摩擦磨損試驗機(jī)結(jié)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計.doc

摩擦磨損試驗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要先進(jìn)的摩擦磨損試驗機(jī)及試驗技術(shù)對于摩擦學(xué)研究的深入開展有著重意義。本文在對摩擦磨損試驗機(jī)的發(fā)展概況、分類、特點，摩擦磨損試驗的目的、試驗的基本方法等進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，建立了摩擦磨損試驗機(jī)的要求明細(xì)表，通過功能分析確定試驗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，從主機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、主軸回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、多樣式裝夾、氣壓加載結(jié)構(gòu)等方面對摩擦磨損試驗機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。該試驗機(jī)能實現(xiàn)對摩擦副的軸向加載、徑向加載以及往復(fù)運動等，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定符合一般實驗要求。關(guān)鍵詞：摩擦磨損試驗機(jī)；氣壓加載；往復(fù)運動structural design of Friction-Wear Tester machine AbstractAdvanced friction and wear tester and test technology for tribological studies have highlighted significant depth. In this paper, friction and wear testing machine on the overview of development, classification, characteristics, friction and wear test purposes, test the basic methods for comprehensive analysis based on the established requirements of friction and wear testing machine schedule, determined by functional analysis of test machines The overall structure of the structural design from the host, Spindle structure, multi-style fixture, air pressure load structure in terms of friction and wear test machine structure design. The trial function of the friction pair to achieve the axial load, radial load and the reciprocating movement, structural stability and meet the general test requirements.Keywords: Friction-Wear Tester; Pressure load; Reciprocating目錄1 緒論11.1摩擦學(xué)概念11. 2摩擦磨損試驗11. 2. 1摩擦磨損試驗分類11.2. 2摩擦磨損試驗機(jī)21.2.3摩擦磨損測試技術(shù)研究現(xiàn)狀42 摩擦磨損試驗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)總設(shè)計思路72.1摩擦磨損試驗的基本系統(tǒng)72.2摩擦磨損試驗機(jī)的設(shè)計思路82.2.1確定試驗機(jī)設(shè)計要求82.2.2試驗機(jī)的功能分析102.2.3 基本功能實現(xiàn)方案112.2.4對各實現(xiàn)方案進(jìn)行組合，確定最優(yōu)方案123 主傳動部分設(shè)計163.1傳動系統(tǒng)總體設(shè)計163.2驅(qū)動部分173.2 1.確定電動機(jī)類型173.2.2.確定電動機(jī)的容量173.2.3.確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)速183.3 傳動部分同步帶設(shè)計193.3.1同步帶參數(shù)設(shè)計193.3.2 帶輪擋圈參數(shù)223.4 主軸的設(shè)計223.4.1.選擇軸的材料及熱處理方法223.4.2確定軸的最小直徑233.4.3 軸承的選用233.4.4確定軸各段的尺寸263.4.5主軸強(qiáng)度的校核283.5軸承套筒的設(shè)計353.6 軸承座的設(shè)計353.7試驗銷夾具的設(shè)計363.7.1.總體設(shè)計363.7.2夾具設(shè)計374 加載機(jī)構(gòu)總體設(shè)計404.1 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計404.1.2活塞桿上輸出力和缸徑的計算404.1.3 氣壓缸的選擇424.2 氣缸加載夾具的設(shè)計434.2.1 夾具設(shè)計的總體方案434.2.2軸向試樣安裝夾具設(shè)計434.2.3徑向試樣安裝夾具設(shè)計444.2.3夾具臺設(shè)計454.3 滑動托板的設(shè)計454.3.1上滑動托板的設(shè)計454.3.2下滑動托板的設(shè)計474.4 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計與選擇484.5 滾珠絲杠的設(shè)計與選擇504.6 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計與選擇514.7 試驗機(jī)底座的設(shè)53結(jié)束語54參考文獻(xiàn)55致謝56附錄57摩擦磨損試驗機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計1 緒論1.1摩擦學(xué)概念摩擦學(xué)的現(xiàn)象和應(yīng)用伴隨著人類活動的各個方面，鉆木取火就是摩擦學(xué)古老的應(yīng)用。而摩擦學(xué)作為一個學(xué)科研究體系則是由英國H. P. Jost所主持的潤滑工程工作組于1966年提出，現(xiàn)代牛津詞典中把摩擦學(xué)定義為:“研究作相對運動的相互作用表面的科學(xué)技術(shù)及其有關(guān)的各種實際問題”。在機(jī)械工程應(yīng)用領(lǐng)域，摩擦學(xué)主要研究的就是相互運動著的物體工作表面上的摩擦、磨損和潤滑等課題，從人類原始的很多簡單勞動過程到當(dāng)代的多種復(fù)雜工程系統(tǒng)，特別是機(jī)械工程系統(tǒng)，乃至日常生活的許多方面，都普遍地存在著種種不同形式的摩擦、磨損和潤滑問題，這些問題的研究和解決，對人類創(chuàng)造光輝燦爛的歷史文明和高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代科技都曾經(jīng)起到了重要作用，并且還將對人類未來的科學(xué)技術(shù)發(fā)展和社會文明進(jìn)步繼續(xù)做出重要貢獻(xiàn)。1. 2摩擦磨損試驗1. 2. 1摩擦磨損試驗分類摩擦磨損試驗的目的是為了對摩擦磨損現(xiàn)象和本質(zhì)進(jìn)行研究，正確地評價各種因素對摩擦磨損性能的影響，從而確定符合使用條件的最優(yōu)參數(shù)。由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜，實驗方法和裝置種類繁多，如何準(zhǔn)確的獲取摩擦磨損過程中的參數(shù)變化顯得十分重要。摩擦磨損試驗可根據(jù)實驗條件和目的分為兩大類:第一類是現(xiàn)場實物摩擦磨損試驗;第二類是實驗室摩擦磨損模擬試驗。 第一類摩擦磨損試驗是在實際使用條件下進(jìn)行的，這種試驗的真實性和可靠性較好，但機(jī)器零件在實際使用中的磨損一般較慢，因而需要較長的周期才-能得到試驗結(jié)果，而且磨損量還需要可靠和精確的儀器測量。機(jī)器在不同工況下運行，由于運行的條件不固定，因而所取得的測試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性和規(guī)律性較差，不便研究摩擦磨損的規(guī)律性，也難以進(jìn)行單項因素對摩擦磨損影響的觀察。第二類試驗不需要進(jìn)行整機(jī)試驗，只需要模擬機(jī)器零件和部件在實際使用條件下進(jìn)行試驗，同時可改變各種參數(shù)來分別測定其對摩擦磨損的影響，而且測試數(shù)據(jù)重現(xiàn)性和規(guī)律性較好，便于進(jìn)行對比分析，還可以通過強(qiáng)化試驗條件，來縮短使用周期，減少試驗費用。但這類試驗方法所得到的結(jié)果，不能完全反映實際的復(fù)雜的摩擦磨損狀況，往往不能直接應(yīng)用，只有精確的模擬試驗得到的結(jié)果才能有較好的實用性。 實踐表明:摩擦磨損試驗方法和條件不同，試驗結(jié)果差別很大。所以在實驗室中進(jìn)行實驗時，應(yīng)當(dāng)盡可能地模擬實際工礦條件，其中主要的有:滑動速度和表面壓力的大小和變化、表面層的溫度變化、潤滑狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)條件和表面接觸形式等等，對于高速滑動摩擦副的摩擦磨損試驗，溫度影響是主要問題，應(yīng)當(dāng)使試件的散熱條件和溫度分布接近實際情況。在低速摩擦副的實驗中，由于磨合時間較長，為了消除磨合對試驗結(jié)果的影響，可以預(yù)先將試件的摩擦表面磨合，以便形成與使用條件相適應(yīng)的表面品質(zhì);對于未經(jīng)磨合的試件，通常不采集運轉(zhuǎn)初期的測量數(shù)據(jù)，因為這些數(shù)據(jù)可能不穩(wěn)定。1.2. 2摩擦磨損試驗機(jī) 摩擦磨損實驗機(jī)主要用來研究在不同速度、載荷和溫度條件下各種材料和潤滑劑的性能，也可以用來進(jìn)行各種磨損形式的機(jī)理研究。摩擦磨損實驗機(jī)試件之間的相對運動方式可以是純滑動、純滾動或者滾動伴隨滑動，大多數(shù)實驗機(jī)的試件采用旋轉(zhuǎn)運動，也有是往復(fù)運動的。試件的接觸形式可以分為面接觸、線接觸和點接觸三種，通常面接觸試件的單位面積壓力為80100MPa，常用于磨粒磨損實驗，線接觸試件的最大接觸壓力可達(dá)到10001500MPa，適合于接觸疲勞磨損實驗和粘著磨損實驗，點接觸試件的表面接觸壓力更高，最大可達(dá)5000MPa，適用于需要很高接觸壓力的實驗，例如膠合磨損或高強(qiáng)度材料的接觸疲勞磨損實驗。常見的試驗機(jī)有以下幾種形式1：(1)銷一盤式磨損試驗機(jī):由一個旋轉(zhuǎn)的平圓盤和一個壓在盤上的不動的圓柱銷組成，銷是試件，其端部可做成平面、半球形、錐形等，可進(jìn)行各種摩擦副及潤滑材料的摩擦磨損性能試驗，也能進(jìn)行粘著磨損規(guī)律的研究。國內(nèi)產(chǎn)品型號有MD-240定速摩擦試驗機(jī)等。(2)滾子式磨損試驗機(jī):上下兩個母線接觸的圓盤為試樣，上下試樣的轉(zhuǎn)速不同，可獲得純滑動、純滾動、滾動兼有滑動等運動形式。可對材科及潤滑劑進(jìn)行摩擦及磨損性能試驗。適用于研究疲勞磨損等，國產(chǎn)型號有MM-200摩擦磨損試驗機(jī)，國外型號有阿姆斯勒(Amsler)磨損試驗機(jī)等。(3)環(huán)一塊型試驗機(jī):國外型號有梯姆肯(Timken)試驗機(jī)等。試件用被測材料做成約小于1020平方毫米的方形平面，試環(huán)硬度非常大，與其它材料特別是塑料復(fù)合材料等磨時，可認(rèn)為是不被磨的。因此可以直接測量試塊在摩擦過程中被磨掉的體積。據(jù)此決定磨損量的相對值。較多用于快速篩選材料的耐磨損性能試驗，試驗中如能測出摩擦力的數(shù)值可以此計算摩擦系數(shù)。(4)四球式試驗機(jī):上球卡在夾頭內(nèi)，可以在不同速度下旋轉(zhuǎn)，下面三個球固定，四個標(biāo)準(zhǔn)球均為中12. 7毫米，可從上面或下面施加載荷，主要用來評定潤滑劑承載能力，也可測定摩擦副疲勞磨損壽命，國內(nèi)有MQ-800型，國外有殼牌四球機(jī)等型號。(5)端面摩擦磨損試驗機(jī): 端面摩擦磨損試驗機(jī)采用面接觸形式，如合肥工業(yè)大學(xué)摩擦學(xué)研究所研制的HDM-10端面摩擦磨損試驗機(jī)采用上試樣(圓環(huán)接觸面，外徑 30 mm，內(nèi)徑 22 mm)旋轉(zhuǎn)，下試樣(圓片狀)靜止的端面接觸滑動摩擦形式，在油潤滑和無油潤滑條件下，對試樣的摩擦磨損性能進(jìn)行試驗檢測，該試驗機(jī)特別適合于評定自潤滑軸承材料、表面薄層或?qū)訝顝?fù)合材料、固體潤滑材料的減摩耐磨特性和綜合使用性能。HDM-10端面摩擦試驗機(jī)在實際使用中，可以在很寬的范圍內(nèi)通過對負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、時間、溫度以及摩擦副配偶材料、光潔度、硬度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整選擇，考察試驗材料在各種影響因素作用下其摩擦磨損性能的變化，并根據(jù)不同條件下試驗參數(shù)的變化和試樣表面的磨損狀況來評定在干摩擦或油潤滑條件下試樣材料的摩擦學(xué)特性及其綜合使用性能。按不同試驗要求，試驗機(jī)又可分為快速磨損試驗機(jī)、潤滑材料性能試驗機(jī)、高低溫摩擦磨損試驗機(jī)、高低速試驗機(jī)以及軸承動態(tài)特性、齒輪疲勞、潤滑油特性等試驗機(jī)。常見的摩擦磨損試驗機(jī)摩擦副接觸及運動方式在圖1. 1中列出，其中(a)圖所示的是四球試驗機(jī)的摩擦副接觸及運動方式。(b)圖所示的是MM200試驗機(jī)的摩擦副接觸及運動方式。(c)圖所示的是往復(fù)式試驗機(jī)的摩擦副接觸及運動方式。(d)圖所示的是端面試驗機(jī)的摩擦副接觸及運動方式。(e)圖PV摩擦磨損試驗機(jī)摩擦副接觸及運動方式。圖1.1 摩擦磨損試驗機(jī)摩擦副接觸及運動方式1.2.3摩擦磨損測試技術(shù)研究現(xiàn)狀機(jī)械設(shè)備是生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，在其運轉(zhuǎn)過程中，可動零部件會按規(guī)定的接觸表面作相對運動產(chǎn)生摩擦，消耗能量進(jìn)而造成零部件的磨損。摩擦無處不在。由摩擦引起的磨損、潤滑、材料與能源消耗等一系列摩擦學(xué)問題普遍存在并對社會、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。有數(shù)據(jù)表明世界能源的1/31/2消耗于摩擦發(fā)熱，而大約有80的零件損壞是由于磨損而引起的。根據(jù)美國、英國、德國等國的統(tǒng)計，與摩擦、磨損有關(guān)的費用約占一國GDP的2%7%。同發(fā)達(dá)國家相比，我國目前平均生產(chǎn)水平還較低，即以占GDP5%計，我國每年因摩擦、磨損造成的損失就約為580多億元人民幣。這些數(shù)字表明，研究摩擦磨損試驗機(jī)具有重要的意義。機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的，如許多重型機(jī)床、精密機(jī)床及高效自動化機(jī)床，常常由于軸承、導(dǎo)軌及其它重要摩擦副存在缺陷而發(fā)生故障或達(dá)不到所需要的加工精度與能力，以致長期無法使用。如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費用。另一方面，摩擦磨損會使零件失效，功能降低并有嚴(yán)重?fù)p傷或隱患，繼續(xù)使用會失去可靠性和安全性甚至釀成事故，嚴(yán)重威脅到人們的生命安全和生產(chǎn)的順利開展。由此可見，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械學(xué)的分支之一摩擦學(xué)進(jìn)行深入研究成了令人關(guān)注的發(fā)展趨勢；減少摩擦，避免磨損成了延長機(jī)械設(shè)備使用壽命，提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵。在機(jī)械工程上，摩擦學(xué)是研究作相對運動的、相互作用的材料表面間摩擦行為對機(jī)械系統(tǒng)作用的理論和實踐的科學(xué)。為了了解摩擦、磨損的發(fā)生發(fā)展機(jī)理，尋找各種磨損類型的相互轉(zhuǎn)化以及復(fù)合的錯綜關(guān)系，需要對材料表面的磨損全過程進(jìn)行細(xì)微研究觀察和記錄，對材料的摩擦磨損性能進(jìn)行測試和研究，所需的試驗設(shè)備是摩擦磨損試驗機(jī)。這是材料學(xué)、機(jī)械學(xué)和化學(xué)等研究領(lǐng)域從事相關(guān)摩擦學(xué)研究的重要試驗設(shè)備，能評定材料間的抗磨損性能及各種潤滑劑的極壓特性，并計算摩擦系數(shù)。摩擦磨損試驗機(jī)及摩擦學(xué)試驗技術(shù)在正確地評定材料摩擦和磨損特性時是必不可少的，因而對于摩擦學(xué)研究的深入開展有著重要意義。試驗機(jī)本身的精度、穩(wěn)定性、可靠性、通用性等是現(xiàn)代測控設(shè)備的重要要求。機(jī)械設(shè)備中零部件的摩擦磨損性能是由材料（摩擦副配對及潤滑劑）、工作參數(shù)（載荷、速度）、接觸幾何和環(huán)境條件（溫度、氣氛等）等因素決定的。因此，研究零部件的摩擦磨損性能，需要根據(jù)使用場合的情況，設(shè)計試驗并選擇適當(dāng)?shù)脑囼灆C(jī)和評價參數(shù)，有時為了全面評價一種材料的摩擦磨損性能，需要同時配置多臺不同用途的試驗機(jī)。摩擦磨損試驗裝置摩擦副的摩擦學(xué)性能試驗,大致可分為試樣試驗、臺架試驗和實際使用試驗三種類型。相對而言, 試驗室條件下的試樣試驗具有選擇范圍寬, 影響因素容易控制等優(yōu)點。在美國潤滑工程師協(xié)會(ASLE) 匯編的摩擦磨損試驗機(jī)目錄中列有上百種類型, 目前, 5 種典型的試驗機(jī)是:四球機(jī)、梯姆肯試驗機(jī)、法萊克斯試驗機(jī)、銷盤試驗機(jī)和MM200磨損試驗機(jī)。針對目前大多數(shù)摩擦磨損試驗機(jī)運動形式單一、環(huán)境因素不可控的缺點, 又有研究人員開發(fā)了多功能集成摩擦磨損試驗機(jī)及其智能測控系統(tǒng)。該智能測控系統(tǒng)以工控機(jī)為核心, 集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和實驗環(huán)境控制為一體, 實現(xiàn)了溫度、濕度、載荷、摩擦力、線速度和摩擦因數(shù)等參數(shù)的實時檢測，可更好地模擬現(xiàn)實工況條件, 可開展多種環(huán)境因素、多種運動方式下的摩擦學(xué)實驗研究。1.3本課題研究意義及內(nèi)容隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 預(yù)摩擦磨損試驗機(jī)將會朝著以下幾個方向發(fā)展：（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)已經(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)既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動, 也可以實現(xiàn)擺動和直線運動。由高性能電機(jī)直接驅(qū)動主軸, 不僅能使機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化, 而且還能降低試驗機(jī)的摩擦損耗, 提高整機(jī)的壽命和可靠性。（2）在摩擦磨損試驗機(jī)上應(yīng)用多樣式裝夾。隨著加工技術(shù)、加工工藝及加工設(shè)備的發(fā)展，夾具的類型也變的多樣。在同一臺試驗機(jī)上配置多種夾具，這樣可以方便全面評價一種材料的摩擦磨損性能，得出更好的試驗數(shù)據(jù)。（3）采用氣壓加載，更好的調(diào)控加載力，增大加載范圍、精度高。（4）軸向、徑向及軸徑向加載，用于檢測需軸徑加載的試樣。（5）提高穩(wěn)定性，提高試驗機(jī)的穩(wěn)定性, 以使試驗結(jié)果具有更好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。本論文考慮區(qū)別于傳統(tǒng)試驗機(jī)杠桿式加載，機(jī)械式調(diào)速的加載精度不高，穩(wěn)定性差，局限于單向加載，調(diào)速范圍小且只能有級調(diào)速，緊緊圍繞以上幾點，著重對加載結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，改善電機(jī)傳動，使試驗機(jī)能準(zhǔn)確反映摩擦磨損情況，穩(wěn)定且可靠。主要設(shè)計內(nèi)容包括：總體方案的設(shè)計，主傳動部分設(shè)計，加載系統(tǒng)設(shè)計。 本章主要介紹了摩擦磨損試驗機(jī)的發(fā)展概況、分類、特點、摩擦磨損試驗的目的、試驗的基本方法以及國內(nèi)外對此的研究情況，本課題研究的背景和意義、對本論文的主要設(shè)計內(nèi)容作了一個大概分析。2 摩擦磨損試驗機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)總設(shè)計思路2.1摩擦磨損試驗的基本系統(tǒng)參照與摩擦磨損試驗有關(guān)的特性和主要參數(shù)，建立摩擦磨損試驗的基本系統(tǒng)如圖2.1所示。在大多數(shù)情況下，試驗系統(tǒng)包括兩個固體試件（1）、（2）以及潤滑劑（3）和氣氛（4）。試驗系統(tǒng)的輸入由圖左側(cè)的工作變量提供，通過工作變量對摩擦試驗元素的作用，發(fā)生摩擦和磨損過程。為了描述這些摩擦學(xué)過程，必須測量右側(cè)的摩擦計量特性，必要情況下，還必須測定試件的表面特性，以補(bǔ)充摩擦計量特性。圖2.1 摩擦磨損試驗的基本系統(tǒng)進(jìn)行摩擦磨損試驗的目的就是要模擬實際的摩擦系統(tǒng)，在試驗室再現(xiàn)摩擦磨損現(xiàn)象及其規(guī)律性，以便通過選定參數(shù)的測量分析考察圖所示的工作運轉(zhuǎn)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(jī)的設(shè)計就是要依據(jù)這種目的和既定的具體任務(wù)要求，構(gòu)思形成圖所示的基本系統(tǒng)。其工作運轉(zhuǎn)變量一般要求在一定范圍內(nèi)可調(diào)，對于測試參數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要選定。2.2摩擦磨損試驗機(jī)的設(shè)計思路2.2.1確定試驗機(jī)設(shè)計要求綜合試驗機(jī)的實驗條件等因素，按摩擦磨損試驗的基本系統(tǒng)，初步確定設(shè)計要求，建立要求明細(xì)表?？紤]本試驗機(jī)的大體要求如下：（1） 接近一般工程狀態(tài)2不同的試驗要求和不同的測試狀態(tài)和范圍,都有其相應(yīng)的應(yīng)用背景和理論意義。摩擦磨損試驗中，按照摩擦形式 ，可以分為滑動摩擦、滾動摩擦和沖擊摩擦。根據(jù)對磨面條件,可以分為光滑平面、粗糙平面和磨料。從試驗速度來說，可以分為低速（ ）、工程速度（）和高速（）三個范疇。從溫度來說，可以分為低溫（零度以下），常溫和高溫。潤滑狀態(tài)可以分為無潤滑和有潤滑。氣氛可以分為真空、空氣和其他氣體氣氛。負(fù)荷狀態(tài)可以分為微負(fù)荷（mgg）和工程負(fù)荷（）。磨損形式可以分為疲勞磨損、粘附磨損、磨料磨損、微動磨損和沖擊磨損。本試驗機(jī)考慮用途較廣，接近工程狀態(tài)，滿足部分高速運動（最高速度滑動速度是50m/s），適用于實驗室測試金屬材料，塑件材料的摩擦特性的試驗條件，包括試驗速度、溫度范圍、負(fù)荷范圍、氣氛等方面，又從以金屬材料做主要摩擦