2711 高温高速摩擦磨损试验机的设计
2711 高温高速摩擦磨损试验机的设计,高温,高速,摩擦,磨擦,磨损,试验,实验,设计
湘潭大学兴湘学院毕业论文(设计)工作中期检查表系 机械设计制造及其自动化 专业 机械设计制造及其自动化 班级 2 班 姓 名 马滔 学 号 2008963112 指导教师 周后明 指导教师职称 讲师题目名称 高温高速摩擦磨损试验机的设计题目来源 科研 企业 其它 课题名称题目性质 工程设计 理论研究 科学实验 软件开发 综合应用 其它1、选题是否有变化 有 否 2、设计任务书 有 否资料情况3、文献综述是否完成 完成 未完成 4、外文翻译 完成 未完成由学生填写目前研究设计到何阶段、进度状况:完成了资料的检索和查询、系统总体方案的构思及设计、系统方案的选择设计。现在处于系统详细阶段。工作进度预测(按照任务书中时间计划)提前完成 按计划完成 拖后完成 无法完成工作态度(学生对毕业论文的认真程度、纪律及出勤情况):认真 较认真 一般 不认真质量评价(学生前期已完成的工作的质量情况)由老师填写优 良 中 差存在的问题与建议:1、利用计算机辅助设计的能力有待提高;2、借助文献资料的能力有待提高;3、实际工程技能有待锻炼和提高;4、综合运用专业知识分析问题的能力有待培养的加强。指导教师(签名):年 月 日建议检查结果: 通过 限期整改 缓答辩系意见: 签名:年 月 日注:1、该表由指导教师和学生填写。2、此表作为附件装入毕业设计(论文)资料袋存档。湘 潭 大 学毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目:高温高速摩擦磨损试验机的设计 学号: 2008963112 姓名: 马滔 专业: 机械设计制造及其自动化 指导教师: 周后明 系主任: 周友行 一、主要内容及基本要求设计高温高速摩擦磨损试验机的机械部分。主要技术指标如下: 1、最大试验力:20N 2、主轴速度范围:03000r/min 3、工作的最高温度 1000 4、加载范围:020 N,采用砝码加载 5、样品盘最大尺寸为 80 mm,最大厚度 10 mm 设计要求: 1、完成方案设计和选择 2、绘制部件装配图和主要零件图,图纸总量折合成 A0,不少于 2 张 3、撰写设计说明书,关键零件应进行强度和刚度计算,说明书字数不少于 15 万 4、完成资料查阅和 3000 字的文献翻译 二、重点研究的问题销盘式高温高速摩擦磨损试验机的结构设计及相关强度校核。 三、进度安排序号 各阶段完成的内容 完成时间1 查阅资料、调研 第 1,2 周2 制订设计方案 第 3,4 周3 分析与计算 第 5,6 周4 绘部件装配图 第 7,8、9 周5 绘零件图 第 10,11 周6 撰写设计说明书 第 12,13 周7 准备答辩材料 第 14 周8 毕业答辩 第 15 周四、应收集的资料及主要参考文献1 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) ,1201362 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) ,4774793 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,2003,19214 桑可正,金志浩。MPX 2000 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) ,470471,4745 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) ,11166 成大先。机械设计手册。北京:化学工业出版社。2004 年 1 月 湘 潭 大 学(兴湘学院)毕业论文(设计)评阅表学号 2008963112 姓名 马 滔 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计)题目: 高温高速摩擦磨损试验机的设计 评价项目 评 价 内 容选题1.是否符合培养目标,体现学科、专业特点和教学计划的基本要求,达到综合训练的目的;2.难度、份量是否适当;3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力;2.是否有综合运用知识的能力;3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力;4.是否具备一定的外文与计算机应用能力;5.工科是否有经济分析能力。论文(设计)质量1.立论是否正确,论述是否充分,结构是否严谨合理;实验是否正确,设计、计算、分析处理是否科学;技术用语是否准确,符号是否统一,图表图纸是否完备、整洁、正确,引文是否规范;2.文字是否通顺,有无观点提炼,综合概括能力如何;3.有无理论价值或实际应用价值,有无创新之处。综合评价作者的毕业设计为高温高速摩檫磨损实验机的设计,论文选题符合培养目标要求,能体现学科专业特点,达到了综合训练的目的。该生具有较强的文献查阅、资料综合归纳整理的能力,能在设计工作中较熟练运用所学知识,毕业设计技术方案可行,工作量适当,设计思路较清晰,研究内容具有一定的实际应用价值,论文质量较好,同意参加答辩评阅人: 2012 年 5 月 日 湘 潭 大 学(兴湘学院)毕业论文(设计)鉴定意见学号: 2008963112 姓名: 马 滔 专业: 机械设计制造及其自动化 毕业论文(设计说明书) 40 页 图 表 7 张论文(设计)题目: 高温高速摩擦磨损试验机的设计 内容提要: 摩擦磨损试验机广泛用于表面工程(如薄膜、涂层)等领域的摩擦磨损测试。具有销盘(pin-on-disk) 、球盘(ball-on-disk) 摩擦磨损等多种模式。可在旋转运动模式、线性往复运动模式下,记录材料的摩擦系数随摩擦时间(或距离)的变化,从而评估材料的磨损寿命。通过润滑条件、接触方式、试验载荷、运动速度和试验频率的变化,可以获得不同条件下的试验结果,支持点、线面等接触形式,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。指导教师评语马滔同学在毕业设计过程中,态度比较认真,其毕业设计的内容为高温高速摩檫磨损实验机的设计,在认真阅读国内外相关参考文献基础上,基本了解相关领域的研究现状。在毕业设计期间,对高温高速摩檫磨损实验机的机械部分进行了结构设计及相关的设计计算。通过毕业设计马滔同学对机械设计的相关技巧、以及机械设制造相关领域的基础知识的掌握有了较大的进步,初步掌握了相关制图软件在机械设计中的应用。论文立论正确,论述清楚,图纸基本符合设计要求,论文达到毕业设计要求,同意参加答辩,推荐毕业设计成绩为“中” 。指导教师: 2012 年 5 月 日答辩简要情况及评语能够较好的回答老师提出的问题。根据答辩情况,答辩小组同意其成绩评定为 。答辩小组组长: 2012 年 5 月 日答辩委员会意见经答辩委员会讨论,同意该毕业论文(设计)成绩评定为答辩委员会主任: 2012 年 5 月 日湘潭大学兴湘学院毕业论文题 目:高温高速摩擦磨损试验机的设计学 院: 兴湘学院 专 业: 机械设计制造及其自动化学 号: 2008963112 姓 名: 马 滔 指导教师: 周后明 完成日期: 2012 年 5 月 目录1第一章 摩擦磨损试验机简介 .31.1 摩擦磨损试验机的发展过程研究意义 .31.2 两种国际公认摩擦磨损试验机的分类方法 .41.3 现阶段国内国际研究最新成果及今后发展方向 .61.4 本次设计相关指标 .11第二章 摩擦磨损试验机摩擦系数的影响因素 .122.1 表面膜对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响 .122.3 载荷对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响 .132.4 滑动速度对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响 .132.5 温度对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响 .132.6 表面粗糙度对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响 .14第三章 整体方案的初步比较与确定 .153.1 摩擦磨损试验机的整体分析 .153.2 多种方案的设计 .153.3 方案的优劣比较与最终确定 .18第四章 试验机的主要零件强度校核及零部件选用 .214.1 本设计要求的主要性能指标的确定 .214.2 方案中主传动系统的计算 .214.2.1 动力源的选 择: .214.2.2 传动方式的计算: .234.2.3 轴的受力分析: .274.2.4 主轴上键的强度校核计算: .294.2.5 横梁的受力分析及强度校核: .294.2.6 丝杠螺母副的尺寸计算: .294.2.7 轴承的选用: .30第五章 根据校核结果进行非标准件的结构设计 .335.1、整体结构的确定 .335.2、箱体的结构设计 .345.3、横梁的结构设计 .345.4、支架的结构设计: .355.5、摩擦销的结构设计: .365.6、摩擦盘夹持器的结构设计: .36第六章 论文总结 .37感谢 .38参考文献 .392高温高速摩擦磨损试验机摘要:摩擦磨损试验机广泛用于表面工程(如薄膜、涂层)等领域的摩擦磨损测试。具有销盘(pin-on-disk) 、球盘(ball-on-disk)摩擦磨损等多种模式。可在旋转运动模式、线性往复运动模式下,记录材料的摩擦系数随摩擦时间(或距离)的变化,从而评估材料的磨损寿命。通过润滑条件、接触方式、试验载荷、运动速度和试验频率的变化,可以获得不同条件下的试验结果,支持点、线面等接触形式,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、磨损、试验机、高温、高速3Pin-on-disk temperature and high friction and wear testerAbstract: Friction and wear testing machine is widely used for surface engineering (such as film, coating) and other areas of friction and wear test. Has the bolt plate (pin-on-disk), ball plate (ball-on-disk) friction and wear, as a model. Support the rotary motion mode, linear reciprocating motion mode, can record material of the friction coefficient with the frictional time (or the distance) changes to evaluate the material wear life. Through the lubricating condition, contact method, test load, movement speed and test frequency changes, can get test results under different conditions, and support the face of point, line contact form, so as to determine comply with requirements of the use of friction pair of components of the optimal parameter. Temperature and high friction and wear tester of high temperature is high speed friction and wear of the test of effective equipment, widely used in all kinds of high speed cutting tools for the high temperature frictional wear performance testing and evaluation, is high speed cutting and new cutting tool materials development and application of the necessary equipment. The equipment is high speed processing and the cutting tool material research direction of the research work are in urgent need of infrastructure, the equipment can expand the subject field of study and improve research level. Key words: friction testing machine, high temperature, high-speed 4第一章 摩擦磨损试验机简介1.1 摩擦磨损试验机的发展过程及研究意义随着机械行业的发展,人们对磨损危害的认识有了更大的提高。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。从 1910 年第一台磨料磨损试验机即以问世,到 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已达上百种,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。5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 两种国际公认摩擦磨损试验机的分类方法: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,如表 1-1。表 1-1 摩擦磨损试验机的分类6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 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;7(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 现阶段国内国际研究最新成果及今后发展方向目前,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。1.3.1 济南试金集团产品(图 1-1)图 1-1 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:8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 1.3.2 美国 CETR 公司产品图 1-2 是美国 CETR 公司的多功能磨损试验机的实物图:9图 1-2 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速率及抛光质量的影响。1.3.3 瑞士 CSM 公司产品图 1-3 是瑞士 CSM 公司的摩擦磨损试验机。10图 1-3 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。图 1-4 是该试验机的测试原理示意图。11图 1-4 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;通过测量材料的损失体积可计算压头和样品的磨损系数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。12(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 本次设计相关指标在这一章我主要介绍了摩擦磨损试验机研究的意义及国内外此类试验机发展历史与现状,并分别例举了国外国内的几款试验机的主要参数,最后总结了今后的发展趋势,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二维图的绘制。所设计的试验机主要技术指标如下:1、最大试验力:20N 2、主轴速度范围:03000r/min 3、工作的最高温度 1000 4、加载范围:020 N,采用砝码加载 5、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,并用绘制整个试验机的总装配图及主要零部件图。13第二章 摩擦磨损试验机摩擦系数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 表面膜对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响具有表面氧化膜的摩擦副,摩擦主要发生在膜层内。对于金属的摩擦来说,由于表面氧化膜的塑性和机械强度比金属材料差,在摩擦过程中,膜先被破坏,金属摩擦表面不易发生粘着,使摩擦系数降低,磨损减少。在金属摩擦表面涂覆软金属能有效地降低摩擦系数。其中以镉对摩擦系数的影响最为明显,但镉与基体金属的结合力较弱,容易在摩擦时被擦掉。142.2 材料性质对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响摩擦副的摩擦系数,随配对材料性质的不同而不同。分子或原子结构相同或相近的两种材料互溶性大,互溶性较大的材料组成摩擦副,易发生粘着,摩擦系数增高;反之,分子或原子结构差别大则互溶性小,互溶性较小的材料组成摩擦副,不易发生粘着,摩擦系数一般都比较低。因此,在设计摩擦副时,应尽可能地选择分子结构或原子晶格差别大,互溶性小的材料组成摩擦副,以降低其摩擦系数。如果条件允许的话,应尽可能选择金属与非金属(工程塑料、复合材料等)组成摩擦副。2.3 载荷对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响载荷的大小直接影响摩擦副的接触状态,在不同的接触状态下,摩擦副所表现出来的摩擦特性也就不一样一般情况下,摩擦系数将随载荷的增加而增大,当载荷足够大时越过一极大值,随着载荷的继续增大而摩擦系数趋于稳定或减小。2.4 滑动速度对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响在一般情况下,摩擦系数随滑动速度增加而升高,越过一极大值后,又随滑动速度的增加而减少。滑动速度对摩擦系数的影响,主要是它引起温度的变化所至。滑动速度引起的发热和温度的变化,改变了摩擦表面层的性质和接触状况,因而摩擦系数必将随之变化。对温度不敏感的材料(如石墨) ,摩擦系数实际上几乎与滑动速度无关。2.5 温度对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响在摩擦过程中,温度的变化使摩擦副表面材料的性质发生改变,从而影响摩擦系数。摩擦系数随摩擦副工作条件的不同而变化。具体情况需用试验方法测定。2.5.1 对于大多数金属摩擦副而言,其摩擦系数均随温度的升高而降低,极少数(如金-金)的摩擦系数均随温度的升高而升高。2.5.2 对于散热性比较差的材料,特别是由热塑性工程塑料组成的摩擦副,15开始摩擦系数将随着温度的升高而增大,当表面温度达到一定值,材料表面将被熔化。所以,一般工程塑料都只能在 一定的温度范围内使用,超过这个温度范围,摩擦副材料将丧失其工作能力。2.5.3 对于金属与复合材料组成的摩擦副,其摩擦系数在一定的范围内受温度的影响较小,但是,当温度超过某一极限值时,摩擦系数将随温度的升高而显著下降。通常把这种现象称为材料的热衰退性。对于制动摩擦副,尤其应控制在热衰退的临界温度以下工作,以保证其具有足够的制动能力。2.6 表面粗糙度对摩擦磨损试验机的摩擦系数的影响根据摩擦的分子机械理论,当表面粗糙度值大于 50m 时,分子分量可以忽略不计,因此,摩擦系数随着表面粗糙度值的减小而降低;当表面粗糙度值特别小,小于 20m 时,摩擦系数中的分子分量起主要作用,机械分量可以忽略不计,因此,摩擦系数随着表面粗糙度值的减小而增大;表面粗糙度值愈小,实际接触面积愈大,因而摩擦系数也就愈大;在一般情况下,即 20m Ra 50m 范围内,表面粗糙度对摩擦系数的影响不大。16第三章 整体方案的初步比较与确定3.1 摩擦磨损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 多种方案的设计通过分析,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17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;18(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19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;20(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 方案的优劣比较与最终确定方案一采用齿轮,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,21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。22第四章 试验机的主要零件强度校核及零部件选用4.1、本设计要求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 方案中主传动系统的计算实现。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器摩擦盘。4.2.1 动力源的选择: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)fFn2/60R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) ;Pm 0.251 KwaxfFn2/60R120.43/60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 1 20.931 电动机的输出功率 P 出 (4-2)总m故 0.2696 Kw出P95.0821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;23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: 0.310mm24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 传动方式的计算:1、计算功率:P (4-3) AkP= =0.36Kw )98.0251.(4.式中: 是同步带传动的工作情况系数,据机械设计手册可取 1.40Ak2、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)25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;min1Z4、小带轮节圆直径:何以由公式 (4-4)bPd1计算,也可查询机械设计手册。得小带轮直径为 mm8.751d5、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 mdPb8.75127、带速计算:(4-5)106ndvs/91.38.5通常 L 型 ,则 符合要求。mv/axmaxv268、初定轴间距:根据机械手册知(4-6))(2)(7.02121dad即 ,取 a= =151.2mm.306219、计算带长及齿数:带长 :0L(4-7)0212104)(2addamL9.53.50 查机械设计手册得 ,齿数 ;Lp664Z10、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)200ap轴间距不可调时(4-9)2cos12d(4-10)1211tan2dLivp根据设计要求,轴间距可调则 mp 05.1869.536.0.50 11、小带轮啮合齿数:(4-11)1211ZaPZentbm0212、基本额定功率:(4-12)100vTPa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)0sb0sb宽度为 的带的需用工作拉力(N) ,查机械手册a0sb27宽度为 的带单位长度的质量( ) ,查机械手册m0sbmkg/则 KWvTPa 75.21091.95.46.2120 13、计算带宽:(4-13)14.0ozbsKb啮合齿数系数,查机械设计手册z应按表 4.4 选取标准值,一般小于sb 1d则 mPKozds 27.4.3604.25114.0 式中: mm .sb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)vPFdr10则 Ndr 327.091.615、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: 2028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 轴的受力分析: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 ,KWPm256.0min/30rn则转矩 NnTm.793959502、轴的最小直径计算:计算公式为 (4-15)3032.0nPAdT主轴的材料选择为 ,查设计手册可得rC416,250AT则 ,取md5.3.d6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 4-729图 4-7 主轴结构设计1)为了满足带轮的尺寸要求 ,mL172d2412)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 、mBDd630,故 , 。mBDd752304L50433)根据结构要求拟定 , ;mL36283, ;1054d054, ;66, 。mL32727(3) 、轴的强度校核:按钮局强度条件计算,公式如下(4-16)TTdnPW32.095已知 ,25min,/0,56. TmrK则 32.09814dT根据设计轴的最小直径为 ,d207630TT 509.2.03814min则其他各段也符合要求。4.2.4、主轴上键的强度校核计算:根据主轴设计,键所在轴的直径为 2
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