往复式高温摩擦试验机的结构设计

附赠有CAD图纸和说明书,领取Q 197216396 或 11970985 往复式高温摩擦试验机的结构设计摘 要本文所讲述的摩擦试验机为往复式高温摩擦试验机，主要测量材料在高温往复运动状态下的摩擦磨损性能，本设计主要面向中小型企业。根据往复式高温摩擦试验机设计的主要参数，确定出了试验机各结构的运动形式和方案。在驱动方式选取中采用电机驱动，往复结构则选择简单灵活的曲柄摇杆机构。电机通过联轴器带动转盘，从而实现连杆的旋转运动，连杆带动导杆通过导向装置实现直线往复运动；弹簧加载系统实现压力的输出，同时可以减小振动对测量的影响，并通过应变片进行压力的测量；加热装置中电阻丝产生试验所需的高温温度，通过热电偶进行温度的测量。接着对往复式高温摩擦试验机的各组成部件分别进行了设计。通过对各部件多种形式的选择比较，确定出了本试验机设计中要采用的形式，然后对其结构进行了全面而详尽的设计计算。最后利用AutoCAD软件将往复式高温摩擦试验机的装配图及各部件零件图绘制出来。关键词：结构设计；摩擦；试验机 THE STRUCTURAL DESIGN OF HIGH TEMPERATURE RECIPROCATING FRICTION TESTING MACHINEABSTRACTThe text relate to the friction of the pilot machine is high temperature reciprocating friction testing machine. Main measure of material in high temperature condition that a reciprocating sports wear performance. Designed primarily for smes.According to high temperature reciprocating the friction in designing the machines main argumentsfriction, Set out the test of the structure of sports exercises and programmes. Drive mode used motor drivers , Clearing structure has chosen a simple and flexible mechanism of the crank rockers .Through the crank rockers institutions to implement the exercise of the connecting rod, connecting rods in the report of the device package achieved by their line of sports, the spring load a system stress the realization of the output , at the same time can be reduced to measure the impact, and to measure gage pressure. Heating element realise a test of the high temperature, and use the thermocouple for temperature measuring.Then to reciprocating the friction in various parts of the machine.The parts of the multiple choice, identify out of the pilot machine designed to the form and structure of a comprehensive and detailed design calculations.Finally, Autocad software will make use of a reciprocating the friction of the machine parts and components assembly drawing a map drawn.KEY WORDS: Structural design;Friction; Testing machine 目 录1绪论11.1摩擦磨损概述11.2摩擦磨损试验简介21.2.1摩擦磨损实验的目的和意义21.2.2 摩擦磨损试验的方法21.2.3 实际使用试验31.2.4 磨损实验步骤41.3摩擦试验机的发展简史41.4摩擦试验机的现状与发展趋势61.5摩擦试验机的影响因素81.6往复式高温摩擦试验机的选题背景102往复式高温摩擦试验机的总体设计方案112.1往复式高温摩擦试验机的主要技术参数112.2各结构的设计方案112.2.1 往复结构的选择112.2.2 往复结构的主要部件及运动122.2.3 驱动方式的选择122.2.4 加载机构的选择122.2.5 高温加热装置的选择133往复结构的设计计算173.1往复结构的基本要求173.2设计计算及校核173.2.1 电动机的选取173.2.2 联轴器的选择183.2.3 转盘的设计计算203.2.4 连杆的设计计算及校核203.2.5 导杆的计算及校核223.2.6 键的选取计算及校核233.2.7 导向装置端盖螺钉的计算243.2.8 螺栓的设计计算及校核264加载系统的设计计算284.1加载系统的基本要求284.2加载系统的基本计算294.2.1 弹簧的设计计算294.2.2 弹簧的校核314.3试样夹具的设计计算314.3.1 夹具的发展趋势324.3.2 夹具设计的基本要求334.3.3 夹具结构方案的确定334.3.4 导轨的设计计算354.3.5 摩擦力的测量364.4 试样的设计374.4.1 试样参数的设计375高温加热装置的设计计算395.1高温加热装置的基本要求395.2高温加热装置的结构设计39论文总结41参考文献致谢 1. 绪 论1.1摩擦磨损概述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，通过摩擦磨损试验测量摩擦副的摩擦磨损特性等一系列参数。摩擦学是一门年轻而又古老的学科，是“研究相互接触、相对运动表面的科学、技术及相关的实践1”。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1/2l/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2。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、离效率化，如何控制和改善机械的摩擦磨损状温、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，并促使其研究不断发展。1966年英国学者HPJost发表了著名的学术报告一润滑(摩擦学)、教育和研究(Areporton the Present and lndustry Need)，系统的阐述了“摩擦学(Tribology)”及其在国民经济中的重大意义并被人们普遍关注，也标志着摩擦学发展成为一门包括摩擦、磨损和润滑在内的跨学科的科学。摩擦学是研究在摩擦与磨损过程中相对运动表面之间相互作用、变化及其有关的理论与实践的一门科学。摩擦磨损则是“两个接触表面之间的由于相对运动而发生的相互作用及物质运动的过程。”摩擦与磨损是自然界中能量守恒和物质守恒两大基本规律的重要环节，因为减少摩擦和磨损从本质上也就是节省能量和提高材料利用率的问题。在机器系统中，机器构件的运动是最基本和最重要的功能。机器构件之间的相对运动和接触作用是通过摩擦副来实现的，同时也在摩擦副两表面产生摩擦、磨损和润滑等物理现象。机器中任何一个摩擦副故障（摩擦学失效），都将导致机器相关部件或全部功能的失效。因此，摩擦副的摩擦磨损问题是摩擦学研究的基本问题和及其重大的课题，也是机器设计的关键技术之一。摩擦学具有两个重要属性：(1)多学科性：摩擦学的研究涉及材料学、化学、机械学、测试技术、物理和力学等多个学科和领域，摩擦学的发展需要多学科的高度交叉、融合和支持；(2)实践性：摩擦学理论分析往往需要大量实验研究成果的支持，其应用更是直接服务于各种生产实践，因此，试验测试技术的开发研究对摩擦学学科的发展和工程实际问题的解决县有非常重要的作用，是一基础性工程。机械零件摩擦磨损问题的解决有赖于实验研究方法的进步及其测试技术的开发研究，也有赖于多学科的交叉和融合。1.2摩擦磨损试验简介1.2.1摩擦磨损试验的目的和意义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。1.2.2摩擦磨损试验的方法由于摩擦磨损现象十分复杂，试验方法和装置种类繁多，试验数据受众多因素的制约，往往难以进行比较，所以有人提出建立摩擦磨损试验的标准化问题以便建立统一试验标准，规范试验方法。近年来，试验方法的标准化已得到越来越多的国家和组织的重视。材料摩擦磨损性能是多种影响因素的综合表现，因而必须严格控制试验条件，规范试验过程已获得可靠的结论。目前采用的试验方法可以归纳为下列三类3：(1)实验室试件试验根据给定的工矿条件，在摩擦磨损试验机上对试件进行试验。由于实验室的试验环境和工矿参数容易控制，因而试验数据的重复性较高，实验周期短，试验条件的变化范围宽，可以在短时间内获得比较系统的数掘。但由于实际条件与实际工矿的差异，因而试验结果的实用性较差。实验室试验主要用于各种类型的摩擦磨损机理和影响因素的研究，以及摩擦副材料、工艺和涧滑剂性能的评定。(2)模拟性台架试验模拟性台架试验是在实验室试验所获得的试验结果基础上，根据所选定的参数设计易磨损零件，不需要在实际机器设备上进行操作，只需要模拟机器零件的使用工矿条件进行试验由于台架试验条件接近实际工矿，增强了试验结果的可靠性。同时，通过试验条件的强化和严格控制，也可在较短的时间内获得系统的试验数据，还可对个别因素对磨损性能影响进行单项研究。台架试验的主要目的在于校验实验室试验数据的可靠性和零件磨损性能设计的合理性。这种模拟试验可以根据给定的工矿条件调节各种参数来分别测定其对摩擦磨损的影响，而且测得的数据重现性和规律性较好，便于进行对比分析。在实验室模拟试验状态下还可以通过强化试验条件来缩短试验周期，减少试验费用，可用来对机器元件的材料匹配特性和几何形状特性进行检测评定和优化改进。这类试验方法所得到的结果，有时不能完全反映出实际工矿条件下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。台架试验由于试验成本过高，而且会受许多干扰因素的影响，用模拟试验方法代替台架试验是必要和经济的。1.2.3实际使用试验在上述两种试验的基础上，对实际零件进行使用试验。这种试验的真实性和可靠性最好，它是检验材料或工艺试验方案最有效的方案。但它也存在严重的缺陷：(1)实验周期长由于有些零件需要经过几个月甚至几年的更换周期，如果重复几次试验，势必需要较长时间才能得到有效结果。(2)影响因素比较复杂，试验参数不易控制。在实际使用中，经常会在不同工矿下运行，由于运行的条件不确定，试验结果受多种影响因素的制约，试验零件磨损量的测量比较困难，因而试验结果的通用性较差、试验数据的精确度不高，所取得的测试数据的重现性较差，随机性较大，不便研究其摩擦磨损的规律性，也难以进行单项因素对摩擦磨损影响的观察。通常这种方法仅作为整机系统的摩擦磨损性能综合评定的一种手段。(3)花费多、收效少实际使用试验需要花费较多的人力、物力、财力，试验周期较长，有时收效甚少，得到的常常是一些精确度不高的统计数据。在二十世纪二十年代以前，实际工矿试验应用比较普遍。随着近几年室内试验测试技术的发展特别是磨损试验机的逐步完善，同时考虑到实际试验的某些困难和缺陷，实验室试件试验和模拟性台架试验已逐步成为检验和优选材料方案的重要手段。1.2.4磨损实验步骤摩擦磨损试验一般要经过以下三个阶段：(1)在实验室进行大量的试样磨损试验研究，预选材料、工艺方案及确定有关参数；(2)在台架试验时，进行实际零件或简化试样的磨损试验，精选实际运转参数的影响及效果；(3)通过实际使用试验最后校验和确定研究方案实现的可能性及使用效果。这三个阶段可以根据具体情况来安排和取舍，以确定试验重点和试验方案以及试验方法。实践表明：摩擦磨损试验的试验方法和试验条件不同，试验结果必然差异很大。所以在实验室中进行试验时，应当尽可能地模拟实际工矿条件，如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，对于高速摩擦副的磨损试验，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。在低速摩擦副的试验中，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加工，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，在试验初期，试验数据受试件表面品质的影响较大，数据稳定性差，一般不宜采用。1.3摩擦试验机的发展简史1910年第一台磨料磨损试验机问世，1975年美国润华工程学会(AlSE)编著的“摩擦磨损装置”一书中所公布得不目类型摩擦磨损试验机已有上百种4 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Soemantri S等人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5。并在这些试验机上研究了纯铝和纯铜在室温400范围内大气气氛下磨料磨损的特性。80年代末德国的Fischer A等人在总结前人对试验机研究的基础上，研制了一台气氛可控的高温三体磨损试验机6。该机最大优点是气氛可控、严格保证试验的主要因素(温度、磨料、载荷等)固定，试验数据重现性好。主要缺点是：上试件矩形缺口处未留倒角，磨料不易进入磨面，易发生粘着磨损；耐高温工件部位未设冷却系统，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，在该机上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7。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，磨屑潜入砂轮间隙，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Fi scher A的高温氧化磨损试验机的基础上，研制的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的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，试样磨损均匀，对试验参数的变化反应敏感8。北方交大的李霞等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掘的显示与同步纪录9。崔周平等人研制的MT-1型真空摩擦磨损试验机，该机可以提供从大气到6.710Pa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10；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动特性，拓宽了试验机的应用范围。哈工大的宋宝玉等人研制的SYI型真空摩擦磨损试验机，可以提供410。Pa的压力环境，速度在02800r/min范围内可调11，并且可以自动进行数据采集和处理。该机可以在真空、不同气体环境、加热及冷却等多种条件下测定材料的磨擦性能。北方交大的徐双满等人为了研究机车柴油机缸套一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12，但该试验机磨损量的测量采用的是不连续的称重法。1.4摩擦试验机的现状与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13(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，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。业，年市场容量约为1000亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机械手自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。摩擦磨损试验机的种类繁多，分类的方式各不相同，最具代表性的分类方法有苏联的分类法和美国润滑工程师协会的分类法。前者是根据模拟摩擦面的破坏形式，以便于查明各种影响因素，将摩擦磨损试验机分为8种类型；后者是根据摩擦副的几何形状，为便于在选定了摩擦副的形式之后去查找相应的试验装置和了解该装置的主要技术指标而将试验机分为12个大类。桂长林在文献14中参照磨损类型的分类提出了一种按摩擦系统的结构和摩擦副的相对运动形式对摩擦磨损试验机进行分类的新方法。这种分类方法突出了摩擦元素的特点和对试验的特殊功能要求，从而便于采用设计方法学原理对试验机进行设计。这种方法将摩擦磨损试验机分成了4大类：(1)是固体固体摩擦磨损试验机这类试验机根据摩擦副的运动形态又分为5小类，即单项滑动、往复运动，旋转滑动(含滚滑)、冲击和微动摩擦磨损试验机(根据需要可以在摩擦元素间加或不加润滑剂)。每一小类试验机的摩擦副形式又有很多种，因而它们又各包含有多种形式的试验机。可以认为，大部分摩擦磨损试验机种都属于这一大类，它们可以重现粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和摩擦化学磨损。从设计的角度来看，这一大类试验机体现了摩擦磨损试验机的基本结构特点。根据试件的磨损特性和运动特性可以将其分为3小类，即三体磨粒磨损、二体磨粒磨损和动载磨粒磨损试验机。与第一类试验机相比，三体磨粒磨损试验机要在摩擦副的摩擦面上加磨粒。固定磨粒磨损试验机的摩擦副一方是固定磨粒(一般都采用砂布盘)，另一方则可设计成各种不同形式，其特例是研究单个磨粒磨损的试验机。在这一小类试验机中，摩擦副多为销一盘式(转动)或销一板式(往复运动)。为了防止偏磨，销设计成能够自旋，但是摩擦路迹一般不重复。自由磨粒磨损试验机可以设计成试件运动、磨粒运动和试件与磨粒C时运动等3种形式。(2)是固体液体加磨粒(或固体一液体)的试验机该类试验机的最大特点是使含磨粒(或不含磨粒)的液体冲刷固体表面，因而其关键是要在试件表面形成具有一定流速的液流。通常利用泵、势能和离心力来实现这种目的。从相对运动的原理出发，也可以让试件相对于液体运动。液流和试件形成的冲击角是一个重要参数，通常要求可调。(3)是固体气体加磨粒的试验机其功能是使含磨粒的气流去冲刷固体表面。作为这类试验机的特例是单颗磨粒冲击装置。这种试验机有以下三种形式：1）供气系统加磨粒加喷咀加试件；2）高速运动的试件加供给的磨粒。这种试验机一般都要抽真空，以避免转子旋转时所产生的空气动力学现象对磨损的影响；3）利用离心力抛出磨粒。对于这类试验机来说，磨粒向试件的冲击角也是一个重要参数，同样要求可调；4)是除了以上所述之外的特殊摩擦磨损试验机。可控载荷、可控气氛、高温或低温磨损试验机均可归入此类。这类试验机在摩擦过程中摩擦元素所受的载荷是变化的。可控气氛摩擦磨损试验机有抽真空、通入或不通入特种气体和控制或不控制湿度等特殊要求。密封问题对这类试验机而言十分重要，非接触式传动磁力传动在这类试验机上也得到了充分的应用。高温或低温摩擦磨损试验机要求在高温或低温下工作，因而需要考虑高温隔热和低温防护，其选材也要能够满足高温或低温要求。1.5摩擦试验机的影响因素(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FALFX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士lIo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：1) 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；2) 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；3) 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8。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。1.6往复式高温摩擦试验机的选题背景摩擦学是研究相对运动的作用表而间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门交叉学科。摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括动、静摩擦零件表而受工作介质摩擦或碰撞、冲击；机械制造工艺的摩擦学问题；弹性体摩擦；特殊工况条件下的摩擦学问题；深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等情况下的摩擦。摩擦学涉及许多学科。如完全流体润滑状态的滑动轴承的承载油膜，基本上可以运用流体力学的理论来解算。在计算摩擦阻力时则需要认真考虑油的流变性质，甚至要考虑瞬时变化过程的效应，而不能把它简化成牛顿流体。为了了解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介的错综关系，需要对表面的磨损全过程进行微观研究。仅就油润滑金属摩擦来说，就需要研究润滑力学、弹性和塑性接触、润滑剂的流变性质、表而形貌、传热学和热力学、摩擦化学和金属物理等问题，涉及物理、化学、材料、机械工程和润滑工程等学科2. 往复式高温摩擦试验机的总体设计本课题是往复式高温摩擦试验机的结构设计，主要任务是完成试验机结构方面的设计，主要包括驱动机构、往复机构、加载机构、加热装置的设计。在本章中对试验机的驱动机构、往复结构、加载结构、加热装置等进行了选择确定。2.1往复式高温摩擦试验机的主要技术参数由于本论文涉及的往复式高温摩擦磨试验机主要面向小型企业，所以该试验机要求结构简单，能够适合高速高温运动，工作范围较大，成本较低，操作简单，控制方便。我们设计的往复式摩擦磨损试验机的具体设计指标如下:(1) 载荷范围:小于100N；(2) 主轴转速范围:0-600r/min，无级调速； (3) 摩擦温度的测量范围:室温500；(4) 试样尺寸：小于100mm； (5) 往复行程：200mm。2.2各结构的设计方案2.2.1往复结构的选择常见的能够实现往复运动的结构可以分为以下3种:(1) 凸轮机构：结构简单、精度高、运动范围大、难以实现高速运动，多用于装配、价格低的场合。(2) 曲柄滑块机构：工作范围大、结构简单紧凑、定位精度较高、占地面积小，是较早使用的结构形式。 (3) 齿轮机构：结构紧凑、占用空间小、较好的姿态确定性、适应性好，缺点是坐标计算和控制复杂。综合比较以上3种形式的往复结构，由于本设计要求结构简单，而且成本不能较高，工作范围较大，结合各个结构的优缺点，因此本设计采用曲柄滑块机构。2.2.2往复结构的主要部件及运动在往复结构的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本往复结构设计实现2个运动，即回转运动和往复运动，将连杆的回转运动转化为导杆的往复运动，如图2-1所示。本往复结构设计主要由4个大部件组成：(1) 转盘：通过电动机带动实现旋转运动。(2) 连杆：通过开口销与转盘相连实现旋转运动。(3) 导杆：利用和连杆相连并通过导向装置实现直线往复运动。(4) 导向装置：用于实现导杆的直线往复运动。图2-1 往复结构示意图Fig.2-1 Construction of twin bed reciprocating grate schematic drawing 2.2.3驱动方式的选择驱动机构是摩擦试验机的重要组成部分, 摩擦试验机的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置的选择。根据动力源的不同, 摩擦试验机的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。本次设计根据性能要求采用电动机构驱动摩擦试验机,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便等优点。因此，摩擦试验机设计选择电机驱动的驱动方案。2.2.4加载机构的选择 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士1%。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。根据设计要求，我们最终选择弹簧加载系统，通过和应变片传感器技术相结合可以达到精确测量压力的要求，所以本试验机采用弹簧加载系统。图2-2 弹簧加载示意图Fig. 2-2 Spring on-board schematic drawing2.2.5高温加热装置的选择 高温加热装置主要包括以下三种(1)电烙铁加热装置（如图2-3所示）：优点是结构简单，操作方便，缺点是功率小，度难以提高。图2-3 电烙铁加热示意图Fig. 2-3 Heated ironschematic drawing(2)电阻炉加热装置（如图2-4所示）：优点是温度较高而且操作方便，缺点是结构复杂，造价较高。图2-4 电阻炉加热示意图Fig. 2-4 Heated resistance furnace schematic drawing(3)电阻丝加热装置（如图2-5效果所示）：优点是温度高、结构简单、操作方便，而且配合热电偶可以实现温度的控制，便于操作和达到试验温度的目的。图2-5 高温示意图Fig. 2-5 Spring on-board schematic drawing根据设计要求，我们最终选择电阻丝，通过和热电偶传感器技术相结合可以达到精确测量温度的要求，所以本试验机采用电阻丝加热装置。各个装置方案确定后，往复式摩擦试验机整个结构也就出来了，示意图如图2-6所示：电动机通过联轴器带动转盘转动，从而带动连杆运动，连杆带动导杆运动，通过导向装置将回转运动变成直线往复运动，导杆带动下试样夹具沿着导轨实现往复运动。加载系统通过螺母向下旋转从而压住加载头使其向下运动，进而压缩弹簧从而对上试样夹具产生压力，上试样对下试样压迫，从而实现在一定压力下，测试摩擦性能。高温加热装置通过电阻丝进行加热，温度通过热电偶进行测量以便对温度进行控制。由于温度较高，在箱体各个侧板内都安置隔热层，避免损伤的发生。图2-6 摩擦试验机示意图Fig. 2-6 Friction testing machine schematic drawing1转盘 2连杆 3导杆 4螺钉 5导向装置 6左侧板 7上侧板 8螺母9螺杆 10加载头 11套筒 12热电偶 13隔热层 14右侧板 15电阻丝 16弹簧 17上试样夹具 18滚珠 19螺钉 20上试样 21下试样 22下试样夹具 23导轨 24试验台. 往复结构的设计计算3.1往复结构的基本要求(1) 能够实现一定的往复运动，并且在运转过程中能够保证其平稳性和安全性，而且便于操作和控制。(2) 往复结构应该结构简单，便于设计。3.2设计计算及校核3.2.1电动机的选取电动机是专门工厂批量生产的标准部件，选择电动机包括确定类型、结构、功率和转速。电动机类型和结构型式主要根据电源，工作条件和载荷特点来选择。本结构根据设计要求选择交流三相鼠笼式异步电动机。 电动机选取应综合考虑的问题(1)根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所以选电动机功率应留有余量，负荷率一般去0.80.9。过大的备用功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验强度的生产机械造价提高(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过度过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性，设备的供货情况，备用备件的通用性，安装检修的难易，以及产品价格，建设费用、运行和维修费用，生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。电动机容量主要由运行时的发热条件来限定，在不变或变化很小的载荷下长期连续运行的机械，只要其电动机的负载不超过额定值，电动机便不会过热，通常不必校验发热和起动力矩，所需电动机功率为： (3-1)工作机实际需要的电机输出功率工作机所需输入功率电机至工作机间传动装置总效率由电动机至转盘的传动总效率为： （3-2） （3-3） （3-4）F为加载力，最大为500N。转盘的转速是：0-600r/min所以电动机可选范围为600-1200r/min选电机同步转速为960r/min，根据选用电机的额定功率要大于计算功率，因此选用Y2-132M型一般异步电动机。额定功率2.2KW，转速960r/min，效率82。3.2.2联轴器的选择联轴器是机械传动中常用的部件。主要用来联接轴与其回转的零件，以传递运动与转矩。对于联轴器，在机器运转时所联接的两轴不能分离，只有在机器停车并将联接拆开后两轴才能分离。联轴器可分为刚性联轴器和挠性联轴器。根据传递载荷的大小，轴转速的高低，被连接两部分的安装精度等，参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。具体选择时可考虑以下几点：(1) 所需传递的转矩大小和性质以及对缓冲减震功能的要求。例如，对大功率的重载传动，可选用齿式联轴器；对严重冲击载荷或要求消除轴系扭转振动的传动，可选用轮胎式联轴器等具有高弹性的联轴器。(2) 联轴器的工作转速高地和引起的离心力大小。对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器。(3) 两轴相对位移的大小和方向。在安装调整过程中，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移，应选用挠性联轴器。例如当径向位移较大时，可选用滑块联轴器，角位移较大或相交两端的连接可选用万向联轴器等。(4) 联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境。含有橡胶等非金属元件的联轴器对温度、腐蚀性介质及强光等比较敏感，而且容易老化。(5) 联轴器的制造，安装，维护和成本。在满足使用的前提下，应选用装柴方便，维护简单，成本低的联轴器。例如刚性联轴器不但结构简单，而且装拆方便，可用于低速，刚性大的传动轴。一般的非金属弹性元件联轴器，由于具有良好的综合性能，广泛应用于一般的中小功率传动。由于对机械手的回转精度要求不高，故选用刚性联轴器，如图3-1。图3-1 联轴器的内部结构图 Fig .3-1 The internal structure drawing of shaft coupling载荷计算：公称转矩 （3-5）式中：P电动机的额定功率，单位为KW；n电动机的输出转速，单位为r/min。其中公称转矩由后面电动机的选择可以知道。由机械设计手册查得KA=1.5，计算转矩为 Tca=KAT=1.522.35=33.53 （3-6）其中：KA为工作情况系数。型号选择：综合考虑轴的转速、轴径及电动机的功率从GB/T4323-84中查得选用YL5型凸缘联轴器满足要求，该联轴器的许用转矩为160，最大转速为3600r/min，轴径d2、dz分别为28mm和28mm。主动端：J型孔 A型键槽dz=28mm，L1=60mm。从动端：J1型孔 B型键槽d2=28mm，L=44mm。记作YL5联轴器 GB/T5843-1986。 3.2.3转盘的设计计算 转盘在往复结构中起着承上启下的作用，通过电动机的带动实现转动从而带动连杆运动，导杆运动进而实现直线往复运动。根据往复行程的要求，L=10CM所以 L=2r=200mm r=其中 r回转运动的半径。考虑在圆盘边上旋转时会产生很大的向心力，在圆盘内侧又需要很大的力带动旋转，所以最终确定在圆盘半径中心，所以 R=2r=200mm R转盘的半径因此，转盘的直径为40CM。材料选择45钢即可。3.2.4连杆的设计计算及校核连杆在往复运动中起着枢纽作用，连杆通过转盘的带动进行回转运动，又通过与导杆相连，并将回转运动转换为直线往复运动，在设计中要着重考虑连杆的安全性和稳定性。连杆选用45钢制成， 长度L=600mm，直径d=45mm。最大压力Fmax=200N.规定稳定性安全系数为Ns=810。现进行稳定性校核。由公式求出 （3-7） 式中， 柔度临界值；连杆简化为两端铰支杆，。截面为圆形，i=。柔度为 所以不能用欧拉公式计算临界压力。由公式得 （3-8）其中， 最小柔度表3-1 优质碳钢的和b的数值Table 3-1 The value of a and b of High-quality steel 材料/(MPa)b/(MPa)优质碳钢4612.568可见连杆的柔度介于和之间，是中等柔度压杆。如用直线公式，由表查处优质碳钢的和b分别是：=461MP，b=2.568MP。由直线公式求出临界压应力为 （3-9） 其中， 临界应力临界压力是 连杆的工作安全因数为 （3-10）所以满足稳定要求。3.2.5导杆的计算及校核导杆是连接连杆和下试样夹具的中间桥梁，正是导杆的往复运动带动了下试样夹具做直线往复运动，从而实现下试样和下试样的往复摩擦。为了保证导杆沿一定的方向做直线运动，设置了导向装置从而确保导杆沿固定方向运动。由于导杆受力并不是很大，所以导杆选用45号钢，进行调质处理即可。下表3-2是导杆的主要参数表3-2 导杆的参数Table 3-2 Account of parameters长度/mm截面直径/mm抗压强度/MPa抗拉强度/MPa1024608080下面对导杆的受压和受拉进行校核导杆的轴力为 根据校核公式 （3-11） 根据校核，所以导杆满足强度要求。3.2.6键的选取计算及校核键联接是通过键实现轴和轴上零件间的周向固定以及传递运动和转矩。键的工作面是两个侧面，工作时，靠键同键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的键槽底面间留有间隙。键的选择主要包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的主要尺寸是键的截面尺寸(一般为键宽b键高h)与长度L，键的截面尺寸应根据轴径d有标准中选定。键的长度一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或短于轮毂的长度，并且键长应符合标准长度系列。由于本试验机是小型，键的工作场合，故采用双圆头平键联接；具有结构简单，装拆方便，对中性较好等特点。圆头平键宜放在轴上用键槽铣刀铣出的键槽中，键在键槽中周向固定良好。由于键是标准件，不需要计算，只要根据与键相配合的轴的直径来确定。由于轴的直径已经确定，所以键的尺寸只需要查表确定，经查表选择键的尺寸型号为：键836mm GB/T1096-1979，键1456mm GB/T1096-1979。键的材料主要是抗拉强度不小于600MPa钢，一般选择45钢。键联接的主要失效形式是工作面的压溃，除非严重过载，一般不会出现键的剪断，因此通常只按工作面的挤压应力进行强度的计算。在进行强度校核后,如果强度不够，可采用双键联接。本课题研究的试验机中共有四处键联接：即电机与联轴器的连接，小齿轮轴和联轴器以及与小齿轮的连接，大齿轮与轴连接。下面对键联接进行强度计算：根据公式p=（2T1000）/kldp （3-12）式中：p键受到的许用应力，单位MPap-键 轴 轮毂三者中最弱材料的许用应力，单位Mpa；经查机械设计手册选择的数值为铸铁的最低，5060MPa。T-键传递的转矩，T=F(d/2)，单位为Nm。K-键与轮毂槽的接触高度K=0.5h，h为键的高度，单位mm。L-键的工作长度，单位mm，圆头平键l=L-b，L为键的公称长度，b为键的宽度。d-轴的直径，单位mm。(1) 首先是对电机主轴上的键进行计算由于电机的型号已经确定为Y2-132M型，经查表可知其额定转矩为9.72Nm；额定功率为2.2KW；额定转速为960r/min。所以p=（2T1000）/kld=(29.721000)/43628=4.7Mpap 强度合格。(2) 对转盘轴上面的键进行校核由于本轴上共有两处键联接，且传递动力一样，所以只需对一个键进行校核。首先要计算键传递的转矩,根据公式T=9550P/n，式中：P为轴所承受的功率,联轴器的效率一般为0.98左右所以P1=0.982.2=2.156KWn为轴的转速，即n1=940r/min所以T=9550P/N=21.5Nmp1=（2T1000）/kld=(221.51000)/43628=5.05mpap强度合格。所以经过计算，本课题中所采用的键联接都能满足