完整版往复式摩擦磨损实验台的设计毕业设计.docx

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完整版往复式摩擦磨损实验台的设计毕业设计

目录CONTENT

第1章绪论.............................................................................................1

1.1课题研究的现状.................................................................................................1

1.2摩擦磨损实验的目的...........................................................................................3

1.3发展趋势...............................................................................................................3

1.4摩擦磨损试验机测控技术及其发展...................................................................4

1.5小结......................................................................................................................5

第2章摩擦磨损试验机的影响因素.....................................................6

2.1试验条件的影响...................................................................................................6

2.2测量参数的影响...................................................................................................6

第3章摩擦磨损实验台结构设计的相关计算....................................7

3.1往复式摩擦磨损试验台的工作原理..................................................................7

3.2传动的计算..........................................................................................................7

3.3主要零部件的分析和校核..................................................................................8

3.3.1电机和减速器的选择及其主要参数............................................................8

3.3.2齿轮1和齿轮2的分析和校核....................................................................8

3.3.3同步带的传送和计算....................................................................................9

3.3.4主轴的计算....................................................................................................11

3.3.5主轴的强度校核............................................................................................11

3.3.6主轴上键的强度校核....................................................................................12

3.3.7摩擦销的结构设计...........................................................................................................12

.第4章磨损量的测量...............................................................................12

4.1.常用的磨损量的测量方法..............................................................................12

4.2摩擦系数测试部分............................................................................................................13

小结...........................................................................................................................15

致谢...........................................................................................................................16

参考文献...................................................................................................................17

附录一外文原文...................................................................................................................28

附录二中文翻译....................................................................................................34

往复式摩擦磨损试验台的设计

第1章绪论

1.1课题研究的现状

1910年第一台磨料磨损试验机问世，1975年美国润滑工程学会（ALSE）编著的“摩擦磨损装置”一书中所公布的不同类型摩擦磨损试验机已有上百种，仅几十年来，摩擦磨损试验机和试验方法有了较大发展，但价格都比较昂贵。

80年代初美国的SoemanteiS等人[1]最早从事高温磨损试验机的研究，共研制了三台高温磨料磨损试验机。

并在这些试验机上研究了纯铝和纯铜在室温到400℃范围内大气气氛下磨料磨损的特性。

80年代末德国的FischerA等人[2]在总结前人对试验机研究的基础上，研制一台气氛可控的高温三体磨损试验机。

该机最大的优点是气氛可控、严格保证试验的主要因素（温度、磨料、再喝等）恒定，实验数据重现性好。

主要缺点是：

耐高温工作部位未设冷却系统，影响设备精度；同时由于该机未考虑高温氧化对磨损的影响，在该机测定高温氧化与磨损的交互作用时误差较大。

90年代西交大的邢建东等人[3]（研制的高温磨损试验机在电阻炉中的磨损室内装有一水平放置的砂轮，砂轮上有一定的松散磨料。

试样夹上相同成分的3个试样受载荷作用于表面铺有松散磨料的砂轮上，由于试样和砂轮及其松散磨料间的相对运动而产生两体和三体混合磨料磨损。

该机即可严格控制温度，一次3个试样可减少重复试验次数。

但其主要不足是：

（1）试样总在同一轨迹上反复磨损，摩屑潜入砂轮间隙，使砂轮研磨能力逐渐下降；

（2）气氛不易控制；（3）这种混合磨损与实际工矿相差较远。

近年来，西交大吴文忠、邢建东等人在FischerA的高温氧化磨损试验机的基础上，研制一台高温氧化三体磨损试验机，该机的主要优点是：

摩擦学系统设计合理；气氛可控，温度可控；关键部件设有冷却系统。

主要不足是：

密封还存在一些问题；冷却系统还不够完善；气氛成分不能定量测定等。

太原理工大学的杨学军等研制了一台高温销盘磨损试验机，该机结构简单，操作方便，加热温度可控，能在1000℃范围内对各种金属材料的摩擦磨损特性进行研究，摩擦速度可调，所加载荷稳定，试验磨损均匀，对试验参数的变化反应敏感[4]。

北方交大的李霞等[5]研制的高速摩擦磨损试验机，其最大滑动速度可达70m∕s，可以测量高速状态下的摩擦学参数；可以模拟高速列车制动；可以实现多个测试数据的显示与同步记录。

崔周平等人[6]研制的M-1型真空摩擦磨损试验机。

该机可以提供从大气6.7×10-3Pa的压力环境；测量的参数较多，除了测力和速度等参数外，还可以测量温度和摩擦引起的震动频率等；同时具有较为完善的数据采集和处理系统；只须改变夹具及其附件，便可实现多种接触形势和相对运动形式，以及不同的系统刚度和震度特性，拓宽了试验机的应用范围。

哈工大的宋宝玉等人[7]研究的SY-Ⅰ型真空摩擦磨损试验机，可以提供4×10-3Pa的压力环境，速度在0~2800rmin范围内可调，并且可以自动进行数据采集和处理。

该机可以在真空、不同气候环境、加热及冷却等多种条件下测定材料的摩擦性能。

北方交大的徐双满等人[8]为了研究机车柴油机缸套-活塞环材料的摩擦学性能研制一台往复式销块摩擦磨损试验机，该试验机可以在一定范围内实行载荷、速度、润滑脂的单因素控制，但该试验机磨损量的测量采用的是不连续的称重法。

以上这些摩擦试验机多采用静态选位法观察试件，虽然简单易行，但不能获得摩擦过程的动态信息，更不能对磨损（摩擦）过程进行动态观测及动态数据记录。

参考文献：

[1]S.Soemantri,atal.Someaspectsofabrasivewearatelevatedtemperatures[J].Wear.1985,104

（1）:

77–91.

[2]TischerA.ConstructionofanewtesterforelevatedtemperaturesandFirstResultof[3]邢建东等，含碳量对20%deCr合金氧化和高温磨损性能的影响[J].机械工程学报，2002，28（6）:

31-37.

[4]杨学军，赵浩峰，赵昕月，高温销盘磨损试验机的研制[J].太原理工大学学报，[5]李霞，许志庆，杨勇，高速摩擦磨损试验台的总体设计[J].中国仪器仪，2003,10（3）：

22-33.

[6]崔周平，宋期，MT-1型真空摩擦磨损试验机的研制[J].固体润滑，2000，10

（1）：

61-62.

[7]宋宝玉，吉乐，张峰等，SY-1型摩擦磨损试验机的研制[J].润滑与密封，[8]杨

1.2摩擦磨损实验的目的

摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象及其本质进行研究，正确的评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。

摩擦磨损试验研究的内容非常广泛，如讨论摩擦、磨损个润滑机理以及影响摩擦、磨损的诸因素，对新的耐磨、减摩及摩擦材料和润滑剂进行评定等。

由于摩擦磨损现象十分复杂，摩擦磨损条件不同，试验方法和装置种类繁多，如何准确地获取摩擦磨损过程中的参数变化成为一个十分重要的研究课题。

为了探索和验证机械工程中摩擦磨损问题的机理以及有关影响因素，在摩擦学研究中展开摩擦磨损测试技术和数据分析研究具有非常重要的作用。

1.3发展趋势

随着现代科学技术的进步，摩擦磨损测试技术呈快速发展之势，摩擦磨损试验机呈一下发展趋势：

1、以高性能的电机系统取代机械变速系统

目前，高性能的电机系统已经比较成熟，调速比可以达到一比几百、几千甚至更高。

利用这种系统既可以实现转动，也可以实现摆动和直线运动。

由高性能电机直接驱动主轴，不仅能使机械结构大大简化，而且还能降低试验机的摩擦损耗，提高整机的寿命和可靠性。

但高性能电机系统价格比较昂贵。

2、在摩擦磨损试验机上应用微型计算机

微型计算机的价格低廉，操作简单，性能稳定，不仅可以取代以往的二次仪表对试验机进行控制，而且还可以对测试参数进行自动采集和数据处理，因而能使试验机的功能大大加强。

3、改进测试手段

4、提高稳定性，提高测试精度

提高试验机的稳定性，以使试验结果具有更好的重复性和再现性

1.4摩擦磨损试验机测控技术及其发展

摩擦磨损测试技术的发展与测试技术和测量仪器仪表的发展密不可分。

在现代仪器仪表高度自动化和信息管理现代化的过程中，大量涌现出以计算机为核心的信息处理与控制相结合的实用系统，同时由于计算机网络技术和通信技术的迅猛发展，控制网络技术已成为自动化测控领域的发展热点。

这些技术的出现与发展有力的促进了摩擦磨损试验技术和智能化摩擦磨损试验机的发展。

传统的摩擦磨损试验机的测试原理是基于传统的测试系统理论，测试方法采用不连续测定法，如试验前后称量试样的重量，测定体积变化等等，即使采用了一定的测试设备，如模拟技术的记录仪等，但测量仪器多采用基于系统抗干扰性能较差，摩擦磨损测试往往不能体现摩擦学的系统性和时变性，其测量结果也无法反映极短周期内发生的变化（例如动静摩擦系数过渡变化、擦伤、咬死等）。

电气调速方面多采用基于大功率晶体管、晶匣管和大功率整流技术甚至直流发电机-直流电动机技术的直流调速系统。

逻辑控制部分，最初采用按钮和开关进行手动控制，后来出现了继电器、接触器及其控制系统，用于控制试验机的启动、停止和有级变速，由于这种控制装置结构简单、直观易懂、维护方便、价格低廉，所以在摩擦磨损试验机控制上得以广泛应用，但控制系统难以改变控制程序，由机械触点实现开、关控制，触点容易出现松动和电磨损，可靠性较低。

随着摩擦学研究的不断深入，对摩擦磨损试验机的要求也越来越高。

人们根据摩擦磨损的特点制造了具有通用意义的摩擦磨损试验机，用来研究不同状态下摩擦磨损过程中的速度、温度、摩擦力、摩擦系数、磨损量等参数的变化，根据参数的变化判断实验材料、润滑剂等性能。

随着计算机的普及，出现了利用计算机辅助摩擦磨损试验机的试验机，这种试验机多采用“传感器＋信号调理＋数据采集卡＋软件”这样一种基于模数采集卡的基本形式。

来着传感器的微弱信号经过后面配接的信号调理电路的放大和预虑后输出标准的模拟电压或电流信号，经过输导线送入计算机中的数据采集卡采样、AD转换后，存储于计算机中进行运算分析与处理，以适当的形式输出、显示或记录测量结果。

但由于试验机的拖动设备电动机和交流变频调速设备一般为交流强电设备，易产生强大的内部干扰，同时工业环境、供电系统也会带来各种外部干扰，虽可采用各种软硬件抗干扰措施在一定程度上抑制这些干扰，但这些干扰扔会使以模拟形式传输的信号产生不稳定的非正常波动，甚至会引起较大的跳跃，影响摩擦学测量结果的准确性和可靠性，同时这种形式的试验系统，信号经过多次转换，会带来一定的转换误差。

但由于模拟信号传输速度快，采用这种形式的摩擦磨损试验机在速度要求极高的场合，往往是必须的选择。

电气调速方面由于脉宽调制技术和矢量控制技术的发展及其在交流调速系统中的应用，以交流异步电动机为对象和以交流变频调速器为控制器的交流调速系统得到广泛的应用。

逻辑控制方面出现了以微处理器为核心的可编程控制器。

自动控制理论与计算机技术的结合产生了计算机控制技术，计算机在工业领域正成为不可缺少和不可替代的强有力的控制工具。

由于计算机控制系统的应用，许多传统的控制结构和方法被替代，信息利用率大大提高，从繁重的试验工作中解放出来，可以实现人工最少参与的情况下，按预先编制好的测试程序，完成摩擦磨损测试、分析处理、显示或输出结果。

系统一旦正常工作，各种操作一般都可以系统自动完成，可以完成长时间定时或不间断测试。

1.5小结

本设计主要是对往复式摩擦磨损实验台进行机械结构部分的设计及二维图的绘画。

所设计的实验机满足下面的性能要求:

试样的尺寸：

Φ50×4。

选用小功率、可连续工作及速度可调的电机。

可实现对试样的摩擦系数进行测试，摩擦磨损时间可控。

第2章摩擦磨损试验机的影响因素

进行摩擦磨损实验的目的是模拟实际的摩擦系统，在实验室再现摩擦磨损现象及规律，以便通过选定参数的测量所示的工作运转变量，润滑变量和气氛变量等对特定摩擦磨损元素的影响。

因此摩擦磨损试验机的设计就是要依据这种目的和既定的具体任务要求。

2.1试验条件的影响

（1）运动形式的影响

运动形式与试验机的摩擦副结构有关，二者都是由所要模拟的摩擦副决定的，试验机的摩擦副结构和运动形式均可通过添加附件面而加以改变。

例如，美国FAEX公司的多功能试样测试机在添加附件以后，就可以形成一个平面、四球、液体侵蚀、针一盘和滚动四球等多种摩擦副形式。

试验机上摩擦副的最基本运动形式一般有以下4种，即滑动、滚动、自旋和冲击。

在试验机上，对运动形式都有明确的规定，但对运动的位置精度却要求不高，因此这方面可以忽略。

（2）负荷的影响

负荷是摩擦磨损试验机的一个重要参数，其在试验过程中一般应保持稳定。

试验机对负荷的要求精度很高，在国内试验机负荷示值的相对误差为11%要求满足负荷精度要求，就必须考虑在试验机上减小加载系统的摩擦阻力。

目前摩擦磨损试验机比较常用的加载方式有机械式、液压式、和电磁式三种。

其中机械式加载又可以分为杠杆加载、弹簧加载和重物直接加载或以上三种加载形式的组合，杠杆加载和重物加载系统结构简单，载荷稳定，不存在负荷保持的问题，加载精度高，但当摩擦副运动不稳定时却会引起振动和冲击；弹簧加载产生的振动较小，但是，弹簧加载精度不高，难于实现负荷精度调整。

液压式加载包括动压加载和静压加载两种，但液压加载很难保持负荷稳定。

电磁加载易于实现负荷的自动控制，但其是弱点是控制的成分较高，而且在已有摩擦磨损试验机上使用还比较少。

（3）滑动速度的影响

滑动速度的大小对摩擦磨损往往具有关键性的意义。

因而也是摩擦磨损实验的一个重要参数。

往复式可以分为两种分别为摆动式和往复直线式。

在试验机上即可以采用机械式方式（如凸轮机构和曲柄摇杆机构等）实现摆动，也可以由电机（如伺服电机和步进电机）来实现摆动。

往复直线运动通常是用曲柄滑块等往复直线运动机构来实现。

试验机的速度大小一般都要求可调，所能采用的方式有级调速和无极调速两种。

无极调速可通过两种方式来实现：

一种是机械式无极调速（如摩擦轮和差动轮系），但其调速范围不大，另一种是使用无极调速电机进行，这种方式的调速范围很大，如直流伺服电机的调速范围可达12000人rmin（下限还可以更低）。

当采用电机无极调速时，一般要求速度稳定，因而常采用速度控制环节实现速度的闭环控制。

（4）试验时间的影响

试验时间一般是依据具体情况而定，大多数试验机没有配备定时装置。

要在试验机上实现时间的控制，可以采用定时器控制动力源，也有的是根据摩擦力或摩擦力矩的极限值来控制停机。

这种控制方法是对试验机也起着过载保护作用。

2.2测量参数的影响

（1）试验负荷的影响

试验机一般都要对试验负荷进行测量，所采用的测量方式往往随加载方式的不同而不同。

机械式杠杆一玛法加载可以直接根据砝码得到负荷值，机械式弹簧加载可以根据游标显示的弹簧变形确定负荷值，液压加载可以通过加载油缸的压力换算得到负荷值。

然而，不论在哪种加载方式下。

都可以利用负荷传感器直接测量到负荷值。

复合传感器应当安装在尽量靠近摩擦副的位置上，以避免或减小导向部分摩擦力引起的测量误差。

（2）摩擦力摩擦系数的影响

在试验机上，摩擦力或摩擦力矩和摩擦系数一般只测一项。

例如，在已知负荷p的情况下，只要测出摩擦力F，就可以根据公式求出摩擦系数的数值。

这可以利用微机或者数字电路实现运算处理。

测量摩擦力常用的方法一般有两种，机测量作用在驱动轴上的扭矩，或者是借助于弹性元件测定作用在固定件上的力。

在采用第二种测量方法测量摩擦力时，由于固定件在沿摩擦力方向自由运动时必然要传递法向力，所以当其安装在滚动轴承之类的低摩擦装置上，以使附加的摩擦力尽可能的减小，从而保证摩擦力的测量精度。

摩擦扭矩可以采用扭矩传感器进行测量，其安装位置既可以作用在运动轴上，也可以是在固定轴上。

当把扭矩传感器安装在运动轴上时，需要确保传感器的信号输出良好。

在试验机上，通常是将摩擦扭矩换成拉力或者压力进行测量。

（3）速度的影响

在有些试验机上还要求对速度进行测量，可以采用的测速装置有测速发电机和光电传感器等。

记录转数最长用的是机械式计数器。

（4）磨损量的影响

磨损量是磨损试验机中都要测量的一个参数。

目前，磨损量的再线检测尚有困难，以往都是将试件取下再测量磨痕或者称量失重而得之。

现在，有人采用电测量法或光栅对摩擦副在磨损过程中的相对位移进行测量，以此实现磨损量的在线检测。

（5）重复性和再现性

摩擦磨损试验机能否给出重复性和再现性都比较好的试验结果，取决于每次试验用的试杆和试验环境条件（包括仪器的工作状态）是否都能保持一致。

西德公司的srv型标准化激动式摩擦磨损测试机之所以能够给说较好的重复性和再现性的试验结果，就是因为它的关键部位一震动系统和力监测系统的工作状态非常稳定。

为了使试验条件稳定，同时还需要测试系统稳定，应能准确地测出工况参数，以便于调整。

此外，合理的摩擦副接触形式也是取得较好的重复性和再现性实验结果的重要因素之一。

一般说来，点接触比面接触受外界的影响较小，因而在相同条件下，点线接触有利于再现摩擦副的接触状态。

第3章摩擦磨损试验台结构设计的相关计算

3.1往复式摩擦磨损试验台的工作原理

主动齿轮1通过联轴器，减速器与驱动机相连进行动力输入，当从动齿轮2转动时，连杆3带动齿条4水平运动，此时齿条四便带动齿轮6运动，齿条的水平运动由轴承5支撑控制。

由于齿轮2，连杆3，齿条4与机架构成四杆机构，故存在极为夹角，故齿条存在急回运动。

图1往复运动偏心齿条—齿轮的复合机构简图

结构组成—1主动齿轮、2从动齿轮、3连杆、4齿条、5滚动轴承、6齿轮组成。

条件—输出齿轮6的扭矩为20KN.m。

3.2传动的计算

（1）输出齿轮扭矩T=20KN.m,模数m=14，查《齿轮设计计算手册》齿数z=18，其分度圆直径D=252mm，齿条受水平方向的力

F=T（D2）=158.73KN

经计算得连杆在齿轮最大最小与水平方向夹角为9.05º和49.21º。

可计算连杆（二力杆）

最大力Fmax=Fxcos9.05º=156.754KN

最小力Fmin=Fxcos49.21º=103.696KN

在齿轮2上的两个极限位置上的水平分力为

=cos9.05º=154.802KN

=Fmincos49.21º=67.743KN

连杆与齿轮2连接处的直径为d=690mm，故可算出齿轮的最大扭矩

齿轮1（主动齿）与齿轮2传动比为19:

62。

则可知齿轮1的扭矩为16.37KN.m。

根据查表得知，齿轮间的传动效率为0.