滚动摩擦磨损试验机的改进设计

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1、 滚动摩擦磨损试验机的改进设计 焦健，张旭东*（中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116）摘要：在滚动摩擦实验技术中，摩擦系数是影响滚动摩擦的重要参数，而以往测量滚动摩擦系数的试验机都只有一个测力传感器，常常会因为加载不平衡出现加载值不准确的问题，为此本文对滚动摩擦磨损试验机进行了改进，改进后的试验机对称安装了两个测力传感器对加载值取平均，并改用带传动方式对电机和结构进行了过载保护，安装在传动轴上的扭矩传感器能够实现对半径 10mm-65mm 摩擦环的摩擦系数的测量，并按照标准选则装配零件和按标准画出了机构装配图。关键词：改进；滚动；摩擦；磨损；试验机 中图分类号：TH122 Impr

2、oved design of rolling friction and wear testing machine JIAO Jian,ZHANG Xudong(School of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116)Abstract:In the rolling friction experimental techniques,the friction coefficient that affects rolling friction is a

3、n important parameter.The previous rolling friction and wear testing machine that measure rolling friction coefficient has only one force sensor.Because of load imbalance,often occur problem load value is not accurate.So,this article is on that the rolling friction and wear testing machine has been

4、improved.Improved testing machine installes two force sensors that average on the loads.And improved testing machine uses belt to drive to resolve the problem that overload affect on the slectric motor and structure.The sensor that installed on the transmission shaft can measure friction coefficien

5、of the friction ring of the radius of 10mm-65mm.And following the standard have selected assembly parts and have drawn assembly drawing.Key words:improved;rolling;friction;wear;testing machine 0 引言引言 近年来，我国大型设备由于摩擦导致的事故频繁发生，不但给人民的生命财产带来了巨大损失，更严重影响了社会的稳定和发展1。如何准确地测量摩擦系数然后对设备的摩擦进行处理成为研究人员关注的焦点问题2。摩擦在多

6、数情况下对生产都是不利的，机器运转时各运动机构之间的摩擦造成能量的无益损耗和机器寿命的缩短，并降低了机械设备的工作效率3。在机械装备上都有摩擦，但是滚动摩擦居最多，滚动摩擦磨损对机械零部件也同样具有很大的危害，长时间过载磨损不仅使机械零件损坏，还容易引起重大的安全事故，所以研究滚动摩擦磨损有重要意义4，现有的摩擦磨损试验机5-8种类很多，而测量滚动的的试验机种类不多，以往的滚动摩擦磨损试验机都只有一个测量加载力的测力传感器，常常由于移动平台加载力不均匀问题而不能准确地测量正压力值，为此本文对以往的试验机进行了改进，改进后的试验机对称装有两个测力传感器对测量数据取平均值，解决了由于移动平台受力不

7、均匀而导致加载力不准确的问题，改进后的试验机可以实现对摩擦系数的测量功能。以往的-2-摩擦磨损试验机直接将联轴器与电机输出轴连接，没有考虑到过载对电机和机构的影响，本文对改进后的滚动摩擦磨损试验机进行了过载保护，并按照标准选则装配零件和按标准画出了机构装配图。1 试验机总体介绍试验机总体介绍 改进后的摩擦磨损试验机主要由两大部分构成：主动模块和被动模块。如图 1 所示，主动模块主要包括主动摩擦环驱动电机、传动轴、带轮、轴承座、扭矩传感器、轴承、V 形带、螺栓、联轴器等。被动模块主要包括被动摩擦环驱动电机、传动轴、轴承座、测力传感器、轴承、V 形带、螺栓、移动平台、联轴器等。图 1 摩擦磨损试验

8、机总体结构 1-主动摩擦环驱动电机 2-带轮 3-扭矩传感器 4-主动摩擦环 6-轴承座 7-被动摩擦环驱动电机 8-丝杠 9-移动平台驱动电机 10-线性导轨 11-螺栓 12-移动平台 13-V 形带 14-被动摩擦环 15-传动轴 16-轴承 17-梅花形联轴器 Fig.1 The Overall Structure of the Friction and Wear Tester 在主动模块上伺服电机轴的伸出端通过梅花形联轴器与传动轴连接，中间用轴承支承，轴承安装在轴承座上，对轴起固定和支承作用，传动轴的右端安装带轮，通过 V 形带与另一个带轮连接，另一带轮安装在传动轴上，传动轴的右端连

9、接扭距传感器，另一根轴的左端连接传感器的右端，传动轴的端部安装主动摩擦环；在被动模块上，被动摩擦环伺服驱动电机与传动轴一端通过联轴器相连，传动轴左端安装带轮，通过 V 形带与另一个带轮连接，另一带轮安装在传动轴上，传动轴的左端通过联轴器与另一传动轴连接，传动轴的端部安装被动摩擦环，整个被动负载部分安装在移动平台上，通过电机带动丝杠旋转从而驱动移动平台前后左右移动，使整个被动模块移动，这样就实现了半径在一定范围内的两个摩擦环的摩擦试验。2 试验机工作原理试验机工作原理 当两个摩擦环装好后，在主动模块上通过伺服电机控制器控制主动摩擦电机 1 旋转，驱动主动轴旋转，带动安装在传动轴末端的带轮 2 旋

10、转，通过 V 形带将传动力矩传给另一个带轮，带动传动轴旋转，从而带动主动摩擦环 4 旋转；在被动模块上通过伺服电机控制器控1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11131415 16 17 12-3-制被动摩擦电机 7 旋转，驱动被动轴旋转，带动安装在传动轴末端的被动摩擦环 13 旋转，从而实现两个摩擦环的滚动摩擦实验。二维移动平台利用丝杠和滚珠导轨制成，通过电机驱动二维移动平台移动实现被动摩擦环前后左右移动，使被动摩擦环能够和主动摩擦环接触并加载，实现半径在一定范围内的两个摩擦环的摩擦实验，移动平台对摩擦环加载平稳性好，精密度高，误差小，安装在两移动平台之间的测力传感器测量所施加的载荷，

11、传感器如图 2所示，图中有两个传感器，分别为测力传感器和测力传感器，用于测量两摩擦环之间的正压力，然后通过软件取平均值，保证了受力的均匀和测量的准确。图 2 安装在两移动平台之间的测力传感器 1-测力传感器 2-测力传感器 Fig.2 Force Sensor Mounted between Mobile Platforms 改进后的试验机适用于半径 10mm-65mm 之间的摩擦环试样的相对滚动摩擦磨损试验。安装的传动轴上的扭矩传感器可以测量两个摩擦环之间的摩擦扭矩，安装在两移动平台之间的测力传感器可以测量对两摩擦环之间的正压力。摩擦系数由扭矩传感器测得的扭矩值、移动平台所施加的正压力和主动

12、摩擦环试样的半径再根据下面公式计算得到。WNR=（1）其中，为摩擦系数，W 为扭矩传感器 3 测量的扭矩，R 为主动摩擦环试样 4 的半径，N 为移动平台所施加的正压力。3 试验机的好处试验机的好处 改进后的试验机中滚动负荷模块可以实现对滚动摩擦系数的测量试验。该试验机具有以往滚动摩擦磨损试验机的一般功能同时也增加了一些新型的改进，改进后的滚动摩擦磨损试验机的具体设计条件如下：(1）移动平台对摩擦环施加的径向力范围 0-350N；(2）主动和被动电机转速范围 0-1500r/min；(3）摩擦环的摩擦扭矩载荷范围 0-3Nm；(4）被测摩擦环半径范围 10-65mm；(5）摩擦环的摩擦形式：线

13、与线接触。改进后的试验机通过带传动可以防止过载。在实际中，由于误差等原因摩擦环往往不是均匀的圆形环，所以，高速旋转的摩擦环常常由于受力不均匀的原因会致使传动轴弯曲，严重时1 2-4-可能烧毁电机或破坏机构，而带传动正好解决了这个问题，一旦由于摩擦环的不均匀致使两摩擦环卡死，主动摩擦带轮和被动摩擦带轮与 V 形带之间都出现打滑现象，这样就对电机和试验机结构进行了过载保护。为了对试验正压力的准确测量，采用两个测力传感器综合测力结果取平均值之后进行反馈调节，增加了数据的准确性和可靠性。改用梅花形联轴器不但减小了体积而且还具有一定的过载缓冲能力，移动平台采用滚珠导轨，提高了精度和平稳性，采用模块化拆卸

14、与安装都很方便，安装在传动轴上的扭矩传感器可以精确的测量试验过程中的摩擦系数，通过闭环控制系统可以实现力的加载和反馈控制。4 结论结论 通过闭环控制系统控制步进电机的转速和加载程度，精度也比以往的试验机高，在较大的过载情况下发生带打滑现象，电机仍然能保持旋转，保证了电机和机构不会因为负载过大而损坏，改进后的试验机增加了两个测力传感器，对移动平台两端正压力取平均值消除较大的误差，解决了移动平台两端加载力不均匀的问题，保证了实验中加载的正压力更准确。参考文献参考文献(References)1 COURTNEY T K,SOROCK G S,MANNING D P,et al.Occupationa

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