往复式摩擦磨损实验台的设计

=1.18，=1.25.许用接触应力===798Mpa===690MPa验算==189.8=417.56MPa<计算结果表明，接触疲劳强度较为合适，齿轮尺寸无需调整。分度圆直径：d=14=266mm，d=14=8683.33同步带的传送和计算1、设计功率由《机械设计手册》22.1-50查的，是同步带传动的工作情况系数，2、选定带型和节距根据和转速，由《机械设计手册》图22.1-12确定为XH型，节距mm3、小带轮齿数根据带型XH和带轮转速，由《机械设计手册》表22.1-5查的小带轮的最小齿数=24此处取=254、小带轮节圆直径由表22.1-56查的外径5、大带轮齿数6、大带轮节圆直径7、带速9.25m/s8、初定轴间距取9、带长及其齿数==1908mm由《机械设计手册》表22.1-47查的应选用带长代号为770的XH型的同步带，其节线长，节线长上的齿数。10、实际轴间距a此结构的轴间距可调整11、小带轮啮合齿数1112、基本额定功率由《机械设计手册》表22.1-53查的=36.28KW13、所需带宽由《机械设计手册》表22.1-52查的XH=101.6mm，=199.6mm由表22.1-48查的，应选带宽代号为770的XH型号14、带轮结构和尺寸小带轮：大带轮：3.34主轴计算：主轴1的最小直径计算：主轴的材料为40，查《机械设计手册》得25，,16则155mm主轴2的最小直径：226.7.取250mm3.35轴的强度校核轴1按扭转强度条件计算，公式如下;已知则23.67，则符合要求。轴2按扭转强度条件计算，已知。公式如下：=17.80mm，则符合要求。3.36主轴上键的强度校核根据主轴的设计，键所在轴1的直径为155mm，查《机械设计手册》（摘自GB/T1096-2003）选取键的尺寸为，普通平键连接的强度条件为：，式中d是轴的直径，l是键的工作长度，h是键的高度则，故键1的强度满足要求。，故键2的强度满足要求。3.37摩擦销的结构设计适合摩擦磨损试验测试仪的测试球尺寸有1.5毫米、3毫米、6毫米、10毫米(均为直径)。可以为不同直径的摩擦球配备不同的内径夹持器。夹持器为中空结构，后面有螺纹，只需将测试球从夹具的后端放入并用配套的零件旋紧即可。3.38试样夹持器的设计用螺栓将试样夹持器固定在齿条上，使之随齿条一起做往复运动。在试样夹持器的下面加上一垫片，直径大小和试样夹持器相当，但厚度可调，装卸方便，是这个夹持器更加通用化。磨损量的测量4.1常用的磨损量的测量方法机械零件的磨损量通常用磨损件的质量，体积减少量或者磨去厚度来表示。磨损质量和磨损体积是整个磨损件表面质量和体积减少量的总和，而磨损厚度能够反映磨损沿表面的分布情况。常用的磨损量测量方法如下：1称量法通常利用天平称出磨损前后的试件质量的变化，因此也叫失重法。对所用天平的精密度要求取决于磨损量的数量级。由于测量范围的限制，称量法仅适用于较小的试件。2测量法使用千分尺、测长仪和万能工具显微镜等测量试件在实验前后磨损表面的法向尺寸的变化或者磨损表面与某基准面距离的变化。3表面轮廓或粗糙度法用表面轮廓仪可以直接测量磨损前后表面轮廓的变化来确定磨损量，即磨损厚度不超过表面粗糙峰高度的磨损。它实际反映了磨损表面的微观变化，也可以直接从其粗糙度等级的变化，特别是磨损前后加工痕迹的减少来判断磨损的程度。表面轮廓法可以记录表面轮廓在磨损过程中的变化和磨损分布，但是轮廓法测量手续复杂，被测零件的形状和尺寸受量程范围限制。4压痕或切槽法人为的在摩擦表面上压痕或者切槽作为测量基准，用基准尺寸沿深度变化的规律度量磨损厚度。如果在摩擦表面上不同部位布置基准，还可以测量磨损表面的分布。但这种方法对试样表面有损害，不利于研究摩擦磨损过程中表层组织结构的变化。5沉淀法或化学分析法沉淀法是将润滑油中所含的磨屑经过过滤或者沉淀分离出来，再由称重法测量磨屑质量。也可以采用定量化学分析的方法测量润滑油中所含磨屑的组成和质量，这不仅可以测量各种元素的质量，还可以根据材料使用情况来判断磨损的部位。4.2摩擦系数测试部分如图作用在试件的载荷上（正压力)P由法码重力产生，作用在摩擦副间的摩擦力为F，若两个试件间的摩擦系数为，则有。故只需要预先确定砝码的重力，在测出传感器受力大小，即可计算出摩擦系数P正压力磨头下试件F摩擦力正压力由人工根据需要通过法码施加，是一个稳定值。摩擦力是两个相对运动产生的，是一个变化值，可通过测量求得。小结摩擦磨损试验机是进行摩擦磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的摩擦磨损性能进行测试和评价，是高速切削和新型刀具材料研制和应用的必要设备。因此本文对往复式摩擦磨损试验机的原理和结构进行介绍，给出了试验机的基本参数，并对试验机的机械结构部分进行了相关设计和计算，为试验机的设计和实际制作提供了一定的依据和参考。该设计在满足设计要求的前提下，力求结构简单，制造成本低廉，没有一味的追求高精度，适合进行实际的生产。设计中采用了较为简单的方法实现了相同的功能。该设计只是针对摩擦磨损试验机的机械结构部分进行了相关的设计计算和仿真，而电气控制系统和检测系统还需要进一步的补充。通过老师的讲解和查阅资料让我有了初步的认识。在毕业设计中期阶段主要是完成自己部分机构和零件的设计。在翻阅书本的过程中，此过程的应用到了我在大三时所学的机械设计和互换性等课程。从前我对机械的认识很是肤浅，只是会做一些课程设计。却没有把整个机械课程联系起来，其实各个专业课都是有相互联系的，而这些基础课也不容忽视，它们是我们完成设计的基础，更是进一步在机械领域发展的前提。在CAD图形绘制过程中，我用到了机械制图这门课程。同时，我也掌握了一门画图软件。此次毕业设计真是让我收获颇丰，不仅让我对专业课有了新的认识而且得到了许多书本上没有的东西。我一直在思考的问题，如何学好我的专业，并将它自如的应用到以后的工作中，似乎在本次毕业设计中有了答案。致谢大学四年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。感谢我的家人对我大学四年学习的默默支持；感谢我的母校太原理工大学给了我在大学四年深造的机会，让我能继续学习和提高；感谢老师和同学们四年来的关心和鼓励。老师们课堂上的激情洋溢，课堂下的谆谆教诲；同学们在学习中的认真热情，生活上的热心主动，所有这些都让我的四年充满了感动。这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师宋金鹏老师对我的关心和支持尤为重要。每次遇到难题，我最先做的就是向老师寻求帮助，而老师每次不管忙或闲，总会抽空来找我面谈，然后一起商量解决的办法。老师平日里工作繁多，但我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。这几个月以来，老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想给我以无微不至的关怀，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在此，我再一次真诚地向帮助过我的老师和同学表示感谢！参考文献[1]张嗣伟.摩擦学的进展与展望[J].摩擦学学报，2004，1:44-45.对摩擦学近10多年来在润滑与润滑剂和摩擦与磨损这两个方面的进展作了综合介绍与评述，指出最引人注目的是采用扫描隧道显微镜、原子力显微镜和超薄膜干涉仪等先进仪器设备对边界润滑和边界膜进行原位研究，以及纳米摩擦学、陶瓷摩擦学、空间摩擦学、核反应系统摩擦学、微观摩擦学和表面工程等的发展与各种新型摩擦学材料的开发。同时，还对本世纪末和下世纪初摩擦学的发展前景作了展望，认为在摩擦学设计、新的摩擦学系统、特殊的摩擦学材料、新的表面技术和用于极端工况或特殊工况下的润滑剂等方面都将取得新的进展，并且结合国内实际，提出了加速我国摩擦学学科发展和推动我国摩擦学工业应用的建议。[2]陈海燕，王成国.分形理论及其在摩擦学研究中的应用[J].材料导报，2002，12:10-11.介绍了分形的概念以及分形维数的计算方法,重点讨论了分形理论在摩擦学研究,如摩擦表面分析、摩擦磨损问题研究和滑动摩擦温度分布的分形模型等方面的应用。

[3]陈国安，葛世荣，王军祥.分析理论在摩擦学研究中的应用[J].摩擦学学报，2008，5（2）：15-18.采用尺度独立的分形参数可使粗糙表面和磨屑形貌的表征简单明了，并使表征具有唯一性，易于识别；基于分形参数所建立的摩擦学研究模型的预测结果可望不受测量仪器分辨率和取样长度的影响，因而比传统的基于统计分析的模型更为合理和有效．综述了分形几何在粗糙表面的表征、接触、磨损预测和摩擦温度分布以及磨屑定量分析等方面的应用现状和发展，指出了用分形理论研究摩擦学问题时应注意的着重点[4]戴振东，薛群基，王珉.试论摩擦学研究中的科学方法问题[J].南京航天航空大学报，2008，12:55-58.摩擦学是工程先导性的学科高度交叉综合的前沿研究领域，是尚未成熟和最具活力的学科之一，它具有用户要求多样的特点。近年来的大量实验结果对摩擦学理论产生了巨大的冲击。为迎接挑战并更好地指导工业设计，须重新探讨摩擦学的研究方法，表征量的选择及其思想方法。作者认为在继续开展摩擦学实验研究的同时，须大力推进理论研究，非平衡态热力学可做为该研究的基础，熵可用作为表征量。研究中应特别重视过程非线性、可逆性和混沌性，并积极探讨摩擦自组织结构的形成条件及其工业应用的可能。[5]谢友柏，摩擦学的三个公理[J].摩擦学学报，2003，3:15-16.讨论了摩擦学发展中存在的问题.指出作为一门非常重要的应用基础学科,摩擦学在继承摩擦、磨损和润滑几千年来积累起来的理论成果和应用成果的基础上,没有建立与摩擦、磨损和润滑相比有所发展且与自身的定义和性质相适应并可以支持自身独立发展的理论体系和方法体系.提出摩擦学中存在3个基本公理:即第一公理——摩擦学行为是系统依赖的;第二公理——摩擦学元素的特性是时间依赖的;第三公理——摩擦学行为是多个学科行为之间强耦合的结果.由这些公理可以推导出一系列定理和相应的系.同时还讨论了用系统的状态方程和输出方程描述含有摩擦副的系统的特性的方法,并给出了应用举例[6]桂长林，沈健.摩擦磨损试验机设计的基础Ⅱ.固体润滑[J]，2000，1:5-8.本讲介绍采用设计方法学的方法对摩擦磨损试验机设计进行研究的结果,建立了摩擦磨损试验机的要求明细表,功能结构图、设计模幅箱和方案评价目标树。根据本讲所阐述的方法,既可使摩擦磨损试验机的设计程序和方案评价建立在一套比较科学的和行之有效的方法上,又能作为建立摩擦磨损试验机CAD(计算机辅助设计)系统的基础。[7]桂长林，沈健.摩擦磨损试验机设计的基础Ⅰ.固体润滑，2000，1:9-10.本讲提出了一种按摩擦系统的结构和摩擦副的相对运动形式对摩擦磨损试验机进行分类的新方法(这种分类法将摩擦磨损试验机分为五大类),阐述了摩擦磨损试验的目的和摩擦磨损试验机为实现此目的所应有的基本系统,分析了基本系统中各组成单元的每个要素在摩擦磨损试验机中的特殊性,最后还就摩擦磨损试验机的发展方向作了简要的探讨。

[8]桂长林，沈健.摩擦磨损试验机设计的基础Ⅲ.固体润滑，2000,1;12-15.将设计方法学的一般方法应用于摩擦磨损试验机的设计,这对确定设计方案是科学的和行之有效的。本讲通过一个设计实例说明了设计方法学在摩擦磨损试验机设计中的具体应用问题,并以举例的形式详细地介绍了在方案设计阶段的各个主要工作步骤的实施方法,即建立要求明细表-功能分析-建立设计模幅箱-方案选择-方案评价。其中,关键的是进行功能分析、建立设计模幅箱和方案评价。[9]周枫，邱宪波，袁景淇.摩擦磨损试验机试验数据处理系统的设计.测控技术，2004，4;14-16.介绍了在LabVIEW开发平台下,摩擦磨损试验机数据处理系统的设计方法,实现了试验数据的实时采集、历史曲线绘制和试验报告自动生成等功能。[10]李建芳，杨世强，沈璟.往复摩擦磨损试验机测试系统的设计[J].润滑与密封2008，10:36-39.设计了一种可用于模拟和检测车辆减振器中导向套-活塞杆摩擦副动态摩擦学特性的往复摩擦磨损试验机测试系统。在分析减振器往复运动的结构和功能的基础上给出了往复摩擦磨损试验机测试系统的总体模型,建立了往复运动的数学模型。使用结果表明,该测试系统可实时检测和处理载荷、速度、温度、摩擦力以及摩擦因数等参数信息,并以表格或图像曲线形式显示,有利于对试验材料的摩擦学特性变化作出实时、客观、量化的评估。[11]刘毅斌，王毅.摩擦磨损试验机在线检测系统[J].仪器标准化与测量，2004，6:17-19.现代摩擦学的试验研究对摩擦磨损试验机的测量系统提出了更高的要求。本文介绍了自行设计的强电流摩擦磨损试验机及其实时在线检测系统,主要包括试验中各参量信号的获取,A/D转换,以及对测量数据误差的软件处理方法。

[12]刘永平，龚俊，辛舟，侯运丰.往复式摩擦磨损试验机及其计算机控制系统设计.仪器仪表学报，2010,8:55-58.针对不同固体材料在不同条件下的摩擦磨损实验要求,开发设计了一种往复式摩擦磨损试验机,通过测量实验中产生的摩擦力、摩擦系数和磨损量的变化来研究材料的摩擦磨损性能。为提高测试系统的精确性和实时性,将计算机辅助测试系统应用到摩擦学试验当中,通过数据采集系统和测试软件系统完成摩擦磨损数据的实时动态测试,从根本上改变了传统摩擦磨损试验机的缺点。通过对聚四氟乙烯材料的摩擦磨损性能进行实验,证明该试验机性能稳定,测试系统准确可靠。[13]DenisV.Someproblemsofcomputer-aidedtestingand“interview-liketests”[J].Computers&Education,2008,9:743-756.Computer-basedtesting–isaneffectiveteacher’stool,intendedtooptimizecoursegoalsandassessmenttechniquesinacomparativelyshorttime.However,thisisaccomplishedonlyifwedealwithhigh-qualitytests.Itisstrange,butdespitethe100-yearhistoryofTestingTheory(see,Anastasi,A.,Urbina,S.(1997).Psychologicaltesting.UpperSaddleRiver,NJ:Prentice-Hall)therestillexistsomemisconceptions.Modernwide-spreadsystemsforcomputerbasedcoursemanagementandtestingrevealasetofproblemscorrespondingtocertainfeaturesoftestingmethods.Thisarticleisdevotedtosomeomissionstypicaltoseveralcoursemanagementsystems(e.g.,MoodleandBlackboard).Theseomissionsandthewaysofavoidingthemareshowninasimpletestintendedtoverifystudentknowledge.Wesuggestaspecialtestdescriptionlanguagededicatedtodrawingyourattentiontothemathematicalaspectsoftestquality.Thelanguagecanalsoberealizedincomputersoftware.Weprovideanexampleofsuchsoftwareinthisarticle.[14]WeidongZhang,YiboAi,DesignandControlImplementationofACElectricPowerSteeringSystemTestBench[J],PhysicsProcedia.2012.9:1006–1011UsingACmotorisanimportantdevelopmenttrendofelectricpowersteeringsystem,andinthispaper,weproposedadesignofACelectricpowersteeringsystemtestbench.Thepaperintroducedthebenchstructure,workingprincipleandmaincomponentsselectionfirst,andthengiventheimplementationschemeoftestbench'sthreefunctions:simulationoftheroadresistance,powerassistantcontrolanddataacquisition.Thetestresultsshowedthefeasibilityofthetestbench.[15]H.Fama,b,M.Kontopouloua,b,J.T.Bryanta,c,Methodforfrictionestimationinreciprocatingweartests.Wear.2010(5).6:999-1003AmethodisdescribedbywhichthecoefficientoffrictionwasdeterminedusingalinearreciprocatingweartestingmachinewithsphericalmetalindentersarticulatingonflatUHMWPEsamplesanddeionizedanddistilledwaterlubrication.Acharacteristicperiodicpatterninthefrictionbehaviourwasobserved.Thecoefficientoffrictionwascomputedbycalculatingtheaverageof30pointsaboutthemidpointbetweenreversalsandusingtheaverageofthreecycles.Variabilitybetweentestswasequivalenttothatobtainedbetweenstationsbutwasconsiderablyhigherthanthatobtainedbetweencycles.Thecoefficientoffrictioncouldreliablybeestimatedusingthismethodwithastandarddeviationof0.005.[16]SatishAchantaa.DirkDreesb,Jean-Pierre.CelisaInvestigationoffrictiononhardhomogeneouscoatingsduringreciprocatingtestsatmicro-Newtonnormalforces[J].wear.2009:1066-1069Adhesionisanimportantsurfacephenomenonthatcontrolsmanyphysicaleventsinnatureandtechnology.Theuseofminiaturedeviceslikecombdrives,andcontactMEMSisstilllimitedmostlyduetoadhesiveinteractionsoffreestandingstructuresandfriction,respectively.Moreover,adhesionisanimportantfrictionmechanismatlownormalforces.Inthisstudy,theinterplaybetweensurfaceroughnessandadhesionforcewasstudiedandconsequentlytheirinfluenceonthefrictionforceatlownormalforcesintherangeofμNswasexperimentallyinvestigated.Frictionstudieswerecarriedoutthroughaseriesofbi-directionalslidingtestsoncommonlyusedengineeringsurfaceslikesiliconwafer,TiN,andDLCcoatingsusingahighprecisionmodularmicrotribometerinaball-on-planeconfiguration.Thisstudyillustrateshowfrictionoperatesbetweenroughmultiasperitycontactsundercontactstressesbelow125MPa.ForcevolumeimagingwasperformedusinganAFMonsurfaceswithdifferentsurfaceroughness.Forroughsurfaces,alargefluctuationinthelocaladhesionforcewasobservedinsteadofanoveralldecreaseinadhesionasreportedintheliterature.Asthenormalforcedecreases,theinfluenceoftheadhesioncomponentonfrictionincreasesresultinginahighcoefficientoffrictionespeciallyonsiliconandDLCsurfaces.HydrogenatedDLCsurfacescanexhibitlowfrictiononlywhenthesurfaceisrough.Ontheotherhand,TiNcoatingsarelesssensitivetochangesinsurfaceroughness,andexhibitapracticallyconstantcoefficientoffrictionduetoalowadhesivecomponent.TheadhesioncomponentofnormalforcecouldbeestimatedusingJKRadhesionmodel.ThereisacleardependenceofslidingfrictionatlownormalforcesintheμNrangeonadhesioneventsobservedatthenano-Nrange.[17]T.Miyajimaa,Y.Tanakaa,Y.Iwaia,Y.Kagoharab,S.Hanedab,S.Takayanagi.Frictionandwearpropertiesoflead-freealuminumalloybearingmaterialwithmolybdenumdisulfidelayerbyareciprocatingtest[J].TribologyInternational.2013,3:17-22FrictionandwearbehaviorofAl–Sn–SialloywithMoS2layerunderlubricatedconditionwasinvestigatedbyareciprocatingfrictiontester.ItbecameclearthattheAl–Sn–SialloywithMoS2layershowedabout70%lowerfrictionandabout1/10lowerweardepthcomparedtotheAl–Sn–Sialloy.ThewornsurfacesoftheAl–Sn–SialloywithMoS2layerwereobservedandanalyzedbyaSEM,aTEMandanEDX.ItindicatedthattheslidingsurfaceofthecounterfacehadlargerareaofMothantheareaofAlwhichwastransferredfromtheAl–Sn–SialloywithMoS2layerbysliding,resultinginlowfrictionandhighwearresistance.附录一外文原文MethodforfrictionestimationinreciprocatingweartestsH.Fama,b,M.Kontopouloua,b,J.T.Bryanta,c,∗aHumanMobilityResearchCentre,Queen’sUniversity,KingstonGeneralHospital,Kingston,ON,,CanadabDepartmentofChemicalEngineering,Queen’sUniversity,Kingston,ON,,CanadacDepartmentofMechanicalandMaterialsEngineering,Queen’sUniversity,Kingston,ON,,CanadaabstractAmethodisdescribedbywhichthecoefficientoffrictionwasdeterminedusingalinearreciprocatingweartestingmachinewithsphericalmetalindentersarticulatingonflatUHMWPEsamplesanddeionizedanddistilledwaterlubrication.Acharacteristicperiodicpatterninthefrictionbehaviourwasobserved.Thecoefficientoffrictionwascomputedbycalculatingtheaverageof30pointsaboutthemidpointbetweenreversalsandusingtheaverageofthreecycles.Variabilitybetweentestswasequivalenttothatobtainedbetweenstationsbutwasconsiderablyhigherthanthatobtainedbetweencycles.Thecoefficientoffrictioncouldreliablybeestimatedusingthismethodwithastandarddeviationof0.005..2011ElsevierB.V.Allrightsreserved1.IntroductionTotalkneereplacementisanorthopaedicsurgicalprocedureusedtoreplacekneejointswithosteoarthritis,rheumatoidarthritisandseveretrauma[1].Thefemoralcomponentistypicallymadeofametalalloysuchascobaltchrome(CoCr)andthetibialcomponentincludesaninserttypicallymadeofUHMWPEonametalbackingmadeofanalloysuchasCoCrortitanium.Wearofthepolymericcomponenthasbeenafocusofstudiesdirectedtowardoptimizingtheperformanceofthesebearings[2–18].Recently,studieshavebeenundertakentoevaluatefrictioninthesesystemsinanattempttounderstandthemechanismsofwear[19–22].Itisrecognizedthatfrictionmeasurementsmayrevealthemodeoflubricationoccurringwithinjointprostheses.Boundaryandhydrodynamicfluidfilmlubricationarethemechanismsknowntotakeplaceinjointreplacements[23].Hydrodynamicfluidfilmlubricationofbearingsurfacesoccurswhenaviscousfilmisgeneratedseparatingthetwosurfaces[24].Thetwosurfacesmustmoverelativetoeachotherwithsufficientvelocityforthehydrodynamicfilmtobegenerated[24].Ifthehydrodynamicpressureisinsufficienttoseparatethesurfaces,thenlubricationwouldprimarilydependonthecomponentsofthefluidthatcouldformboundaryfilms[25].Inboundarylubrication,thesecomponentsadsorbonthebearingsurfacesandaidinminimizingfrictionuponcon-tact.Inmixedlubrication,thesurfacesarepartiallyseparatedbyafluidfilm,andpartiallyincontactattheasperities[24].Lubricantviscosityisacriticaldeterminantinhydrodynamicfluidfilmlubrication,andhenceitisimportanttoconsideritseffectonthefrictionbehaviourofjointprosthesisbearingsurfaces[26].Thisisparticularlyimportantsinceperiprostheticfluid,thefluidthatbathesjointreplacementsinvivo,containsHA(hyaluronicacid)ahighmolecularweightcomponentthatimpartsitwithviscouscharacteristics.Frictionstudieshavebeenconductedtodeterminethelubricationmechanisminwhichdifferentbearingmaterialsofjointreplacementsoperate[27–29].ThisistypicallyperformedbyusingtheStribeckanalysiswherethefrictionfactorisplottedagainsttheSommerfeldnumber[27,28].AdecreaseinthefrictionfactorwithincreaseinSommerfeldnumberisindicativeofmixedlubricationwhileanincreaseinthefrictionfactorwithSommerfeldnumberisindicativeoffluidfilmlubrication[19,28,29].BasedonthisanalysisFlanneryetal.[19]suggestedthatintotalkneereplacementamixedlubricationregimedominates.Whilesimulatortestinghasfocusedonrecreatingtheconditionsofloadingandmotionofjointsinservice[7,9],frictionmeasurementstendtousesimplertestconditionsatconstantspeeds[21].ThisstrategymakesitpossibletodelineatethefactorsinfluencingthelubricationmechanismsassociatedwiththeStribeckcurve.However,wearstudieshaveshownarelationshipbetweenthenatureofsurfacemotion(rolling,sliding,cross-shear,etc.)andwearpatterns[30].Therefore,inordertostudytheroleoflubricationinthisphenomenon,itisnecessarytomeasurefrictionunderthedynamicconditionsassociatedwithjointreplacements.Thepurposeofthisstudywastodetermineamethodforestimatingthefrictioncoefficientinalinearreciprocatingmachineunderkinematicandloadingconditionsrepresentativeofthoseencounteredintotalkneereplacement.Areciprocatingpinondiscfrictionandweartestingmachine(AMTIOrtho-PodTM,AMTITM,Watertown,MA)wasusedwithdeionizedanddistilledwaterlubrication.Aprotocolfordataacquisitionandanalysiswasdesigned,followedbystatisticalanalysisthatquantifiedthevariabilityofthefrictioncoefficientamongdifferentstationsandtests.Thisstudywasdesignedtobeusedasbasisforfutureworkinvolvingdifferentlubricants,testgeometries,andsurfacekinematics.2.Materialsandmethods2.1.InstrumentationAnAMTIOrtho-PodTMsixstationpinondiscfrictionandweartestingmachinewasusedinthisstudy.Differentmotionpathscanbegeneratedbyrotationsofthepinanddisc.Therearetwoassembliesinvolvedinthissetup,thetopheadandthebase.ThetopheadcontainstheCoCrpinactuatorswhilethebasecontainsthediscswheretheUHMWPEspecimensaremounted.Thepinisloadedbyairpressureandrotateswitheitherreciprocatingorrotarymotion.Atotalofsixindividualfluidchannelseachencloseapinanddisc.Awaterbathisusedtoheattheunitusingheattransferpassagesinthebaseplateandupperheadassembly.Acomputercontrolsthemachinetothedesireddiscrotation,pinrotationandverticalload.2.2.TestconditionsA25mmradiushemisphericalCoCrmetalpinwasarticulatedagainstaflatUHMWPEsample(Fig.1).Thisarrangementrepresentsthenon-conforminggeometryarticulationtypicalofatotalkneereplacement[6].Deionizedanddistilledwaterwasusedasthelubricantineachofthechannelsandthetemperatureofeachofthechannelswascontrolledusingawaterbathat37◦C.Foreachtest,aloadof210Nwasapplied,resultinginanominalaveragecontactstressof20MPa.TheCoCrpinarticulatedagainsttheUHMWPEsampleinaunidirectionalreciprocalslidingpattern,asshowninFig.1atafrequencyof1Hz.Astraightlinepatternwasdesignedbyprogrammingtherotationsofthepinanddisctotracksevenpointsinboththeforwardandbackwarddirections.MotionstartsatPointAinthepathdepictedinFig.1,continuestoPointBwherethepinstopsandreturnstoPointA.Inaseparatestudy,themotionofthepinwithrespecttothesamplewasmeasuredusinganactiveoptoelectronicmotiontrackingsystem(Optotrack?CertusTM;NDI,Waterloo,Canada).AsshowninFig.2,thepathwasastraightlineintheregionfromy=2mmtoy=8mm;noiseinthex-directionhadarootmeansquareerrorofapproximately175m.ThevelocityprofileshowninFig.3showedanaveragespeedintheforwarddirectionof29.6mm/swithastandarddeviationof4.71andanaveragespeedinthereversedirectionof28.5mm/swithastandarddeviationof4.47.Highstandarddeviationsinthevelocitymeasurementsareexpectedwhennoisypositiondataaredifferentiatedwithrespecttotime;averaging100measurements,forexample,wouldresultinastandarderrorofthismeanthat3.Experimentalprotocol3.1.PinpolishingThreetestswereconductedforeachexperimentalconditionusingthreedifferentstations.TheCoCrpinswerepolishedpriortoeachtesttoamirrorfinish.Threedifferentslurrieswereusedinpolishingthepins:a6microndiamondspray,followedbya0.05micronaluminaslurry,thenfollowedbyacolloidalsilicasolution.Eachslurrywassprayedoncottoncloth-wrappedrotatingdiscs,andthepinswerepolishedagainsttherotatingdiscsfor3–5min.Followingeachpolishing,thepinswerewashedwithsoapwater,rinsedwithwaterandairdried.Thesurfaceofeachpinwasthenexaminedusingalightmicroscopewith4×magnification.3.2.SamplepreparationThesampleswerecutfromcommercialgradeUHMWPEsheet(McMasterCarr,Aurora,OH).Theywerefirstrinsedwithtapwatertoremovebulkcontaminantsandwashedinanultrasoniccleanerinasolutionof1%detergentforfifteenminutes.Theywerethenrinsedwithastreamofdistilledwaterandplacedintheultrasoniccleanerinabeakerofdistilledwaterforfiveminutestorinsethedetergent.Thesamplesweredriedwithlint-freetissueandwerelefttoairdry.EachtestwasconductedwithapolishedpinandanewUHMWPEsample.4.DataacquisThedataacquisitionsystemoftheAMTIOrtho-PodTMcollectsmulti-componentforcedataandfrictioncoefficients.Forcesensorsineachofthethreeverticallegsofthemachinemeasurethreeforcecomponents.ThenineoutputsaresummedtoprovideasinglevalueforeachoftheforcesFx,Fy,andFzwherexandyarethetransversedirectionandzisthenormaldirection.Eachtestwasprogrammedinloopsof10,000repetitions.Thesamplingratewas400datasets/secondfordurationoftenseconds.Datawerecollectedforthelasttencyclesofthefirst10,000cycleloop.AtypicalmeasurementofthetransverseforceandtheverticalloadasafunctionoftimeisshowninFig.4.Thefrictioncoefficientwasdeterminedbytheratioofthefrictionforcetotheverticalload:=(1)ThiscomputationleadstoconsiderablenoiseinthecoefficientduetothenoiseevidentinthecorrespondingforcesignalsshowninFig.4.5.DataanalysisAtypicalfrictioncoefficientoutputfortwocompletecyclesisdepictedinFig.5showingperiodicbehaviourevery400datapoints.ThisbehaviourcorrespondedtothereversalinpinmotionalongthepathandisconsistentwiththatobservedinstudiesbyCostaandHutchings[31].Maximaandminimawereobservedevery200datapointscorrespondingtothestoppoints(PointsAandBinFig.1).Asthepinapproachesastoppoint,thehorizontalforcesensorsdetectelasticforcesresultinginanincreaseinthevalueofthehorizontalforces(FxandFy),leadingtoahighvalueofthecoefficientoffriction.Asthemotionreverses,thehorizontalforcesapproachzeroasthepinstops,yieldinganartificiallylowcoefficientoffriction.ThegroupofdatapointsbetweentheminimacorrespondstodataobtainedalongthestraightlinepathbetweenPointAandPointBinFig.1.Itshouldbenotedthattheoutputfromthethreestationswasslightlyoffsetanddataweresynchronizedbyaligningthemaximumpointsofthethreeoutputs.Asaresultofthenoiseinthedata,itisnecessarytoanalyzeanumberofpointsineachcycleinordertoestimatethecoefficientoffriction.Todeterminetheappropriatenumberofdatapointsforthis,thestandarderrorofthemeanof5,10,15,20,25,30,35,40,45and50frictioncoefficientdatapointsaboutthemidpointofthecyclewascomputed.Thenumberofcyclesrequiredtocomputetheaveragecoefficientoffrictionwasalsodetermined.Theaveragecoefficientoffrictionwascomputedforsevencyclesandcycle-to-cyclevariationwasdeterminedforeachstationandforthreeconsecutivetests.Theaveragesofthefirst3,4,5,6and7cyclesweredeterminedandcompared.6.Resultsanddiscussion6.1.WithincyclevariationsinmeasurementsInFig.6,thestandarderrorofthemeanof5,10,15,20,25,30,35,40,45and50frictioncoefficientdatapointsaboutthemidpointforthefirstcycleisplottedforthethreestationsusedinthetest.Asexpected,thevariabilityofthecalculationofthecoefficientoffrictiondecreasedasthenumberofpointsisincreased.However,anasymptoticvalueofthestandarderrorofthemeanwasobservedat30–35points.Assuch,itwasdeterminedthatusing30datapointsaboutthemidpoint(61pointsintotal)wassufficientforcomputationofthecoefficientoffriction.6.2.BetweencyclevariationsinmeasurementsTodeterminecycle-to-cyclevariation,midpointaveragesforthefirst3,4,5,6and7cyclesweredetermined.Theseaverageswerealmostidentical,withamaximumdifferencebetweenthecycleaveragesoflessthan0.0003(approximately1%).Furthermore,thedifferenceinbetween-cycleaveragevalueswasoneorderofmagnitudelowerthandifferencesobservedbetweentestsorbetweenstations.Assuch,anestimatefortheuncertaintyinthecoefficientoffrictionmeasurementwasbasedthestandarddeviationfrom183datapoints(61datapointspercycleandthreecycles).Acrossallexperiments,thestandarddeviationvariedfrom0.0041to0.0099,whichresultedinastandarderrorofthemeanrangingfrom0.0005to0.0012.Withcoefficientsoffrictionintherangeof=0.03,thisrepresentsanuncertaintyof2–4%inthemeasuredvalueforaspecificstationandsample.6.3.Variationinmeasurementswithtest,station,anddirectionofmo