销盘式高温高速摩擦磨损试验机的设计

目录第一章 绪论21.1本课题研究的目的和意义21.2国内外研究概况31.3 发展趋势91.4 小结9第二章 摩擦磨损试验机的影响因素102.1试验条件的影响；102.2、试验负荷的影响；13第三章 方案设计、分析与比较163.1 试验机的整体分析163.2 设计方案的制定163.3 方案比较20第四章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算224.1、试验机的主要性能指标的确定224.2试验机的主传动系统的相关计算224.2.1电机选择：224.2.2同步带传动的计算：244.2.3主轴计算：284.2.4、主轴上键的强度校核：304.2.5、横梁的强度校核：304.2.6、丝杠螺母副的相关计算：304.2.7、轴承的校核：31第五章 摩擦磨损试验机的结构设计345.1、磨损试验机的整体结构345.2、箱体的结构设计355.3、横梁的设计355.4、支架的设计：365.5、摩擦销的结构设计：375.6、摩擦盘夹持器的设计：37第六章 结 论38致谢39参考文献40附录：外文翻译4145高温高速摩擦试验机摘要：摩擦学是一门实践性很强的应用科学，在国内的相关研究中广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、四球式摩擦磨损试验机、往复式摩擦磨损试验机、切人式摩擦、磨损试验机、盘销式摩擦磨损试验机等。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，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的高温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开发和应用的必备设备。该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。关键词：摩擦、试验机、高温、高速High-temperature high-speed friction testerAbstract: Friction is a very practical application of scientific research in China is widely used in a roller-type testing machine abrasion tester, four-ball friction and wear tester, reciprocating friction and wear test machine, cutting people friction and wear test machine, disc pins and other friction and wear test machine. The purpose of friction and wear tests on the friction and wear in order to study the phenomenon and its essence, the correct assessment of the various factors on the friction and wear properties to determine compliance requirements of the friction pair components using the optimal parameters. High temperature friction and wear tester is heat-efficient high-speed friction and wear test equipment, widely used in various high temperature friction and wear properties of tool to test and evaluation, and new high-speed cutting tool material developed and applied the necessary equipment . The device is a high-speed machining and cutting tool material research studies needed infrastructure, the device can be extended to the subject of basic research and research level. Key words: friction testing machine, high temperature, high-speed 第一章 绪论1.1本课题研究的目的和意义摩擦学是一门实践性很强的应用科学，研究材料摩擦磨损行为一般需要借助摩擦磨损试验机测量摩擦副的摩擦磨损特性等一系列参量。在国内的相关研究中广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、四球式摩擦磨损试验机、往复式摩擦磨损试验机、切人式摩擦、磨损试验机、盘销式摩擦磨损试验机等。随着冶金、矿山、电力以及工程机械等行业的发展，人们对磨损危害的认识有了相当的提高。为了弄清磨损机理以减少有害的磨损，各国学者对材料在常温下的各种磨损问题均进行了大量的研究，但对于材料在高温下的磨损问题至今却研究的较少，这和高温磨损试验装置的缺乏不无关系。1910年第一台磨料磨损试验机即以问世，1975年美国润滑工程师学会（ALSE）编著的“摩擦磨损装置”一书中所公布的不同类型的摩擦磨损试验机也有上百种，但其中大部分都是常温磨损试验机1。近几十年来，磨损试验机和试验方法虽然有了较大的发展，但这些试验机大多还是由企业和研究工作者根据工作需要和实际工况自行设计制造的，如高温磨料磨损试验机，适合高分子及其复合材料试验用的高温摩擦磨损试验机等。只有少数试验机是由专门的试验机厂或仪器制造公司制造和供应的，而且这些试验机大都结构复杂，价格较贵，这说明了磨损问题的复杂性和进行实验室磨损试验研究的困难所在。摩擦磨损问题存在于人类物质活动的各个方面。在汽车、发电、设备、冶金、铁道、宇航、电子和农机等各方面的机械都大量存在着摩擦学的问题。据估计，全世界约有1/2- 1/3的能源以各种形式消耗在摩擦上，如果从摩擦学方面采取正确的措施，就可以大大节约能源消耗。磨损是机械零部件3种主要的失效形式之一，所导致的经济损失是巨大的，大约有80%的机械零件由于各种磨损导致失效。特别是随着物质文明的进步和工业技术现代化的发展，机械设备的开发使用普遍趋于重载、高速、高效率化，如何控制和改善机械的摩擦磨损状况、提高其使用寿命和工作可靠性，已成为机械工业技术人员必须关注的问题，并促使其研究不断的深入和发展。这些摩擦试验机多采用静态选位法观察摩擦试件，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；另外由于受到试验机转速的限制，摩擦副相对运动的速度大多较低（一般不超过10m/s ）。然而现代机械装备中许多摩擦副的相对滑动速度相当高，如高速 列车运行时的速度约为300km/h，制动时制动盘与刹车片之间摩擦速度为6070m/s.而目前还未曾见到可用于高速条件下数据动态测量所需的商用摩擦磨损试验机。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，如探讨摩擦、磨损和润滑机理以及影响摩擦、磨损的诸因素，对新的耐磨、减磨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，在摩擦学研究中开展摩擦磨损测试技术和数据分析研究具有非常重要的作用。高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的高温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开发和应用的必备设备。该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。1.2国内外研究概况摩擦试验机对冶金、矿山、电力以及工程机械等行业的发展有着至关重要的作用,随着目前世界各国科技的飞速发展,各个行业在技术上的突飞猛进摩擦试验机对于各行业的重要性也越来越明显.目前，世界只有美国、日本、瑞士等少数几个国家有摩擦磨损试验机的专业生产企业，而济南试金集团是国内最早研制和生产摩擦磨损试验机的厂家。早在1964年为了满足我国石油工业和材料工业的发展需要，济南试金集团开始研制MQ-12型四球摩擦试验机，1965年研制成功并投入生产，1966年又研制成功MM-200型磨损试验机，两种试验机的研制成功标志着我国已有了自行研制摩擦磨损试验机的能力。在最近的几年，涌现出了一批新兴生产摩擦磨损试验机的企业，也有不少优质产品面世。济南竟成测试技术有限公司生产的SFT-2M销盘式摩擦磨损试验机：图1-1 SFT-2M销盘式摩擦磨损试验机仪器工作原理：本试验装置适用于材料表面和材料涂层的摩擦磨损测试。可提供较宽的负载范围和旋转速度。可进行球盘、栓（销）盘、盘盘的不同摩擦副的试验，精确测量在不同摩擦方式下，材料的摩擦系数、磨痕深度及耐磨性，操作简便，测量精度高。主要技术指标： 载荷范围： 1N200N(100g20kg ) 旋转速度： 1004500rpm(连续可调) 样品尺寸： 880mm 厚度： 0.530mm 摩擦系数测量精度0.2 Fs（满量程） 样品对偶尺寸：36mm 磨痕深度测量范围：1mm 精度：0.1m选配件：1. 100g摩擦力传感器 ( 0.05N1N ) 适用于微小载荷下材料摩擦系数的测试。2. 1000g摩擦力传感器( 0.1N10N ) 当然,目前国内还有其他公司的产品一样很成熟了。济南思达测试技术有限公司生产的MME-2微机控制摩擦磨损试验机就是一个例子MME-2微机控制摩擦磨损试验机：图1-2 MME-2微机控制摩擦磨损试验机主要用途 本试验机可做各种金属材料及非金属材料（尼龙、塑料等）在滑动摩擦、滚动摩擦、滚滑复合摩擦和间歇接触摩擦等多种状态下的耐磨性能试验，用于评定材料的摩擦机理和测定材料的摩擦系数。并可模拟各种材料在干摩擦、湿摩擦、磨料磨损等不同工况下摩擦磨损试验。该机采用计算机控制系统，可实时显示试验力、摩擦力矩、摩擦系数、试验时间等参数，并可记录实验过程中摩擦系数时间曲线。滚动摩擦试验能调节实现不同的滑差率；该产品所做结果符合GB/T12444.2-90金属磨损试验方法MM型磨损试验；GB/T396083塑料滑动摩擦系数试验方法。由于该机功能多，结构简单可靠，使用方便，有多个标准试验方法建立在该机型上，且在国外使用较多，所以在国内摩擦学研究领域也有非常广泛的应用。技术参数和技术指标表1-1 序号项目名称技术指标1最大试验力2500N2摩擦力矩测量范围020N.m 3上、下试样轴转速0600r/min4试样轴向最大移动距离4mm5试验力示值相对误差 在满量程的10%以上，不超过2%6试验力示值重复性相对误差在满量程的10%以上，不超过2%7摩擦力矩示值相对误差 在满量程的10%以上，不超过2%8摩擦力矩示值重复性相对误差在满量程的10%以上，不超过2%9温度控制范围室温-6010时间控制范围1s-9999min11转数控制范围1-9999999912时间-摩擦力矩曲线由计算机实现对各个参数的测量显示及数据处理，可实时显示时间-摩擦力矩曲线。13试验机的外形尺寸（长宽高）主机：970660110014试验机净重约500kg以下是对于国外的一些成熟产品介绍：美国FALEX公司：FALEX公司是摩擦磨损测试仪器的专业制造商，具有75年的历史，其产品广泛应用在石化、机械，军工等多个领域，目前有超过300台四球机试验机在各个国家使用，已被各国政府部门和工业界广泛的认同，FALEX公司的很多仪器已成为摩擦磨损领域的测试标准，被收录在ISO、ASTM等国际和行业的标准中。 FALEX四球法磨损磨损试验机设计有精密负载以便完成精确的磨损实验，它是唯一通过多个实验室循环实验所得出的精度作为ASTM方法中的精度要求的仪器，到目前为止没有其他的仪器展示这个精度，为了符合ASTM、ISO、DIN的要求，就一定要使用FALEX四球法磨损实验测定仪。图1-3 FALEX四球法磨损实验测定仪技术参数：试验负荷: F-1519：可变驱动四球试验机，气动可变负载最大到 180kg F-1520：标准四球试验机，固定砝码和机械杆，最大50kg 试验速度: F-1519：气动连续可变驱动，60 -3600 rpm 连续可调，可选1 -10,000 rpm速度转换组件 F-1520：V形带和滑轮驱动，提供三种速度选择 600, 1200, 1800 rpm. 温度控制: 数字温度控制 环境温度-232 自动启动加热，直至设定温度 定时: 数字可编程定时器 (1s-999h) 测量: F-1519：集成测压元件和数字显示摩擦力 F-1520：手动测量 环境： 固态或液态(润滑油、润滑脂,固态膜涂层等) 可选外罩仓增强温度控制精度 可选压力仓，最大压力125psi 尺寸： 168 cm x 91 cm x 81 cm， 电源： 220V, 50/60Hz、10A 气源 80 psi 干燥空气 ( F-1519)主要特点： 标准配置 ：1HP变速马达60 到 3600 rpm ；DC 马达控制器 ；数字转速指示器 ；数字温度控制器 ；数字计时器 ；数字负载读取 ；加热器（最高 232） ；数字摩擦系统 ；落地柜 ；温度系统自动启动 ；气体压力指示器 ；气动负载（最大到180kg） ；杯盖拧紧工具；前面板负载调节器 ；前面板有紧情况下切断电源开关； 0- 25 Ib-In 扭矩扳手 ；可装配球盖 ；流量过滤球指示器；热电偶 ；球盘组件 ；空气轴承组件。瑞士CSM公司产品图 1-4瑞士CSM公司的摩擦磨损试验机瑞士CSM公司是世界知名的表面力学性能测试设备制造商，数十年中，为世界范围的科研院所、工业用户提供了最先进的技术与应用服务。CSM公司提供多种功能的摩擦磨损实验设备，按不同的载荷以及使用条件可分为以下几类：纳米摩擦测试仪 NTR（Nano-tribometer）；摩擦试验机 TRB（Tribometer pin-on-disk），可升级为真空摩擦试验机；高温摩擦试验机 THT（High temperature tribometer），可升级为高温真空摩擦试验机；磨损测试仪 CAW（Calowear）；膜厚测试仪 CAT（Calotest），分为工业与实验室用2种型号。CSM公司的摩擦试验机主要用于测定自润滑涂层的使用寿命，以及表征固体材料或硬质涂层在不同条件下的摩擦磨损行为，用户可以通过改变摩擦时间、接触压力、运动速率、环境温度、湿度、润滑剂等参数得到材料的一系列性能指标。一套完整的摩擦试验机系统包括以下组成：主机（CSM Tribometer）；计算机通信接口（PC interface box）；数据处理工作站（Computer workstation）；仪器操作及数据处理软件（WinXP平台）；附件（针式压头支架，球形压头支架，润滑剂容器，砝码，校正模块）；试验机的尺寸：主机（Tribometer）：500 320 mm，550 mm height；计算机接口（PC interface）：500 300 mm，50 mm height；毛重：50 kg；建议安装环境：试验机应安装在振动较小的平台上。图 1-5是该试验机的测试原理示意图。图1-5 CSM公司摩擦磨损试验机测试原理。试验机的测试原理是：平头或圆形压头安放在被测样品上，用精确测定质量的砝码施加载荷；针或球安装在一支倔强系数很大的杠杆上，该杠杆被设计为无摩擦切向力传感器；当盘式样品旋转时，压头和样品间产生的摩擦力会使杠杆发生轻微的弯曲，该形变程度可被固定在一起的线性差分位移传感器检测，并由此计算摩擦力的具体数值；通过测量材料的损失体积可计算压头和样品的磨损系数。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，摩擦磨损试验机呈以下发展趋势：（1）、以高性能的电机系统取代机械变速系统：目前，高性能的电机系统己经比较成熟，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、测试精度，以使试验结果具有更好的重复性和再现性。1.4 小结本设计主要对销盘式高温高速摩擦磨损试验机进行机械结构部分的设计与计算机三维实体造型以及二维图的绘制。所设计的试验机满足下面的性能要求：(1) 主轴转速范围03000 r/min，无级调速；(2) 工作的最高温度1000 ；(3) 加载范围：020 N，采用砝码加载；(4) 样品盘最大尺寸为80 mm，最大厚度10 mm。本设计要求设计出实现上述要求的较为合理的方案，并进行相关计算。最后对整个试验机进行机械结构设计，用AutoCAD绘制整个试验机的二维图。第二章 摩擦磨损试验机的影响因素进行摩擦磨损试验的目的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，以便通过选定参数的测量分析考察图2-1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2-1所示的基木系统，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.图2-1 摩擦磨损试验机的基本系统1、2 摩擦元素 3、润滑剂 4气氛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一般是固定的，但也有一些多功能试验机的摩擦副和运动形式均可通过添加附件而加以改变。例如，美国FALEX公司的多功能试样测试机在添加附件以后，就可以形成球一平面、四球、板一板(面接触)、液体浸蚀、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，因此这方面的要求可忽略。（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当保持稳定。试验机对负荷的精度要求很高，国内试验机负荷示值的相对误差为11%。要满足负荷精度的要求，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，杠杆加载和重物直接加载系统的结构简单，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比较小，但是，弹簧加载的精度不高，难于实现负荷精确调整。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，但其弱点是控制部分的成本较高，而且在已有摩擦磨损试验机上使用还比较少（3）恒比压的影响目前使用的多种类型的摩擦磨损试验机，对恒比压有比较高的要求。目前试验机上实现恒比压的方法有:(a)、从摩擦副的结构上保证摩擦过程中接触面积不变，借以在负荷不变的条件下实现恒比压(如图2-2所示):图2-2 以摩擦副结构保证恒圧比(b) 、在 试验 过程中随着接触面积的增大，依照一定的规律增大负荷以实现恒比压。日本东京试验机制作所生产的理研一大越式高速磨损试验机就是利用这种方法实现恒比压的。图 2-3 理研一大越式高速磨损试验机原理示意图1凸 轮 : 2摇 杆 : 3, 5 ,8 齿 轮 齿 条 : 4弹 簧 ;6旋 转 圆 环 试 件 ; 7片 状 试件。（c)、同时测量摩擦副的接触面积和试验负荷，经过数据处理，给出负荷的控制信号，使负荷随着接触面积的变化而变化，从而实现试验过程中的恒比压。这种方式先进、可靠，然而实施难度很大。这是因为试验过程中摩擦副的接触面积不易测量，故其至今尚未得到实际应用。(4)、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。因而也是摩擦磨损试验的一个重要参数。滑动速度的方向有单向和往复两种，后者又可以分为摆动式和往复直动式。在试验机上既可以用机械方式(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级调速两种。有级调速是利用变换齿轮或皮带轮速度比等方法实现的。无级调速可通过两种方式来实现:一种是机械式无级调速(如摩擦轮和差动轮系等)，但其调速范围不大，另一种是使用无级调速电机进行，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1.2000r / min(下限还可以更低)。当采用电机无级调速时，一般都要求速度稳定，因而常采用速度控制环节实现速度的闭环控制。(5)、温度的影响；温度是摩擦磨损试验的又一个重要参数。有些试验对环境温度有其特定的要求，如高温条件或低温条件。高温试验通常采用电阻丝加热，也可以借助于高频加热等。对于高温试验机，既要考虑加热部件和其他部件的隔热问题，又要针对加热温度很高的特定情况同时考虑其加热部件的选材问题。低温试验机常采用适当的制冷方法使试件周围的局部环境保持低温，也可以将摩擦副浸泡在制冷剂中实现低温。(6)、气氛的影响；有些试验研究要求对气氛进行控制(如真空试验)。在只要求控制湿度的场合，简易的办法是将摩擦副部分加一个有较好密封性能的罩子，再在其中放置一些盛水的盒子即可调节湿度。当然，湿度调节也可以在湿度传感器控制下自动地进行。此外，用于真空条件下摩擦磨损研究的试验机对真空度的要求较高。实现真空可以使用真空泵，在这里密封问题很重要，尤其动密封往往是令人头疼的问题。为了提高真空度，有些试验机上采用了磁力传动，借以少用或不用动密封。（7）、试验时间的影响；试验时间一般是依具体情况而定，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。这种控制方法对试验机也起着过载保护作用。测量参数的影响2.2、试验负荷的影响；（1）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。机械式杠杆一砧码加载可以直接根据加载砝码得到负荷值(如Timken试验机)，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(如AMSLER试验机)，液压加载可以通过加载油缸的压力换算得到负荷值(如MQ-800型四球式摩擦试验机)。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负荷值。负荷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u=F/P求出摩擦系数的数值。这可以利用微机或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，即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，所以当将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地减小，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，其安装位置既可以是在运动轴上，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，通常是将摩擦扭矩转换成拉力或压力对其进行测量（见图2-4），但要注意使转换机构造成的误差不得超过允许值。图2-4将摩擦扭矩转化成拉力或压力的测量（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。记录转数最常用的是机械式计数器。（4）测温方法的影响；摩擦磨损试验需要测定的温度有环境温度、润滑剂温度和摩擦副的摩擦面温度，其中不易测量的是摩擦面温度(因为它不暴露在外面)。在试验机上常用的测温方法有热电偶法和红外测温法。用这两种方法测得的摩擦面温度都是近似值。这是因为热电偶无法安装在摩擦面上，而只能安装在靠近摩擦面的位置上;而红外测温法则是因为只能测得摩擦面边界上的温度或试件的体温。如果能够知道试件温度的分布情况，那就可以对测温结果进行修正，从而使测量误差减小。为了消除或减少以上原因所产生的误差，在实测时可以把实际试件之一(或两件)组合成热电偶的一部分，这就是所谓的“自然热电偶”测温法。这种方法原则上可以直接从摩擦面取得温度信息，然而这个信息不仅会受到由于润滑剂的作用所产生的界面电动势的影响，而且在多触点的循环电流对它也有影响L阁。因此，在现有的试验机上很少使用这种测温方法。（5）磨损量的影响；磨损量是磨损试验中都要测量的一个参数。目前，磨损量的在线检测尚有困难，以往都是将试件取下再测量磨痕或称量失重而得之。现在，有人采用电测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。（6）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Optimol公司的SRV型标准化微动式摩擦磨损测试机之所以能够给出较好重复性和再现性的试验结果，就是因为它的关键部件一振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，就要从动力源和试验机结构上保证负荷及速度等T矿稳定，同时还需要测试系统稳定，应能准确地测出工矿参数，以便于调整。此外，合理的摩擦副接触形式也是取得较好重复性和再现性试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。第三章 方案设计、分析与比较3.1 试验机的整体分析根据上一章的介绍不难确定，试验机的机械结构部分可以分为如下几个主要的系统：主传动系统、加载系统、摩擦盘夹持系统、摩擦销轴向和径向进给系统、加热及冷却系统等主要部分。对上述各个部分不同的方案进行组合，就可以得到不同的整体设计方案方案。3.2 设计方案的制定通过分析，制定下面四种方案：设计方案一：图 3-1是设计方案一的方案图。图3-1 设计方案一设计方案一各部分的组成：(1) 主传动系统：变频器和三相异步电动机通过齿轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；(2) 加载系统：采用伺服控制连续加载；(3) 摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；(4) 摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动横梁内的一根丝杠，经过丝杠螺母的相互运动控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过步进电机和编码器带动立柱上的丝杠旋转，通过丝杠螺母副改变横梁的竖直方向的位置，来控制摩擦销的轴向位置；(5) 加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。设计方案二：图 3-2是设计方案二的方案图：图3-2 设计方案二设计方案二各部分的组成：(1) 主传动系统：变频器和三相异步电动机通过连轴器和主轴直接相连，带动摩擦盘旋转；(2) 加载系统：采用弹簧加载；(3) 摩擦盘夹持系统：采用螺栓螺母副将摩擦盘固定到主轴的上端；(4) 摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动横梁内的一根丝杠，经过丝杠螺母的相互运动控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过步进电机和编码器带动立柱上的丝杠旋转，通过丝杠螺母副改变横梁的竖直方向的位置，来控制摩擦销的轴向移动；(5) 加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。此外，主轴外用螺旋铜制冷却管包裹，冷却管内通入冷却水，对主轴进行冷却。设计方案三：图 3-3是设计方案三的方案图。图3-3设计方案三设计方案三各部分的组成：(1) 主传动系统：变频器和三相异步电动机通过通过V带和带轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；(2) 加载系统：采用传统的弹簧加载；(3) 摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；(4) 摩擦销轴向和径向进给系统：通过步进电机和编码器带动底座支架上的丝杠旋转，通过丝杠螺母副带动立柱和横梁一起水平运动，来控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过手动旋转手轮和分度盘带动立柱内的一根丝杠，经过丝杠螺母的相互运动带动横梁的竖直方向的位置，来控制摩擦销的径向进给；(5) 加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。设计方案四：图 3-4是设计方案四的方案图。图3-4设计方案四设计方案四各部分的组成：(1) 主传动系统：变频器和三相异步电动机通过V带和带轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；(2) 加载系统：采用传统的砝码加载；(3) 摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；(4) 摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动底座内的一根丝杠，丝杠螺母的相互运动控制横梁和立柱的整体的水平位置，来控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过立柱结构上的可旋转结构，使得横梁可以沿立柱上的某一点旋转一定的角度，用旋转来代替移动控制摩擦销的竖直位置；(5) 加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。3.3 方案比较方案一采用齿轮，可以保证传动比，制造安装精度要求不是很严格，并且可以防止过载时对电机的损坏。但是齿轮传动噪音大，震动剧烈，况且由于齿轮的金属质地使电动机的产热影响到实验精度。主轴外无冷却装置，使得主轴在工作状态的高温下容易发生变形和损坏，降低了主轴的寿命和装置的测量精度。伺服控制连续加载虽然精确但设备复杂且成本很高，安装维修也不方便。手轮和分度盘控制销子沿盘的径向位移，结构简单，但是横梁刚性较差，对结果误差有较大的影响。立柱上采用步进电机带动丝杠螺母，结构复杂，成本高，降低了整个系统的刚度，但对系统测量精度的作用不大。方案二电机通过连轴器直接和主轴相连，结构简单且紧凑。但减震性能不好，系统的震动较大。而且主轴和电机之间有直接的热量传递，降低了系统的热稳定性。主轴外有冷却装置，但由于上述的热传递作用，使得其作用不是很明显，而且由于空间较小，对主轴的冷却无法有效进行，安装维修也不方便。摩擦盘通过中间的螺栓孔与主轴上端直接相连，不易保持盘的整体性和运动的平稳性，而且对于尺寸不大的陶瓷等脆性材料，在摩擦盘的中间打孔也很难实现，并且盘的刚性大大降低。弹簧加载结构简单，但加载不精确，容易受到弹簧性能等外部因素的干扰，对实验结果影响很大。手轮和分度盘控制销子沿盘的径向位移，结构简单，但是横梁刚性较差，对结果误差有较大的影响。立柱上采用步进电机带动丝杠螺母，结构复杂，成本高，降低了系统的刚度，但对系统测量精度的作用不大。方案三电机通过V带传动，可以缓和载荷冲击而且运行平稳，无噪声，制造安装精度要求不是很严格，并且可以防止过载时对电机的损坏。但是带传动有弹性滑动和打滑，效率低而且不能保持准确的传动比，也就是不能保持主轴以一定的速度转动。而且主轴外无冷却系统，使得在工作情况下，加热炉内的热量通过主轴连轴器直接传递给电机，主传动系统整体的温度较高，不易散热，对系统的刚度和寿命影响大，而且对测量结果会产生很大的误差。采用专用的摩擦盘夹持器结构较为合理。弹簧加载结构简单，但加载不精确，容易受到弹簧性能等外部因素的干扰，对实验结果影响很大。手轮和分度盘控制销子的轴向位移，效率低，速度慢，而且结构复杂。步进电机控制销子沿摩擦盘的轴向位移，结构复杂，成本较高，安装维修不方便。方案四采用电机通过同步带带动主轴，可以缓和载荷冲击而且运行平稳，无噪声，且同步带传动无弹性滑动和打滑，效率高而且能保持准确的传动比，也就是能保持主轴以某一速度稳定地转动。主轴和电机之间的热影响很小。专用的摩擦盘夹持器保证了摩擦盘旋转时的精度，又可以保证其整体性，对于例如三角形硬质合金可专位车刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等的试件的夹持又有很大的优势。传统的砝码加载简单易行而且加载准确，误差较小。左边立柱和横梁是相对固定的，可以绕一个轴旋转一定的角度，使系统稳定性好，测量结果较精确，结构简单，而且工作效率比较高。手轮和分度盘控制横梁和立柱的整体位移来控制摩擦销沿摩擦盘的径向位移，结构简单，成本低，维修方便，而且有足够高的精度。设计方案的确定通过上面对四种设计方案的优缺点的分析比较，可以得出结论：方案四是这四种设计方案中比较合理的一种方案。该方案既可以满足设计精度的要求，又具有成本低，结构简单，安装维修方便等特点。第四章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算4.1、试验机的主要性能指标的确定参考第一章中的各种试验机的参数，结合设计要求，确定该试验机的主要性能指标如下：主轴转速范围：03000 r/min，无级调速；工作最高温度：1000 ；加载力的范围：020 N,采用砝码加载；摩擦球尺寸：3 mm6 mm；摩擦盘尺寸：最大直径 d=80 mm,最大厚度 h=10 mm 。4.2试验机的主传动系统的相关计算由试验机的主轴转速范围和变速方式，可以选择变频调速三相异步交流电动机来实现。因此该试验机的主传动路线为：变频调速三相异步电动机同步带和带轮主轴摩擦盘夹持器摩擦盘。4.2.1电机选择：取摩擦盘和摩擦销之间的动摩擦系数 f=fmax=1，则摩擦产生的最大功率 Pm=Fv= (4-1)其中： Pm是摩擦产生的最大功率(Kw)； F是相互作用力(N)； v:是相对运动速度(m/s)；f是滑动摩擦系数； Fn是正压力（N）； R:是摩擦力作用电相对旋转轴的距离（m）；Pm0.251 Kw同步带的传动效率 ： 195%滚动轴承的传动效率 ： 298%则总传动效率： 总120.931 电动机的输出功率P出 (4-2)故0.2696 Kw为使电动机的功率留有余量，负荷率取：0.85PP出/0.850.261/0.850.317 Kw根据参考资料可知，选择的电机型号为：YVF280M1-4(摘自JB/T 7118-2004)该电机的主要参数为： 额定功率 P=0.55Kw ；额定转矩 3.5 Nm；同步转速 1500 r/min ；电机轴：D=19mm。结构图如图4-1、4-2所示图4-1图4-2机座号: 80M凸缘号: FF165安装尺寸及公差|A|基本尺寸: 125mm安装尺寸及公差|A/2|基本尺寸: 62.5mm安装尺寸及公差|A/2|极限偏差: 0.50mm安装尺寸及公差|B|基本尺寸: 100mm安装尺寸及公差|C|基本尺寸: 50mm安装尺寸及公差|C|极限偏差: 1.5mm安装尺寸及公差|D|基本尺寸: 19mm安装尺寸及公差|D|极限偏差: (+0.009,-0.004)mm安装尺寸及公差|E|基本尺寸: 40mm安装尺寸及公差|E|极限偏差: 0.310mm安装尺寸及公差|F|基本尺寸: 6mm安装尺寸及公差|F|极限偏差: (0,-0.030)mm安装尺寸及公差|G|基本尺寸: 5.5mm安装尺寸及公差|G|极限偏差: (0,-0.10)mm安装尺寸及公差|H|基本尺寸: 80mm安装尺寸及公差|H|极限偏差: (0,-0.5)mm安装尺寸及公差|K|基本尺寸: 10mm安装尺寸及公差|K|极限偏差: (+0.360,0)mm安装尺寸及公差|K|位置度公差: 1.0mm安装尺寸及公差|M: 165mm 安装尺寸及公差|N|基本尺寸: 130mm安装尺寸及公差|N|极限偏差: (+0.014,-0.011)mm安装尺寸及公差|P: 200mm安装尺寸及公差|R|基本尺寸: 0mm安装尺寸及公差|R|极限偏差: 1.5mm安装尺寸及公差|S|基本尺寸: 12mm安装尺寸及公差|S|极限偏差: (+0.430,0)mm安装尺寸及公差|S|位置度公差: 1.0mm安装尺寸及公差|T|基本尺寸: 3.5mm安装尺寸及公差|T|极限偏差: (0,-0.120)mm安装尺寸及公差|凸缘孔数: 4mm外形尺寸|AB: 165mm外形尺寸|AC: 175mm外形尺寸|AD: 145mm外形尺寸|HD: 220mm外形尺寸|L: 370mm4.2.2同步带传动的计算：1、计算功率：P (4-3) P= =0.36Kw 式中： 是同步带传动的工作情况系数，据机械设计手册可取1.402、选择带型和节距：根据计算功率Pd和n1,选择L型同步带。齿形如图所示（图4-4）周节制其节距Pb9.525 mm ；齿形角2: 40齿根厚s: 4.65mm齿高ht: 1.91mm带高hs: 3.6mm齿根圆角半径rr: 0.51mm齿顶圆角半径ra: 0.51mm图4-4齿形图3、小带轮齿数Z1：根据国标(JB/T 7512.2-1994),查取Zmin=20 根据设计方案Z125；4、小带轮节圆直径：何以由公式 （4-4）计算，也可查询机械设计手册。得小带轮直径为mm5、大带轮齿数：根据设计方案，同步带只起传动作用，不改变速度，故令两带轮的齿数Z1、Z2等，取Z1Z225；6、大带轮节圆直径：由公式7、带速计算： （4-5）通常L型，则符合要求。8、初定轴间距：根据机械手册知 （4-6）即，取a=151.2mm9、计算带长及齿数：带长： （4-7）查机械设计手册得，齿数；10、实际轴间距计算：实际轴间距计算分为两种情况，轴间距可调整时 （4-8）轴间距不可调时 （4-9） （4-10）根据设计要求，轴间距可调则11、小带轮啮合齿数： （4-11）12、基本额定功率： （4-12）基本额定功率是个带型基准宽度的额定功率，(摘自GB/T 11362-1989)宽度为的带的需用工作拉力（N），查机械手册宽度为的带单位长度的质量（），查机械手册则13、计算带宽： （4-13）啮合齿数系数，查机械设计手册应按表4.4选取标准值，一般小于则式中： mm 按照以上设计要求要求确定公称带宽12.7mm，代号05014、作用在轴上的力： （4-14）则15、带轮的结构和尺寸：图4-5直边齿带轮的尺寸和公差根据直边齿带轮的尺寸和公差(摘自GB/T 11361-1989)如图4-5查的槽型: L齿槽底宽bw: 3.050.10齿高hg: 2.67(0,-0.10)槽半角1.5: 20齿根圆角半径rf: 1.19齿顶圆角半径ra: 1.17(+0.13,0)节顶距2: 0.762外圆直径da: dad-2外圆节距pa: pada/z(z带轮齿数)根圆直径df: dfda-2hg4.2.3主轴计算：1、主轴输出功率，转速，转矩计算：根据第一部分电机计算可以得出，则转矩2、轴的最小直径计算：计算公式为 （4-15）主轴的材料选择为，查设计手册可得则，取即主轴上直径最小处：mm3、轴的结构设计：（1） 拟定轴上的零件装配方案，见图4-6图4-6 轴上零件的装配方案（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：见图4-7图4-7主轴结构设计1）为了满足带轮的尺寸要求，2）初步选择滚动轴承。因轴承受有径向力和轴向力的作用，故选取深沟球轴承和推力球轴承，初步选取0基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承6206和推力球轴承51206，其尺寸分别为、，故，。3）根据结构要求拟定，； ，； ，； ，。（3）、轴的强度校核：按钮局强度条件计算，公式如下 （4-16）已知，则根据设计轴的最小直径为，则其他各段也符合要求。4.2.4、主轴上键的强度校核：根据主轴设计，键所在轴的直径为24mm，查机械设计手册（摘自GB/T1095-2003，GB/T1096-2003)选取键的尺寸选定为，普通平键连接的强度条件为： (4-17)式中： d是轴的直径；l是键的工作长度，l=L-b=14-8=6；h是键的高度；p是许用压力；k键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h,T传递的转矩,取，则 故键的强度满足要求。4.2.5、横梁的强度校核：由于横梁受到的轴向和切向力最大均为20 N，而且摩擦销与横梁不是紧密接触，横梁所受的冲击也很小。因而横梁受到的力很小，横梁强度在满足结构要求的前提下能够满足强度和刚度要求。4.2.6、丝杠螺母副的相关计算：该丝杠螺母副主要用于传递运动，来控制摩擦销沿摩擦盘的径向位移。而没有很大的力的传递，因此其传递的力可以忽略不计。下面对丝杠螺母副进行结构设计，强度校核可以不计。螺母的轴向位移： (4-18)式中： 是螺杆转角，rad；s是导程，mm；p是螺距，mm；x是螺纹线数； 令该螺纹为单线螺纹，则x1；由于丝杠带动摩擦销的移动距离为40 mm，又要留下一定的余量，可令螺纹长度L50 mm；设计使螺纹移动l=40 mm时，手轮转动8圈，即： rad mm (4-19)由此可知： mm 螺纹中径： (4-20)式中： 是螺母形式参数，整体式螺母取1.22.5，分体式螺母取2.53.5；P是螺纹副许用压强，N/mm2；可取； 带入数据，有： mm 由系统结构特点，取： mm ；丝杆公称直径d=20,小径：20-5.5=14.5mm螺母高度： mm 丝杆旋动圈数： 基本牙型高度： mm 工作压强： 工作压强满足要求。为了保证自锁，螺纹升角: 螺纹牙根部的宽度： mm4.2.7、轴承的校核：该系统三处用到了轴承：主轴、丝杠、以及横梁旋转轴处的轴承。后两处轴承均不用于承受载荷，仅仅起到支撑作用，受到的力很小，可以忽略不计；而且其转速均远远低于轴承的极限转速。因此轴承的校核可以省略，而认为这些轴承的均满足设计要求。下面对主轴上的深沟球轴承