小型摩擦磨损试验机的研制设计说明书.docx

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小型摩擦磨损试验机的研制设计说明书

本科学生毕业设计

小型摩擦磨损试验机的研制

系部名称：

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

职称：

TheGraduationDesignforBachelor'sDegree

DevelopmentofSmallFriction-wearTester

Candidate：

Specialty：

MaterialProcessingand

ControlEngineering

Class：

Supervisor：

摘要

摩擦学是一个实践性比较强的学科，试验是学好摩擦学的一个重要环节。

磨损摩擦试验机是能够定量的演示摩擦磨损机理的试验设备。

市面上销售的商业化的磨损摩擦试验机价格高昂，结构复杂，不适宜教学实验室使用。

通过分析摩擦学原理，并参考其他磨损试验机的工作原理，设计了一个小型的摩擦磨损试验机。

该机采用柱盘式结构，无液压件，加载组件紧凑，加载稳定，测力组件零件少，测量简单直接，减少了中间环节误差，加工制作简单，工作可靠，成本低廉。

该机可以进行滚动和滑动两种摩擦试验，试验所用上试件可以是方的或圆的柱体，机械加工非常方便；试验所用下试件为圆盘，它对任何材料都可采用车削加工，加工成本低，便于不同材料的摩擦学性能测试，能够很好的满足实验室的教学试验要求。

关键词：

试验机；摩擦；磨损；摩擦性能；试验装置

ABSTRACT

Tribologyisasubjectthatneedmanypracticeandexperiment.Experimentisanimportantelementinlearningtribology.Friction-weartesterisanequipmentthatcanquantitativelydemonstratethemechanismoffrictionandwear.Becausethefriction-weartesterthatonsalehasahighpriceandcomplexstructures，itisnotappropriatetouseinlaboratory.

Idesignedasmallfriction-weartesterbyanalyzingprinciplesoftribologyandotherfriction-weartester.Thestructureofthefriction-weartesteriscolumn-disc.Thereisnohydraulicpackageonitanditsloadingmodulesarecompactandstable.Soitiseasytobeproducedandhaslowcost.Thefriction-weartestercanbeusedinbothrollingandslidingfrictiontesting.Thespecimenissquareorroundcylinderwhichiseasytobemachined.Itcanmeettherequirementsoflaboratorywell.

Keywords：

TestingMachine；Friction；Wear；TribologicalProperty；TestingDevice

摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论……………………………………………………………………………1

1.1选题的目的及意义………………………………………………………………1

1.2选题的国内外研究现状…………………………………………………………2

1.2.1选题的国内研究现状……………………………………………………2

1.2.2选题的国外发展趋势……………………………………………………3

1.3选题研究的主要内容与研究方法………………………………………………5

1.4选题研究的预期结果……………………………………………………………5

第2章摩擦磨损试验原理与方法…………………………………………………6

2.1材料摩擦磨损的评定方法………………………………………………………6

2.1.1摩擦的概念及类型………………………………………………………6

2.1.2摩损的类型及评定方法…………………………………………………6

2.2摩擦磨损试验方法分类…………………………………………………………8

2.3常用的几种磨损试验机…………………………………………………………9

2.4教学用磨损试验机的功能需求…………………………………………………11

2.5本章小结…………………………………………………………………………11

第3章磨损试验机测试方案比较与分析………………………………………12

3.1简易环块式方案…………………………………………………………………12

3.1.1结构特点及工作原理…………………………………………………12

3.1.2主要组件………………………………………………………………13

3.1.3设计启示………………………………………………………………15

3.2球盘式方案……………………………………………………………………15

3.2.1试验机工作原理…………………………………………………………15

3.2.2试验机传动方案…………………………………………………………16

3.2.3试验机机械部分特点……………………………………………………17

3.2.4试验机应用范围…………………………………………………………18

3.2.5设计启示………………………………………………………………18

3.3多用途型方案……………………………………………………………………18

3.3.1试验原理………………………………………………………………18

3.3.2试验机结构组成及其主要性能指标……………………………………19

3.3.3设计启示………………………………………………………………21

3.4CJS106型试验机………………………………………………………………21

3.4.1基本结构及工作原理……………………………………………………21

3.4.2设计启示…………………………………………………………………23

3.5本章小结…………………………………………………………………………24

第4章小型磨损试验机试验执行部件的结构设计……………………………25

4.1试件装夹组件的设计……………………………………………………………25

4.2摩擦力测试组件的设计…………………………………………………………27

4.3试验力加载组件设计……………………………………………………………27

4.4本章小结…………………………………………………………………………28

第5章小型磨损试验机整体结构设计……………………………………………29

5.1主要参数设计……………………………………………………………………29

5.2整体结构设计……………………………………………………………………29

5.3本章小结…………………………………………………………………………31

第6章试验机零部件的设计与校核………………………………………………32

6.1电动机的选型……………………………………………………………………32

6.2轴系零件的设计校核……………………………………………………………33

6.2.1轴的设计与校核…………………………………………………………33

6.2.2轴承的选用与校核………………………………………………………34

6.2.3键的选用与校核…………………………………………………………35

6.3实体设计…………………………………………………………………………36

6.4本章小结…………………………………………………………………………37

结论………………………………………………………………………………………38

参考文献…………………………………………………………………………………39

致谢………………………………………………………………………………………40

第1章绪论

1．1磨损试验机的发展现状

1.1.1磨损试验机国内的研究现状

我国的摩擦试验机的研制比摩擦学的研究要晚一些，直到1965年济南试验机厂才制造出中国的第一台摩擦试验机—MQ-12型四球摩擦试验机。

在摩擦试验机的制造方面，济南试金集团（济南试验机厂）做了一些工作，该厂在全国率先仿制了美国Timken、瑞典SKF、德国Optimol和美国Falex的摩擦试验机，这些摩擦试验机对我国摩擦学研究发挥了重要的作用。

国内目前还有几个小厂也生产摩擦试验机，但其生产规模比较小，摩擦试验机品种也相对较少，这些厂家的产品除了少数是和科研单位合作开发的，其余产品基本是仿制品。

具体如下：

1、商品化的摩擦试验机主要用于试验室试件试验，国内的模拟性台架摩擦试验机仅仅限于几类特殊的产品（如汽车离合器），其余的还鲜有商品出售，这类试验机多由使用厂家自制，自制产品的性能一般较差。

2、我国的摩擦试验机基本上是测绘国外60～70年代的产品，相当部分的产品没有自主知识产权，现在这些产品结构严重老化，存在着自动化程度低（以手动控制为主）、多数不能自动保存数据、采集数据的速度慢等缺点。

3、国内商品化的摩擦试验机都是回转式的，还没有往复式摩擦试验机的商品出售。

4、目前国内的摩擦试验机存在着调速范围小，荷载小，精度低等缺点。

特别是有效载荷一般都小于5KN。

上述问题严重影响了厂家对材料性能的准确测定及摩擦学科技工作者对摩擦学的研究。

5、处理数据的方法落后，多数用肉眼读取数据，用示波器显示数据变化的波形，以手工的方法处理数据，这种方法不仅工作量非常大，而且数据处理容易出错，结果的精度也很低。

6、摩擦试验试验机外观粗糙。

因而研制宽调速、重载、高精度、自动化程度高的往复式摩擦试验机及其自动数据处理系统已经迫在眉睫。

1.1.2磨损试验机国外的发展趋势

国外的摩擦试验机经过几十年的发展，其产品在性能上有大幅的提高，在种类上有很大的扩充，呈现如下发展趋势

1、摩擦试验机对摩擦副的工况尽可能的模拟。

摩擦试验机不仅仅局限于对金属材料试验，出现了针对不同材料、不同极限工作条件的新型摩擦试验机。

国外的厂商针对航空航天、冶金工业、核工业、高速铁路、汽车、摩托车和信息技术的许多极为苛刻条件（如高承载、高腐蚀、高低温、高速度、超高真空、强辐射等），研制出多种摩擦试验机，如毛皮摩擦试验机、机场跑道摩擦试验机、塑料摩擦试验机、冰面摩擦试验机、纸张摩擦试验机、汽车离合器摩擦试验机、关节肌腱摩擦试验机等。

产品更加专业化，试验机种类更加细化。

日本的专家三桥健八曾把用于橡胶的摩擦试验机做过总结，常用的橡胶摩擦试验机共有七大类，四十六种之多。

用于模拟性台架试验的摩擦试验机有很大的发展。

模拟性台架试验机几乎能模拟实际摩擦副的所有工况，如温度、湿度、润滑条件、转速/频率、荷载、表面膜、粗糙度等，其测量精度有很大的提高。

正是对现场工况进行了尽可能的模拟，因而，模拟性台架试验机的大小差距很大，小的只有几公斤重可以便携，而大的有数百吨重。

2、摩擦表面的温度测量技术。

摩擦表面温度是影响和制约摩擦性能的最重要参数之一，摩擦表面温度场的分布与接触物体表面形态、摩擦副材料的热物理性能、结构尺寸、工况条件以及散热条件等因素有关，且具有微观、瞬时、动态的特点，测量非常困难，因而摩擦表面的温度测量将是一个重要的方向。

3、摩擦试验机和计算机结合更加紧密，其操作更加简单，设计更加人性化。

现在的几乎所有摩擦试验机至少配备一台计算机（便携式配备单片机），试验机采样、数据处理、打印、试验机的控制、采样数据波形显示均由计算机完成，计算机已经取代示波器进行虚拟显示。

试验机的使用也非常简单，有的试验机只要用鼠标点击计算机的操作界面即可。

4、成像摄影技术在摩擦试验机上的应用。

随着成像摄影技术的日益成熟，成像摄影技术已开始应用于摩擦试验机，用其测量各种试件的磨斑，并可通过计算机实现试件的磨斑自动显示、测量、打印。

5、目前几乎所有摩擦试验机都能够适时测量出材料的瞬时摩擦系数，但绝大多数摩擦试验机还不能对薄层的磨损进行适时测量（微小磨损量测量）。

据报道：

仅有日本用激光发射超声高速脉冲来测量薄层的摩擦磨损特性取得了成功，因此摩擦试验机对材料磨损量的适时检测也是一个发展方向。

6、纳米技术的发展对摩擦试验机的影响。

自从1984年德国人Gleiter研制出纳米微粒进行压制烧结得到纳米固体材料以来，纳米材料已在许多领域引起了广泛的重视和研究，成为材料学研究的热点，纳米摩擦学是材料科学与摩擦学交叉领域最前沿的内容。

纳米摩擦学主要包括从纳米尺度上研究纳米材料的摩擦、磨损和润滑现象的本质和研究纳米材料的摩擦学特性及其与材料结构特性的关系等，与纳米技术相关检测产品的开发将带来摩擦磨损测试技术的革命。

7、生物摩擦学（Bio-triology）对摩擦试验机的影响。

生物摩擦学于上世纪80年代提出，生物摩擦学研究摩擦学、生物力学、生物化学、流变学和材料科学等的交叉学科，在医学和摩擦学工作者共同努力下得到迅速发展。

由于摩擦可以引起人体许多生理变化江南大学硕士学位论文和疾病。

目前生物摩擦学的研究目标是研制摩擦磨损低、病理反应小的人工器官，主要集中在人工关节和心脏瓣膜的研究，现在人工关节已经大量地应用于关节晚期、外伤致残，或骨瘤切除病人的关节置换。

根据调查推算，我国可能有100～150万骨关节病人需要做人工关节手术。

这些活动的人造器官因为要长期存在于人体内，因而模拟人体内环境的摩擦试验必不可少。

澳大利亚的科技工作者研制出了模拟关节运动的试验机对人造关节进行试验，而美国的科技工作者更是把活体白兔置于新型摩擦试验机上，测试白兔的关节摩擦技术参数，进而研究关节炎和风湿病的病理。

可以预见用于生物摩擦学的摩擦试验机将是摩擦试验机发展的一个重要的方向。

8、生态摩擦学（Eco-tribology），人类为了可持续发展面临着资源和环境两个重大问题。

为此，最近提出生态摩擦学研究可望成为今后的重要研究方向之一。

据估计，全世界约有1／3～l／2的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导致的机械磨损所损耗的材料在我国每年高达几百亿元，因此减摩耐磨技术的开发和普及具有重要的经济和社会效益，最大限度地降低摩擦是人们长期追求的目标。

润滑油，特别是添加剂含有多种有害的金属元素。

据统计，全世界每年润滑油消耗量为300万吨，其中约有30％因各种原因被排放到环境中而造成污染。

绿色环保摩擦材料将是今后研究的热点，与绿色环保摩擦材料研究相关检测产品的开发将带来摩擦磨损测试技术的革命。

1.2选题的背景及意义

运动产生摩擦。

由摩擦引起的磨损、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。

由于摩擦学科学所涉及的问题，与节约能源、节约材料、减少磨损、提高资源利用率和保护环境等密切相关，成为我国走新型化工业道路和发展循环经济必须面对的科学问题，已受到科技界的高度重视。

一般认为，人类一次能源大约1/3是消耗于摩擦损失，约有70%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。

中国机械工程学会摩擦学分会上世纪末的全国调查显示：

我国每年制造汽车消耗的钢材与制造汽车配件消耗的相比大致相等。

根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值的2%~7%。

我国的GDP只占世界的4%，却消耗了世界30%以上的钢材。

同发达国家比较，我国目前平均生产水平还较低。

2003年国民经济的生产总值为11694亿元，如果摩擦、磨损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的5%计算，就损失584.7亿元。

摩擦学及其相关领域的基础研究既瞄准了当今的科学前沿，又面向国家重大装备和工程的需求，促进摩擦学和相关学科的发展，既能解决了我国国民经济、社会发展和国家安全中出现的许多重要的摩擦学科学技术问题，又能改善我国在世界能源战略中的格局。

因此，应加强我国在摩擦学领域的研究。

1、摩擦学是多学科交叉科学，融基础知识和应用技术于一体，是包括大家都熟悉的摩擦、磨损、润滑在内的一个宽广的科技领域。

它在工程上的应用包括：

建筑、装备和产品的摩擦学设计，全生命周期中摩擦消耗和磨损控制，以及润滑技术措施的实施与新型润滑材料的研发。

2、摩擦学具有重要的经济价值。

在建筑、装备和产品的设计中，重视和积极应用摩擦学前沿科技知识，积极进行摩擦学设计，对于提高建筑、装备和产品的性能、可靠性，降低运行费用，从而提高建筑、装备和产品在市场上的竞争力，有更为深远的意义。

3、摩擦材料的研究和攻关是工程科技前沿的重点。

包括润滑油和润滑脂，其与摩擦学有关的性能以及这些性能的正确使用，是提高摩擦学设计质量不可缺少的条件，也是提高设备运行质量、降低运行成本、减少环境污染和延长使用寿命的基本手段。

在近数十年中，摩擦材料一直是材料科学、化学和表面工程领域的前沿课题，也是物理学、控制工程等中的热门话题。

4、摩擦学已成为高科技领域。

摩擦学影响范围广大，与摩擦学有关的花费往往发生在建筑、装备和产品全生命周期中。

随着经济体制的变革，在激烈的市场竞争下，摩擦学已经成为一个充满高科技的研究领域，远离了过去书本或手册中那些陈旧的概念或者认为“润滑”只是加加油的传统概念。

随着科学技术的进步，机械产品在不断向高速度、高精度、大批量和生产过程高度自动化、连续化的方向发展。

机械设计时，如不考虑摩擦、磨损问题，就不可能设计出符合要求的机械产品。

也就是说在设计阶段就应采取有效措施对摩擦、磨损加以控制和利用，已成为机械设计者的基本任务之一。

因此，加强机械类相关专业摩擦学的学习与研究是学生毕业后能设计出符合世界发展潮流的绿色环保、节能降耗机械产品的重要条件。

利用摩擦磨损试验机进行摩擦学相关试验是最简单便捷的测试材料摩擦性能的方法。

与实际使用试验相比，试验机测试周期短，成本低，并且可单独控制一些参数进行单项测试，灵活性也很好，所以在摩擦学研究领域，摩擦磨损试验机被广泛应用于机械设计，材料科学等领域进行材料磨损摩擦性能试验，用以评定材料的耐磨性能，也可用于测定摩擦功及材料的摩擦系数等。

另外，摩擦磨损试验机能很简单明了的演示摩擦磨损机理，对于摩擦磨损的教学有很好的促进作用，因此，摩擦磨损试验机也广泛应用于教学实验室，用于摩擦学的教学试验使用。

1.3本论文的主要内容

本课题研究的主要内容是实现大型的摩擦磨损试验机的小型化，并使其有利于教学实验室使用。

主要研究方法是从磨损摩擦测试的基本原理出发，找出简单、易用、小巧的传动，调速，加载和测力的结构方案，替代其他大型试验机的相应结构，从而使研制的试验机结构小巧，造价低廉，功能完善。

1.4研制小型摩擦磨损试验机的预期结果

为了满足学校实验室做摩擦学实验的一般需要，参考MM-200型摩擦磨损实验机的基本原理，设计一个结构简单、体积小巧、实用廉价的摩擦磨损实验机，不仅能够弥补学校教学实验设备的不足，还具有商业化推广价值。

设计的小型摩擦磨损实验机的机械部分首先应满足摩擦学实验和实验教学的基本要求，其次易于不同配副材料的更换和不同参数的调节。

在此基础之上还要求实验机运转平稳、机械震动小，以减小由于机械原因产生的误差。

为了满足以上要求，设计的小型摩擦磨损试验机不采用液压加载组件件，使用其他较紧凑，加载稳定的加载组件；测力组件尽量少，测量简单直接，减少中间环节误差；另外还要求加工制作简单，工作可靠，成本低廉。

实验所使用的试件加工成本低，便于不同材料的摩擦学性能测试。

同时为了提高试验教学效果，设计的试验机在实验过程中，许多测试参数需要学生自己动手调整，对培养学生实际动手能力、巩固所学专业知识、锻炼学生分析问题和解决问题的能力起到了非常明显的作用，同时为教师的科研工作提供了便利条件，对教学质量的提高起到了推动作用。

第2章摩擦磨损试验原理与方法

在不同摩擦环境下，不同摩擦类型有着不同的摩擦学表现，但表象背后所呈现的磨损摩擦基本机理是相同的。

通过不同的方法测试出的摩擦性能数据对应着不同的应用场合，为了使测试数据与真实使用数据比较接近，通常在试验时尽可能的模拟真实使用环境。

2.1材料摩擦磨损性能的评定方法

2.1.1摩擦的概念及类型

1、摩擦概念

两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。

这种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。

摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。

摩擦力（F）与施加在摩擦面上的法向压力（P）之比称为摩擦系数，以μ表示，即μ=F/P。

虽然该式对于极硬材料（如金刚石）和极软材料（如某些塑料）存在着一定的不确切性，但它仍适用于一般工程材料。

2、摩擦类型

按照接触面运动方式分：

（1）滑动摩擦：

指的是一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。

如内燃机活塞在汽缸中的摩擦、车刀与被加工零件之间的摩擦等；

（2）滚动摩擦：

指的是物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。

如滚动轴承的摩擦、齿轮之间的摩擦等。

实际上，发生滚动摩擦的零件或多或少地都带有滑动摩擦，呈现出滚动与滑动的复合式摩擦。

评定摩擦主要是测试材料的摩擦系数，测试方法是在摩擦面上施加不同的法向压力（P），然后测出对应的摩擦力（F），根据μ=F/P，计算出平均数，作为材料的摩擦系数。

2.1.2摩损的类型及评定方法

1、磨损和摩擦是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象

摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。

磨损是多种因素相互影响的复杂过程，而磨损的结果将给摩擦面带来多种型式的损伤和破坏，因而磨损的类型也就相应地有所不同。

2、分类

按环境和介质可分为：

流体磨损；湿磨损；干磨损。

按表面接触性质可分为：

金属－流体磨损；金属-金属磨损；金属－磨料磨损。

比较常用的分类方法是基于磨损的失效机制进行分类，一般分为五类：

粘着磨损；磨料磨损；腐蚀磨损；微动磨损；表面疲劳磨损（接触疲劳）。

3、磨损性质

（1）在摩擦过程中，零件表面将发生一系列物理、化学和力学状态的变化。

1）因材料塑性变形而引起表层硬化和应力状态的变化；

2）因摩擦热和其它外部热源作用下而发生的相变、淬火、回火以及回复再结晶等；

3）因与外部介质相互作用而产生的吸附作用。

这些过程将逐渐地改变材料的耐磨损性能和类型。

因此，在讨论磨损类型时，必须考虑这些变化的影响，从材料的动态特性观点去分析问题。

（2）实际上，上述磨损机制很少单独出现，它们可能同时起作用或交替发生作用。

根据磨损条件的变化，可能会出现不同的组合形式。

（3）磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下