高溫高速摩擦試驗(yàn)機(jī)

高溫高速摩擦試驗(yàn)機(jī),高溫,高速,摩擦,磨擦,試驗(yàn),實(shí)驗(yàn) 目錄 第一章 緒論 2 1.1本課題研究的目的和意義 2 1.2國(guó)內(nèi)外研究概況 3 1.3 發(fā)展趨勢(shì) 9 1.4 小結(jié) 9 第二章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的影響因素 10 2.1試驗(yàn)條件的影響； 10 2.2、試驗(yàn)負(fù)荷的影響； 13 第三章 方案設(shè)計(jì)、分析與比較 16 3.1 試驗(yàn)機(jī)的整體分析 16 3.2 設(shè)計(jì)方案的制定 16 3.3 方案比較 20 第四章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算 22 4.1、試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)的確定 22 4.2試驗(yàn)機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)算 22 4.2.1電機(jī)選擇： 22 4.2.2同步帶傳動(dòng)的計(jì)算： 24 4.2.3主軸計(jì)算： 28 4.2.4、主軸上鍵的強(qiáng)度校核： 30 4.2.5、橫梁的強(qiáng)度校核： 30 4.2.6、絲杠螺母副的相關(guān)計(jì)算： 30 4.2.7、軸承的校核： 31 第五章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 34 5.1、磨損試驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu) 34 5.2、箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35 5.3、橫梁的設(shè)計(jì) 35 5.4、支架的設(shè)計(jì)： 36 5.5、摩擦銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 37 5.6、摩擦盤夾持器的設(shè)計(jì)： 37 第六章 結(jié) 論 38 致謝 39 參考文獻(xiàn) 40 附錄：外文翻譯 41 48 高溫高速摩擦試驗(yàn)機(jī) 摘要：摩擦學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用科學(xué)，在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中廣泛使用的試驗(yàn)機(jī)有滾子式磨損試驗(yàn)機(jī)、四球式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、切人式摩擦、磨損試驗(yàn)機(jī)、盤銷式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等。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)。高溫高速摩擦磨損試驗(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。 關(guān)鍵詞：摩擦、試驗(yàn)機(jī)、高溫、高速 High-temperature high-speed friction tester Abstract: Friction is a very practical application of scientific research in China is widely used in a roller-type testing machine abrasion tester, four-ball friction and wear tester, reciprocating friction and wear test machine, cutting people friction and wear test machine, disc pins and other friction and wear test machine. The purpose of friction and wear tests on the friction and wear in order to study the phenomenon and its essence, the correct assessment of the various factors on the friction and wear properties to determine compliance requirements of the friction pair components using the optimal parameters. High temperature friction and wear tester is heat-efficient high-speed friction and wear test equipment, widely used in various high temperature friction and wear properties of tool to test and evaluation, and new high-speed cutting tool material developed and applied the necessary equipment . The device is a high-speed machining and cutting tool material research studies needed infrastructure, the device can be extended to the subject of basic research and research level. Key words: friction testing machine, high temperature, high-speed 第一章 緒論 1.1本課題研究的目的和意義 摩擦學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用科學(xué)，研究材料摩擦磨損行為一般需要借助摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量摩擦副的摩擦磨損特性等一系列參量。在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究中廣泛使用的試驗(yàn)機(jī)有滾子式磨損試驗(yàn)機(jī)、四球式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、切人式摩擦、磨損試驗(yàn)機(jī)、盤銷式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等。 隨著冶金、礦山、電力以及工程機(jī)械等行業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)磨損危害的認(rèn)識(shí)有了相當(dāng)?shù)奶岣?。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，但對(duì)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(yàn)裝置的缺乏不無關(guān)系。1910年第一臺(tái)磨料磨損試驗(yàn)機(jī)即以問世，1975年美國(guó)潤(rùn)滑工程師學(xué)會(huì)（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(yàn)機(jī)也有上百種，但其中大部分都是常溫磨損試驗(yàn)機(jī)[1]。近幾十年來，磨損試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)方法雖然有了較大的發(fā)展，但這些試驗(yàn)機(jī)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。據(jù)估計(jì)，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(xué)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(jī)械零部件3種主要的失效形式之一，所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的，大約有80%的機(jī)械零件由于各種磨損導(dǎo)致失效。特別是隨著物質(zhì)文明的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展，機(jī)械設(shè)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(jī)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(jī)械工業(yè)技術(shù)人員必須關(guān)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(yàn)機(jī)多采用靜態(tài)選位法觀察摩擦試件，雖然簡(jiǎn)單易行，但不能獲得摩擦過程的動(dòng)態(tài)信息，更不能對(duì)磨損（摩擦）過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄；另外由于受到試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度大多較低（一般不超過10m/s ）。然而現(xiàn)代機(jī)械裝備中許多摩擦副的相對(duì)滑動(dòng)速度相當(dāng)高，如高速 列車運(yùn)行時(shí)的速度約為300km/h，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)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(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)量所需的商用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 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)。摩擦磨損試驗(yàn)研究的內(nèi)容非常廣泛，如探討摩擦、磨損和潤(rùn)滑機(jī)理以及影響摩擦、磨損的諸因素，對(duì)新的耐磨、減磨及摩擦材料和潤(rùn)滑劑進(jìn)行評(píng)定等。由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜，摩擦磨損條件不同，試驗(yàn)方法和裝置種類繁多，如何準(zhǔn)確地獲取摩擦磨損過程中的參數(shù)變化成為一個(gè)十分重要的研究課題。為了探索和驗(yàn)證機(jī)械工程中摩擦磨損問題的機(jī)理以及有關(guān)影響因素，在摩擦學(xué)研究中開展摩擦磨損測(cè)試技術(shù)和數(shù)據(jù)分析研究具有非常重要的作用。 高溫高速摩擦磨損試驗(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。 1.2國(guó)內(nèi)外研究概況 摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)冶金、礦山、電力以及工程機(jī)械等行業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用,隨著目前世界各國(guó)科技的飛速發(fā)展,各個(gè)行業(yè)在技術(shù)上的突飛猛進(jìn)摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)于各行業(yè)的重要性也越來越明顯. 目前，世界只有美國(guó)、日本、瑞士等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家有摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，而濟(jì)南試金集團(tuán)是國(guó)內(nèi)最早研制和生產(chǎn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的廠家。早在1964年為了滿足我國(guó)石油工業(yè)和材料工業(yè)的發(fā)展需要，濟(jì)南試金集團(tuán)開始研制MQ-12型四球摩擦試驗(yàn)機(jī)，1965年研制成功并投入生產(chǎn)，1966年又研制成功MM-200型磨損試驗(yàn)機(jī)，兩種試驗(yàn)機(jī)的研制成功標(biāo)志著我國(guó)已有了自行研制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的能力。在最近的幾年，涌現(xiàn)出了一批新興生產(chǎn)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的企業(yè)，也有不少優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品面世。 濟(jì)南竟成測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SFT-2M銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)： 圖1-1 SFT-2M銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 儀器工作原理：本試驗(yàn)裝置適用于材料表面和材料涂層的摩擦磨損測(cè)試?？商峁┹^寬的負(fù)載范圍和旋轉(zhuǎn)速度?？蛇M(jìn)行球－盤、栓（銷）－盤、盤－盤的不同摩擦副的試驗(yàn)，精確測(cè)量在不同摩擦方式下，材料的摩擦系數(shù)、磨痕深度及耐磨性，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高。 主要技術(shù)指標(biāo)： 載荷范圍： 1N～200N(100g～20kg ) 旋轉(zhuǎn)速度： 100～4500rpm(連續(xù)可調(diào)) 樣品尺寸： Φ8～Φ80mm 厚度： 0.5～30mm 摩擦系數(shù)測(cè)量精度0.2％ Fs（滿量程） 樣品對(duì)偶尺寸：Φ3～Φ6mm 磨痕深度測(cè)量范圍：±1mm 精度：0.1μm 選配件： 1. 100g摩擦力傳感器 ( 0.05N～1N ) 適用于微小載荷下材料摩擦系數(shù)的測(cè)試。 2. 1000g摩擦力傳感器( 0.1N～10N ) 當(dāng)然,目前國(guó)內(nèi)還有其他公司的產(chǎn)品一樣很成熟了。濟(jì)南思達(dá)測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MME-2微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)就是一個(gè)例子 MME-2微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)： 圖1-2 MME-2微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 主要用途 　? 本試驗(yàn)機(jī)可做各種金屬材料及非金屬材料（尼龍、塑料等）在滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、滾滑復(fù)合摩擦和間歇接觸摩擦等多種狀態(tài)下的耐磨性能試驗(yàn)，用于評(píng)定材料的摩擦機(jī)理和測(cè)定材料的摩擦系數(shù)。并可模擬各種材料在干摩擦、濕摩擦、磨料磨損等不同工況下摩擦磨損試驗(yàn)。該機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)力、摩擦力矩、摩擦系數(shù)、試驗(yàn)時(shí)間等參數(shù)，并可記錄實(shí)驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)—時(shí)間曲線。滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)?zāi)苷{(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同的滑差率；該產(chǎn)品所做結(jié)果符合GB/T12444.2-90金屬磨損試驗(yàn)方法—MM型磨損試驗(yàn)；GB/T3960—83塑料滑動(dòng)摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法。由于該機(jī)功能多，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，使用方便，有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法建立在該機(jī)型上，且在國(guó)外使用較多，所以在國(guó)內(nèi)摩擦學(xué)研究領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用。? 技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)表1-1 序號(hào) 項(xiàng)目名稱 技術(shù)指標(biāo) 1 最大試驗(yàn)力 2500N 2 摩擦力矩測(cè)量范圍 0～20N.m 3 上、下試樣軸轉(zhuǎn)速 0—600r/min 4 試樣軸向最大移動(dòng)距離 ±4mm 5 試驗(yàn)力示值相對(duì)誤差 ??? 在滿量程的10%以上，不超過±2% 6 試驗(yàn)力示值重復(fù)性相對(duì)誤差 在滿量程的10%以上，不超過2% 7 摩擦力矩示值相對(duì)誤差?? 在滿量程的10%以上，不超過±2% 8 摩擦力矩示值重復(fù)性相對(duì)誤差 在滿量程的10%以上，不超過2% 9 溫度控制范圍????????? 室溫-60℃ 10 時(shí)間控制范圍?????????? 1s-9999min 11 轉(zhuǎn)數(shù)控制范圍?????????? 1-99999999 12 時(shí)間-摩擦力矩曲線 由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)的測(cè)量顯示及數(shù)據(jù)處理，可實(shí)時(shí)顯示時(shí)間-摩擦力矩曲線。 13 試驗(yàn)機(jī)的外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高） 主機(jī)：970×660×1100 14 試驗(yàn)機(jī)凈重 約500kg 以下是對(duì)于國(guó)外的一些成熟產(chǎn)品介紹： 美國(guó)FALEX公司： FALEX公司是摩擦磨損測(cè)試儀器的專業(yè)制造商，具有75年的歷史，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在石化、機(jī)械，軍工等多個(gè)領(lǐng)域，目前有超過300?臺(tái)四球機(jī)試驗(yàn)機(jī)在各個(gè)國(guó)家使用，已被各國(guó)政府部門和工業(yè)界廣泛的認(rèn)同，F(xiàn)ALEX公司的很多儀器已成為摩擦磨損領(lǐng)域的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，被收錄在ISO、ASTM等國(guó)際和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)中。 FALEX?四球法磨損磨損試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)有精密負(fù)載以便完成精確的磨損實(shí)驗(yàn)，它是唯一通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)室循環(huán)實(shí)驗(yàn)所得出的精度作為ASTM?方法中的精度要求的儀器，到目前為止沒有其他的儀器展示這個(gè)精度，為了符合ASTM、ISO、DIN?的要求，就一定要使用FALEX?四球法磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)定儀。 圖1-3 FALEX?四球法磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)定儀 技術(shù)參數(shù)： 試驗(yàn)負(fù)荷: F-1519：可變驅(qū)動(dòng)四球試驗(yàn)機(jī)，氣動(dòng)可變負(fù)載最大到 180kg F-1520：標(biāo)準(zhǔn)四球試驗(yàn)機(jī)，固定砝碼和機(jī)械桿，最大50kg 試驗(yàn)速度: F-1519：氣動(dòng)連續(xù)可變驅(qū)動(dòng)，60 -3600 rpm 連續(xù)可調(diào)，可選1 -10,000 rpm速度轉(zhuǎn)換組件 F-1520：V形帶和滑輪驅(qū)動(dòng)，提供三種速度選擇 600, 1200, 1800 rpm. 溫度控制: 數(shù)字溫度控制 環(huán)境溫度-232℃ 自動(dòng)啟動(dòng)加熱，直至設(shè)定溫度 定時(shí): 數(shù)字可編程定時(shí)器 (1s-999h) 測(cè)量: F-1519：集成測(cè)壓元件和數(shù)字顯示摩擦力 F-1520：手動(dòng)測(cè)量 環(huán)境： 固態(tài)或液態(tài)(潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂,固態(tài)膜涂層等) 可選外罩倉(cāng)增強(qiáng)溫度控制精度 可選壓力倉(cāng)，最大壓力125psi 尺寸： 168 cm x 91 cm x 81 cm， 電源： 220V, 50/60Hz、10A 氣源 80 psi 干燥空氣 ( F-1519) 主要特點(diǎn)： 標(biāo)準(zhǔn)配置 ：1HP變速馬達(dá)60 到 3600 rpm ；DC 馬達(dá)控制器 ；數(shù)字轉(zhuǎn)速指示器 ；數(shù)字溫度控制器 ；數(shù)字計(jì)時(shí)器 ；數(shù)字負(fù)載讀取 ；加熱器（最高 232℃） ；數(shù)字摩擦系統(tǒng) ；落地柜 ；溫度系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng) ；氣體壓力指示器 ；氣動(dòng)負(fù)載（最大到180kg） ；杯蓋擰緊工具；前面板負(fù)載調(diào)節(jié)器 ；前面板有緊情況下切斷電源開關(guān)； 0- 25 Ib-In 扭矩扳手 ；可裝配球蓋 ；流量過濾球指示器；熱電偶 ；球盤組件 ；空氣軸承組件。 瑞士CSM公司產(chǎn)品 圖 1-4瑞士CSM公司的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī) 瑞士CSM公司是世界知名的表面力學(xué)性能測(cè)試設(shè)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(jìn)的技術(shù)與應(yīng)用服務(wù)。 CSM公司提供多種功能的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)設(shè)備，按不同的載荷以及使用條件可分為以下幾類： 納米摩擦測(cè)試儀 NTR（Nano-tribometer）； 摩擦試驗(yàn)機(jī) TRB（Tribometer pin-on-disk），可升級(jí)為真空摩擦試驗(yàn)機(jī)； 高溫摩擦試驗(yàn)機(jī) THT（High temperature tribometer），可升級(jí)為高溫真空摩擦試驗(yàn)機(jī)； 磨損測(cè)試儀 CAW（Calowear）； 膜厚測(cè)試儀 CAT（Calotest），分為工業(yè)與實(shí)驗(yàn)室用2種型號(hào)。 CSM公司的摩擦試驗(yàn)機(jī)主要用于測(cè)定自潤(rùn)滑涂層的使用壽命，以及表征固體材料或硬質(zhì)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?xí)r間、接觸壓力、運(yùn)動(dòng)速率、環(huán)境溫度、濕度、潤(rùn)滑劑等參數(shù)得到材料的一系列性能指標(biāo)。 一套完整的摩擦試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)包括以下組成： 主機(jī)（CSM Tribometer）； 計(jì)算機(jī)通信接口（PC interface box）； 數(shù)據(jù)處理工作站（Computer workstation）； 儀器操作及數(shù)據(jù)處理軟件（WinXP平臺(tái)）； 附件（針式壓頭支架，球形壓頭支架，潤(rùn)滑劑容器，砝碼，校正模塊）； 試驗(yàn)機(jī)的尺寸： 主機(jī)（Tribometer）：500 ×320 mm，550 mm height； 計(jì)算機(jī)接口（PC interface）：500 ×300 mm，50 mm height； 毛重：50 kg； 建議安裝環(huán)境：試驗(yàn)機(jī)應(yīng)安裝在振動(dòng)較小的平臺(tái)上。 圖 1-5是該試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試原理示意圖。 圖1-5 CSM公司摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試原理。 試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試原理是： 平頭或圓形壓頭安放在被測(cè)樣品上，用精確測(cè)定質(zhì)量的砝碼施加載荷；針或球安裝在一支倔強(qiáng)系數(shù)很大的杠桿上，該杠桿被設(shè)計(jì)為無摩擦切向力傳感器；當(dāng)盤式樣品旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓頭和樣品間產(chǎn)生的摩擦力會(huì)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(cè)，并由此計(jì)算摩擦力的具體數(shù)值；通過測(cè)量材料的損失體積可計(jì)算壓頭和樣品的磨損系數(shù)。 1.3 發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，摩擦磨損測(cè)試技術(shù)呈快速發(fā)展之勢(shì)，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)呈以下發(fā)展趨勢(shì)： （1）、以高性能的電機(jī)系統(tǒng)取代機(jī)械變速系統(tǒng)：目前，高性能的電機(jī)系統(tǒng)己經(jīng)比較成熟，調(diào)速比可以達(dá)到一比幾百、幾千甚至更高。利用這種系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)。由高性能電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸，不僅能使機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，而且還能降低試驗(yàn)機(jī)的摩擦損耗，提高整機(jī)的壽命和可靠性。但高性能電機(jī)系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴。 （2）、在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)：微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，不僅可以取代以往的二次儀表對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行控制，而且還可以對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)處理，因而能使試驗(yàn)機(jī)的功能大大加強(qiáng)。 （3）、改進(jìn)測(cè)試手段； （4）、提高穩(wěn)定性、測(cè)試精度，以使試驗(yàn)結(jié)果具有更好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。 1.4 小結(jié) 本設(shè)計(jì)主要對(duì)銷盤式高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)三維實(shí)體造型以及二維圖的繪制。所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)滿足下面的性能要求： (1) 主軸轉(zhuǎn)速范圍0~3000 r/min，無級(jí)調(diào)速； (2) 工作的最高溫度1000 ℃； (3) 加載范圍：0~20 N，采用砝碼加載； (4) 樣品盤最大尺寸為Φ80 mm，最大厚度10 mm。 本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出實(shí)現(xiàn)上述要求的較為合理的方案，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。最后對(duì)整個(gè)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用AutoCAD繪制整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的二維圖。 第二章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的影響因素 進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)的目的是要模擬實(shí)際的摩擦系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)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(cè)量分析考察圖2-1所示的工作運(yùn)轉(zhuǎn)變量、潤(rùn)滑變量和氣氛變量等對(duì)特定摩擦磨損試驗(yàn)系統(tǒng)摩擦元素的影響。因此，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)就是要依據(jù)這種目的和既定的具體任務(wù)要求，構(gòu)思形成圖2-1所示的基木系統(tǒng)，其工作運(yùn)轉(zhuǎn)變量一般要求在一定范圍內(nèi)可調(diào)，對(duì)于測(cè)試參數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要選定. 圖2-1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的基本系統(tǒng) 1、2 ——摩擦元素 3、——潤(rùn)滑劑 4——?dú)夥? 2.1試驗(yàn)條件的影響； （1）運(yùn)動(dòng)形式的影響 運(yùn)動(dòng)形式與試驗(yàn)機(jī)的摩擦副結(jié)構(gòu)有關(guān)，二者都是由所要模擬的摩擦副決定的，試驗(yàn)機(jī)的摩擦副結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式一般是固定的，但也有一些多功能試驗(yàn)機(jī)的摩擦副和運(yùn)動(dòng)形式均可通過添加附件而加以改變。例如，美國(guó)FALEX公司的多功能試樣測(cè)試機(jī)在添加附件以后，就可以形成球一平面、四球、板一板(面接觸)、液體浸蝕、針一盤和滾動(dòng)四球等多種摩擦副形式。試驗(yàn)機(jī)上摩擦副的最基本運(yùn)動(dòng)形式一般有以下4種，即滑動(dòng)、滾動(dòng)、自旋和沖擊。在試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)運(yùn)動(dòng)形式都有明確的規(guī)定，但對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置精度卻要求不高，因此這方面的要求可忽略。 （2）負(fù)荷的影響 負(fù)荷是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，其在試驗(yàn)過程中一般應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定。試驗(yàn)機(jī)對(duì)負(fù)荷的精度要求很高，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷示值的相對(duì)誤差為11%。要滿足負(fù)荷精度的要求，就必須考慮在試驗(yàn)機(jī)上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力。目前摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)比較常用加載方式有機(jī)械式、液壓式和電磁式三種。其中，機(jī)械式加載又可分為杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載或以上三種加載形式的組合，杠桿加載和重物直接加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，載荷穩(wěn)定，不存在負(fù)荷保持的問題，加載精度高，但當(dāng)摩擦副運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)卻會(huì)引起振動(dòng)和沖擊;彈簧加載產(chǎn)生的振動(dòng)比較小，但是，彈簧加載的精度不高，難于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精確調(diào)整。液壓式加載包括動(dòng)壓加載和靜壓加載兩種，但液壓加載很難保持負(fù)荷穩(wěn)定。電磁加載易于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的自動(dòng)控制，但其弱點(diǎn)是控制部分的成本較高，而且在已有摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上使用還比較少 （3）恒比壓的影響 目前使用的多種類型的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)恒比壓有比較高的要求。目前試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)恒比壓的方法有: (a)、從摩擦副的結(jié)構(gòu)上保證摩擦過程中接觸面積不變，借以在負(fù)荷不變的條件下實(shí)現(xiàn)恒比壓(如圖2-2所示): 圖2-2 以摩擦副結(jié)構(gòu)保證恒圧比 (b) 、在 試驗(yàn) 過程中隨著接觸面積的增大，依照一定的規(guī)律增大負(fù)荷以實(shí)現(xiàn)恒比壓。日本東京試驗(yàn)機(jī)制作所生產(chǎn)的理研一大越式高速磨損試驗(yàn)機(jī)就是利用這種方法實(shí)現(xiàn)恒比壓的。 圖 2-3 理研一大越式高速磨損試驗(yàn)機(jī)原理示意圖 1——凸 輪 : 2——搖 桿 : 3, 5 ,8 ——齒 輪 齒 條 : 4——彈 簧 ; 6——旋 轉(zhuǎn) 圓 環(huán) 試 件 ; 7——片 狀 試件。 （c)、同時(shí)測(cè)量摩擦副的接觸面積和試驗(yàn)負(fù)荷，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，給出負(fù)荷的控制信號(hào)，使負(fù)荷隨著接觸面積的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中的恒比壓。這種方式先進(jìn)、可靠，然而實(shí)施難度很大。這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中摩擦副的接觸面積不易測(cè)量，故其至今尚未得到實(shí)際應(yīng)用。 (4)、滑動(dòng)速度的影響； 滑動(dòng)速度的大小對(duì)摩擦磨損往往具有關(guān)鍵性的意義。因而也是摩擦磨損試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)。滑動(dòng)速度的方向有單向和往復(fù)兩種，后者又可以分為擺動(dòng)式和往復(fù)直動(dòng)式。在試驗(yàn)機(jī)上既可以用機(jī)械方式(如凸輪機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)，也可以由電機(jī)(如伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī))來實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)通常是用曲柄滑塊等往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)機(jī)的速度大小一般都要求可調(diào)，所能采用的方式有級(jí)調(diào)速和無級(jí)調(diào)速兩種。有級(jí)調(diào)速是利用變換齒輪或皮帶輪速度比等方法實(shí)現(xiàn)的。無級(jí)調(diào)速可通過兩種方式來實(shí)現(xiàn):一種是機(jī)械式無級(jí)調(diào)速(如摩擦輪和差動(dòng)輪系等)，但其調(diào)速范圍不大，另一種是使用無級(jí)調(diào)速電機(jī)進(jìn)行，這種方式的調(diào)速范圍很大，如直流伺服電機(jī)的調(diào)速范圍可達(dá)1.2000r / min(下限還可以更低)。當(dāng)采用電機(jī)無級(jí)調(diào)速時(shí)，一般都要求速度穩(wěn)定，因而常采用速度控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。 (5)、溫度的影響； 溫度是摩擦磨損試驗(yàn)的又一個(gè)重要參數(shù)。有些試驗(yàn)對(duì)環(huán)境溫度有其特定的要求， 如高溫條件或低溫條件。高溫試驗(yàn)通常采用電阻絲加熱，也可以借助于高頻加熱等。對(duì)于高溫試驗(yàn)機(jī)，既要考慮加熱部件和其他部件的隔熱問題，又要針對(duì)加熱溫度很高的特定情況同時(shí)考慮其加熱部件的選材問題。低溫試驗(yàn)機(jī)常采用適當(dāng)?shù)闹评浞椒ㄊ乖嚰車木植凯h(huán)境保持低溫，也可以將摩擦副浸泡在制冷劑中實(shí)現(xiàn)低溫。 (6)、氣氛的影響； 有些試驗(yàn)研究要求對(duì)氣氛進(jìn)行控制(如真空試驗(yàn))。在只要求控制濕度的場(chǎng)合，簡(jiǎn)易的辦法是將摩擦副部分加一個(gè)有較好密封性能的罩子，再在其中放置一些盛水的盒子即可調(diào)節(jié)濕度。當(dāng)然，濕度調(diào)節(jié)也可以在濕度傳感器控制下自動(dòng)地進(jìn)行。此外，用于真空條件下摩擦磨損研究的試驗(yàn)機(jī)對(duì)真空度的要求較高。實(shí)現(xiàn)真空可以使用真空泵，在這里密封問題很重要，尤其動(dòng)密封往往是令人頭疼的問題。為了提高真空度，有些試驗(yàn)機(jī)上采用了磁力傳動(dòng)，借以少用或不用動(dòng)密封。 （7）、試驗(yàn)時(shí)間的影響； 試驗(yàn)時(shí)間一般是依具體情況而定，大多數(shù)試驗(yàn)機(jī)沒有配備定時(shí)裝置。要在試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制，可以采用定時(shí)器控制動(dòng)力源，也有的是根據(jù)摩擦力或摩擦力矩的極限值來控制停機(jī)。這種控制方法對(duì)試驗(yàn)機(jī)也起著過載保護(hù)作用。 測(cè)量參數(shù)的影響 2.2、試驗(yàn)負(fù)荷的影響； （1）試驗(yàn)機(jī)一般都要對(duì)試驗(yàn)負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量，所采用的測(cè)量方式往往隨加載方式的不同而不同。機(jī)械式杠桿一砧碼加載可以直接根據(jù)加載砝碼得到負(fù)荷值(如Timken試驗(yàn)機(jī))，機(jī)械式彈簧加載可以根據(jù)游標(biāo)顯示的彈簧變形確定負(fù)荷值(如AMSLER試驗(yàn)機(jī))，液壓加載可以通過加載油缸的壓力換算得到負(fù)荷值(如MQ-800型四球式摩擦試驗(yàn)機(jī))。然而，不論在哪種加載方式下，都可以利用負(fù)荷傳感器直接測(cè)量負(fù)荷值。負(fù)荷傳感器應(yīng)當(dāng)安裝在盡量靠近摩擦副的位置上，以避免或減小導(dǎo)向部分摩擦力引起的測(cè)量誤差。 （2）摩擦力(摩擦系數(shù))的影響； 在試驗(yàn)機(jī)上，摩擦力(或摩擦力矩)和摩擦系數(shù)一般只測(cè)一項(xiàng)。例如，在已知負(fù)荷P的情況下，只要測(cè)出摩擦力F，就可以根據(jù)公式u=F/P求出摩擦系數(shù)的數(shù)值。這可以利用微機(jī)或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)算處理。測(cè)量摩擦力常用的方法一般有兩種，即測(cè)量作用在驅(qū)動(dòng)軸上的扭矩，或者是借助于彈性元件測(cè)定作用在固定件上的力。在采用第二種測(cè)量方法測(cè)量摩擦力時(shí)，由于固定件在沿摩擦力方向自由運(yùn)動(dòng)時(shí)必然要傳遞法向力，所以當(dāng)將其安裝在滾動(dòng)軸承之類的低摩擦裝置上，以使附加的摩擦力盡可能地減小，從而保證摩擦力的測(cè)量精度。摩擦扭矩可以采用扭矩傳感器進(jìn)行測(cè)量，其安裝位置既可以是在運(yùn)動(dòng)軸上，也可以是在固定軸上。當(dāng)把扭矩傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)軸上時(shí)，需要確保傳感器的信號(hào)輸出良好。在試驗(yàn)機(jī)上，通常是將摩擦扭矩轉(zhuǎn)換成拉力或壓力對(duì)其進(jìn)行測(cè)量（見圖2-4），但要注意使轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)造成的誤差不得超過允許值。 圖2-4將摩擦扭矩轉(zhuǎn)化成拉力或壓力的測(cè)量 （3）速度的影響； 在有些試驗(yàn)機(jī)上還要求對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量，可以采用的測(cè)速裝置有測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電傳感器等。記錄轉(zhuǎn)數(shù)最常用的是機(jī)械式計(jì)數(shù)器。 （4）測(cè)溫方法的影響； 摩擦磨損試驗(yàn)需要測(cè)定的溫度有環(huán)境溫度、潤(rùn)滑劑溫度和摩擦副的摩擦面溫度，其中不易測(cè)量的是摩擦面溫度(因?yàn)樗槐┞对谕饷?。在試驗(yàn)機(jī)上常用的測(cè)溫方法有熱電偶法和紅外測(cè)溫法。用這兩種方法測(cè)得的摩擦面溫度都是近似值。這是因?yàn)闊犭娕紵o法安裝在摩擦面上，而只能安裝在靠近摩擦面的位置上;而紅外測(cè)溫法則是因?yàn)橹荒軠y(cè)得摩擦面邊界上的溫度或試件的體溫。如果能夠知道試件溫度的分布情況，那就可以對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行修正，從而使測(cè)量誤差減小。為了消除或減少以上原因所產(chǎn)生的誤差，在實(shí)測(cè)時(shí)可以把實(shí)際試件之一(或兩件)組合成熱電偶的一部分，這就是所謂的“自然熱電偶”測(cè)溫法。這種方法原則上可以直接從摩擦面取得溫度信息，然而這個(gè)信息不僅會(huì)受到由于潤(rùn)滑劑的作用所產(chǎn)生的界面電動(dòng)勢(shì)的影響，而且在多觸點(diǎn)的循環(huán)電流對(duì)它也有影響L閣。因此，在現(xiàn)有的試驗(yàn)機(jī)上很少使用這種測(cè)溫方法。 （5）磨損量的影響； 磨損量是磨損試驗(yàn)中都要測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。目前，磨損量的在線檢測(cè)尚有困難，以往都是將試件取下再測(cè)量磨痕或稱量失重而得之?，F(xiàn)在，有人采用電測(cè)法或光柵對(duì)摩擦副在磨損過程中的相對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量，以此實(shí)現(xiàn)磨損量的在線檢測(cè)。 （6）重復(fù)性和再現(xiàn)性； 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)能否給出重復(fù)性和再現(xiàn)性都比較好的試驗(yàn)結(jié)果，取決于每次試驗(yàn)用的試桿和試驗(yàn)環(huán)境條件(包括儀器的工作狀態(tài))是否都能保持一致。西德Optimol公司的SRV型標(biāo)準(zhǔn)化微動(dòng)式摩擦磨損測(cè)試機(jī)之所以能夠給出較好重復(fù)性和再現(xiàn)性的試驗(yàn)結(jié)果，就是因?yàn)樗年P(guān)鍵部件一振動(dòng)系統(tǒng)和力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)非常穩(wěn)定。為了使試驗(yàn)條件穩(wěn)定，就要從動(dòng)力源和試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)上保證負(fù)荷及速度等T礦穩(wěn)定，同時(shí)還需要測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)能準(zhǔn)確地測(cè)出工礦參數(shù)，以便于調(diào)整。此外，合理的摩擦副接觸形式也是取得較好重復(fù)性和再現(xiàn)性試驗(yàn)結(jié)果的重要因素之一。一般說來，點(diǎn)接觸比面接觸受外界的影響小，因而在相同條件下，點(diǎn)、線接觸有利于再現(xiàn)摩擦副的接觸狀態(tài)。 第三章 方案設(shè)計(jì)、分析與比較 3.1 試驗(yàn)機(jī)的整體分析 根據(jù)上一章的介紹不難確定，試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分可以分為如下幾個(gè)主要的系統(tǒng)：主傳動(dòng)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(jìn)給系統(tǒng)、加熱及冷卻系統(tǒng)等主要部分。對(duì)上述各個(gè)部分不同的方案進(jìn)行組合，就可以得到不同的整體設(shè)計(jì)方案方案。 3.2 設(shè)計(jì)方案的制定 通過分析，制定下面四種方案： 設(shè)計(jì)方案一： 圖 3-1是設(shè)計(jì)方案一的方案圖。 圖3-1 設(shè)計(jì)方案一 設(shè)計(jì)方案一各部分的組成： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)通過齒輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)摩擦盤旋轉(zhuǎn)； (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(zhuǎn)動(dòng)； (4) 摩擦銷軸向和徑向進(jìn)給系統(tǒng)：通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動(dòng)橫梁內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進(jìn)給；通過步進(jìn)電機(jī)和編碼器帶動(dòng)立柱上的絲杠旋轉(zhuǎn)，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(shè)計(jì)方案二： 圖 3-2是設(shè)計(jì)方案二的方案圖： 圖3-2 設(shè)計(jì)方案二 設(shè)計(jì)方案二各部分的組成： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)通過連軸器和主軸直接相連，帶動(dòng)摩擦盤旋轉(zhuǎn)； (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(jìn)給系統(tǒng)：通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動(dòng)橫梁內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進(jìn)給；通過步進(jìn)電機(jī)和編碼器帶動(dòng)立柱上的絲杠旋轉(zhuǎn)，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(dòng)； (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(nèi)通入冷卻水，對(duì)主軸進(jìn)行冷卻。 設(shè)計(jì)方案三： 圖 3-3是設(shè)計(jì)方案三的方案圖。 圖3-3設(shè)計(jì)方案三 設(shè)計(jì)方案三各部分的組成： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)通過通過V帶和帶輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)摩擦盤旋轉(zhuǎn)； (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(zhuǎn)動(dòng)； (4) 摩擦銷軸向和徑向進(jìn)給系統(tǒng)：通過步進(jìn)電機(jī)和編碼器帶動(dòng)底座支架上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副帶動(dòng)立柱和橫梁一起水平運(yùn)動(dòng)，來控制摩擦銷的沿摩擦盤的軸向進(jìn)給；通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動(dòng)立柱內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)橫梁的豎直方向的位置，來控制摩擦銷的徑向進(jìn)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(shè)計(jì)方案四： 圖 3-4是設(shè)計(jì)方案四的方案圖。 圖3-4設(shè)計(jì)方案四 設(shè)計(jì)方案四各部分的組成： (1) 主傳動(dòng)系統(tǒng)：變頻器和三相異步電動(dòng)機(jī)通過V帶和帶輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)摩擦盤旋轉(zhuǎn)； (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(zhuǎn)動(dòng)； (4) 摩擦銷軸向和徑向進(jìn)給系統(tǒng)：通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤帶動(dòng)底座內(nèi)的一根絲杠，絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)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(jìn)給；通過立柱結(jié)構(gòu)上的可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，使得橫梁可以沿立柱上的某一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定的角度，用旋轉(zhuǎn)來代替移動(dòng)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 方案比較 方案一采用齒輪，可以保證傳動(dòng)比，制造安裝精度要求不是很嚴(yán)格，并且可以防止過載時(shí)對(duì)電機(jī)的損壞。但是齒輪傳動(dòng)噪音大，震動(dòng)劇烈，況且由于齒輪的金屬質(zhì)地使電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)熱影響到實(shí)驗(yàn)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(cè)量精度。伺服控制連續(xù)加載雖然精確但設(shè)備復(fù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是橫梁剛性較差，對(duì)結(jié)果誤差有較大的影響。立柱上采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，降低了整個(gè)系統(tǒng)的剛度，但對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的作用不大。 方案二電機(jī)通過連軸器直接和主軸相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊。但減震性能不好，系統(tǒng)的震動(dòng)較大。而且主軸和電機(jī)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(duì)主軸的冷卻無法有效進(jìn)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(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，而且對(duì)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(shí)現(xiàn)，并且盤的剛性大大降低。彈簧加載結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但加載不精確，容易受到彈簧性能等外部因素的干擾，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大。手輪和分度盤控制銷子沿盤的徑向位移，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是橫梁剛性較差，對(duì)結(jié)果誤差有較大的影響。立柱上采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，降低了系統(tǒng)的剛度，但對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度的作用不大。 方案三電機(jī)通過V帶傳動(dòng)，可以緩和載荷沖擊而且運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，制造安裝精度要求不是很嚴(yán)格，并且可以防止過載時(shí)對(duì)電機(jī)的損壞。但是帶傳動(dòng)有彈性滑動(dòng)和打滑，效率低而且不能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，也就是不能保持主軸以一定的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。而且主軸外無冷卻系統(tǒng)，使得在工作情況下，加熱爐內(nèi)的熱量通過主軸連軸器直接傳遞給電機(jī)，主傳動(dòng)系統(tǒng)整體的溫度較高，不易散熱，對(duì)系統(tǒng)的剛度和壽命影響大，而且對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。采用專用的摩擦盤夾持器結(jié)構(gòu)較為合理。彈簧加載結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但加載不精確，容易受到彈簧性能等外部因素的干擾，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)控制銷子沿摩擦盤的軸向位移，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，安裝維修不方便。 方案四采用電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)主軸，可以緩和載荷沖擊而且運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲，且同步帶傳動(dòng)無彈性滑動(dòng)和打滑，效率高而且能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，也就是能保持主軸以某一速度穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸和電機(jī)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(zhuǎn)時(shí)的精度，又可以保證其整體性，對(duì)于例如三角形硬質(zhì)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(shì)。傳統(tǒng)的砝碼加載簡(jiǎn)單易行而且加載準(zhǔn)確，誤差較小。左邊立柱和橫梁是相對(duì)固定的，可以繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一定的角度，使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測(cè)量結(jié)果較精確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，維修方便，而且有足夠高的精度。 設(shè)計(jì)方案的確定 通過上面對(duì)四種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，可以得出結(jié)論：方案四是這四種設(shè)計(jì)方案中比較合理的一種方案。該方案既可以滿足設(shè)計(jì)精度的要求，又具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維修方便等特點(diǎn)。 第四章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算 4.1、試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)的確定 參考第一章中的各種試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，確定該試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)如下： 主軸轉(zhuǎn)速范圍：0~3000 r/min，無級(jí)調(diào)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試驗(yàn)機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)算 由試驗(yàn)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速范圍和變速方式，可以選擇變頻調(diào)速三相異步交流電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。因此該試驗(yàn)機(jī)的主傳動(dòng)路線為：變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)→同步帶和帶輪→主軸→摩擦盤夾持器→摩擦盤。 4.2.1電機(jī)選擇： 取摩擦盤和摩擦銷之間的動(dòng)摩擦系數(shù) f=fmax=1，則摩擦產(chǎn)生的最大功率 Pm=Fv= (4-1) 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(duì)運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；f是滑動(dòng)摩擦系數(shù)； Fn是正壓力（N）； R:是摩擦力作用電相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的距離（m）； Pm＝＝＝0.251 Kw 同步帶的傳動(dòng)效率 ： η1＝95% 滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率 ： η2＝98% 則總傳動(dòng)效率： η總＝η1η2＝0.931 電動(dòng)機(jī)的輸出功率P出＝ (4-2) 故＝＝0.2696 Kw 為使電動(dòng)機(jī)的功率留有余量，負(fù)荷率?。?.85 P＝P出/0.85＝0.261/0.85＝0.317 Kw 根據(jù)參考資料可知，選擇的電機(jī)型號(hào)為： YVF280M1-4(摘自JB/T 7118-2004) 該電機(jī)的主要參數(shù)為： 額定功率 P=0.55Kw ；額定轉(zhuǎn)矩 3.5 N?m； 同步轉(zhuǎn)速 1500 r/min ；電機(jī)軸：D=19mm。 結(jié)構(gòu)圖如圖4-1、4-2所示 圖4-1 圖4-2 機(jī)座號(hào): 80M 凸緣號(hào): 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|(zhì)基本尺寸: 5.5mm 安裝尺寸及公差|G①|(zhì)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(shù): 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同步帶傳動(dòng)的計(jì)算： 1、計(jì)算功率： Pｄ＝ (4-3) Pｄ= =0.36Kw 式中： 是同步帶傳動(dòng)的工作情況系數(shù)，據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可取1.40 2、選擇帶型和節(jié)距： 根據(jù)計(jì)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h(yuǎn)t: 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(shù)Z1： 根據(jù)國(guó)標(biāo)(JB/T 7512.2-1994),查取Zmin=20 根據(jù)設(shè)計(jì)方案Z1＝25； 4、小帶輪節(jié)圓直徑： 何以由公式 （4-4） 計(jì)算，也可查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。得小帶輪直徑為mm 5、大帶輪齒數(shù)： 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，同步帶只起傳動(dòng)作用，不改變速度，故令兩帶輪的齒數(shù)Z1、Z2等，取Z1＝Z2＝25； 6、大帶輪節(jié)圓直徑： 由公式 7、帶速計(jì)算： （4-5） 通常L型，則符合要求。 8、初定軸間距： 根據(jù)機(jī)械手冊(cè)知 （4-6） 即，取a==151.2mm 9、計(jì)算帶長(zhǎng)及齒數(shù)： 帶長(zhǎng)： （4-7） 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，齒數(shù)； 10、實(shí)際軸間距計(jì)算： 實(shí)際軸間距計(jì)算分為兩種情況，軸間距可調(diào)整時(shí) （4-8） 軸間距不可調(diào)時(shí) （4-9） （4-10） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，軸間距可調(diào) 則 11、小帶輪嚙合齒數(shù)： （4-11） 12、基本額定功率： （4-12） 基本額定功率是個(gè)帶型基準(zhǔn)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(jī)械手冊(cè) ——寬度為的帶單位長(zhǎng)度的質(zhì)量（），查機(jī)械手冊(cè) 則 13、計(jì)算帶寬： （4-13） ——嚙合齒數(shù)系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 應(yīng)按表4.4選取標(biāo)準(zhǔn)值，一般小于 則 式中： mm 按照以上設(shè)計(jì)要求要求 確定公稱帶寬12.7mm，代號(hào)050 14、作用在軸上的力： （4-14） 則 15、帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸： 圖4-5直邊齒帶輪的尺寸和公差 根據(jù)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h(yuǎn)g: 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(shù)) 根圓直徑df: df＝da-2hg 4.2.3主軸計(jì)算： 1、主軸輸出功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 根據(jù)第一部分電機(jī)計(jì)算可以得出， 則轉(zhuǎn)矩 2、軸的最小直徑計(jì)算： 計(jì)算公式為 （4-15） 主軸的材料選擇為，查設(shè)計(jì)手冊(cè)可得 則，取 即主軸上直徑最小處：mm 3、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： （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(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度： 見圖4-7 圖4-7主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）為了滿足帶輪的尺寸要求， 2）初步選擇滾動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的深溝球軸承6206和推力球軸承51206，其尺寸分別為、，故，。 3）根據(jù)結(jié)構(gòu)要求擬定，； ，； ，； ，。 （3）、軸的強(qiáng)度校核： 按鈕局強(qiáng)度條件計(jì)算，公式如下 （4-16） 已知， 則 根據(jù)設(shè)計(jì)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(qiáng)度校核： 根據(jù)主軸設(shè)計(jì)，鍵所在軸的直徑為24mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（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(qiáng)度條件為： (4-17) 式中： d是軸的直徑；l是鍵的工作長(zhǎng)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(zhuǎn)矩,取，則 故鍵的強(qiáng)度滿足要求。 4.2.5、橫梁的強(qiáng)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(qiáng)度在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下能夠滿足強(qiáng)度和剛度要求。 4.2.6、絲杠螺母副的相關(guān)計(jì)算： 該絲杠螺母副主要用于傳遞運(yùn)動(dòng)，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(jì)。下面對(duì)絲杠螺母副進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，強(qiáng)度校核可以不計(jì)。 螺母的軸向位移： (4-18) 式中： φ是螺桿轉(zhuǎn)角，rad；s是導(dǎo)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(dòng)摩擦銷的移動(dòng)距離為40 mm，又要留下一定的余量，可令螺紋長(zhǎng)度L＝50 mm； 設(shè)計(jì)使螺紋移動(dòng)l=40 mm時(shí)，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(shù)，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(qiáng)，N/mm2；可?。? 帶入數(shù)據(jù)，有： mm 由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，?。?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(dòng)圈數(shù)： 基本牙型高度： mm 工作壓強(qiáng)： 工作壓強(qiáng)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、軸承的校核： 該系統(tǒng)三處用到了軸承：主軸、絲杠、以及橫梁旋轉(zhuǎn)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(jì)；而且其轉(zhuǎn)速均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軸承的極限轉(zhuǎn)速。因此軸承的校核可以省略，而認(rèn)為這些軸承的均滿足設(shè)計(jì)要求。下面對(duì)主軸上的深溝球軸承