高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)課件

1、目 錄摘 要ABSTRACT第一章 緒 論.41.1本課題研究的學(xué)術(shù)背景及理論與實(shí)際意義41.2高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.3發(fā)展趨勢(shì)71.3.1濟(jì)南試金集團(tuán)產(chǎn)品71.3.2 美國(guó)CETR公司產(chǎn)品81.3.3 瑞士CSM公司產(chǎn)品91.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容12第二章 銷盤(pán)式高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的方案設(shè)計(jì)、分析與比較132.1試驗(yàn)機(jī)的整體分析132.2不同設(shè)計(jì)方案的制定132.2.1設(shè)計(jì)方案一132.2.2設(shè)計(jì)方案二142.2.3設(shè)計(jì)方案三152.2.4設(shè)計(jì)方案四162.3上述四種方案的分析比較162.4設(shè)計(jì)方案的確定182.5本章小結(jié)18第三章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算19

2、3.1試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)的確定193.2試驗(yàn)機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)算193.2.1電機(jī)功率的計(jì)算193.2.2同步帶傳動(dòng)的計(jì)算203.2.3主軸強(qiáng)度校核223.2.4主軸上鍵的強(qiáng)度校核233.2.5橫梁的強(qiáng)度校核：233.2.6絲杠螺母副的相關(guān)計(jì)算233.2.7軸承的校核243.3本章小結(jié)25第四章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)264.1磨損試驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)264.2摩擦球及其夾持器的設(shè)計(jì)274.3摩擦盤(pán)夾持器的設(shè)計(jì)274.4橫梁的設(shè)計(jì)304.5支架的設(shè)計(jì)314.5.1與橫梁相連接的支架314.5.2與絲杠相連的支架324.5.3與底板相連的支架344.6本章小結(jié)34第五章 結(jié) 論35參考文獻(xiàn)3

3、6致 謝37科技文翻譯及原文.38第一章 緒 論1.1本課題研究的學(xué)術(shù)背景及理論與實(shí)際意義摩擦學(xué)是由多學(xué)科組成的綜合研究領(lǐng)域，研究以機(jī)械學(xué)、表面科學(xué)與技術(shù)、摩擦學(xué)材料、摩擦化學(xué)為主，同時(shí)也涉及流體力學(xué)、固體力學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)、工程熱物理、流變學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)材料科學(xué)、信息理論等一系列學(xué)術(shù)領(lǐng)域。摩擦學(xué)研究的任務(wù)是從機(jī)械學(xué)、材料科學(xué)與表面科學(xué)的角度出發(fā)，不斷吸取相關(guān)學(xué)科的知識(shí)和最新研究成果，在更深的層次上揭示摩擦與潤(rùn)滑的實(shí)質(zhì)，探探索新原理、新功能，推動(dòng)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和減磨抗磨損技術(shù)的發(fā)展，并努力在實(shí)際中應(yīng)用，以達(dá)到節(jié)省能量、提高磨損壽命和機(jī)械工作性能、解決極端工況條件下的摩擦、磨損、潤(rùn)滑問(wèn)題

4、的目的。摩擦學(xué)的研究包括對(duì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理的模型的建立、求解、實(shí)驗(yàn)與過(guò)程仿真：摩擦、磨損、潤(rùn)滑狀態(tài)轉(zhuǎn)化失效分析、混合潤(rùn)滑熱分析及膠合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬研究：表面形貌與表面物理、表面化學(xué)特性對(duì)摩擦學(xué)過(guò)程影響的研究：為探索摩擦起源、解決分子尺度下的危機(jī)電系統(tǒng)的表面力學(xué)、潤(rùn)滑等基礎(chǔ)理論所進(jìn)行的分子動(dòng)力學(xué)、固體表面粘著接觸的微觀力學(xué)和碳納米管操縱的研究：以解決納米工程中的摩擦問(wèn)題為目標(biāo)的有序分子膜、超滑技術(shù)、納米級(jí)不薄膜潤(rùn)滑性能數(shù)值計(jì)算：與摩擦學(xué)、表面力學(xué)性能相關(guān)的微材料力學(xué)、功能材料力學(xué)性能研究、金剛石膜、類金剛石膜、Fe-N系膜制備及其性能研究：針對(duì)磁頭磁盤(pán)性能進(jìn)行的納米顆粒材料.亞

5、納米級(jí)拋光、磁頭表面改性研究：針對(duì)材料表面改性、表面強(qiáng)化而進(jìn)行的準(zhǔn)晶態(tài)合金涂層評(píng)定方法研究：電流變液應(yīng)用基礎(chǔ)、金屬/陶瓷摩擦副縫紉摩擦系數(shù)主動(dòng)控制研究：摩擦化學(xué)理論。原理。設(shè)計(jì)，以及金屬磨損力化學(xué)修復(fù)原理與技術(shù)研究：大型機(jī)械運(yùn)行過(guò)程建模、失效分析與故障診斷與基于油液分析的狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究：新型潤(rùn)滑理論和潤(rùn)滑技術(shù)研究、新型摩擦學(xué)材料和潤(rùn)滑介質(zhì)的分析與研制。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是摩擦學(xué)領(lǐng)域不可或缺的研究手段和工具，歲隨著摩擦學(xué)研究的擴(kuò)展，各種形式和不同工況的摩擦試驗(yàn)機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生近年來(lái)，隨著我國(guó)航天、軍工及鐵路提速等重大項(xiàng)目的啟動(dòng)，對(duì)材料在高溫高速等極限條件下的耐磨性能提出了更高的要求，高溫（800）高速（摩

6、擦線速度為100m/s）摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)就是應(yīng)河南省耐磨材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的要求，開(kāi)發(fā)研制的研究材料在高溫高速條件下耐磨性能所必須的模擬評(píng)定測(cè)試設(shè)備。早在2001年，該項(xiàng)目的立項(xiàng)就已經(jīng)通過(guò)了由中科院蘭化所薛群基院士、西北工業(yè)大學(xué)傅恒志院士、黨鴻辛院士以及清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、西南交通大學(xué)、武漢材料保護(hù)研究所等單位摩擦學(xué)學(xué)者組成的專家組的審核。 對(duì)于高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)說(shuō)，最重要的指標(biāo)就是溫度和速度，經(jīng)過(guò)技術(shù)查新咨詢，目前在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)研制過(guò)最高溫度500，摩擦線速度3.8m/s的GWMJ-1型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)；北方交通大學(xué)曾自制過(guò)簡(jiǎn)易高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，技術(shù)指標(biāo)為：常溫，轉(zhuǎn)速：4500

7、r/min；宣化試驗(yàn)機(jī)廠開(kāi)發(fā)的MG-2000型高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，控制溫度最高也能達(dá)到800，但主軸轉(zhuǎn)速最高3200r/min。 而本機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：溫度1000，主軸轉(zhuǎn)速3000r/min。經(jīng)技術(shù)查新咨詢，國(guó)際上尚無(wú)此類試驗(yàn)機(jī)的文獻(xiàn)資料。 該項(xiàng)目的研制成功，為摩擦學(xué)界提供了一種前所未有的實(shí)驗(yàn)手段，是當(dāng)今試驗(yàn)機(jī)領(lǐng)域首創(chuàng)的高溫高速模擬評(píng)定測(cè)試設(shè)備，是集機(jī)、電、液、微機(jī)控制于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，不僅能更進(jìn)一步推動(dòng)摩擦學(xué)科的發(fā)展，把材料學(xué)、摩擦學(xué)的研究帶到一個(gè)新的高度，而且能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，目前，沈陽(yáng)金屬研究所、中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所、中國(guó)科學(xué)院武漢材料保護(hù)研究所等單位均對(duì)該機(jī)表現(xiàn)了濃

8、厚的興趣，該機(jī)推廣應(yīng)用的前景非常廣闊。1.2高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)有多種分類方式，例如載荷范圍、摩擦運(yùn)動(dòng)方式、摩擦副等。據(jù)統(tǒng)計(jì)大概有200多種，可以按不同方法進(jìn)行分類。最具有代表性的是前蘇聯(lián)按模擬摩擦面的破壞形式將摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分類。早期的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)純粹的機(jī)械搭建起來(lái)的機(jī)器。它通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)摩擦副往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)評(píng)定被測(cè)材料和油脂的特性。被測(cè)材料或油脂經(jīng)過(guò)試驗(yàn)機(jī)的磨損后需要人為的取出然后做進(jìn)一步的稱重，表面紋理的觀測(cè)等，再經(jīng)過(guò)手動(dòng)計(jì)算測(cè)出材料的特性。這種實(shí)驗(yàn)機(jī)僅僅能進(jìn)行簡(jiǎn)單的靜力加載，而且實(shí)驗(yàn)溫度和電機(jī)扭矩等參量都沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)，很難與實(shí)際情況相適應(yīng)。因?yàn)槎嗌?/p>

9、材料在實(shí)際應(yīng)用中的磨損所受的壓力都為變力，如圖1-1為往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 1變頻電機(jī)；2曲柄盤(pán)；3連桿；4滑座；5試件；6磨頭測(cè)溫計(jì)；7配重砝碼；8摩擦力傳感器；9磨頭；10支撐臂；11位移傳感器；12支架；13加熱裝置；14計(jì)算機(jī)及電氣控制系統(tǒng)；15轉(zhuǎn)速計(jì)圖1-1 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖進(jìn)入上世紀(jì)90年代后，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的構(gòu)造逐漸完善，并且開(kāi)始引入初級(jí)的測(cè)控系統(tǒng)。由于這些試驗(yàn)機(jī)在檢測(cè)性能和自動(dòng)化程度方面存在許多不足，有些試驗(yàn)機(jī)只能實(shí)現(xiàn)單參數(shù)控制，且大量數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算結(jié)果需要由人工來(lái)完成，已經(jīng)不適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求。變頻電機(jī)經(jīng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)托架往復(fù)運(yùn)動(dòng)，試件安裝在托架上并隨托架一起運(yùn)

10、動(dòng)，試件固定在活動(dòng)基座上。工作載荷由砝碼的重力產(chǎn)生，彈性支撐臂在摩擦力的作用下水平擺動(dòng)，在小幅度情況下，位移與摩擦力成正比。支撐臂的另一端與位移傳感器靠近，其垂直方向的位移量反映出試件磨損量的變化。工作時(shí)，托架導(dǎo)軌中必須加注潤(rùn)滑油。為使試驗(yàn)機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、輕快，并具有較長(zhǎng)的使用壽命，采用了精密直線導(dǎo)軌。這種試驗(yàn)機(jī)的缺點(diǎn)是它的負(fù)載不是連續(xù)加載的，而是通過(guò)砝碼的重量來(lái)實(shí)時(shí)加載，這樣試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)并不是連續(xù)的變化量，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，據(jù)測(cè)算誤差高達(dá)25%。雖然該機(jī)器模擬了真實(shí)的工作情況，但是其測(cè)控系統(tǒng)仍然存在很多問(wèn)題。比如在溫度的測(cè)量上，它所測(cè)得的溫度并不是摩擦面的真實(shí)溫度，他測(cè)得摩擦頭溫度

11、與實(shí)際有一定誤差，而且在加熱裝置中并不是閉環(huán)的控制系統(tǒng)，使得溫度的控制也有一定的誤差。要想模擬實(shí)際工況，需在試驗(yàn)中能對(duì)傳動(dòng)的速度，沖擊的力量、頻率，潤(rùn)滑的條件等方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，同時(shí)需對(duì)試驗(yàn)中摩擦力、沖擊力、溫度、載荷、速度、磨損率等工作參數(shù)或摩擦學(xué)特性參數(shù)等能實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。近十年來(lái)隨著工程實(shí)際對(duì)材料性能的準(zhǔn)確性要求越來(lái)越高，隨著現(xiàn)代自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)和虛擬儀器迅速發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)在控制、測(cè)量和數(shù)據(jù)分析等方面的應(yīng)用，因此摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。目前應(yīng)用的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)自動(dòng)化控制，可以按照給定程序自動(dòng)進(jìn)行連續(xù)的壓力加載，同時(shí)通過(guò)各種傳感器與調(diào)理電路直接及CUP的

12、運(yùn)算直接直觀的給出材料的各種性能，更加智能化。例如電磁加載、液壓加載等技術(shù)配合相應(yīng)軟件的使用可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的恒力模式、線性增量模式等任意動(dòng)態(tài)模式加載。動(dòng)態(tài)加載技術(shù)的應(yīng)用不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜工況更真實(shí)的模擬，而且可以消除高速運(yùn)轉(zhuǎn)下傳統(tǒng)機(jī)械加載帶來(lái)的誤差。目前有許多摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)利用LabVIEW平臺(tái)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 開(kāi)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I abVIEW 內(nèi)嵌的C語(yǔ)言子程序使系統(tǒng)具有靈活而又強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。1.3 發(fā)展趨勢(shì)雖然目

13、前摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)發(fā)展已經(jīng)得到了很大發(fā)展，但是在某些領(lǐng)域仍然有待提高。例如在航空航天機(jī)械內(nèi)部的摩擦是真空狀態(tài)極限溫度下的高負(fù)荷工作，如何能夠貼近于現(xiàn)實(shí)的模擬這類惡劣的工作環(huán)境進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)仍然是一個(gè)難題。雖然目前國(guó)內(nèi)對(duì)此也有一些特種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的問(wèn)世，但這些目前還無(wú)法形成商用，而且處于摸索階段,以下是國(guó)內(nèi)外公司的一些關(guān)于高溫高壓摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的產(chǎn)品。1.3.1濟(jì)南試金集團(tuán)產(chǎn)品圖 1-2是濟(jì)南試金集團(tuán)的一種產(chǎn)品的圖片。圖 1-2 屏顯式材料端面高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)MM-U5G該試驗(yàn)機(jī)主要用途：該系列試驗(yàn)機(jī)是以滑動(dòng)摩擦形式，在室溫或高溫以及改變潤(rùn)滑狀態(tài)（無(wú)油潤(rùn)滑或浸油潤(rùn)滑）、負(fù)荷、速度、摩擦配偶材

14、料、摩擦副表面粗糙度、硬度等參數(shù)的各種情況下，對(duì)環(huán)狀試樣施加較高的端面試驗(yàn)力進(jìn)行試驗(yàn)。主要用于評(píng)定工程塑料、粉末冶金、合金軸承等材料在不同條件下的摩擦性能，可應(yīng)用于選擇摩擦副配對(duì)材料及材料抗磨損性能的研究。表 1-1是該公司試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格及參數(shù)：表 1-1 濟(jì)南試金集團(tuán)試驗(yàn)機(jī)的主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)MM-U5GMM-U10G力范圍15 kN10 kN驗(yàn)力精度±1%±1%主軸轉(zhuǎn)速范圍102000 r/min3002800 r/min主軸轉(zhuǎn)速測(cè)量精度± 10 r/min± 10 r/min最大摩擦力300 N500 N摩擦力精度±2%

15、±3%溫度測(cè)控范圍室溫600 室溫600 溫度測(cè)控精度±2 時(shí)間設(shè)定1 s9999 min試驗(yàn)機(jī)外形尺寸 （長(zhǎng)×寬×高）1200×870×1700試驗(yàn)機(jī)凈重850 kg試驗(yàn)機(jī)在下列條件下正常工作：(1) 在室溫10 35 的范圍內(nèi)；(2) 相對(duì)濕度不大于80%的環(huán)境中；(3) 周圍無(wú)震動(dòng)，無(wú)腐蝕性和無(wú)強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中；(4) 電源電壓的波動(dòng)范圍不應(yīng)超過(guò)額定電壓的±10%；頻率的波動(dòng)不應(yīng)超過(guò)額定頻率的±2%；(5) 地面安裝，水平度為0.2/1000 1.3.2 美國(guó)CETR公司產(chǎn)品圖 1-3是美國(guó)CETR公司的多

16、功能磨損試驗(yàn)機(jī)的實(shí)物圖：圖 1-3 多功能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)/ UMT TESTER生產(chǎn)廠家：CETR(Center of trobology)，美國(guó) 規(guī)格指標(biāo)：(1) 最大垂直移動(dòng)距離：100 mm；定位精度：0.5 m；速度：0.00110 mm/s； (2) 最大橫向移動(dòng)距離：75 mm； 定位精度：2 m； 速度：0.010 mm/s； (3) 上試件旋轉(zhuǎn)速度：150 RPM； (4) 最大載荷：25 kg (0.25 kN)；力傳感器測(cè)量范圍：0.220 N(0.02 2 kg )； (5) 分辨率：0.05 N (5 g) ； (6) 溫度測(cè)量范圍：0 100 ； (7) 聲發(fā)射傳感器

17、響應(yīng)頻率：0.55.5 MHz 功能介紹：試驗(yàn)機(jī)的主要功能可進(jìn)行多功能微摩擦試驗(yàn)和拋光試驗(yàn)。前者可作為多功能微摩擦試驗(yàn)機(jī)，可以在較大的載荷范圍內(nèi)進(jìn)行銷-盤(pán)式、往復(fù)式、四球式等摩擦磨損試驗(yàn)，還可以用來(lái)進(jìn)行刻劃試驗(yàn)以評(píng)價(jià)薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度，也可以用來(lái)測(cè)量材料的微觀硬度。后者可以模擬實(shí)際拋光的各種條件，如溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、被拋光材料、拋光墊材料、拋光液等等，可以用來(lái)研究以上多個(gè)工藝參數(shù)對(duì)拋光速率及拋光質(zhì)量的影響。1.3.3 瑞士CSM公司產(chǎn)品圖 1-4是瑞士CSM公司的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。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

18、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：(1) 納米摩擦測(cè)試儀 NTR（Nano-tribometer）；(2) 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)；(3) 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)；(4) 磨損測(cè)試儀 CAW（Calowear）；(5) 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

19、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(guò)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：(1) 主機(jī)（CSM Tribometer）(2) 計(jì)算機(jī)通信接口（PC interface box）(3) 數(shù)據(jù)處理工作站（Computer workstation）(4) 儀器操作及數(shù)據(jù)處理軟件（WinXP平臺(tái)）(5) 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：(1) 主機(jī)（Tribometer）：500 ×320 mm，550 mm height(2) 計(jì)算機(jī)

20、接口（PC interface）：500 ×300 mm，50 mm height(3) 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：(1) 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；(2) 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(wú)摩擦切向力傳感器；(3) 當(dāng)盤(pán)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；(4) 通過(guò)測(cè)量材料的損失體積可計(jì)

21、算壓頭和樣品的磨損系數(shù)。我認(rèn)為在未來(lái)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)會(huì)向以下幾個(gè)方向發(fā)展：（1）使用高性能的機(jī)械系統(tǒng)和加載系統(tǒng)。高調(diào)速比、高穩(wěn)定性并可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的變頻電機(jī)、伺服電機(jī)等高性能電機(jī)的使用將使試驗(yàn)機(jī)的機(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。高性能電機(jī)配合相應(yīng)機(jī)械機(jī)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)振動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)方式。（2）高精度測(cè)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的應(yīng)用。通過(guò)各種高精度傳感器和控制器，可實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)實(shí)時(shí)原位動(dòng)態(tài)采集，并可通過(guò)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)設(shè)定摩擦試驗(yàn)機(jī)的工作方式和運(yùn)行參數(shù)。計(jì)算機(jī)工作站等將引入摩擦測(cè)試系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理，并可對(duì)摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)

22、矩、速度、行程等關(guān)鍵參量自動(dòng)數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示、存儲(chǔ)和打印。(3)實(shí)驗(yàn)溫度的變化。由于未來(lái)材料需要能在高溫下作用，因此對(duì)材料在高溫條件下的摩擦實(shí)驗(yàn)越來(lái)越重要。（4）試驗(yàn)系統(tǒng)的多樣化。在未來(lái)發(fā)展的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)中會(huì)出現(xiàn)多功能融合的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，即可以進(jìn)行油脂的評(píng)定同時(shí)也可以進(jìn)行材料的磨損試驗(yàn)。1.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容在本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容主要涉及到的是銷盤(pán)式高溫高壓摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械部分，不包含試驗(yàn)機(jī)的軟件和電路部分，其中包含方案設(shè)計(jì)、分析與比較；主要還是研究摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)涉及的相關(guān)計(jì)算（其中包括試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)的確定、試驗(yàn)機(jī)的主傳動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)算、電機(jī)的選擇、主軸的計(jì)算及校核，軸

23、承的校核等）；其次是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；最后附帶設(shè)計(jì)圖紙及外文翻譯。 第二章 銷盤(pán)式高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的方案設(shè)計(jì)、分析與比較2.1試驗(yàn)機(jī)的整體分析試驗(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(pán)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。2.2不同設(shè)計(jì)方案的制定通過(guò)比較，初步定下下面四種方案：2.2.1設(shè)計(jì)方案一：圖 2-1是設(shè)計(jì)方案一的方案圖。圖2-1 設(shè)計(jì)方案一的方案圖設(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(guò)V帶和帶輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)摩擦盤(pán)

24、旋轉(zhuǎn)；(2) 加載系統(tǒng)：采用伺服控制連續(xù)加載；(3) 摩擦盤(pán)夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤(pán)夾持器夾持摩擦盤(pán)，摩擦盤(pán)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(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤(pán)帶動(dòng)橫梁內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過(guò)絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)控制摩擦銷的沿摩擦盤(pán)的軸向進(jìn)給；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和編碼器帶動(dòng)立柱上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠螺母副改變橫梁的豎直方向的位置，來(lái)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。2.2.2設(shè)計(jì)方案二：圖 2-2是設(shè)計(jì)方案二的方案圖。圖 2-2 設(shè)計(jì)方案二的方案圖設(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)

25、機(jī)通過(guò)連軸器和主軸直接相連，帶動(dòng)摩擦盤(pán)旋轉(zhuǎn)；(2) 加載系統(tǒng)：采用彈簧加載；(3) 摩擦盤(pán)夾持系統(tǒng)：采用螺栓螺母副將摩擦盤(pán)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(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤(pán)帶動(dòng)橫梁內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過(guò)絲杠螺母的相互運(yùn)動(dòng)控制摩擦銷的沿摩擦盤(pán)的軸向進(jìn)給；通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和編碼器帶動(dòng)立柱上的絲杠旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠螺母副改變橫梁的豎直方向的位置，來(lái)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。2.2.3設(shè)計(jì)方案三：圖 2-3是設(shè)計(jì)方案三的方案圖。圖 2-3 設(shè)計(jì)方

26、案三的方案圖設(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(guò)連軸器和主軸直接相連，帶動(dòng)摩擦盤(pán)旋轉(zhuǎn)；(2) 加載系統(tǒng)：采用傳統(tǒng)的彈簧加載；(3) 摩擦盤(pán)夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤(pán)夾持器夾持摩擦盤(pán)，摩擦盤(pán)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(guò)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(guò)絲杠螺母副帶動(dòng)立柱和橫梁一起水平運(yùn)動(dòng)，來(lái)控制摩擦銷的沿摩擦盤(pán)的軸向進(jìn)給；通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤(pán)帶動(dòng)立柱內(nèi)的一根絲杠，經(jīng)過(guò)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(lái)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。2

27、.2.4設(shè)計(jì)方案四：圖 2-4是設(shè)計(jì)方案四的方案圖。圖 2-4 設(shè)計(jì)方案四的方案圖設(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(guò)V帶和帶輪驅(qū)動(dòng)主軸，帶動(dòng)摩擦盤(pán)旋轉(zhuǎn)；(2) 加載系統(tǒng)：采用傳統(tǒng)的砝碼加載；(3) 摩擦盤(pán)夾持系統(tǒng)：采用特制的摩擦盤(pán)夾持器夾持摩擦盤(pán)，摩擦盤(pán)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(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪和分度盤(pán)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(lái)控制摩擦銷的沿摩擦盤(pán)的軸向進(jìn)給；通過(guò)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(lái)代替移動(dòng)控制摩擦銷的豎直位置；(5) 加熱

28、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。2.3上述四種方案的分析比較方案一采用V帶傳動(dòng)，可以緩和載荷沖擊而且運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)噪聲，制造安裝精度要求不是很嚴(yán)格，并且可以防止過(guò)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)。主軸外無(wú)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(pán)控制銷子沿盤(pán)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，

29、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(guò)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(wú)法有效進(jìn)行，安裝維修也不方便。摩擦盤(pán)通過(guò)中間的螺栓孔與主軸上端直接相連，不易保持盤(pán)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(pán)的中間打孔也很難實(shí)現(xiàn)，并且盤(pán)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(pán)控制銷子沿盤(pán)的

30、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(guò)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。而且主軸外無(wú)冷卻系統(tǒng)，使得在工作情況下，加熱爐內(nèi)的熱量通過(guò)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(pán)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。

31、手輪和分度盤(pán)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(pán)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(guò)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(wú)噪聲，且同步帶傳動(dòng)無(wú)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(pán)夾持器保證了摩擦盤(pán)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)

32、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(pán)控制橫梁和立柱的整體位移來(lái)控制摩擦銷沿摩擦盤(pán)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。2.4設(shè)計(jì)方案的確定通過(guò)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)。2.5本章小結(jié)(1) 通過(guò)幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)部分的不同的方案組合，給出四種不同的試驗(yàn)機(jī)總體設(shè)計(jì)方案；(2) 綜合分析比較四種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)；(3) 經(jīng)過(guò)比較，得到這四種方案中最為合理的設(shè)計(jì)方案。第三章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)計(jì)算3.

33、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：(1)主軸轉(zhuǎn)速范圍：03000 r/min，無(wú)級(jí)調(diào)速；(2)工作最高溫度：1000 ；(3)加載力的范圍：020 N,采用砝碼加載；(4)樣品盤(pán)尺寸：最大直徑 d=80 mm,最大厚度 h=10mm；(5)最大試驗(yàn)力：20N。3.2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(lái)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(pán)夾持器摩擦盤(pán)3.2.1電機(jī)功率的計(jì)算【1，材料力學(xué)，2，機(jī)械設(shè)計(jì)】： 取摩擦盤(pán)和摩擦銷

34、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= (3-1)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是摩擦力作用的相對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的距離(m)；則Pm同步帶的傳動(dòng)效率 198%滾動(dòng)軸承的傳動(dòng)效率 298%故電動(dòng)機(jī)的輸出功率 P出 , 為使電動(dòng)機(jī)的功率留有余量，負(fù)荷率取：0.85PP出/0.850.262/0.850.308Kw 根據(jù)參考資料可知，選擇的電機(jī)型號(hào)為： Y801-4該電機(jī)的主要參數(shù)為： 額定功率 P=0.55Kw ；額定電流 3.8 A ；額定轉(zhuǎn)矩 10 Nm ； 同步

35、轉(zhuǎn)速 1500 r/min ；3.2.2同步帶傳動(dòng)的計(jì)算：【3機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)】(1) 計(jì)算功率：Pd= =0.36 Kw 式中： 是同步帶傳動(dòng)的工作情況系數(shù)見(jiàn)表3-1，表3-1工作情況系數(shù)據(jù)資料可取1.20，對(duì)增速傳動(dòng)，須將下列數(shù)字加進(jìn)本表的 中，R=2，所以=1.2+0.2=1.4 (2) 選擇帶型和節(jié)距，由圖3-1梯形同步帶選型圖可查得：圖3-1梯形同步帶選型圖選擇L型同步帶，且節(jié)距p9.525 mm ；(3) 齒數(shù)：可根據(jù)同步帶的最小許用齒數(shù)確定。查表3-2得：表3-2帶輪最小許用齒數(shù)選小帶輪齒數(shù)： =16。故大帶輪齒數(shù)為：= =32故：=16,=32帶輪節(jié)圓直徑：令D1、D2分別是兩個(gè)帶

36、輪的節(jié)圓直徑，則：D1 = mm mm （4）驗(yàn)證帶速： 其中= 40m / s；式中：n是小帶輪的轉(zhuǎn)速，r/min；由表3-3同步帶允許最大線速度查得。表3-3同步帶允許最大線速度式中： n是小帶輪的轉(zhuǎn)速，r/min；（5）初定中心距a： （3-2）令（6）初定帶的節(jié)線長(zhǎng)及齒數(shù)z： 取標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度： mm；齒數(shù)z56 ； （7）實(shí)際中心距： （7） 小帶輪嚙合齒數(shù)： （8）基本額定功率P0： （9）帶寬b： 式中： （10）軸上載荷：N 3.2.3主軸強(qiáng)度校核：【2機(jī)械設(shè)計(jì)十五章】 主軸受到的扭轉(zhuǎn)力矩的作用遠(yuǎn)大于軸向力，軸向力對(duì)軸的作用可以忽略不計(jì)，僅考慮扭轉(zhuǎn)力矩對(duì)軸的作用即可。切應(yīng)力： （

37、3-3） 式中： WT是軸的抗扭截面系數(shù)(mm3)；P是軸傳遞的功率(Kw)；n是軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；許用切應(yīng)力（MPa）；C是與軸截面有關(guān)的系數(shù)。則軸的最小直徑： （3-4） 主軸的材料選擇 1Gr16N35；可取 ； mm即主軸上直徑最小處：mm3.2.4主軸上鍵的強(qiáng)度校核：【3，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)】 鍵的尺寸初步定為，則該鍵連接所能傳遞的轉(zhuǎn)矩： (3-5)式中： d是軸的直徑；是鍵的接觸長(zhǎng)度；h是鍵的高度；p是許用壓強(qiáng)；取，則 Nm 由于軸上受到的力最大為20 N，T遠(yuǎn)大于軸上實(shí)際受到的扭矩。故鍵的強(qiáng)度滿足要求。3.2.5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

38、銷與橫梁不是緊密接觸，也就是力不是直接作用在橫梁上。因而橫梁受到的力很小，可以忽略不計(jì)，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。3.2.6絲杠螺母副的相關(guān)計(jì)算：【3，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)】 該絲杠螺母副主要用于傳遞運(yùn)動(dòng)，來(lái)控制摩擦銷沿摩擦盤(pán)的徑向位移。而沒(méi)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： (3-6) 式中： 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x1；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L40 mm；設(shè)計(jì)使螺紋移

39、動(dòng)l=40mm時(shí)，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)8圈，即： rad mm 由此可知： mm 螺紋中徑： (3-7) 式中： 是螺母形式參數(shù)，整體式螺母取1.22.5，分體式螺母取2.53.5；pp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)，取： mm ；螺母高度： mm 旋和圈數(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: 4°30 螺紋牙根部的寬度： mm 3.2.7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。這三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

40、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。3.3本章小結(jié)(1) 根據(jù)相關(guān)資料，確定試驗(yàn)機(jī)的主要性能指標(biāo)；(2) 分別對(duì)電機(jī)、同步帶、主軸、鍵、絲杠螺母、軸承等部分進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的強(qiáng)度校核。第四章 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1磨損試驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)用CAD做出的二維裝配圖的整體外觀效果如圖 4-1所示。（a）(b)圖4-1摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的二維裝配圖4.2摩擦球及其夾持器的設(shè)計(jì)適合于高溫摩擦磨損測(cè)試儀的測(cè)試球尺寸有 1.5 毫米、3 毫米、6 毫米、10 毫米（均為直徑）?？梢詾椴煌睆降哪Σ燎蚺鋫洳煌瑑?nèi)徑的夾持器。摩擦球夾持器設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 4-2

41、：(a)圖 4-2 摩擦球夾持器夾持器中間為中空結(jié)構(gòu)，后面有螺紋，只需將測(cè)試球從夾具的后端放入并應(yīng)用配套的零件旋緊即可。針對(duì)高溫摩擦測(cè)試熱脹冷縮的特點(diǎn)，可以在夾具中心加入微型彈簧以保證測(cè)試球始終保持被夾緊狀態(tài)。4.3摩擦盤(pán)夾持器的設(shè)計(jì)由于摩擦盤(pán)尺寸相對(duì)較小，對(duì)于脆性材料摩擦盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)，摩擦盤(pán)的加工尤其是鉆中心孔難度很大，因此采用螺栓直接固定不適合。設(shè)計(jì)成專用的摩擦盤(pán)夾持器，如圖4- 3所示：(a)（b）圖 4-3 摩擦盤(pán)夾持器用螺紋副將摩擦盤(pán)夾持器固定在主軸上，使之隨主軸一起旋轉(zhuǎn)。在摩擦盤(pán)下面加上一個(gè)墊片，直徑大小和摩擦盤(pán)相當(dāng)，但厚度可調(diào)，裝卸方便，用于夾緊不同厚度的摩擦盤(pán)，使這個(gè)夾持器更加通

42、用化。在摩擦盤(pán)外面用一個(gè)盤(pán)蓋定位，用螺栓緊固夾緊。盤(pán)蓋的結(jié)構(gòu)如圖 4-3(b)所示：對(duì)于特殊形狀而且尺寸較小的試件，例如可轉(zhuǎn)位車刀刀片等，可以采用特制的鎳合金盤(pán)型夾具來(lái)固定，如圖 4-4所示：（a）（b）圖 4-4 可轉(zhuǎn)位車刀專用夾具4.4橫梁的設(shè)計(jì)將球安裝在一支倔強(qiáng)系數(shù)很大的杠桿上，該杠桿被設(shè)計(jì)為無(wú)摩擦切向力傳感器，當(dāng)盤(pán)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(guò)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)。橫梁的設(shè)計(jì)如圖 4-5：(a)(b)圖 4-5 橫梁在橫梁的兩側(cè)可以加上線性差分位移傳感器。

43、摩擦銷受力引起橫梁中間的杠桿的微變形，位移傳感器檢測(cè)并指示出相對(duì)應(yīng)的力的大小。橫梁的兩個(gè)臂上開(kāi)的槽是為了提高測(cè)量的靈敏度；橫梁兩側(cè)與支架相連的部分有個(gè)5 mm的凸起，是為了使橫梁的杠桿部分與其他零件分隔開(kāi)，測(cè)量過(guò)程中減少部件之間的摩擦對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。橫梁右端的孔與摩擦銷的配合采用過(guò)渡配合，既可以保證摩擦銷的位置精度，又可以盡量避免和銷在豎直方向上的摩擦力作用，以減少加載時(shí)對(duì)加載力精度的影響。4.5支架的設(shè)計(jì)：此試驗(yàn)機(jī)用到的的支架有三種形式，它們受的力都很小，滿足結(jié)構(gòu)要求的支架就能夠滿足受力的要求。4.5.1與橫梁相連接的支架：該支架的作用是支撐、固定橫梁，并帶動(dòng)橫梁一起繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。圖 4-

44、6是不同角度下橫梁的二維圖。（a）(b)圖 4-6 橫梁不同角度的視圖4.5.2與絲杠相連的支架：該支架的作用是為橫梁的旋轉(zhuǎn)提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，并且和絲杠相配合，控制摩擦銷沿摩擦盤(pán)的軸向位置。橫梁的旋轉(zhuǎn)角度范圍是由該支架的結(jié)構(gòu)所限制的。圖 4-7是不同角度時(shí)與絲杠相連的支架的視圖。(a)(b)圖 4-7 與絲杠相連的支架不同角度的視圖橫梁的旋轉(zhuǎn)角度的極限位置是由結(jié)構(gòu)上的橫擋板和45°的斜面限制的，它們和上述支架下端的兩個(gè)面的相互作用來(lái)保證了旋轉(zhuǎn)的位置。由于旋轉(zhuǎn)僅僅為了使摩擦盤(pán)和摩擦銷分開(kāi)，或者裝卸摩擦銷，而對(duì)具體的旋轉(zhuǎn)角度精度要求不是非常高，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)完全可以滿足精度要求。4.5.3與底板相連的支架：圖 4-8是不同角度時(shí)與底板相連的支架的視圖。（a）圖 4-8 與底板相連的支架不同角度的視圖該零件的作用是連接底板和上面的零件，為絲杠和導(dǎo)桿提供支撐，使上面的零件能夠較為精確的到達(dá)要求的位置。4.6本章小結(jié)(1) 分別對(duì)試驗(yàn)機(jī)整體、摩擦球夾持器、摩擦盤(pán)夾持器、橫梁和主要的支架進(jìn)行功能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；(2) 對(duì)試驗(yàn)機(jī)的部分零件和結(jié)構(gòu)給出CAD二維圖形表示。第五章 結(jié) 論高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是進(jìn)行高溫高速