301 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的设计
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山东大学毕 业 论 文(设计)论文(设计)题目:销盘式高温高速摩擦磨损试验机的设计学 生 姓 名 _颜培_学 院 _机械工程学院_专 业 机械设计制造及其自动化年 级 _2003 级_指导教师姓名 _邓 建 新_2007 年 6 月 12 日山东大学毕业设计(论文)成绩评定表学 院:机械工程学院 专 业:机械设计制造及其自动化 年 级:2003级姓 名 颜培 设计(论文)成绩设计(论文)题目 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的设计该同学在毕业设计过程中,态度端正,积极主动,搜集了大量课题相关资料。学习并掌握了 Pro/E 软件的造型设计。 用 Pro/E 软件设计了销盘式高温高速摩擦磨损试验机,进行了相关的理论分析和计算,绘制了零件图、总装图和生成了 CAD 平面图。总体方案合理可行,结构合理。论文工作量大,写作符合科技写作规范。论文已达到本科生毕业论文的要求,可以提交答辩。指 导 教 师 评 语评定成绩: 签名: 年 月 日评 阅 人 评 语评定成绩: 签名: 年 月 日答 辩 小 组 评 语答辩成绩: 组长签名: 年 月 日注:设计(论文)成绩 =指导教师评定成绩(30%)评阅人评定成绩(30% )答辩成绩(40%)目 录目 录摘 要 ABSTRACT 第一章 绪论 11.1 本课题的研究目的与意义 11.2 摩擦磨损试验机的分类 21.3 摩擦磨损试验机的特点分析 51.4 国内外研究概况 71.4.1 济南试金集团产品 71.4.2 美国 CETR 公司产品 91.4.3 瑞士 CSM 公司产品 10第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分析与比较 132.1 试验机的整体分析 132.2 不同设计方案的制目 录定 132.2.1 设计方案一 142.2.2 设计方案二 152.2.3 设计方案三 162.2.4 设计方案四 112.3 四种方案的分析比较 172.4 设计方案的确定 182.5 本章小结 19第三章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算 213.1 试验机的主要性能指标的确定 213.2 试验机的主传动系统的相关计算 213.2.1 电机功率的计算 213.2.2 同步带传动的计算 223.2.3 主轴强度校核 233.2.4 主轴上键的强度校核 24目 录3.2.5 横梁的强度校核 243.2.6 丝杠螺母副的相关计 243.2.7 轴承的校核 263.3 本章小结 26第四章 摩擦磨损试验机的结构设计 274.1 磨损试验机的整体结构 274.2 摩擦球及其夹持器的设计 284.3 摩擦盘夹持器的设计 294.4 横梁的设计 324.5 支架的设计 334.5.1 与横梁相连的支架 334.5.2 与丝杠相连的支架 344.5.3 与底板相连的支架 354.6 本章小结 36结目 录论 37参考文献 39致谢 41科技文翻译及原文 43摘 要I摘 要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。本论文介绍了摩擦磨损试验机的基本知识和国内外发展概况,对摩擦磨损试验机的分类和特点进行了分析,介绍了销盘式摩擦磨损试验机的原理。之后对于销盘式高温高速摩擦磨损试验机的整体结构给出了四种不同的设计方案,并对这四种方案进行了分析比较,得到了较为合理的一种方案。并且根据这种较为合理方案对试验机的整体机械结构进行了相关计算和结构设计,用 ProE 软件完成试验机的三维总装图。最后得到了整个试验机的二维装配图和摩擦盘、摩擦销等重要组成部件的装配图。关键词 摩擦磨损;试验机;机械结构;ProEIIABSTRCSTIIIABSTRACTHigh-temperature high-speed friction and wear testing machine is a effective equipment for the high-temperature high-speed friction and wear testing , and it is widely used for various high-speed tools for the friction and wear properties of high-temperature test and evaluation .It is a essential equipment for the research , development and application of new type of high-speed cutting tool materials.The basic knowledge of the friction and wear testing machine and the development at home and abroad are introduced in this paper,and the classification and characteristics of the friction and wear testing machine are also analysed ,and the principle of a kind of dowel-on-disc type friction and wear testing machine is also introduced. Then four different design options of the overall structure of the high temperature high-speed owel-on-disc type friction and wear testing machine are given , then a more reasonable option is got after the analysing and comparing of the four options. And the relevant calculations and structural designs of the testing machines overall mechanical structure are based on this options . The ProE software is used to complete the testing machines 3D assembly plans . Finally the 2D assembly of the testing machine and friction disc, friction dowel, and other important components of the assembly are also drawn.Keywords: friction and wear ; testing machine ; mechanical structure ; ProE第一章 绪 论1第一章 绪 论1.1 本课题研究的目的与意义随着冶金、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。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,该设备可以扩展本学科的研究领域和提高研究水平。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:010 N,采用砝码加载;(4) 样品盘最大尺寸为 60 mm,最大厚度 15 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 PROE 完成每个零件的三维造型和整个系统的总装图,并用 AutoCAD 绘制整个试验机的二维图。山东大学毕业论文21.2 摩擦磨损试验机的分类摩擦磨损试验机的种类很多 2,人们对其分类的方式也不相同,最有代表性额两种是前苏联 .的分类法和美国润滑工程师协会的分类法。前者为了模拟摩擦面的破坏形式,便于查明各种影响因素,将摩擦磨损试验机分成8 种类型;后者则是根据摩擦副的几何形状而将试验机分成 12 大类,以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。表 1-1 是对常见摩擦磨损试验机分类的结果。表 1-1 摩擦磨损试验机的分类摩擦元素 固体固体(润滑剂)相对运动形式单向滑动 往复滑动旋转滑动 (含滚动)冲击 微动试验机 类型单向滑动 摩擦磨损 试验机往复滑动 摩擦磨损 试验机旋转滑动摩擦磨损试验机冲击磨损试验机微动摩擦磨损试验机磨损类型 滑动磨损 滑动磨损 旋转滑动磨损 冲击磨损 微动磨损磨损机理粘着磨损磨粒磨损表面疲劳磨损摩擦化学磨损特殊功能要求相对单向 滑动相对往复 滑动相对旋转滑动(含相对滚动加滑动)相对冲击 微动第一章 绪 论3试验机举例动摩擦系数精密测定装置(日本协和)RFT-型往复摩擦式试验机(日本协和)AMSLER 试验机(瑞士)冲击磨损试验机(美国FALEX 公司)SRV 型标准化微动摩擦磨损测试机(西德Optimol)摩擦元素 固体固体加磨粒或者固体磨粒相对运动形式滑动旋转滑动(含滚动)滑动 滑动 冲击试验机 类型三体磨粒磨损试验机三体磨粒磨损试验机二体磨粒磨损试验机二体磨粒磨损试验机动载磨粒磨损试验机磨损类型滑动磨粒 磨损滚动磨粒 磨损固定磨粒 磨损自由磨粒 磨损动载磨粒 磨损磨损机理 磨粒磨损特殊功能要求摩擦面加磨粒相对滑动摩擦面加磨粒相对旋转滑动(含相对滑动)固定磨粒相对滑动自由磨粒相对滑动冲击面有磨粒相对滑动试验机举例ML10 型磨粒磨损试验机Brinel 磨粒磨损试验机(瑞典)X46 试验机(苏联)“回转盘型”试验机(苏联)MLD10动载磨粒磨损试验机这是参照磨损类型的分类提出的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。由 山东大学毕业论文4表 1-1 可见,这种方法将摩擦磨损试验机分成了五大类。第一类是固体固体摩擦磨损试验机。这类试验机又分为 5 小类,即单向滑动,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,因而它们也各含有许多种试验机。可以认为,大部分摩擦磨损试验机都属于这一大类,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。第二类是固体固体加磨粒(或固体磨粒)的试验机,统称为磨粒磨损试验机。根据试件的磨损特性和运动特性又可以将其分为三小类,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的不同点是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-盘式(转动)或销-板式(往复运动) 。为了防止偏磨,销最好能够自旋,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同时运动的三种形式。第三类是固体液体加磨粒(或固体液体)的试验机,其特殊功能是使含磨粒(或不含磨粒)的液体冲刷固体表面,因而关键是要形成有一定流速的液流。利用泵、势能和离心力均可达到这种目的。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。第四类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。第一章 绪 论5第五类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、高温或低温摩擦磨损试验机均可归入此类。其中,可控载荷指的是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的特殊要求是抽真空、通入或不通入特种气体和控制或不控制湿度等。密封问题对其十分重要。非接触式传动力传动在这类试验机上可以得到充分的应用。高温或低温摩擦磨损试验机要求产生高温或低温,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的要求。1.3 摩擦磨损试验机的特点分析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摩擦的工作运转变量、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,擦磨损验机的设就是要依据这种目的和既定的具体任务要求,构思出磨损的基本系统。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 3。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,就可以形成球平面、四球、板平板(面接触) 、液体浸蚀、针盘和滚动四球等多种摩擦副形式。摩擦副最基本的运动形式可以归纳为 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,因而往往不提这方面的要求。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 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。一般地说,试验机的加载方式有机械式、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等多种,或者是他们的组合;液压式加载包括动压加载和静压加载两种。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,加载精度也高,但当摩擦副运动不稳定时却会引起山东大学毕业论文6震动和冲击。弹簧加载和液压加载所产生的震动都比较小,但是弹簧加载的精度不是很高,难于实现负荷的精确调整;液压加载很难保持负荷的稳定。动压加载和电磁加载易于实现负荷的自动控制,但他们的弱点是控制部分的成本较高,而且电磁加载的实例在已有的试验机上还很少见。在许多场合下,试验机还必须满足恒比压的要求(这里指的是宏观恒比压) 。现在,试验机上实现恒比压的方法有两种,其一是从摩擦副的结构上保证摩擦过程中的接触面积不变,借以在负荷不变的情况下实现恒比压,如图 1-1 所示:图 1-1 从摩擦副上保证接触面积不变的方法其二是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。利用这种方法实现恒比压的如日本东京试验机制作所生产的理研-大越式高速磨损试验机。其原理如图 1-2:图 1-2 理研-大越式快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;第一章 绪 论76旋转圆环试件;7片状试件1.4 国内外研究概况目前,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。1.4.1 济南试金集团产品图 1-3 是济南试金集团的一种产品的图片。图 1-3 屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机 MM-U5G该试验机主要用途:该系列试验机是以滑动摩擦形式,在室温或高温以及改变润滑状态(无油润滑或浸油润滑) 、负荷、速度、摩擦配偶材料、摩擦副表面粗糙度、硬度等参数的各种情况下,对环状试样施加较高的端面试验力进行试验。主要用于评定工程山东大学毕业论文8塑料、粉末冶金、合金轴承等材料在不同条件下的摩擦性能,可应用于选择摩擦副配对材料及材料抗磨损性能的研究。表 1-2 是该公司试验机的主要技术规格及参数:表 1-2 济南试金集团试验机的主要规格和技术参数主要技术参数 MM-U5G MM-U10G力范围 15 kN 10 kN验力精度 1% 1%主轴转速范围 102000 r/min 3002800 r/min主轴转速测量精度 10 r/min 10 r/min最大摩擦力 300 N 500 N摩擦力精度 2% 3%温度测控范围 室温 600 室温 600 温度测控精度 2 时间设定 1 s9999 min试验机外形尺寸 (长 宽高)12008701700试验机净重 850 kg试验机在下列条件下正常工作:(1) 在室温 10 35 的范围内;(2) 相对湿度不大于 80%的环境中;(3) 周围无震动,无腐蚀性和无强电磁干扰的环境中;(4) 电源电压的波动范围不应超过额定电压的10%;频率的波动不应超过额定频率的2%;(5) 地面安装,水平度为 0.2/1000 1.4.2 美国 CETR 公司产品图 1-4 是美国 CETR 公司的多功能磨损试验机的实物图:第一章 绪 论9图 1-4 多功能摩擦磨损实验机/ UMT TESTER生产厂家:CETR(Center of trobology),美国 规格指标:(1) 最大垂直移动距离:100 mm;定位精度: 0.5 m;速度:0.00110 mm/s; (2) 最大横向移动距离:75 mm; 定位精度: 2 m; 速度:0.010 mm/s; (3) 上试件旋转速度:150 RPM; (4) 最大载荷:25 kg (0.25 kN);力传感器测量范围: 0.220 N(0.02 2 kg );(5) 分辨率:0.05 N (5 g) ; (6) 温度测量范围:0 100 ; (7) 声发射传感器响应频率:0.55.5 MHz 功能介绍:试验机的主要功能可进行多功能微摩擦试验和抛光试验。前者可作为多功能微摩擦试验机,可以在较大的载荷范围内进行销-盘式、往复式、四球式等摩擦磨损试验,还可以用来进行刻划试验以评价薄膜与基体的结合强度,也可以用来测量材料的微观硬度。后者可以模拟实际抛光的各种条件,如温度、压力、转速、被抛光材料、抛光垫材料、抛光液等等,可以用来研究以上多个工艺参数对抛光山东大学毕业论文10速率及抛光质量的影响。1.4.3 瑞士 CSM 公司产品图 1-5 是瑞士 CSM 公司的摩擦磨损试验机。图 1-5 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:(1) 纳米摩擦测试仪 NTR(Nano-tribometer) ;(2) 摩擦试验机 TRB(Tribometer pin-on-disk) ,可升级为真空摩擦试验机;(3) 高温摩擦试验机 THT(High temperature tribometer) ,可升级为高温真第一章 绪 论11空摩擦试验机;(4) 磨损测试仪 CAW(Calowear) ;(5) 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:(1) 主机(CSM Tribometer)(2) 计算机通信接口(PC interface box)(3) 数据处理工作站(Computer workstation)(4) 仪器操作及数据处理软件(WinXP 平台)(5) 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:(1) 主机(Tribometer ): 500 320 mm,550 mm height(2) 计算机接口(PC interface):500 300 mm,50 mm height(3) 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 1-6 是该试验机的测试原理示意图。山东大学毕业论文12图 1-6 CSM 公司摩擦磨损试验机测试原理。试验机的测试原理是:(1) 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;(2) 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;(3) 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;(4) 通过测量材料的损失体积可计算压头和样品的磨损系数。第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分析与比较13第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分析与比较2.1 试验机的整体分析试验机的机械结构部分 4-8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。2.2 不同设计方案的制定通过比较,初步定下下面四种方案 9:2.2.1 设计方案一:图 2-1 是设计方案一的方案图。图 2-1 设计方案一的方案图山东大学毕业论文14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 V 带和带轮驱动主轴,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。2.2.2 设计方案二:图 2-2 是设计方案二的方案图。图 2-2 设计方案二的方案图第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分析与比较15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。2.2.3 设计方案三:图 2-3 是设计方案三的方案图。图 2-3 设计方案三的方案图山东大学毕业论文16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连轴器和主轴直接相连,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。2.2.4 设计方案四:图 2-4 是设计方案四的方案图。图 2-4 设计方案四的方案图第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分析与比较17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。2.3 上述四种方案的分析比较方案一采用 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。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,而且山东大学毕业论文18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。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。2.4 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,又具第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分析与比较19有成本低,结构简单,安装维修方便等特点。2.5 本章小结(1) 通过几个主要结构部分的不同的方案组合,给出四种不同的试验机总体设计方案;(2) 综合分析比较四种方案各自的优缺点;(3) 经过比较,得到这四种方案中最为合理的设计方案。20第三章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算21第三章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算3.1 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:(1) 主轴转速范围:03000 r/min,无级调速;(2) 工作最高温度:1000 ;(3) 加载力的范围:010 N,采用砝码加载;(4) 摩擦球尺寸:3 mm6 mm;(5) 摩擦盘尺寸:最大直径 d=60 mm,最大厚度 h=15 mm 。3.2 试验机的主传动系统的相关计算 8-15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3.2.1 电机功率的计算: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= (3-1)fFn(2/60)r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;故 Pm 0.942 KwfaxFn(2/60)r1(230/6).3同步带的传动效率 198%滚动轴承的传动效率 298%山东大学毕业论文22故电动机的输出功率 P 出 0.981 Kw (3-2)12m0.948为使电动机的功率留有余量,负荷率取:0.85PP 出 /0.850.981/0.85 1.15 Kw根据参考资料可知,选择的电机型号为:YVP90L-4该电机的主要参数为: 额定功率 P=1.5 Kw ;额定电流 3.8 A ;额定转矩 10 Nm ; 同步转速 1500 r/min ;3.2.2 同步带传动的计算: (1) 计算功率:Pc = =1.15 Kw (3-3)AkP1.20(.94/.8)式中: 是同步带传动的工作情况系数,据资料可取 1.20(2) 选择带型和节距:选择 L 型同步带,且节距 p9.525 mm ;(3) 齿数:根据传动要求,令两带轮的齿数 z1、z 2 相同,选择 z1z 216;(4) 带轮节圆直径:令 D1、D 2 分别是两个带轮的节圆直径,则:D1=D2= = mmZP69.548.(5) 带速:(3-4)1 max3.307.6150/6061nv vs式中: n 是带轮的转速,r/min;(6) 初定中心距 a:12120.7()()DD令 97am(7) 带长 L 及齿数:第三章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算23(3-5)1221()cos0223.48.597346.9DDLraam标准节线长度: mm;齿数 z40 ;80Lp(8) 实际中心距:(3-6)221()84 2381.0.8.54.36()m mmDLDa式 中 (9) 小带轮啮合齿数 z: (3-7)1 1m21z()8202pza(10) 基本额定功率 P0:(3-8)2 20()(45.967.).1211aFqvP Kw(11) 带宽 b:mm (3-9)1.41.400.52516.82czkp式中: mm9.b(12) 轴上载荷:N (3-10)1001.5.76cQPFv3.2.3 主轴强度校核 :主轴受到的扭转力矩的作用远大于轴向力,轴向力对轴的作用可以忽略不计,仅考虑扭转力矩对轴的作用即可。切应力 :T(3-11)639.510/2TTPnMaWd式中: WT是轴的抗扭截面系数,mm 3;P 是轴传递的功率,Kw;n 是轴的转速,山东大学毕业论文24r/min; 许用切应力,MPa;C 是与轴截面有关的系数。T则轴的最小直径: (3-12)6339.5102TPdCn主轴的材料选择 1Gr16N35;可取 452; mm30.94216.3d7d取即主轴上直径最小处: mm3.2.4 主轴上键的强度校核:键的尺寸初步定为 ,则该键连接所能传递的转矩:724(3-13)14Thldp式中: d 是轴的直径; l是键的接触长度;h 是键的高度;p是许用压强;取,则2,7,2,40lNm 17240.324Thp由于轴上受到的力最大为 10 N,T 远大于轴上实际受到的扭矩。故键的强度满足要求。3.2.5 横梁的强度校核:由于横梁受到的轴向和切向力最大均为 10 N,而且摩擦销与横梁不是紧密接触,也就是力不是直接作用在横梁上。因而横梁受到的力很小,可以忽略不计,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。3.2.6 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。第三章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算25螺母的轴向位移: (3-2lspx14)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 30 mm,又要留下一定的余量,可令螺纹长度 L40 mm;设计使螺纹移动 l=30 mm 时,手轮转动 6 圈,即:rad 261mm (3-15)305lpx由此可知: mm 1sp螺纹中径: (3-16)20.8pFd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 p 是螺纹副许用压强,N/mm 2;可取 ; ,9p带入数据,有: mm 100.8.562pFd由系统结构特点,取: mm ;25螺母高度: mm 13H旋和圈数: 06()5np:基本牙型高度: mm 1.52.工作压强: (3-17)210.01453.4.6pFdhn工作压强满足要求。为了保证自锁,螺纹升角: 430 螺纹牙根部的宽度: mm0.65.3.25bp山东大学毕业论文263.2.7 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。这三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。3.3 本章小结(1) 根据相关资料,确定试验机的主要性能指标;(2) 分别对电机、同步带、主轴、键、丝杠螺母、轴承等部分进行相关计算,进行结构设计和相应的强度校核。第四章 摩擦磨损试验机的结构设计27第四章 摩擦磨损试验机的结构设计4.1 磨损试验机的整体结构摩擦磨损试验机用 ProE 做出的三维装配图 16-18的整体外观效果如图 4-1 所示。(a)(b)图 4-1 摩擦磨损试验机的三维装配图山东大学毕业论文284.2 摩擦球及其夹持器的设计适合于高温摩擦磨损测试仪的测试球尺寸有 1.5 毫米、3 毫米、6 毫米、10 毫米(均为直径) 。可以为不同直径的摩擦球配备不同内径的夹持器。摩擦球夹持器设计见图 4-2:(a )(b)图 4-2 摩擦球夹持器夹持器中间为中空结构,后面有螺纹,只需将测试球从夹具的后端放入并应第四章 摩擦磨损试验机的结构设计29用配套的零件旋紧即可。针对高温摩擦测试热胀冷缩的特点,可以在夹具中心加入微型弹簧以保证测试球始终保持被夹紧状态。图 4-3 所示为装配后的摩擦销的三维图:(a )(b)图 4-3 摩擦销装配图4.3 摩擦盘夹持器的设计由于摩擦盘尺寸相对较小,对于脆性材料摩擦盘进行试验,摩擦盘的加工尤其是钻中心孔难度很大,因此采用螺栓直接固定不适合。设计成专用的摩擦盘夹山东大学毕业论文30持器,如图 4- 4 所示:图 4-4 摩擦盘夹持器用螺纹副将摩擦盘夹持器固定在主轴上,使之随主轴一起旋转。在摩擦盘下面加上一个垫片,直径大小和摩擦盘相当,但厚度可调,装卸方便,用于夹紧不同厚度的摩擦盘,使这个夹持器更加通用化。在摩擦盘外面用一个盘盖定位,用螺栓紧固夹紧。盘盖的结构如图 4-5 示:图 4-5 摩擦盘盘盖对于特殊形状而且尺寸较小的试件,例如可转位车刀刀片等,可以采用特制的镍合金盘型夹具来固定,如图 4-6 所示:第四章 摩擦磨损试验机的结构设计31(a )(b)(c )图 4-6 可转位车刀专用夹具山东大学毕业论文324.4 横梁的设计将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。横梁的设计如图 4-7:(a)(b)第四章 摩擦磨损试验机的结构设计33(c)图 4-7 横梁在横梁的两侧可以加上线性差分位移传感器。摩擦销受力引起横梁中间的杠杆的微变形,位移传感器检测并指示出相对应的力的大小。横梁的两个臂上开的槽是为了提高测量的灵敏度;横梁两侧与支架相连的部分有个 5 mm 的凸起,是为了使横梁的杠杆部分与其他零件分隔开,测量过程中减少部件之间的摩擦对测量结果的影响。横梁右端的孔与摩擦销的配合采用过渡配合,既可以保证摩擦销的位置精度,又可以尽量避免和销在竖直方向上的摩擦力作用,以减少加载时对加载力精度的影响。4.5 支架的设计:此试验机用到的的支架有三种形式,它们受的力都很小,满足结构要求的支架就能够满足受力的要求。4.5.1 与横梁相连接的支架:该支架的作用是支撑、固定横梁,并带动横梁一起绕旋转轴旋转。图 4-8 是不同角度下横梁的效果图。山东大学毕业论文34图 4-8 横梁不同角度的视图4.5.2 与丝杠相连的支架:该支架的作用是为横梁的旋转提供一个旋转轴,并且和丝杠相配合,控制摩擦销沿摩擦盘的轴向位置。横梁的旋转角度范围是由该支架的结构所限制的。图 4-9 是不同角度时与丝杠相连的支架的视图。第四章 摩擦磨损试验机的结构设计35图 4-9 与丝杠相连的支架不同角度的视图横梁的旋转角度的极限位置是由结构上的横挡板和 45的斜面限制的,它们和上述支架下端的两个面的相互作用来保证了旋转的位置。由于旋转仅仅为了使摩擦盘和摩擦销分开,或者装卸摩擦销,而对具体的旋转角度精度要求不是非常高,这种机械结构完全可以满足精度要求。4.5.3 与底板相连的支架:图 4-10 是不同角度时与底板相连的支架的视图。图 4-10 与底板相连的支架不同角度的视图山东大学毕业论文36该零件的作用是连接底板和上面的零件,为丝杠和导杆提供支撑,使上面的零件能够较为精确的到达要求的位置。4.6 本章小结(1) 分别对试验机整体、摩擦球夹持器、摩擦盘夹持器、横梁和主要的支架进行功能分析和结构设计;(2) 对试验机的部分零件和结构给出 ProE 图形表示。第五章 结 论37第五章 结 论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。因此本文对销盘式高温高速摩擦磨损试验机的原理和结构进行介绍,给出了试验机的基本参数,并对试验机的机械结构部分进行了相关设计、计算和计算机三维仿真,为试验机的设计和实际制作提供了一定的依据和参考。该设计在满足设计要求的前提下,力求结构简单,制造成本低廉,没有一味地追求高精度,适合进行实际的生产。设计中采用了较为简单的方法实现了相同的功能,例如在实现摩擦销和摩擦盘的分离和摩擦销的安装这个功能上,没有采用较高精度的电动机带动丝杠螺母这一结构,而是采用了简单的旋转结构这种纯机械结构来实现,既可以保证足够的精度,又可以简化结构,降低成本,制造、安装、维修都大为简化。此外,摩擦销、摩擦盘的设计都很灵活,可以适用于尺寸、结构都不同的摩擦副的试验,例如尺寸不同的摩擦球,不同形状的摩擦盘。同时也设计了相应的夹持系统,这充分体现了互换性设计的思想。该设计只是针对摩擦磨损试验机的机械结构部分进行了相关的设计计算和仿真,而电气控制系统和检测系统还需要进一步的补充。38参 考 文 献39参考文献1 武文忠,郝建东,苏俊义。高温磨损试验机的研制。北京:试验技术与试验机,2002,42(1,2) ,15172 桂长林,沈健。摩擦磨损试验机设计的基础:1.摩擦磨损试验机的分类和特点分析。合肥:固体润滑。1990,10(1) ,48553 桂长林,沈健。摩擦磨损试验机设计的基础:II 摩擦磨损试验机设计方法的研究。合肥:固体润滑。1990,10(2) ,1201364 杨学军,赵浩峰,赵昕月。高温销盘磨损试验机的研制。太原:太原理工大学学报,2005,36(4) ,4774795 李霞,许志庆,杨永。高速摩擦磨损试验机的总体设计。北京:中国仪器仪表,2003,19216 桑可正,金志浩。MPX2000 型盘销式摩擦磨损试验机的改装。北京:机械科学与技术。1999。18(3) ,470471,4747 何国仁,曾汉民,杨桂成。高温摩擦磨损试验机的研制。北京:北京:试验技术与试验机。1991,31(5) ,11168 王斌,蔡兴旺。一种摩擦磨损试验机的设计。北京:农机化研究。2003,10,1181199 冯辛安。机械制造装备设计。北京:机械工业出版社。2004 年 1 月10 成大先。机械设计手册(单行本)机械传动。北京:化学工业出版社。2004年 1 月11 成大先。机械设计手册(单行本)机械工程材料。北京:化学工业出版社。2004 年 1 月12 成大先。机械设计手册(单行本) 减(变)速器 &电机与电气。北京:化学工业出版社。2004 年 1 月13 邱宣怀。机械设计。北京:高等教育出版社。2004 年 5 月14 卜炎。中国机械设计大典。江西:江西科学技术出版社。2002 年 1 月15 李凯岭,宋强。机械制造技术基础。济南:山东科技出版社。2005 年 9 月山东大学毕业论文4016 郝利剑,翟峰,张云杰。 Pro/ENGINEER Wildfire 机械零件设计专业教材。北京:清华大学出版社。2004 年 1 月17 祝凌云,李斌,白雁钧。 Pro/ENGINEER 野火 2.0 版入门指南。北京:人民邮电出版社。2005 年 4 月18 焦永和,董国耀。机械制图。 .北京:北京理工大学出版社。2001 年 7 月致 谢41致 谢本次设计是在尊敬的邓建新教授的悉心指导和严格要求下完成的,导师渊博的知识、严谨的治学态度、高度的责任心以及严于律己、待人诚恳的思想品德深深的影响着我,这不仅使我顺利完成了此项设计,而且也将成为使我受益终生的宝贵财富。从课题的选择到完成,邓教授都始终给予我耐心细致的指导和不懈的支持,在此谨向邓教授致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在完成论文的过程中,还得到了机械工程学院多位老师的建议和指导,同时也得到了韩文广、李聪、张凯等同学的的热情帮助和鼓励,对此,表示深深的感谢和衷心的祝福。42科技文翻译及科技文原文43科技文翻译及科技文原文
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