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'摩擦磨损试验机结构设计摘要先进的摩擦磨损试验机及试验技术对于摩擦学研究的深入开展有着重意义。本文在对摩擦磨损试验机的发展概况、分类、特点，摩擦磨损试验的目的、试验的基本方法等进行综合分析的基础上，建立了摩擦磨损试验机的要求明细表，通过功能分析确定试验机的整体结构，从主机的结构设计、主轴回转结构、多样式装夹、气压加载结构等方面对摩擦磨损试验机结构进行设计。该试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，结构稳定符合一般实验要求。关键词：摩擦磨损试验机；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摩擦磨损试验11.2.1摩擦磨损试验分类11.2.2摩擦磨损试验机21.2.3摩擦磨损测试技术研究现状42摩擦磨损试验机机械结构总设计思路72.1摩擦磨损试验的基本系统72.2摩擦磨损试验机的设计思路82.2.1确定试验机设计要求82.2.2试验机的功能分析102.2.3基本功能实现方案112.2.4对各实现方案进行组合，确定最优方案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.确定电动机类型173.2.2.确定电动机的容量173.2.3.确定电动机的转速183.3传动部分——同步带设计193.3.1同步带参数设计193.3.2带轮挡圈参数223.4主轴的设计223.4.1.选择轴的材料及热处理方法223.4.2．确定轴的最小直径233.4.3轴承的选用233.4.4确定轴各段的尺寸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试验销夹具的设计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气缸结构设计40 4.1.2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试验机底座的设53结束语54参考文献55致谢56附录57 摩擦磨损试验机设计——结构设计1绪论1.1摩擦学概念摩擦学的现象和应用伴随着人类活动的各个方面，钻木取火就是摩擦学古老的应用。而摩擦学作为一个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，现代牛津词典中把摩擦学定义为:“研究作相对运动的相互作用表面的科学技术及其有关的各种实际问题”。在机械工程应用领域，摩擦学主要研究的就是相互运动着的物体工作表面上的摩擦、磨损和润滑等课题，从人类原始的很多简单劳动过程到当代的多种复杂工程系统，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，对人类创造光辉灿烂的历史文明和高度发达的现代科技都曾经起到了重要作用，并且还将对人类未来的科学技术发展和社会文明进步继续做出重要贡献。1.2摩擦磨损试验1.2.1摩擦磨损试验分类摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象和本质进行研究，正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用条件的最优参数。由于摩擦磨损现象十分复杂，实验方法和装置种类繁多，如何准确的获取摩擦磨损过程中的参数变化显得十分重要。摩擦磨损试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试验;第二类是实验室摩擦磨损模拟试验。11 摩擦磨损试验机设计——结构设计第一类摩擦磨损试验是在实际使用条件下进行的，这种试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一般较慢，因而需要较长的周期才-能得到试验结果，而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，因而所取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。第二类试验不需要进行整机试验，只需要模拟机器零件和部件在实际使用条件下进行试验，同时可改变各种参数来分别测定其对摩擦磨损的影响，而且测试数据重现性和规律性较好，便于进行对比分析，还可以通过强化试验条件，来缩短使用周期，减少试验费用。但这类试验方法所得到的结果，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，只有精确的模拟试验得到的结果才能有较好的实用性。实践表明:摩擦磨损试验方法和条件不同，试验结果差别很大。所以在实验室中进行实验时，应当尽可能地模拟实际工矿条件，其中主要的有: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试验，温度影响是主要问题，应当使试件的散热条件和温度分布接近实际情况。在低速摩擦副的实验中，由于磨合时间较长，为了消除磨合对试验结果的影响，可以预先将试件的摩擦表面磨合，以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，通常不采集运转初期的测量数据，因为这些数据可能不稳定。1.2.2摩擦磨损试验机摩擦磨损实验机主要用来研究在不同速度、载荷和温度条件下各种材料和润滑剂的性能，也可以用来进行各种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可以是纯滑动、纯滚动或者滚动伴随滑动，大多数实验机的试件采用旋转运动，也有是往复运动的。试件的接触形式可以分为面接触、线接触和点接触三种，通常面接触试件的单位面积压力为80~100MPa，常用于磨粒磨损实验，线接触试件的最大接触压力可达到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，适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。常见的试验机有以下几种形式[1]：(1)销一盘式磨损试验机:由一个旋转的平圆盘和一个压在盘上的不动的圆柱销组成，销是试件，其端部可做成平面、半球形、锥形等，可进行各种摩擦副及润滑材料的摩擦磨损性能试验，也能进行粘着磨损规律的研究。国内产品型号有MD-240定速摩擦试验机等。(2)滚子式磨损试验机:11 摩擦磨损试验机设计——结构设计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试验。适用于研究疲劳磨损等，国产型号有MM-200摩擦磨损试验机，国外型号有阿姆斯勒(Amsler)磨损试验机等。(3)环一块型试验机:国外型号有梯姆肯(Timken)试验机等。试件用被测材料做成约小于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。因此可以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试验，试验中如能测出摩擦力的数值可以此计算摩擦系数。(4)四球式试验机:上球卡在夹头内，可以在不同速度下旋转，下面三个球固定，四个标准球均为中12.7毫米，可从上面或下面施加载荷，主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)端面摩擦磨损试验机:端面摩擦磨损试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端面摩擦磨损试验机采用上试样(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试验检测，该试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端面摩擦试验机在实际使用中，可以在很宽的范围内通过对负荷、转速、时间、温度以及摩擦副配偶材料、光洁度、硬度等参数进行调整选择，考察试验材料在各种影响因素作用下其摩擦磨损性能的变化，并根据不同条件下试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。按不同试验要求，试验机又可分为快速磨损试验机、润滑材料性能试验机、高低温摩擦磨损试验机、高低速试验机以及轴承动态特性、齿轮疲劳、润滑油特性等试验机。常见的摩擦磨损试验机摩擦副接触及运动方式在图1.11 摩擦磨损试验机设计——结构设计1中列出，其中(a)图所示的是四球试验机的摩擦副接触及运动方式。(b)图所示的是MM200试验机的摩擦副接触及运动方式。(c)图所示的是往复式试验机的摩擦副接触及运动方式。(d)图所示的是端面试验机的摩擦副接触及运动方式。(e)图PV摩擦磨损试验机摩擦副接触及运动方式。图1.1摩擦磨损试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。有数据表明世界能源的1/3～1/2消耗于摩擦发热，而大约有80％的零件损坏是由于磨损而引起的。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，我国目前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，研究摩擦磨损试验机具有重要的意义。机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如许多重型机床、精密机床及高效自动化机床，常常由于轴承、导轨及其它重要摩擦副存在缺陷而发生故障或达不到所需要的加工精度与能力，以致长期无法使用。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。另一方面，摩擦磨损会使零件失效，功能降低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——11 摩擦磨损试验机设计——结构设计摩擦学进行深入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，提高生产率的关键。在机械工程上，摩擦学是研究作相对运动的、相互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。为了了解摩擦、磨损的发生发展机理，寻找各种磨损类型的相互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记录，对材料的摩擦磨损性能进行测试和研究，所需的试验设备是摩擦磨损试验机。这是材料学、机械学和化学等研究领域从事相关摩擦学研究的重要试验设备，能评定材料间的抗磨损性能及各种润滑剂的极压特性，并计算摩擦系数。摩擦磨损试验机及摩擦学试验技术在正确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深入开展有着重要意义。试验机本身的精度、稳定性、可靠性、通用性等是现代测控设备的重要要求。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、气氛等）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情况，设计试验并选择适当的试验机和评价参数，有时为了全面评价一种材料的摩擦磨损性能，需要同时配置多台不同用途的试验机。摩擦磨损试验装置摩擦副的摩擦学性能试验,大致可分为试样试验、台架试验和实际使用试验三种类型。相对而言,试验室条件下的试样试验具有选择范围宽,影响因素容易控制等优点。在美国润滑工程师协会(ASLE)汇编的摩擦磨损试验机目录中列有上百种类型,目前,5种典型的试验机是:四球机、梯姆肯试验机、法莱克斯试验机、销盘试验机和MM200磨损试验机。针对目前大多数摩擦磨损试验机运动形式单一、环境因素不可控的缺点,又有研究人员开发了多功能集成摩擦磨损试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、数据处理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，可更好地模拟现实工况条件,可开展多种环境因素、多种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现代科学技术的进步,预摩擦磨损试验机将会朝着以下几个方向发展：（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,11 摩擦磨损试验机设计——结构设计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。（2）在摩擦磨损试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。在同一台试验机上配置多种夹具，这样可以方便全面评价一种材料的摩擦磨损性能，得出更好的试验数据。（3）采用气压加载，更好的调控加载力，增大加载范围、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。本论文考虑区别于传统试验机杠杆式加载，机械式调速的加载精度不高，稳定性差，局限于单向加载，调速范围小且只能有级调速，紧紧围绕以上几点，着重对加载结构进行设计，改善电机传动，使试验机能准确反映摩擦磨损情况，稳定且可靠。主要设计内容包括：总体方案的设计，主传动部分设计，加载系统设计。本章主要介绍了摩擦磨损试验机的发展概况、分类、特点、摩擦磨损试验的目的、试验的基本方法以及国内外对此的研究情况，本课题研究的背景和意义、对本论文的主要设计内容作了一个大概分析。11 摩擦磨损试验机设计——结构设计2摩擦磨损试验机机械结构总设计思路2.1摩擦磨损试验的基本系统参照与摩擦磨损试验有关的特性和主要参数，建立摩擦磨损试验的基本系统如图2.1所示。在大多数情况下，试验系统包括两个固体试件（1）、（2）以及润滑剂（3）和气氛（4）。试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试验元素的作用，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，必要情况下，还必须测定试件的表面特性，以补充摩擦计量特性。图2.1摩擦磨损试验的基本系统进行摩擦磨损试验的目的就是要模拟实际的摩擦系统，在试验室再现摩擦磨损现象及其规律性，以便通过选定参数的测量分析考察图所示的工作运转变量、润滑变量和气氛变量等对特定摩擦磨损试验系统摩擦元素的影响。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，构思形成图所示的基本系统。其工作运转变量一般要求在一定范围内可调，对于测试参数应当根据需要选定。11 摩擦磨损试验机设计——结构设计2.2摩擦磨损试验机的设计思路2.2.1确定试验机设计要求综合试验机的实验条件等因素，按摩擦磨损试验的基本系统，初步确定设计要求，建立要求明细表。考虑本试验机的大体要求如下：（1）接近一般工程状态[2]不同的试验要求和不同的测试状态和范围,都有其相应的应用背景和理论意义。摩擦磨损试验中，按照摩擦形式，可以分为滑动摩擦、滚动摩擦和冲击摩擦。根据对磨面条件,可以分为光滑平面、粗糙平面和磨料。从试验速度来说，可以分为低速（）、工程速度（）和高速（）三个范畴。从温度来说，可以分为低温（零度以下），常温和高温。润滑状态可以分为无润滑和有润滑。气氛可以分为真空、空气和其他气体气氛。负荷状态可以分为微负荷（mg~g）和工程负荷（）。磨损形式可以分为疲劳磨损、粘附磨损、磨料磨损、微动磨损和冲击磨损。本试验机考虑用途较广，接近工程状态，满足部分高速运动（最高速度滑动速度是50m/s），适用于实验室测试金属材料，塑件材料的摩擦特性的试验条件，包括试验速度、温度范围、负荷范围、气氛等方面，又从以金属材料做主要摩擦材料来考虑，本试验机采用与光滑刚性对磨面的滑动摩擦制式。初步设计要求如表2.1表2.1试验机初步设计要求温度范围常温负荷范围工程负荷（）速度范围工程速度（）气氛空气11 摩擦磨损试验机设计——结构设计摩擦形式滑动摩擦润滑状态无润滑（2）易于操作（3）适合较为灵敏的摩擦力、温度测定（4）成本较低按优先次序把摩擦磨损试验机所有任务要求分为必达要求、最低要求和附加要求三大类[2]，其中必达要求描述了产品的主要功能，这是必须满足的要求；最低要求反映了产品的次一级功能，有一定的活动余地；附加要求反映了产品的次要功能，这是在设计过程中应当尽量满足的要求。根据初步要求进一步明确具体的技术指标，建立要求明细表，如表2.2表2.2试验机的要求明细表要求类型要求数量备注必要要求试件滑动摩擦主轴转动线速度在10~600m/min间可调无级调速加轴向、径向载荷且可调整最大载荷为2500N工作时保持恒定最低要求试件数目2个尺寸待定试件装夹方便、可靠减小振动成本较低11 摩擦磨损试验机设计——结构设计附加要求尽可能采用工厂现有摩擦磨损试验机的部件维修方便操作方便舒适、造型美观、色彩和谐据要求明细表，可将本试验机要求概述为：在无润滑、不加磨料、空气气氛的条件下，使一对摩擦副在一定轴向负荷作用下进行端面摩擦，测量此时的负荷、摩擦力，用微机进行处理并记录数据。2.2.2试验机的功能分析根据对这台试验机的概述，总功能图如图2.1下：摩擦副摩擦能量摩擦损耗：热、噪声、振动、变形试件磨损的试件摩擦力的信息控制信号负荷的信息摩擦系数的信息温度的信息……图2.1摩擦磨损试验机总功能图可将其功能分解为如下的基本功能：l输入能量转换成负荷;l试件加载;l负荷调节;l速度稳定;l测量负荷;l测量摩擦力;11 摩擦磨损试验机设计——结构设计附录A图纸总汇图号图纸名称图纸大小1装配图A02轴向夹具A33滚珠丝杠连接块A34夹具台A25法兰A36主轴轴承座A27下托板A38轴承套杯A39丝杠轴承座A310上托板A111支撑架A112夹具台上盖A411'