基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用_图文

1、分类号密级单位代码基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用刘硕指导教师朱新河职称教授学位授予单位大连海事大学申请学位级别工学硕士学科与专业轮机工程论文完成同期年月论文答辩同期年月答辩委员会主席即窑送，中文摘要摘要本文以塑料水润滑轴承摩擦磨损试验机的整个设计过程为例，首先分析了国内外塑料尼龙轴承的发展现状及面临的问题，介绍了水润滑轴承应用的国内外背景；然后详细阐述了整个试验机的设计过程，包括试验机机械部分的设计校核以及虚拟仪器技术在试验机测量控制系统方面的应用；文章最后用设计完成的塑料尼龙轴承摩擦磨损试验机对两种不同成分的尼龙轴承材料进行了测试分析。在机械结构设计方案中，针对试验机摩擦副具

2、体情况设计了加载与测量的方式，对试验机的传动系统、加载系统、润滑系统进行设计，对重要的零件进行校核。这一部分的主要工作包括试验机传动系统中传动轴的设计以及联结健的校核、轴承与轴承座的选择与校核、联轴器的选择；加载系统中丝杠加杠杆这一手动加载方式的设计；试验机控制柜的设计等。在测控平台的设计中，通过虚拟仪器技术搭建试验机的测量与控制系统，选择合适的数采设备对试验机的测量信号进行测量，将试验机的测量信号通过数采设备实时地传入上位机电脑进行显示、分析和存储，对虚拟仪器的开发环境进行介绍，并以设计完成了试验机的测试分析软件。塑料尼龙轴承摩擦磨损试验机的实际应用结果表明：所设计的试验机可以比较准确地对塑

3、料尼龙轴承的值进行测试，从而为相关产品的检验和生产控制提供依据。同时也表明虚拟仪器技术在测控方面的应用可以大大的提高测控系统的开发效率、缩短开发时间及降低开发难度。关键词：磨损实验；虚拟仪器；尼龙轴承英文摘要，；，；，；，英文摘要，：；基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用第章概述长期以来，机械传动系统中的各种摩擦副，往往都是由金属构件组成的，并以油作为润滑介质和工作介质，不仅耗费了大量油料和贵重有色金属等战略资源，还很难降低或减少各种摩擦副因运动而产生的摩擦、磨损、振动、冲击、噪声、无功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，特别是存在由于油泄漏而污染环境的弊端。鉴于此，各国都在进行水润滑轴

4、承的研究工作。水润滑轴承的特点同传统油润滑机械传动相比较，水作介质的机械传动有如下两大突出特点：（）以水替代油作为润滑介质，它的比热相当于油的两倍，温升不大，粘温特性平稳，粘度较低，无功能耗较小，不燃烧，使用安全，且在绝大多数地方是取之不尽的资源，特别是没有污染的问题。（）以非金属替代金属作为摩擦副材料。根据雷诺（）方程，轴承负荷能力与粘度，（润滑膜厚度）成正比，水的粘度通常是油的以下，与油相比，最小水膜厚度变得很小，而金属材料的特性是弹性系数大、硬度高，理论水膜厚度小于金属表面微观不平度，不可能形成润滑水膜，不能进行流体润滑。同时，水对金属的腐蚀也不可忽视。因此，必须寻找一种耐水体腐蚀，既有

5、承载能力又有一定弹性的亲水材料。目前研究较多的是橡胶、塑料、工程陶瓷及特种高分子复合材料等。这些材料与水的润滑作用具有较好的匹配性。水润滑轴承的发展现状由于水润滑轴承拥有无污染，节省能源、安全等特性，所以在近些年来发展迅速。早期的水润滑轴承主要由一种天然的植物铁犁木制成，但现在铁犁木资源日见枯竭，加拿大赛龙轴承公司在加拿大政府的资助下，专门研制生产出了由三次交叉结晶热凝性树脂制造的聚合物，也就是现在的赛龙轴承【。与早期的铁犁木相比，赛龙有如下显著优点：（）低摩擦。赛龙轴承的干摩擦系数是铁梨木的一半。第章概述（）使用寿命特长，抗磨能力强。因为赛龙的弹性特性，当摩擦粒子进入轴承内部，即被压入赛龙里

6、面，然后依靠弹力随着轴滚动，掉入水槽后排出外面，不会卡在轴承上，形成另一摩擦源，因此，能将轴承和轴的磨损降到最低。（）赛龙可以在一定的时间内干运转，不需预先用水润滑。所以即使水泵抽水时发生中断，也不会损坏轴承。把密封式强制润滑轴承转变为水润滑的赛龙系统，可以避免因润滑系统故障造成轴承的损坏。所以赛龙广泛地运用在艉轴承舵轴承、辅机轴承、泵业等行业口。由于赛龙轴承的生产被一家公司所垄断，价格比较昂贵。近些年来酚醛树脂、尼龙、橡胶、聚四氟乙烯等材料也被用来做水润滑轴承。塑料轴承作为水润滑轴承的一种，不但具备以上所有水润滑轴承的优点，还有材料便宜，易于合成等特点，所以在船舶机械中广泛运用，如水泵轴承，

7、小型船舶的舵机轴承等，都可以采用塑料轴副列。目前，国外的塑料轴承发展非常快，应用范围较广泛。而塑料轴承在我国尚处于起步阶段，现在国内生产塑料轴承的厂家很多，但一般无法提供所生产的塑料轴承的参数指标。因此，无论是在船级社认证还是其他方面都缺少有说服力的依据。针对这种现象，本文研究设计了一种基于虚拟仪器的塑料尼龙轴承摩擦磨损试验机，用于对尼龙轴承在不同转速下的极限载荷进行测量。虚拟仪器的发展及其特点虚拟仪器是现今流行的测控技术。所谓虚拟仪器，就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。高效的软件、模块化硬件和用于集成的软硬件平台是虚拟仪器的三大组成部分。与传统

8、进行测量任务的仪器相比，虚拟仪器具有性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成四大优势。具体表现为：（）性能高虚拟仪器技术是在技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的技术为主导的最新商业技术的优点，在数据高速导入磁盘的同时就能实时地基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现出更强大的优势。（）扩展性强软硬件工具使得使用者不再圈囿于当前的技术中。由于软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的软件上的升级改进整个系统。在利用最新科技的时候，使用者可以把它们集成到现有的测量设备，

9、最终以较少的成本加速产品上市的时间。（）开发时间少在驱动和应用两个层面上，高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便使用者的操作，同时还提供灵活性和强大的功能，使用者可以轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。（）无缝集成虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，使用者通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性嘲。正

10、是由于虚拟仪器具有以上的优点，本文设计了采用虚拟仪器技术作为主要测量手段的试验机测试系统，并应用试验机对不同材料成分的塑料轴承进行测试和分析。第章验机总体设计思路第章试验机总体设计思路试验机的功能就是要对被试验对象的主要性能指标进行测算，所以在设计之初，首先要了解塑料轴承都有哪些性能指标，从而才能确定试验机的主要测量参数，进而进行试验机的设计。水润滑轴承主要性能指标负载条件塑料轴承的载荷条件主要指轴承的工作压力及压力与速度值的积即值，值反映了轴承工作中摩擦功率损失，也是摩擦热的产生根源。对于在少或无润滑条件下工作的塑料轴承，负载对性能的影响相当突出。表列出了几种常用塑料轴承的载荷性能参数，可以

11、看出材质的差异和润滑状态的不同对轴承的载荷承受能力及使用性能的巨大差别，因此适用范围也各不相同。表塑料轴承材料特性（干摩擦）（）在干摩擦下工作的塑料轴承，速度对承载能力和极限值的影响很大。随着速度的增加，轴承的负载能力和值都明显降低。原因在于，随着速度的提高，轴承摩擦功耗及摩擦表面热负荷增大，由此引起表层材料性质的变化和轴承工作状况的劣化，这对塑料轴承的影响尤其显著。因此，塑料轴承的选择一定要分析具体工况基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用下的载荷和速度条件，在低速运转时以许用载荷为依据，否则要考虑负载和速度的综合效应。工作温度塑料轴承在干摩擦条件下使用时，其工作温度主要由环境温度和

12、滑动摩擦的热效应决定，温度的变化会引起轴承表面上热负荷状态的变化，并导致轴承材料性能的改变。用于滑动轴承的工程塑料，除酚醛树脂外，大多是热塑性材料，其物理机械性能对温度的变化比较敏感。温度的升高会明显削弱轴承零件的机械性能，如刚度和强度的降低会导致轴承的负载能力和形状稳定性变差。一般情况下，工作温度的上升，能成倍地降低塑料轴承的负荷能力。因此，塑料基自润滑轴承的设计和使用，必须考虑具体温度条件，并限制在许用范围内（如表）。在塑料基体中加入石墨粉，铅粉和青铜合金粉等是改善塑料轴承的散热性，降低摩擦表面热负荷，提高使用性能的有效措施。试验机实际测量参数测量参数此次设计的试验机主要功能就是测量在一定

13、润滑条件下，塑料尼龙轴承的极限值，也就是测量轴承的极限压强和滑动速度。塑料轴承式样如图所示判断尼龙轴承载荷是否到达极限主要有以下三个评断标准：（）轴承表面温度剧烈上升：（）摩擦力明显上升；（）磨损量超标。鉴于此，尼龙轴承的摩擦磨损实验需要测量的参数有：（）尼龙轴承与钢套之间的摩擦力；（）尼龙轴承外表面的温度；（）尼龙轴承磨损量；（）电动机的电流和电压等。第章验机总体设计思路（纩爷易。；夕图塑料轴承试样参数计算极限压强与极限载荷根据公式（）进行计算：乜）式中：尼龙轴承极限压强，即为所求值（）；：尼龙轴承所能承受的极限载荷（）；：尼龙轴承内径（）；：尼龙轴承长度（）。滑动速度根据公式（）计算：玎式

14、中：钢轴套外径（）：（）（）基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用：主轴的转速（）。参数测量方法根据规定，采取定速变载的实验方法进行试验，测量塑料尼龙轴承试样在一定速度下的极限载荷。试验速度从下表中选取。表实验速度选择（单位）试验机系统组成由于试验机的主要摩擦副由尼龙轴承试样和钢套构成，加载时需要对试样施加径向载荷。试验机主要由传动系统、加载系统、润滑系统、测量系统四大部分组成。如图所示：图试验机组成框图试验机的装配效果如图所示：第章验机总体设计思路 图试验机效果图培传动系统传动系统的作用主要是保证轴套以给定的转速旋转，钢轴套安装部位轴的径向跳动小于。传动系统设计主要任务就是动力装置的

15、选择、转动装置之间连接器的选择、滚动轴承的选择、轴承座的选择以及传动轴的设计等。在考虑了试验机可能的最大载荷后，选择额定功率为，额定转速为的三相交流异步电机作为整个试验机的动力装置。选用弹性联轴节作为连接设备以减少振动。通过估算轴承的最大极限载荷，设计满足负荷要求的传动轴，选择符合要求的滚动轴承及轴承座。需要特别说明的是，为了降低整个系统的复杂程度，选择了直联作为电动机和主轴的连接方式，这样做的好处是结构比较简单。基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用加载系统试验机对于加载系统的要求是能够对试样施加稳定的径向载荷，精确到以内。考虑到成本，试验机采取手动加载的方式。根据估计出的尼龙轴承极

16、限载荷的大小，选择了丝杠加杠杆的加载方式。这样既可以连续加载，又可以把所加载荷通过杠杆进行放大作用到试件上面，从而弥补了直接手动加载不能太高的缺点。润滑系统所有磨损实验都要考虑润滑。这个试验机的润滑介质主要是自来水或者海水，具体过程是通过离心泵来实现的。需要指出的是，润滑液的温度和在试验机入口处的压力对最终结果有一定影响，所以在做每一组实验时，要保证温度和水压不能变化过大。试验机的润滑通过一个特别设计的结构实现，如图所示。水泵把水通过管子送到入水口。整个结构起到蓄水作用，右边的法兰与加载系统联结，保证试样浸入润滑液中。 图润滑结构第章验机总体设计思路测量和记录系统试验机的测量系统主要完成以下工

17、作：（）测定和记录磨损，其随机均方根差小于。（）测定和记录摩擦力矩，其随机均方根差小于。（）测定和记录试样表面温升，误差小于。（）测定和显示试样所受的实际载荷。根据以上要求，采用量程为，精度为的应变片式的拉（压）力传感器测量试样所受的摩擦力和所受载荷；选择直径为的铠装热电偶测量轴承外表面温度；选择百分表测量磨损量。在测量数据的采集和记录方面，采取了现今比较流行的虚拟仪器技术，将传感器采集到的数据通过数据采集卡存储到电脑里面，解决了摩擦磨损试验无法实时记录问题，并且可以保存大量的试验数据，为试验后的分析提供了有用的依据嘲。控制系统试验机的控制系统主要完成对试验机调速的工作，并要求转速精确到。本试

18、验机采用台湾牌的变频器完成试验机的调速功能。采用旋钮调节和电脑调节两种方式。在实验的过程中既可以通过变频器上面的旋钮调节试验机的转速，也可以通过电脑直接给定转速。辅助系统辅助系统主要是完成一些必要的辅助工作，如塑料轴承的固定，传感器的连接等等。基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用第章试验机详细设计整个试验机的设计包括硬件和软件两个方面。硬件设计又包括传统的机械结构方面的设计、电路方面的设计以及基于虚拟仪器技术的测控平台的设计。软件主要包括上位机采集软件的设计，软件设计也可以归结为基于虚拟仪器的测控平台的一部分。这一章主要介绍机械结构设计以及试验机控制测量电路的搭建，属于硬件设计过程。

19、试验机机械结构设计又可以细分为以下三个方面的内容：传动系统设计；加载系统设计和润滑系统设计。下面分别介绍以上三个系统的机械设计方法。传动系统的设计传动系统的设计包括以下两个部分：传动轴的设计；动力输出设备、联轴器、滚动轴承和轴承座的选择。轴承的选择（）轴承选择的基本方式在选用轴承时，首先要确定轴承的类型。而轴承类型的选择要在充分了解各类轴承特点的基础上，综合考虑轴承的工作条件、使用要求等因素。一般来讲，轴承的选择要考虑以下几个方面。（）根据载荷的大小选择轴承载荷冲击大的选用滚子轴承；较轻或中等载荷时，选用球轴承。（）根据载荷方向选择轴承纯轴向载荷，较小载荷时，选推力球轴承；较大载荷时，选推力滚

20、予轴承；纯径向载荷，较大载荷时选向心滚子轴承；一般载荷时，选向心球轴承；同时承受径向和轴向载荷，选角接触球轴承；以径向载荷为主时，选用圆锥滚子轴承，且一般成对使用；轴向载荷很大时，选组合轴承。（）根据载荷性质选择轴承。对于冲击振动载荷，宜选用滚子轴承；如果需要承受强烈径向冲击载荷，选螺旋滚子轴承。第章试验机详细设计（）根据轴的转速选择轴承高速时应优先选用球轴承：速度较低时，应选用滚子轴承；低速重载，宜选重、特重系列的滚子轴承；推力轴承只适用于低速；高速时，采用向心推力轴承；每种型号的轴承都规定了极限转速；它受温升限制；使用时要适当加大轴承径向间隙；采取冷却措施。（）经济性要求：球轴承比滚子轴承

21、价格低，价格取决于精度等级。外型尺寸：径向尺寸受限制，用轻系列；轴向尺寸受限制，用窄系列。以上就是选配轴承的基本要求，试验机轴承的选择就是根据上面的要求进行的。（）试验机选配轴承的基本步骤通过查阅一些文献资料【，确定尼龙轴承的极限压强大概在左右。根据公式（）可得：三（）式中：塑料轴承极限载荷（）：塑料轴承极限压强（）；：塑料轴承长度（）；：塑料轴承内径（）。塑料轴承的长度为，内径为，根据（）形三算出塑料轴承的极限压力大概在左右。轴承与轴的受力效果如图所示。基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用图轴承与轴受力效果图如图所示，由于塑料轴承的极限压力大概在左右，所以约为，方向竖直向下。设计，

22、间的距离约为。，间的距离约为。根据转矩平衡与受力平衡可得（）式与（）式：，一（）（）由（）式和（）式可算出约为，方向竖直向上。约为，方向竖直向上。按照设计要求，轴承的极限转速为。根据上面的分析计算，把滚动轴承的极限载荷定为，极限转速定为。由于试验机在转动过程中主要承受径向力，综合经济性考虑选择深沟球轴承（）作为试验机轴承。（）滚动轴承的校核滚动轴承的基本额定寿命厶。与当量动载荷的关系图所示，曲线方程为（）（）式中：为常数，为寿命指数，球轴承。第章试验机详细设计图基本额定寿命厶。与当量动载荷的关系图厶由基本额定动载荷的定义知，当厶时，轴承的载荷恰为基本额定动载荷，故所以，厶，、厶。恼（）（）（）

23、式中，厶。是以转为单位的。实际计算中常以小时作为寿命单位。若取轴承的工作转速为（），则上式可改写成以小时数为单位的寿命计算式：厶。而（）趴，基本额定动载荷是以工作温度低于。为条件的。温度过高，将使金属组织、硬度和润滑条件发生变化，导致值降低唧。现通过以上公式对实际使用情况中的深沟球轴承使用寿命进行校核。深沟球轴承取；径向载荷取，轴承的取。根据公式（）“。：堡旧：一生丫塑。（）”砑【石丽而面矿恤基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用经过寿命校核，深沟球轴承的使用寿命约为小时，而作一组试验的时间大概是小时左右，所以该轴承的选择可以达到使用要求。轴承座的选择选定滚动轴承以后，轴承座的选择主要

24、是根据轴承的型号进行。轴承座有铸铁的和合金的两种。铸铁的轴承座适用于中小载荷环境，合金轴承座适用于大载荷环境。本试验机选择的是合金的轴承座（），轴承座形状如图所示。图轴承座传动轴的设计传动轴作为一个十分重要的机械零件，在设计时要兼顾使用要求和加工工艺两个方面的要求。轴的设计一般来说要遵循以下五个原则第章试验机详细设计轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上零件应便于拆卸和调整；轴应具有良好的加工工艺性；尽量减小应力集中；受力合理，有利于节约材料，减轻轴的重量。有时候不可能同时满足上面五个原则，需要适当的对以上五原则进行舍取。在试验机传动轴的设计过程中，主要优先考虑了以下两个方面的问题。具有合

25、理的结构：主要考虑与轴承的配合以及轴向的定位；具有足够的承载能力：主要考虑需要承受作用在轴承上面的径向载荷。试验机传动轴的设计按照以下四个步骤进行。确定许用应力；估算最小直径；轴的结构设计；轴的强度校核计算“”。下面介绍磨损试验机传动轴结构的设计，本试验机用到的传动轴的具体结构设计如图所示，轴的材料为钢。传动轴结构主要由七部分组成，对应于图。这一部分开有螺纹，拧上螺母以后就可以对上面的钢套进行固定第二部分的作用主要是与钢套进行配合，配合如下图所示：第三部分用于装配轴承，直径等于轴承内径。第四部分的阶梯主要是用于对轴承进行轴向定位。第五部分用于调整传动轴长度。第六部分用于装配轴承，作用同。第七部

26、分用于与联轴节相连，开有键槽。基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用茄苜？妒电符，晴毫叫拇喝譬格赧一蚓野瓣。飞蝴对，纠厶徊图传动轴结构示意图图轴与钢套配合以上就是传动轴的整体结构。在传动轴的第部分，传动轴与连轴器采用平键连接。在设计的时候也要对键的强度进行必要的校核。第章试验机详细设计普通平键连接的主要失效形式是，键、轴和轮毂上键槽三者中较弱的工作面被压溃；除非有严重过载，一般不会产生键的剪切失效。因此通常只按工作表面的挤压应力进行强度校核。挤压强度（静连接）唧：磊】（）唧瓦睥式中：连接传递的转矩（）：轴的直径（）；，：键的工作长度（脚）；：键与轮毂的接触高度，取（小）；【唧】：许用挤

27、压压力，在设计中取传动轴，键和联轴器三者中许用挤压力中最小的值】。根据公式（）对键进行校核，由于采用传动轴与电动机采用直联方式进行连接。所以公式（）中的转矩应按照公式（）进行计算。旦（）式中：；电动机的额定功率（）电动机的额定转速（）电动机额定功率为，额定转速为，代入公式（）。丁：生（）设计采用圆头平键：，带入（）磊的许用应力。，远低于键、传动轴轮毂及联轴器基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用联轴器的选择试验机的传动轴与电动机的联接需要借助于联轴器，联轴器的作用主要是用于轴与轴之间的连接，用以传动运动和扭矩。联轴器可以分为刚性联轴器和柔性联轴器两种类型；刚性联轴器又可以分为固定式刚性

28、联轴器和可移式刚性联轴器。选择联轴器类型的原则是联轴器的使用要求和类型特性一致。通常对中低速和对中精度较好的轴，可以选择固定式联轴器；否则应选有补偿能力的可移动刚性联轴器；对轴线相交的两轴，选用万向联轴器；对于速度较高、且有冲击或振动的轴，选用弹性联轴器；对于大功率重载传动，选用齿轮联轴器【】。根据试验机的具体要求，选择梅花型弹性联轴器，这样可以大大降低传动轴与电动机联接时对中的难度。加载系统的设计加载系统的作用加载系统的主要作用是为试验机的试样提供稳定的径向载荷。加载系统的具体要求试验机对加载系统的要求有以下三点：（）可以提供的径向载荷：（）可以在运转过程中连续均匀加载；（）在条件允许的情况

29、内尽量节约成本。加载系统的实现综合考虑以上两条要求：为了节约成本，本试验机决定采取人工加载的方式。考虑到的载荷依靠人力加载比较困难，决定采取杠杆结构，将加载杆长短力臂的比值定为：，这样人力施加的最大载荷约为左右。为了符合连续加载的要求，将人力加载部分设计成丝杠结构，加载系统如图所示。第章试验机详细设计设计过程中需要考虑的问题加载系统的设计主要是加载过程机械结构的设计。在设计中需要考虑的问题主要有以下几点：（）加载杆的受力：试验机的加载过程就是通过加载杆来完成的，过大的载荷可能导致加载杆的弯曲变形。（）试样的受力方向：由于采用杠杆结构，所以加载杆的两端在加载过程中都会绕支点做圆周运动，这就会影响

30、塑料轴承试样的受力方向，从而导致实际加载的值小于显示值。以上两点是在加载系统的实际过程中必须考虑的问题，由于本试验机加载范围不是很大。所以上面两个问题表现的还不是很明显。如果需要大范围的加载，必须认真考虑上面两个问题，否则会影响测量精度。 图试验机机械结构基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用润滑系统设计过程试验机的实验工况分为干摩擦和水润滑摩擦两种情况。润滑系统的作用就是在水润滑的工况下为试样和钢套构成的摩擦副表面提供可靠的润滑和冷却，润滑部分如图（）。润滑系统的构成润滑系统主要由一个水泵和一个蓄水池组成。根据蓄水池和试样的距离选择水泵的扬程，一般普通的离心泵就可以符合要求。需要说明

31、的是，不同的润滑压力可能会造成不同的实验结果，所以需要用压力表测量润滑介质在试验机进口处的压力值。润滑介质的选择为了接近实际使用情况和用户的要求，润滑介质一般选择海水。测量和控制系统设计试验机有两套测量和控制系统，一套是基于虚拟仪器测控平台，另一套就是用普通的控制柜进行控制，这部分主要是控制电路方面的设计，涉及到许多断路器、继电器、电压表、电流表等强电元器件以及一些智能仪表的使用。虚拟仪器测控平台将在后面的章节进行介绍。现在主要介绍一下用控制柜进行测量和控制的方法。控制柜的作用控制柜的主要作用就是对试验机进行测量与控制，控制柜前面板如图所示，被板如图所示。控制柜的内部组成（）智能电表：控制柜在

32、前面板上一共安装了四个智能电表，分别测量温度、压力和转速。智能电表的外形如图所示。智能电表的作用是与传感器相连，显示测量值，并将传感器的电信号变送为标准的电信号供数据采集卡采集。智能电表的输入端可以接热电偶、热电阻及电压电流信号，通过适当的设置，智能电表就可以直接显示出测量值的物理量。第章试验机详细设计（）电压表：控制柜的前面板上安装有一个交流电压表，中的交流电机的电压大小。（）电流表：控制柜的前面板上安装有三个交流电流表，验机中交流电机的三路交流电的电流大小。它的作用是显示试验机电流表的作用是显示试（）交频器：控制柜的被板上面装有一个功率为变频器。变频器的作用是是对试验机的交流电机的转速进行

33、调节。（）断路器：控制柜的被板上装有一个断路器。它既是整个系统的电路开关，而且在漏电的情况下还可以自动掉闸，起到保护的作用。图前面板基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用（）机械继电器：控制柜的被板上面有三个继电器，它们与前面板上的开关一起，共同控制交流电的通断。（）开关：控制柜的前面板有三个开关，主要是和继电器一起控制交流电的通断。整个控制柜系统的导线都是使用粗的铜导线。图被板鲍矩形为为晓额器第章基于虚拟仪器技术的测鼍与控制第章基于虚拟仪器技术的测量与控制这一章介绍整个试验机基于虚拟仪器技术的测量与控制平台的搭建。虚拟仪器的组成与分类虚拟仪器是计算机化仪器，由传感器、信号测量硬件模块

34、和计算机应用软件三大部分组成。其结构如图所示。 图虚拟仪器组成传统的设计过程，如果想搭建一个测量平台把下位机测量设备的结果传到上位机，需要以下几个过程：设计下位机的硬件采集系统。考虑上下位机的总线通信方式。编写上位机的通信软件。每一个过程都需要很大的工作量，需要很多人协同工作才能完成。但是虚拟仪器技术将以上三个方面的内容融为了一体。只需要选择一款合适的数采设备，然后就是编写上位机软件，这样可以更多的考虑测量系统需要实现哪方面的功能而不是怎样才能实现测量的功能。根据虚拟仪器所采用的信号测量硬件模块的不同，虚拟仪器可以分为下面几种类型：基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用第一类：总线插卡

35、型虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如相结合构成测试系统，它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。第二类：（）总线方式的虚拟仪器技术是标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展，典型的系统由一台机、一块接口卡和若干台形式的仪器通过电缆连接而成。测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高、但不要求对计算机高速传输状况时应用。第三类：）总线方式虚拟仪器总线是一种高速计算机总线总线在

36、领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。第四类：（）总线方式虚拟仪器总线方式是总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的，增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板触发总线。具有高度可扩展性。有个扩展槽，而台式系统只有个扩展槽。以上就是当今被广泛

37、使用的虚拟仪器技术的分类方式。纵观虚拟仪器技术几十年来的发展，可以明显地感到，虚拟仪器在发展过程中始终有两条不同的发展方向：（）总线方式（适合大型高精度集成系统）（）插卡一并口式一串口方式（适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景）。第章基于虚拟仪器技术的测量与控制于年问世，于年问世，予年问世。插卡式于世纪年代初问世，并行口方式于年问世，串口方式子年问世。正是由于不同的发展方向适合各自不同的应用领域，虚拟仪器技术才越来越快地发展起来【。本试验机的设计采取的形式构建测控系统，具体构建方法将在本章第二三节中进行论述。总线介绍与卡的选择本试验机的设计选择虚拟仪器技术中方式作为测量控制的手段，所以

38、首先要选择一块合适的数据采集卡。现在市面上的普通的数采卡主要有总线、总线和总线等。考虑到总线的传输速率较低，已经逐渐被淘汰，而总线作为一种比较成熟的总线技术，正在越来越多地运用到测量与控制等应用领域中。综合考虑了各方因素，决定采用一款数采卡来搭建虚拟仪器测量平台。总线介绍选择总线主要因为总线有以下的优点。允许热插拔和即插即用（），可以在正运行的电脑上安全地连接或断开一个设备而不需要重启系统。传输速度快，提供低速、全速和高速三种数据传输速率。全速速率比标准串口速率快大约倍，比标准并口速率也快近倍。可以支持异步传输如键盘、游戏杆、鼠标和同步传输如声音、图像两种传输方式。数据传输可靠，协议中包含了传

39、输错误管理，错误恢复等功能，有较强的纠错能力。使用方便，易于扩展。接口可以通过菊花链的形式同时挂接多个设备，理论上可达个，并且不会损失带宽。总线能为耗电较少的下行设备供电。总线可提供最大的电压，的电流。设备在不用的时候可以被挂起，此时设备上的电流只有。当然，设备也可采用自供电方式”。基于虚拟仪器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用数采卡的选择（）选择数据采集卡需要考虑如下问题：模拟输入的采样方式模拟输入的通道数目是由卡上两种类型的输入单端输入和差分输入决定的。单端输入都有一个共同的接地点。它主要用于测量大于伏的输入信号，从信号源到模拟输入硬件的导线很短（小于英尺），所有的输入信号共用一个接地点。

40、如果信号不满足这些标准，就应使用差分信号。每个差分输入都有自己的接地参考点。因消除了联线引起的共模噪声，随之也减小了噪声误差。考虑到试验机的具体情况，测量点和数采卡有一段距离，所以采用差分输入方式。采样率高的采样率是在一定的时间内获取更多的点，因而能更好地表现原始信号。采样定理指出，采样率必须高于被测量信号的最高频率的两倍。试验机需要测量的信号包括压力信号和温度信号，都属于低频信号，一秒钟采一次样就可以满足实际的要求。这么低的采样率任何数采设备都可以达到要求，所以实际设计过程中不需要考虑采样率的问题。多路转换，所谓多路转换，就是将多路转换器与某一通道接通，（模数转换器）对此采样，然后多路转换接

41、通到下一个通道采样。本试验机的设计需要测量温度、摩擦力、载荷三路信号，所以需要一个采样通道大于四个的数采设备。分辨率用位数来表示模拟信号，这就称为分辨率也就是所进入区域的划分数越大，检测的电压分辨率就越高。本试验机最小需要检测的电压约为（载荷的测量，的电压，的测量范围），这样需要选择位甚至位的高精度数采设备。但是由于载荷测量不需要精确到牛顿，所以不用选择高精度的数采设备，选择一个位精度的数采设备就可以达到要求。动态范围第章基于虚拟仪器技术的测量与控制动态范围就是进行量化的最小和最大电压之间的电平。一些数采卡提供所选的范围，使得数采卡能处理各种不同的电压电平。具有这样的灵活性，就能将信号范围与的

42、范围进行匹配，有效地利用分辨率，得到精确测量的信号。卡上的范围、分辨率和增益决定最小可测的电压改变。这个电压改变表示了数字值的（最低有效位），常被称为代码宽度。理想的代码宽度是电压范围除以增益乘的位分辨率次方。由于试验机所有的测量信号都在之间，所以选择一款输入电压范围可以在的数采设备就可以达到要求。（）具体解决方案现在生产数据采集卡的厂家很多。但是如果选择一般厂家生产的数据采集卡，编辑数据采集和控制程序的时候都要涉及到一些底层程序的编写，增加了整个系统设计的难度。考虑到以上原因，选择美国国家仪器公司（）生产的数据采集卡。这样在数据采集和控制程序的开发过程中就可以使用公司开发的这一虚拟仪器设计软

43、件，从而大大降低了整个系统的复杂程度。整个系统要采集的模拟量信号主要有：温度信号；摩擦力信号：载荷信号整个系统需要控制的控制量是变频器，通过输入的直流电压来控制变频器从而控制电动机的转速。根据上面的描述，要完成整个系统的数据采集和控制工作至少需要数据采集卡有三路模拟输入通道，一路模拟输出通道。考虑到以后还可能扩展试验机的功能，增加磨损量、电机转速、电机振动等测量信号，所以选择公司生产的卡作为本试验机的数据采集卡。作为公司最便宜的一款数据采集设备，其主要的性能指标如下所示：模拟输入的采样方式。路模拟输出路数字输入输出。模拟输入分辨率为位，模拟输出分辨率为位。输入采样速率为。输出速率为。基于虚拟仪

44、器的塑料轴承摩擦磨损试验机设计及应用两个定时器，计数裂实验证明，完全满足构建一个初级的数采和控制系统的要求。试验机基于虚拟仪器技术测量系统构成虚拟仪器测量系统框架所谓虚拟仪器测量系统就是将测量物体的待测物理量用传感器转变为电信号，然后再用具有转换功能的数据采集卡将电信号转换为计算机可以识别的数字信号在计算机中进行处理、显示或存储。所以，虚拟仪器基本的测量框架是由传感器、数采卡和计算机组成的【。由于一般传感器的输出信号都不在或者不是数采卡的合理测量范围，为了使电压信号能够处在数采卡的最佳测量范围内，还要对传感器的信号进行一定的调理，如放大、滤波、线性化等。根据试验机的具体要求，测量系统要对三路信号进行测量，包括两路压力信号和一路温度信号，全部为模拟量的测量。具体测量系统组成框图如图所示。图测试系统基本组成框图第章基于虚拟仪器技术