一種新型“鉆木取火”裝置的機(jī)械原理與摩擦學(xué)原理研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

一種新型“鉆木取火”裝置的機(jī)械原理與摩擦學(xué)原理研究獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘要：原始人鉆木取火，借助木塊之間的摩擦作用能夠成功取得火種，火的使用是人類歷史發(fā)展的一大里程碑，但純手動(dòng)操作使鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)旋轉(zhuǎn)極不穩(wěn)定且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。我們受到旋轉(zhuǎn)拖把脫水原理的啟示設(shè)計(jì)了一種能夠提高取火效率的取火裝置，在機(jī)械原理上我們從中心螺旋桿的螺紋升角設(shè)計(jì)、單向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行分析;在摩擦學(xué)原理上我們從織構(gòu)類型、儲(chǔ)存在微織構(gòu)里面的磨粒對取火的影響等兩個(gè)角度進(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)出最優(yōu)取火裝置。

關(guān)鍵詞：鉆木取火;機(jī)械原理;摩擦學(xué);表面織構(gòu);木制磨粒

1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1靈感來源

隨著現(xiàn)代生活水平的提高，一種手壓式旋轉(zhuǎn)拖把被發(fā)明出來。它采用了離心力的原理，通過人力上下不斷提拉拖把桿而使得拖把頭在配套的拖把桶內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)。因其可以起到很好的甩干作用并且省時(shí)省力而得到了廣泛的應(yīng)用。手壓式旋轉(zhuǎn)拖把桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為拖把頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，我們受其運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換形式的啟發(fā)而設(shè)計(jì)了一種鉆木取火機(jī)構(gòu)。

1.2機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

鉆桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)能成功轉(zhuǎn)化為鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵在與中心螺旋桿與安裝有超越離合器的攻有內(nèi)螺紋的滑塊B的嚙合作用0，如圖1所示。

1.2.1中心螺旋桿的螺紋升角設(shè)計(jì)

從保證鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)角度設(shè)計(jì)中心桿螺旋桿的螺紋升角。

從保證鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來看，如圖1所示，A是具有外螺紋的螺旋桿，B是通過自身的內(nèi)螺紋套嵌在A的外螺紋上的滑塊。A上的外螺紋相當(dāng)于卷成桶裝的斜面，為了使螺紋嚙合時(shí)不發(fā)生自鎖現(xiàn)象，中心螺旋桿螺紋的螺紋升角必須大于摩擦角，即。

從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來看，可以把滑塊與螺旋桿嚙合的過程簡化成如圖3來分析，B在下壓的過程中，其下行速度可以看成是B相對于A的速度，和A相對于地的速度的矢量和，由平行四邊形定則可知它們之間的大小關(guān)系為。因此，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來看，角越小，越有利于讓A獲得較大的速度。

其次，從力學(xué)的角度來看。如圖2所示，B在下滑的過程中會(huì)對A產(chǎn)生一個(gè)向右的分力F，由平行四邊形定則可知，在相同的壓力下，角越大，這個(gè)向右的分力F就越大，即讓A發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的加速度就越大。因此，角越大，越有利于讓中心螺旋桿A獲得較大的速度。

由此可見，角度不僅是影響鉆頭是否旋轉(zhuǎn)的重要因素，而且也是影響鉆頭旋轉(zhuǎn)快慢的一個(gè)重要參數(shù)。

1.2.2單向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖1所示的滑塊B上安裝的單向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由超越離合器來實(shí)現(xiàn)。

取火裝置的單向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滾柱式超越離合器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由爪輪1，外圈2，彈簧壓頭3和滾輪4等零件組成。如果爪輪是原始零件并沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，則滾輪4在摩擦力的作用下楔入楔形凹槽中，從而驅(qū)動(dòng)外圈旋轉(zhuǎn)。當(dāng)爪輪反轉(zhuǎn)時(shí)，滾子4被帶到溝槽的相對較大的部分而不被楔入溝槽中，從而爪輪1不能驅(qū)動(dòng)外環(huán)2旋轉(zhuǎn)，因此離合器處于分離狀態(tài);如果外圈2是原始構(gòu)件，而爪輪1是從動(dòng)構(gòu)件，則也可以實(shí)現(xiàn)單向傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且還可以實(shí)現(xiàn)分離狀態(tài)下的反向工作狀態(tài)。

2摩擦學(xué)分析

2.1鉆頭表面織構(gòu)對摩擦性能的影響

所謂表面織構(gòu)（Surfacetexture），是指在摩擦副表面通過一定的加工技術(shù)加工出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等圖案的點(diǎn)陣。研究表明0，表面織構(gòu)圖案形狀、大小以及分布密度對摩擦副的摩擦學(xué)性能都有著顯著影響，在鉆頭表面刻上表面織構(gòu)將會(huì)對鉆木取火過程產(chǎn)生影響。目前所研究的表面織構(gòu)圖案主要有：鱗片形口、凸包形、圓凹坑形和方凹坑形，以及條狀凹痕形和網(wǎng)格狀凹痕形等等0。

2.1.1織構(gòu)類型對取火的影響

吉林大學(xué)宋起飛等0對表面織構(gòu)的研究表明表面織構(gòu)增加了材料的耐磨性和摩擦因數(shù)，這對鉆頭表面織構(gòu)的選取有很大的指導(dǎo)意義。

Ulrika等0對凹痕形表面織構(gòu)的研究表明，在有潤滑的條件下，表面織構(gòu)能夠減小摩擦因數(shù)，而且網(wǎng)格狀凹痕比條紋狀凹痕減摩效果更加明顯，則取火鉆頭應(yīng)該采用條紋狀凹痕。宋起飛等0對不同表面織構(gòu)的研究表明，在耐磨性方面，凹坑狀圖案最好，條紋狀次之，網(wǎng)格狀最差，則取火鉆頭應(yīng)該采用條紋狀凹痕或者網(wǎng)格狀凹痕。表面織構(gòu)的圖案形狀、大小及分布密度等對摩擦副的摩擦學(xué)性能都有著顯著影響。Ulrika等0就表面織構(gòu)對邊界潤滑條件下滑動(dòng)接觸表面的影響進(jìn)行的研究表明，相互接觸的兩物體表面的耐磨性與物體運(yùn)動(dòng)方向和表面織構(gòu)形狀方向存在一定的關(guān)系，運(yùn)動(dòng)方向與凹痕方向平行時(shí)耐磨性最差，故取火鉆頭表面織構(gòu)可以設(shè)計(jì)成圖3所示樣式。

2.1.2儲(chǔ)存在微織構(gòu)里面的磨粒對取火的影響

機(jī)械設(shè)備摩擦副的摩擦狀態(tài)的發(fā)展與磨損顆粒的大小和數(shù)量的變化有關(guān)0。當(dāng)鉆頭被加工成表面紋理時(shí)，大量的木屑或磨料顆粒保留在紋理內(nèi)部。通常，在存在磨粒的情況下，除了磨粒之間的擠壓，切割和嚙合之外，由磨粒和基體形成的三體磨料磨損會(huì)導(dǎo)致摩擦副的摩擦系數(shù)變大，從而增加能耗和加速磨損00。在相對滑動(dòng)過程中，摩擦副會(huì)產(chǎn)生磨損碎片。磨碎的碎屑將被壓制并粘結(jié)，以形成具有大晶粒尺寸和高硬度的磨粒。磨粒的存在極大地影響了摩擦副接觸表面之間的接觸狀態(tài)。嵌入到基材的表面以形成切割槽，并且微紋理的存在可以容納磨料顆粒。摩擦產(chǎn)生的大量熱量加速了微紋理中積聚的木質(zhì)磨粒的碳化，從而提高了取火效率0。

3實(shí)驗(yàn)探究

鉆木取火時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度是一個(gè)很大的影響因素，當(dāng)我們實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)速度過快會(huì)造成桿的不穩(wěn)定，從而使桿擺動(dòng)。但轉(zhuǎn)動(dòng)速度過慢時(shí)又會(huì)導(dǎo)致木棍與木板之間因摩擦而產(chǎn)生的熱無法維持下去，從而導(dǎo)致取火不成功。因此我們通過調(diào)節(jié)螺旋裝置的壓力角和在轉(zhuǎn)動(dòng)桿上焊接一個(gè)帶有扶手的軸承裝置從而保證了高轉(zhuǎn)速下桿的穩(wěn)定性問題。

3.1中心螺旋桿螺紋升角對取火效率影響的探究

中心螺旋桿的螺紋升角的選取會(huì)影響鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、所受扭矩等等物理量，這將直接影響取火效率。我們實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)速度過快會(huì)造成桿的不穩(wěn)定，從而使中心螺旋桿產(chǎn)生劇烈擺動(dòng)從而降低取火效率;轉(zhuǎn)動(dòng)速度過慢時(shí)又會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的摩擦熱少且速度慢，最終導(dǎo)致取火失敗。因此我們通過調(diào)節(jié)螺旋裝置的壓力角和在轉(zhuǎn)動(dòng)桿上焊接一個(gè)帶有扶手的軸承裝置從而保證了高轉(zhuǎn)速下中心螺旋桿的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

我們選取了6種螺紋升角不同的螺旋桿進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，在其他實(shí)驗(yàn)條件相同的條件下分別測量鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，最終選定取火最佳的螺紋升角值為78度。

3.2鉆頭表面織構(gòu)對取火效率影響的探究

鉆頭表面織構(gòu)類型和規(guī)格的選取會(huì)影響鉆頭表面的摩擦系數(shù)和磨損率，進(jìn)而影響鉆木取火的效率。因此我們選取不同類型和規(guī)格的表面織構(gòu)進(jìn)行摩擦取火實(shí)驗(yàn)。

首先我們探究在其他條件相同的條件下，不同表面織構(gòu)對于取火時(shí)間的影響。我們分別在鉆頭上面刻蝕了多種表面織構(gòu)，測量鉆木取火所用時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，最終選定取火最佳表面織構(gòu)是條形織構(gòu)。

然后我們探究不同間距的條形織構(gòu)對于鉆木取火效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如

表3所示，最終選定最佳條形織構(gòu)間距