摩擦磨损试验机结构毕业设计

摩擦磨损实验机构造设计摘要先进的摩擦磨损实验机及实验技术对于摩擦学研究的进一步开展有着重意义。本文在对摩擦磨损实验机的发展概况、分类、特点，摩擦磨损实验的目的、实验的基本办法等进行综合分析的基础上，建立了摩擦磨损实验机的规定明细表，通过功效分析拟定实验机的整体构造，从主机的构造设计、主轴回转构造、多样式装夹、气压加载构造等方面对摩擦磨损实验机构造进行设计。该实验机能实现对摩擦副的轴向加载、径向加载以及往复运动等，构造稳定符合普通实验规定。核心词：摩擦磨损实验机；气压加载；往复运动structuraldesignofFriction-WearTestermachineAbstractAdvancedfrictionandweartesterandtesttechnologyfortribologicalstudieshavehighlightedsignificantdepth.Inthispaper,frictionandweartestingmachineontheoverviewofdevelopment,classification,characteristics,frictionandweartestpurposes,testthebasicmethodsforcomprehensiveanalysisbasedontheestablishedrequirementsoffrictionandweartestingmachineschedule,determinedbyfunctionalanalysisoftestmachinesTheoverallstructureofthestructuraldesignfromthehost,Spindlestructure,multi-stylefixture,airpressureloadstructureintermsoffrictionandweartestmachinestructuredesign.Thetrialfunctionofthefrictionpairtoachievetheaxialload,radialloadandthereciprocatingmovement,structuralstabilityandmeetthegeneraltestrequirements.Keywords:Friction-WearTester;Pressureload;Reciprocating

目录1绪论 11.1摩擦学概念 11.2摩擦磨损实验 11.2.1摩擦磨损实验分类 11.2.2摩擦磨损实验机 21.2.3摩擦磨损测试技术研究现状 42摩擦磨损实验机机械构造总设计思路 72.1摩擦磨损实验的基本系统 72.2摩擦磨损实验机的设计思路 82.2.1拟定实验机设计规定 82.2.2实验机的功效分析 102.2.3基本功效实现方案 112.2.4对各实现方案进行组合，拟定最优方案 123主传动部分设计 163.1传动系统总体设计 163.2驱动部分 173.21.拟定电动机类型 173.2.2.拟定电动机的容量 173.2.3.拟定电动机的转速 183.3传动部分——同时带设计 193.3.1同时带参数设计 193.3.2带轮挡圈参数 223.4主轴的设计 223.4.1.选择轴的材料及热解决办法 223.4.2．拟定轴的最小直径 233.4.3轴承的选用 233.4.4拟定轴各段的尺寸 263.4.5主轴强度的校核 283.5轴承套筒的设计 353.6轴承座的设计 353.7实验销夹具的设计 363.7.1.总体设计 363.7.2夹具设计 374加载机构总体设计 404.1气缸构造设计 404.1.2活塞杆上输出力和缸径的计算 404.1.3气压缸的选择 424.2气缸加载夹具的设计 434.2.1夹具设计的总体方案 434.2.2轴向试样安装夹具设计 434.2.3径向试样安装夹具设计 444.2.3夹具台设计 454.3滑动托板的设计 454.3.1上滑动托板的设计 454.3.2下滑动托板的设计 474.4滚动导轨的设计与选择 484.5滚珠丝杠的设计与选择 504.6步进电机的设计与选择 514.7实验机底座的设 53结束语 54参考文献 55致谢 56附录 571绪论1.1摩擦学概念摩擦学的现象和应用随着着人类活动的各个方面，钻木取火就是摩擦学古老的应用。而摩擦学作为一种学科研究体系则是由英国H.P.Jost所主持的润滑工程工作组于1966年提出，当代牛津词典中把摩擦学定义为:“研究作相对运动的互相作用表面的科学技术及其有关的多个实际问题”。在机械工程应用领域，摩擦学重要研究的就是互相运动着的物体工作表面上的摩擦、磨损和润滑等课题，从人类原始的诸多简朴劳动过程到当代的多个复杂工程系统，特别是机械工程系统，乃至日常生活的许多方面，都普遍地存在着种种不同形式的摩擦、磨损和润滑问题，这些问题的研究和解决，对人类发明光辉灿烂的历史文明和高度发达的当代科技都曾经起到了重要作用，并且还将对人类将来的科学技术发展和社会文明进步继续做出重要奉献。1.2摩擦磨损实验1.2.1摩擦磨损实验分类摩擦磨损实验的目的是为了对摩擦磨损现象和本质进行研究，对的地评价多个因素对摩擦磨损性能的影响，从而拟定符合使用条件的最优参数。由于摩擦磨损现象十分复杂，实验办法和装置种类繁多，如何精确的获取摩擦磨损过程中的参数变化显得十分重要。摩擦磨损实验可根据实验条件和目的分为两大类:第一类是现场实物摩擦磨损实验;第二类是实验室摩擦磨损模拟实验。第一类摩擦磨损实验是在实际使用条件下进行的，这种实验的真实性和可靠性较好，但机器零件在实际使用中的磨损普通较慢，因而需要较长的周期才-能得到实验成果，并且磨损量还需要可靠和精确的仪器测量。机器在不同工况下运行，由于运行的条件不固定，因而所获得的测试数据重现性和规律性较差，不便研究摩擦磨损的规律性，也难以进行单项因素对摩擦磨损影响的观察。第二类实验不需要进行整机实验，只需要模拟机器零件和部件在实际使用条件下进行实验，同时可变化多个参数来分别测定其对摩擦磨损的影响，并且测试数据重现性和规律性较好，便于进行对比分析，还能够通过强化实验条件，来缩短使用周期，减少实验费用。但这类实验办法所得到的成果，不能完全反映实际的复杂的摩擦磨损状况，往往不能直接应用，只有精确的模拟实验得到的成果才干有较好的实用性。实践表明:摩擦磨损实验办法和条件不同，实验成果差别很大。因此在实验室中进行实验时，应当尽量地模拟实际工矿条件，其中重要的有:滑动速度和表面压力的大小和变化、表面层的温度变化、润滑状态、环境介质条件和表面接触形式等等，对于高速滑动摩擦副的摩擦磨损实验，温度影响是重要问题，应当使试件的散热条件和温度分布靠近实际状况。在低速摩擦副的实验中，由于磨合时间较长，为了消除磨合对实验成果的影响，能够预先将试件的摩擦表面磨合，方便形成与使用条件相适应的表面品质;对于未经磨合的试件，普通不采集运转早期的测量数据，由于这些数据可能不稳定。1.2.2摩擦磨损实验机摩擦磨损实验机重要用来研究在不同速度、载荷和温度条件下多个材料和润滑剂的性能，也能够用来进行多个磨损形式的机理研究。摩擦磨损实验机试件之间的相对运动方式能够是纯滑动、纯滚动或者滚动随着滑动，大多数实验机的试件采用旋转运动，也有是往复运动的。试件的接触形式能够分为面接触、线接触和点接触三种，普通面接触试件的单位面积压力为80~100MPa，惯用于磨粒磨损实验，线接触试件的最大接触压力可达成1000~1500MPa，适合于接触疲劳磨损实验和粘着磨损实验，点接触试件的表面接触压力更高，最大可达5000MPa，合用于需要很高接触压力的实验，例如胶合磨损或高强度材料的接触疲劳磨损实验。常见的实验机有下列几个形式[1]：(1)销一盘式磨损实验机:由一种旋转的平圆盘和一种压在盘上的不动的圆柱销构成，销是试件，其端部可做成平面、半球形、锥形等，可进行多个摩擦副及润滑材料的摩擦磨损性能实验，也能进行粘着磨损规律的研究。国内产品型号有MD-240定速摩擦实验机等。(2)滚子式磨损实验机:上下两个母线接触的圆盘为试样，上下试样的转速不同，可获得纯滑动、纯滚动、滚动兼有滑动等运动形式。可对材科及润滑剂进行摩擦及磨损性能实验。合用于研究疲劳磨损等，国产型号有MM-200摩擦磨损实验机，国外型号有阿姆斯勒(Amsler)磨损实验机等。(3)环一块型实验机:国外型号有梯姆肯(Timken)实验机等。试件用被测材料做成约不大于1020平方毫米的方形平面，试环硬度非常大，与其它材料特别是塑料复合材料等磨时，可认为是不被磨的。因此能够直接测量试块在摩擦过程中被磨掉的体积。据此决定磨损量的相对值。较多用于快速筛选材料的耐磨损性能实验，实验中如能测出摩擦力的数值能够此计算摩擦系数。(4)四球式实验机:上球卡在夹头内，能够在不同速度下旋转，下面三个球固定，四个原则球均为中12.7毫米，可从上面或下面施加载荷，重要用来评定润滑剂承载能力，也可测定摩擦副疲劳磨损寿命，国内有MQ-800型，国外有壳牌四球机等型号。(5)端面摩擦磨损实验机:端面摩擦磨损实验机采用面接触形式，如合肥工业大学摩擦学研究所研制的HDM-10端面摩擦磨损实验机采用上试样(圆环接触面，外径}30mm，内径}22mm)旋转，下试样(圆片状)静止的端面接触滑动摩擦形式，在油润滑和无油润滑条件下，对试样的摩擦磨损性能进行实验检测，该实验机特别适合于评定自润滑轴承材料、表面薄层或层状复合材料、固体润滑材料的减摩耐磨特性和综合使用性能。HDM-10端面摩擦实验机在实际使用中，能够在很宽的范畴内通过对负荷、转速、时间、温度以及摩擦副配偶材料、光洁度、硬度等参数进行调节选择，考察实验材料在多个影响因素作用下其摩擦磨损性能的变化，并根据不同条件下实验参数的变化和试样表面的磨损状况来评定在干摩擦或油润滑条件下试样材料的摩擦学特性及其综合使用性能。按不同实验规定，实验机又可分为快速磨损实验机、润滑材料性能实验机、高低温摩擦磨损实验机、高低速实验机以及轴承动态特性、齿轮疲劳、润滑油特性等实验机。常见的摩擦磨损实验机摩擦副接触及运动方式在图1.1中列出，其中(a)图所示的是四球实验机的摩擦副接触及运动方式。(b)图所示的是MM200实验机的摩擦副接触及运动方式。(c)图所示的是往复式实验机的摩擦副接触及运动方式。(d)图所示的是端面实验机的摩擦副接触及运动方式。(e)图PV摩擦磨损实验机摩擦副接触及运动方式。图1.1摩擦磨损实验机摩擦副接触及运动方式1.2.3摩擦磨损测试技术研究现状机械设备是生产和生活的物质基础，在其运转过程中，可动零部件会按规定的接触表面作相对运动产生摩擦，消耗能量进而造成零部件的磨损。摩擦无处不在。由摩擦引发的磨损、润滑、材料与能源消耗等一系列摩擦学问题普遍存在并对社会、经济的发展产生了巨大影响。有数据表明世界能源的1/3～1/2消耗于摩擦发热，而大概有80％的零件损坏是由于磨损而引发的。根据美国、英国、德国等国的统计，与摩擦、磨损有关的费用约占一国GDP的2%~7%。同发达国家相比，我国现在平均生产水平还较低，即以占GDP5%计，我国每年因摩擦、磨损造成的损失就约为580多亿元人民币。这些数字表明，研究摩擦磨损实验机含有重要的意义。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超出程度而报废和更换的，如许多重型机床、精密机床及高效自动化机床，经常由于轴承、导轨及其它重要摩擦副存在缺点而发生故障或达不到所需要的加工精度与能力，以致长久无法使用。如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。另首先，摩擦磨损会使零件失效，功效减少并有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性和安全性甚至酿成事故，严重威胁到人们的生命安全和生产的顺利开展。由此可见，随着科学技术的发展，对机械学的分支之一——摩擦学进行进一步研究成了令人关注的发展趋势；减少摩擦，避免磨损成了延长机械设备使用寿命，提高生产率的核心。在机械工程上，摩擦学是研究作相对运动的、互相作用的材料表面间摩擦行为对机械系统作用的理论和实践的科学。为了理解摩擦、磨损的发生发展机理，寻找多个磨损类型的互相转化以及复合的错综关系，需要对材料表面的磨损全过程进行细微研究观察和统计，对材料的摩擦磨损性能进行测试和研究，所需的实验设备是摩擦磨损实验机。这是材料学、机械学和化学等研究领域从事有关摩擦学研究的重要实验设备，能评定材料间的抗磨损性能及多个润滑剂的极压特性，并计算摩擦系数。摩擦磨损实验机及摩擦学实验技术在对的地评定材料摩擦和磨损特性时是必不可少的，因而对于摩擦学研究的进一步开展有着重要意义。实验机本身的精度、稳定性、可靠性、通用性等是当代测控设备的重要规定。机械设备中零部件的摩擦磨损性能是由材料（摩擦副配对及润滑剂）、工作参数（载荷、速度）、接触几何和环境条件（温度、氛围等）等因素决定的。因此，研究零部件的摩擦磨损性能，需要根据使用场合的状况，设计实验并选择适宜的实验机和评价参数，有时为了全方面评价一种材料的摩擦磨损性能，需要同时配备多台不同用途的实验机。摩擦磨损实验装置摩擦副的摩擦学性能实验,大致可分为试样实验、台架实验和实际使用实验三种类型。相对而言,实验室条件下的试样实验含有选择范畴宽,影响因素容易控制等优点。在美国润滑工程师协会(ASLE)汇编的摩擦磨损实验机目录中列有上百种类型,现在,5种典型的实验机是:四球机、梯姆肯实验机、法莱克斯实验机、销盘实验机和MM200磨损实验机。针对现在大多数摩擦磨损实验机运动形式单一、环境因素不可控的缺点,又有研究人员开发了多功效集成摩擦磨损实验机及其智能测控系统。该智能测控系统以工控机为核心,集数据采集、数据解决和实验环境控制为一体,实现了温度、湿度、载荷、摩擦力、线速度和摩擦因数等参数的实时检测，可更加好地模拟现实工况条件,可开展多个环境因素、多个运动方式下的摩擦学实验研究。·1.3本课题研究意义及内容随着当代科学技术的进步,预摩擦磨损实验机将会朝着下列几个方向发展：（1）以高性能的电机系统取代机械变速系统。现在,高性能的电机系统已经比较成熟,调速比能够达成一比几百、几千甚至更高。运用这种系统既能够实现转动,也能够实现摆动和直线运动。由高性能电机直接驱动主轴,不仅能使机械构造大大简化,并且还能减少实验机的摩擦损耗,提高整机的寿命和可靠性。（2）在摩擦磨损实验机上应用多样式装夹。随着加工技术、加工工艺及加工设备的发展，夹具的类型也变的多样。在同一台实验机上配备多个夹具，这样能够方便全方面评价一种材料的摩擦磨损性能，得出更加好的实验数据。（3）采用气压加载，更加好的调控加载力，增大加载范畴、精度高。（4）轴向、径向及轴径向加载，用于检测需轴径加载的试样。（5）提高稳定性，提高实验机的稳定性,以使实验成果含有更加好的重复性和再现性。本论文考虑区别于传统实验机杠杆式加载，机械式调速的加载精度不高，稳定性差，局限于单向加载，调速范畴小且只能有级调速，紧紧围绕以上几点，着重对加载构造进行设计，改善电机传动，使实验机能精确反映摩擦磨损状况，稳定且可靠。重要设计内容涉及：总体方案的设计，主传动部分设计，加载系统设计。本章重要介绍了摩擦磨损实验机的发展概况、分类、特点、摩擦磨损实验的目的、实验的基本办法以及国内外对此的研究状况，本课题研究的背景和意义、对本论文的重要设计内容作了一种大概分析。2摩擦磨损实验机机械构造总设计思路2.1摩擦磨损实验的基本系统参考与摩擦磨损实验有关的特性和重要参数，建立摩擦磨损实验的基本系统如图2.1所示。在大多数状况下，实验系统涉及两个固体试件（1）、（2）以及润滑剂（3）和氛围（4）。实验系统的输入由图左侧的工作变量提供，通过工作变量对摩擦实验元素的作用，发生摩擦和磨损过程。为了描述这些摩擦学过程，必须测量右侧的摩擦计量特性，必要状况下，还必须测定试件的表面特性，以补充摩擦计量特性。图2.1摩擦磨损实验的基本系统进行摩擦磨损实验的目的就是要模拟实际的摩擦系统，在实验室再现摩擦磨损现象及其规律性，方便通过选定参数的测量分析考察图所示的工作运转变量、润滑变量和氛围变量等对特定摩擦磨损实验系统摩擦元素的影响。因此，摩擦磨损实验机的设计就是要根据这种目的和既定的具体任务规定，构思形成图所示的基本系统。其工作运转变量普通规定在一定范畴内可调，对于测试参数应当根据需要选定。2.2摩擦磨损实验机的设计思路2.2.1拟定实验机设计规定综合实验机的实验条件等因素，按摩擦磨损实验的基本系统，初步拟定设计规定，建立规定明细表。考虑本实验机的大致规定以下：靠近普通工程状态[2]不同的实验规定和不同的测试状态和范畴,都有其对应的应用背景和理论意义。摩擦磨损实验中，按照摩擦形式，能够分为滑动摩擦、滚动摩擦和冲击摩擦。根据对磨面条件,能够分为光滑平面、粗糙平面和磨料。从实验速度来说，能够分为低速（）、工程速度（）和高速（）三个范畴。从温度来说，能够分为低温（零度下列），常温和高温。润滑状态能够分为无润滑和有润滑。氛围能够分为真空、空气和其它气体氛围。负荷状态能够分为微负荷（mg~g）和工程负荷（）。磨损形式能够分为疲劳磨损、粘附磨损、磨料磨损、微动磨损和冲击磨损。本实验机考虑用途较广，靠近工程状态，满足部分高速运动（最高速度滑动速度是50m/s），合用于实验室测试金属材料，塑件材料的摩擦特性的实验条件，涉及实验速度、温度范畴、负荷范畴、氛围等方面，又从以金属材料做重要摩擦材料来考虑，本实验机采用与光滑刚性对磨面的滑动摩擦制式。初步设计规定如表2.1表2.1实验机初步设计规定温度范畴常温负荷范畴工程负荷（）速度范畴工程速度（）氛围空气摩擦形式滑动摩擦润滑状态无润滑（2）易于操作（3）适合较为敏捷的摩擦力、温度测定（4）成本较低按优先次序把摩擦磨损实验机全部任务规定分为必达规定、最低规定和附加规定三大类[2]，其中必达规定描述了产品的重要功效，这是必须满足的规定；最低规定反映了产品的次一级功效，