)固定塊沿著導(dǎo)向桿向前運(yùn)動(dòng)。磨塊固定在固定塊上，一起向前運(yùn)動(dòng)，與摩擦環(huán)塊相接觸，產(chǎn)生正壓力，當(dāng)摩擦環(huán)塊逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)向下的摩擦力。導(dǎo)向桿和指示力臂一同固定在固定套上，可以繞著傳動(dòng)軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)，指示力臂與拉伸彈簧連接。當(dāng)受到向下的摩擦力作用時(shí)，指示力臂向左偏轉(zhuǎn)拉動(dòng)拉伸彈簧伸長(zhǎng)，直至摩擦力矩與拉伸彈簧對(duì)固定套產(chǎn)生的力矩達(dá)到平衡。這里正壓力等于擰緊壓縮彈簧產(chǎn)生的彈簧力，我們可以通過胡可定律F=KX可以計(jì)算出壓縮彈簧的彈簧力也就是正壓力以及拉伸彈簧的拉力，在求得正壓力和拉力的情況下通過力矩平衡公式又可以計(jì)算出摩擦力的大小，相應(yīng)地再通過摩擦力計(jì)算公式F=Nμ以及摩擦力矩的計(jì)算公式T=FR，還可以得到相應(yīng)的摩擦系數(shù)及摩擦力矩。  第三章 零部件設(shè)計(jì) 3.1 電機(jī)的選取 動(dòng)力系統(tǒng)是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的重要組成部分之一，而摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的性能價(jià)格比在很大程度上要取決于驅(qū)動(dòng)方法以及驅(qū)動(dòng)裝置的選擇。根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的不同, 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以大致分為四大類：液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。而本次設(shè)計(jì)我們根據(jù)性能要求和經(jīng)濟(jì)實(shí)用等方面選用電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，這樣設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)構(gòu)緊湊、重量輕、工作穩(wěn)定和控制方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，本次摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)選取電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。 電動(dòng)機(jī)是一種標(biāo)準(zhǔn)部件，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)，主要通過結(jié)構(gòu)、類型、功率和轉(zhuǎn)速來選擇電動(dòng)機(jī)。根據(jù)電源，工作條件和載荷特點(diǎn)來選擇電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式。電動(dòng)機(jī)選用變頻電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)變速，可以進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦力影響的實(shí)驗(yàn)。電機(jī)主要承受的負(fù)載為摩擦環(huán)塊產(chǎn)生的摩擦力，而傳動(dòng)軸上滾動(dòng)軸承、固定套的摩擦力由于油脂潤(rùn)滑，可以忽略不計(jì)。電機(jī)的輸出扭矩要大于磨塊與摩擦環(huán)塊之間的摩擦力產(chǎn)生的扭矩，這里根據(jù)需要選擇了SEW的電機(jī)，型號(hào)為DFT80S的伺服電機(jī)，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能，轉(zhuǎn)速通過脈沖頻率控制最高為1360r/Min的電動(dòng)機(jī)。 圖3.1電機(jī) 3.2 油箱設(shè)計(jì) 油箱的設(shè)計(jì)尺寸為600*300*400mm，油箱的頂部部分采取封閉設(shè)計(jì)，這樣是為了避免油液飛濺，同時(shí)可以起到固定拉伸彈簧和刻度板以及作為加力杠桿的支點(diǎn)的作用。在油箱的頂部設(shè)計(jì)有一個(gè)觀察口，通過這個(gè)觀察口我們可以隨時(shí)觀察油箱內(nèi)部的摩擦磨損現(xiàn)象，而在油箱頂部左下角還設(shè)計(jì)有一個(gè)空氣過濾器，是作為加油口存在的，主要是起到一個(gè)加油排放空氣的作用。在油箱底部，有四個(gè)支架，支撐著油箱，另外在底部還有一個(gè)放油螺釘，通過球閥的擰開與擰緊控制，起到放油的作用。通過放油螺釘，可以進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，例如在相同的材料及轉(zhuǎn)速下，不同介質(zhì)的潤(rùn)滑油對(duì)于摩擦力的影響，也可以對(duì)比在相同的環(huán)境下，有無潤(rùn)滑油對(duì)于摩擦力的影響[9]。 1.油箱 2.刻度盤 3.觀察板 4.進(jìn)油口 5.放油口 圖3.2 油箱 3.3 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì) 傳動(dòng)軸主要是用來連接電動(dòng)機(jī)并且裝配一些零部件，因?yàn)樵趥鲃?dòng)軸中間需要固定摩擦環(huán)塊并保證位置精度，所以設(shè)有一個(gè)小臺(tái)階并且通過鍵連接固定摩擦環(huán)塊，而傳動(dòng)軸和變頻電動(dòng)機(jī)主要是通過聯(lián)軸器連接，電動(dòng)機(jī)通過電機(jī)支架固定在油箱上，傳動(dòng)軸兩端需要安裝滾動(dòng)軸承。先將軸承座、滾動(dòng)軸承和固定套組裝在一起，滾動(dòng)軸承這里選用的是深溝球軸承，因?yàn)樗饕芤粋€(gè)徑向力，理論上不受軸向力的作用或者只受輕微的軸向力作用，并且由于深溝球軸承還具有一定的調(diào)心作用，所以在傳動(dòng)軸受摩擦力影響發(fā)生一定傾斜的情況下仍可以正常工作。深溝球軸承采用過盈配合。在傳動(dòng)軸和軸承座之間還設(shè)計(jì)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)油封，而其所起到的作用是密封。傳動(dòng)軸時(shí)靠油箱左右兩端的深溝球軸承支撐。將軸承座，滾動(dòng)軸承，固定套，傳動(dòng)軸，摩擦環(huán)塊以及定位套先組裝在一起，從靠近電機(jī)的一側(cè)的油箱通孔內(nèi)裝入，在傳動(dòng)軸的另一端，同樣將軸承座、滾動(dòng)軸承和固定套三者組裝，安裝在傳動(dòng)軸另一端，采用螺栓固定。油箱兩端安裝傳動(dòng)軸的孔采用一次性加工，這樣可以更好的保證軸的定位精度，傳動(dòng)軸采用45號(hào)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。 圖3.3 傳動(dòng)軸 3.4 模塊與摩擦環(huán)塊的選擇 本次設(shè)計(jì)采用的磨塊是可拆卸的，標(biāo)準(zhǔn)磨塊和摩擦環(huán)塊都是選用材料為45鋼，并且都進(jìn)行調(diào)質(zhì)和表面淬火處理。由于磨塊是可拆卸的，所以可以通過更換不同材料的磨塊進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同材料對(duì)于摩擦力和摩擦系數(shù)的影響。  第四章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)計(jì)算 4.1 正壓力計(jì)算 擰緊壓縮彈簧產(chǎn)生的彈簧力為F 磨塊和摩擦環(huán)塊之間產(chǎn)生的正壓力為N N=F 由胡克定律可得彈簧產(chǎn)生的力： (4-1) 這里是壓縮彈簧的壓縮長(zhǎng)度， K是彈簧常數(shù),其中： (4-2) G--材料的彈性模量(材料是65Mn時(shí),G=8000 N/mm2) d--彈簧線徑,mm D--彈簧中徑 D=14mm Nc--彈簧的有效圈數(shù) Nc=7.5圈 故: 4.2 摩擦力計(jì)算 4.2.1 彈簧的拉伸長(zhǎng)度計(jì)算 已知拉伸彈簧的初始長(zhǎng)度Lo 平衡重力后的彈簧長(zhǎng)度為L(zhǎng)1 試驗(yàn)機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下的受力分析如圖4.1所示： 圖4.1 受力圖 已知零件序號(hào)1、2、3、4、5的重量和其對(duì)應(yīng)的相對(duì)位置 可計(jì)算出上述5個(gè)零件的重心位置。 通過力矩平衡方程可得： (4-3) 其中： (0.2+0.66+0.66+2.8+0.2) 4.52g F為彈簧平衡重力時(shí)，彈簧的彈簧力 和為力與力臂的夾角 由此可求得彈簧力的大小F 由公式4-1 可得拉伸彈簧的伸長(zhǎng)量 故拉伸彈簧的總長(zhǎng)度： 4.2.2 摩擦力與擺角關(guān)系 圖4.2 摩擦力與擺角關(guān)系 如圖4.2所示,當(dāng)摩擦環(huán)塊轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),可計(jì)算出彈簧的伸長(zhǎng)量 摩擦環(huán)和磨塊之間的摩擦力為F 摩擦力的力臂為r=60mm 彈簧的拉力為T, 彈簧力的力臂為 根據(jù)力矩平衡原理可得： 故： 由根據(jù)胡可定律： 其中為拉伸彈簧的彈性常數(shù) 拉伸彈簧和指針連接的交點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離為R=250mm 故可得： (4-4) 當(dāng)較小時(shí)() 故式4-4可簡(jiǎn)化為： (4-5) 這兩個(gè)式子表達(dá)了摩擦力和指示力臂轉(zhuǎn)過角度的換算關(guān)系。當(dāng)較小時(shí)(),反應(yīng)了摩擦力F和指針的擺角之間成線性關(guān)系。所以在實(shí)驗(yàn)時(shí),當(dāng)讀取到的數(shù)據(jù)小于20°后,根據(jù)式4-5可以得出F的大小。而當(dāng)＞20°時(shí),為提高數(shù)據(jù)精度，需根據(jù)式4-5計(jì)算[10]。 本次設(shè)計(jì)中 r=60mm R=250mm。 4.3 摩擦系數(shù)計(jì)算 根據(jù)摩擦力的計(jì)算公式： (4-6) 可得 故求得摩擦力后可計(jì)算出磨塊和摩擦環(huán)塊之間的摩擦系數(shù)。 4.4 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析 軸的彎曲應(yīng)力 軸的受力簡(jiǎn)圖和彎矩圖如圖4.3所示 由平衡方程得： QA+AB=N QA=QB 故： QA= 故最大力矩為： 根據(jù)彎曲應(yīng)力計(jì)算公式： M—彎矩 W—抗彎截面系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力[]60MPa 估算傳動(dòng)軸直徑d=25mm，正壓力N=20N 所傳動(dòng)軸直徑選用25mm 圖4.3 傳動(dòng)軸受力 4.5 電機(jī)功率的選取 根據(jù)電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速和扭矩的關(guān)系公式： 可得： P= 其中M1為電機(jī)的扭矩,M1>M， 摩擦力矩M=Fr 這里選用電機(jī)型號(hào)為DFT80S，p=0.75KW，n=1360r/Min，M1=4.7Nm  第五章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 5.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的目的與意義 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)是一門研究技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的相互結(jié)合，相互推動(dòng)的學(xué)科。它通過技術(shù)比較、經(jīng)濟(jì)分析和效果評(píng)價(jià)，尋求技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的最佳結(jié)合，確定技術(shù)先進(jìn)與經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。這門學(xué)科雖然跨越了技術(shù)科學(xué)和經(jīng)濟(jì)科學(xué)兩個(gè)不同的領(lǐng)域，但它們相互之間也有著密切的聯(lián)系，如果說一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要條件和手段是技術(shù)的進(jìn)步，那么經(jīng)濟(jì)發(fā)展就是推動(dòng)國(guó)家技術(shù)進(jìn)步強(qiáng)有力的動(dòng)力。 技術(shù)經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)生和西方的管理科學(xué)、工程經(jīng)濟(jì)以及蘇聯(lián)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析的發(fā)展都有著密切的聯(lián)系。 二十世紀(jì)30年代以來，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家先后產(chǎn)生了一些對(duì)工程項(xiàng)目和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策進(jìn)行分析計(jì)算的方法。 技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)研究的不僅僅是單純的技術(shù)或者單純的經(jīng)濟(jì)，而是兩者結(jié)合的關(guān)系，即把技術(shù)與經(jīng)濟(jì)結(jié)合起來進(jìn)行研究，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來選擇最佳技術(shù)方案。技術(shù)經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵就是利用成本核算和其他相關(guān)資料，來分析成本的水平與構(gòu)成的變化情況。用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，系統(tǒng)的方法對(duì)各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題進(jìn)行研究。成本管理最重要的部分就成本分析，而成本分析就是分析企業(yè)成本計(jì)劃的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是否正確，企業(yè)通過專業(yè)的的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來了解產(chǎn)品的前期投入是否有回報(bào)，研究該產(chǎn)品能否產(chǎn)生效益，為公司盈利。所以合理的成本分析可以客觀地評(píng)價(jià)一家企業(yè)成本計(jì)劃的執(zhí)行結(jié)果是否正確，同時(shí)成本分析也會(huì)影響到成本的升降變動(dòng)，為企業(yè)高層制定經(jīng)營(yíng)決策計(jì)劃提供了重要的依據(jù)。 作為一名合格的設(shè)計(jì)人員，不僅需要考慮這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)是否可以節(jié)約成本，還要考慮這樣的設(shè)計(jì)是否可以給公司盈利，帶來足夠的經(jīng)濟(jì)效益。 5.2 成本材料分析 5.2.1 非標(biāo)準(zhǔn)件 表5.1是裝配圖設(shè)計(jì)中所有非標(biāo)準(zhǔn)件的統(tǒng)計(jì)。 表 5.1 非標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)計(jì) 序號(hào) 名稱 材料 數(shù)量 凈重（Kg） 1 導(dǎo)向桿 45 2 0.2 2 端板 Q235-A 1 0.66 3 調(diào)節(jié)套 Q235-A 1 0.2 4 磨塊 45 1 0.2 5 固定塊 Q235-A 1 2.8 6 固定套 Q235-A 2 2.2 7 軸承座 Q235-A 1 3.4 8 隔套 Q235-A 1 0.21 9 摩擦環(huán) 45 1 0.95 10 軸 45 1 1.35 11 軸承座 Q235-A 1 3.2 12 聯(lián)軸器 45 1 0.5 13 電機(jī)支架 焊接件 1 9.8 14 指針 SUS304 1 0.2 15 彈簧座 焊接件 1 0.6 16 刻度盤 SUS304 1 1 17 油箱 SUS304 1 50 45鋼總凈重：G1=3.2Kg， Q235-A鋼板總凈重：G2=24Kg， 不銹鋼總凈重：G3=50.2Kg。 目前： 45鋼的價(jià)格：2200元/噸， 鋼板價(jià)格：2000元/噸， 不銹鋼價(jià)格：18000元/噸。 5.2.2 標(biāo)準(zhǔn)件 如表5.2所示，該表是所有標(biāo)準(zhǔn)件購(gòu)買所需費(fèi)用統(tǒng)計(jì)。  表 5.2標(biāo)準(zhǔn)件主要件外購(gòu)費(fèi)用 序號(hào) 名稱 數(shù)量 總價(jià)（元） 1 壓縮彈簧 1 10 2 軸承6212 2 40 3 軸承6204 2 36 4 O型圈Φ118X3.55 2 50 5 鍵A6X25 2 10 6 旋轉(zhuǎn)密封20X34X7 1 80 7 電機(jī)DFT80S 1 2000 8 液位計(jì)YWZ-76 1 50 9 球閥1/2 1 25 10 空氣過濾器EF1-25 1 120 11 拉伸彈簧 1 10 12 電器控制控制總成 1 5000 標(biāo)準(zhǔn)件主要購(gòu)買所需總費(fèi)用為7411元。 5.3 課題技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算依據(jù) 5.3.1 成本計(jì)算依據(jù) 根據(jù)零件的總數(shù)量，再求出加工費(fèi)用，就可以求得課題設(shè)計(jì)的總成本。依據(jù)計(jì)算公式： 零件成本=材料費(fèi)用+加工工時(shí)費(fèi)用 材料費(fèi)用=材料的單價(jià)×材料的毛坯重量 毛坯的重量=凈重/材料的利用率 材料的利用率：45鋼為0.6~0.7， Q235-A鋼板為0.6~0.7， 不銹鋼為0.6~0.7， 工時(shí)費(fèi)：主要件（油箱、軸承座、軸等）=材料費(fèi)×8 一般件=材料費(fèi)×（4~5） (1) 材料費(fèi)的計(jì)算 由計(jì)算公式可得： 45鋼毛坯重量=3.2/0.65=5 Kg Q235-A鋼板=24/0.65=37 Kg 不銹鋼=50.2/0.65=77.3 Kg (2) 工時(shí)費(fèi)的計(jì)算 主要的零件：主要的工時(shí)費(fèi)用=80×8=640元 一般的零件：一般的工時(shí)費(fèi)用=39.3×4.5=176.85元 （1） 熱處理工時(shí)的費(fèi)用 熱處理零件統(tǒng)計(jì)如表 5.3 所示： 表 5.3 熱處理零件統(tǒng)計(jì) 序號(hào) 名稱 材料 表面處理要求 凈重（Kg） 1 導(dǎo)向桿 45 發(fā)藍(lán) 0.2 2 端板 Q235-A 發(fā)藍(lán) 0.66 3 調(diào)節(jié)套 Q235-A 發(fā)藍(lán) 0.2 4 磨塊 45 調(diào)質(zhì) 0.2 5 固定塊 Q235-A 發(fā)藍(lán) 2.8 6 固定套 Q235-A 發(fā)藍(lán) 2.2 7 軸承座 Q235-A 發(fā)藍(lán) 3.4 8 隔套 Q235-A 發(fā)藍(lán) 0.21 9 摩擦環(huán) 45 調(diào)質(zhì) 0.95 10 軸 45 調(diào)質(zhì) 1.35 11 軸承座 Q235-A 發(fā)藍(lán) 3.2 12 聯(lián)軸器 45 發(fā)藍(lán) 0.5 13 電機(jī)支架 焊接件 涂灰色油漆 9.8 14 指針 SUS304 酸洗磷化 0.2 15 彈簧座 焊接件 涂灰色油漆 0.6 16 刻度盤 SUS304 酸洗磷化 1 17 油箱 SUS304 表面涂漆，涂灰色油漆 50 熱處理的價(jià)格如下表 5.4 所示。 表 5.4 目前熱處理的價(jià)格 序號(hào) 名稱 單價(jià)（元/Kg） 1 涂油漆 1.5 2 發(fā)藍(lán) 1．5 3 調(diào)制 1.5 4 酸洗磷化 1.5 5.4 課題技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算 課題總的成本=材料費(fèi)用（45鋼+Q235-A鋼板+不銹鋼SUS304）+工時(shí)費(fèi)用（一般零件+主要零件）+零件表面處理的費(fèi)用+外購(gòu)件的費(fèi)用 =1476.4+816.85+116+7411 =8820.25元 通過以上的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本分析，我們可以更好的選擇零部件，由于零件的材料、熱處理、加工工藝等因素的不同，所以要進(jìn)行的成本計(jì)算也都不同，需要我們?nèi)フ_選擇合適的零件材料和適當(dāng)?shù)臒崽幚矸绞絹斫档统杀荆岣咴囼?yàn)機(jī)的性價(jià)比。衡量一家企業(yè)管理水平的高低，主要的標(biāo)準(zhǔn)就是合理的成本計(jì)算，它影響著企業(yè)的成本決策和經(jīng)營(yíng)決擇，合理的成本分析不但可以節(jié)約資金，減少不必要的支出，還能為企業(yè)帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益。  第六章 結(jié) 論 這次的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)選用的的零部件和材料都是較為常見，沒有液壓件，試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部加載組件結(jié)構(gòu)緊湊，加載穩(wěn)定。而測(cè)力組件需要的零件較少，摩擦力方面的測(cè)量簡(jiǎn)單直接，這樣設(shè)計(jì)主要是減少了中間環(huán)節(jié)的誤差，更好的保證了精度。試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)成本較低，制作加工簡(jiǎn)單，操作可靠，且設(shè)計(jì)具有一定的靈活性。諸如通過更換不同的摩擦副、不同彈性系數(shù)的彈簧等用來進(jìn)行不同的載荷范圍及更多種類的摩擦形式的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。還可以通過放油螺釘進(jìn)行相同條件下不同介質(zhì)的潤(rùn)滑油對(duì)摩擦力影響以及在相同條件下有潤(rùn)滑油和沒有潤(rùn)滑油對(duì)摩擦力的影響等對(duì)比實(shí)驗(yàn)。所以，個(gè)人認(rèn)為這款摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的使用性和啟發(fā)性。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)某門學(xué)科或者某門專業(yè)所學(xué)知識(shí)與能力的綜合檢測(cè)和運(yùn)用，是每一個(gè)合格的大學(xué)生的必須經(jīng)歷的道路，也是一個(gè)極為重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我經(jīng)過了幾個(gè)月的努力，在指導(dǎo)老師和同學(xué)的幫助下才得以完成。從最開始查找各類有關(guān)本次課題內(nèi)容的資料到確定總體的設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)機(jī)各零部件的選型，到最后的撰寫畢業(yè)論文這一系列的行為不僅僅是一個(gè)整體的學(xué)習(xí)過程，而是理論結(jié)合實(shí)際，一個(gè)學(xué)習(xí)和進(jìn)步的過程。在四年的大學(xué)生活學(xué)習(xí)中，我接觸并且學(xué)習(xí)了大量的機(jī)械類知識(shí)，通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我能夠在回顧總結(jié)以往所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，將書本上的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際操作中去。我想這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的難忘經(jīng)歷將在今后的學(xué)習(xí)生活中給我?guī)砗艽蟮膸椭?，通過設(shè)計(jì)讓我更加接近實(shí)際生產(chǎn)，積累了理論運(yùn)用于實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，鍛煉了個(gè)人的分析、搜集、處理資料的能力以及解決實(shí)際問題的能力，鞏固和加深了以往所學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，不再是紙上談兵，而是理論聯(lián)系實(shí)際。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不但培養(yǎng)了我們自己的設(shè)計(jì)思想；同時(shí)也讓我們了解和掌握了試驗(yàn)機(jī)的一些結(jié)構(gòu)和原理，使我綜合運(yùn)用知識(shí)的能力得到鍛煉提升。在本次設(shè)計(jì)過程中，我借助各種期刊論文翻閱了各種試驗(yàn)機(jī)資料及機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，認(rèn)真設(shè)計(jì)了試驗(yàn)機(jī)總體方案和一些主要零部件。通過這次歷程，使我在一定程度上了解了如何擬定機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，選用機(jī)械傳動(dòng)部件的原則，同時(shí)也加深了我對(duì)機(jī)械傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)計(jì)算方案的原理等相關(guān)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。另外，在本次設(shè)計(jì)繪圖的過程中還使用了CAD，UG等繪圖軟件，并同時(shí)進(jìn)行了手工繪圖，這些在不同程度地鍛煉了我們，進(jìn)一步提高了繪圖識(shí)圖的能力。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我認(rèn)為從中學(xué)到了一件最重要的事情：不管你做什么事情，如果想把它做好，首先要端正態(tài)度，其次要善于學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)歸納總結(jié)，吸收并且學(xué)習(xí)別人好的部分，做事要嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、細(xì)致、不能怕吃苦，當(dāng)然還要具有一定的創(chuàng)新意識(shí)。  致 謝 一轉(zhuǎn)眼兩三個(gè)月過去了，而我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近尾聲，經(jīng)過這完整的一套畢業(yè)設(shè)計(jì)下來，我才真正的看到自己身上存在的很多不足，專業(yè)課所學(xué)知識(shí)的匱乏，使得自己在完成畢設(shè)時(shí)感覺很費(fèi)力，現(xiàn)在回想起來，隨著時(shí)間的流逝，很多原本學(xué)過的專業(yè)知識(shí)都已經(jīng)漸漸淡忘了，而我在學(xué)習(xí)新知識(shí)的同時(shí)卻沒有對(duì)以往的所學(xué)溫故而知新，書到用時(shí)方恨少。 雖然這一次設(shè)計(jì)遇到了很多難題，不過總算是一一解決。在這里我特別要感謝劉桂芝老師和卞榮老師，兩位老師在平時(shí)要忙碌繁重的教學(xué)工作，可仍然愿意抽出時(shí)間為我解惑。在我初次面對(duì)課題存在疑問