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磨料磨損試驗機的設(shè)計摘 要目前磨料磨損試驗機的品種繁多，也有不少人在研究新型的試驗機。在國內(nèi)的相關(guān)研究中則廣泛使用的試驗機有滾子式磨損試驗機、四球式磨料磨損試驗機、往復(fù)式磨料磨損試驗機、磨損試驗機、盤銷式磨料磨損試驗機等。磨料磨損試驗的目的是為了對磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進(jìn)行研究，正確地評價各種因素對磨料磨損性能的影響，從而確定符合使用要求的摩擦副元件的最優(yōu)參數(shù)。我所設(shè)計的是磨料磨損的試驗機。是用電機帶動帶輪為驅(qū)動，利用帶式傳動使整臺設(shè)備運轉(zhuǎn)。這種試驗機是進(jìn)行磨料磨損的有效設(shè)備，廣泛運用于對各種高速刀具的磨損性能進(jìn)行測試和評價，是高速切削和新型刀具材料研制開發(fā)和應(yīng)用的必備設(shè)備。該設(shè)備是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基礎(chǔ)設(shè)備，該設(shè)備可以擴展該學(xué)科的研究領(lǐng)域和提高研究水平。是綜合各種試驗機的一種先進(jìn)的設(shè)備。關(guān)鍵詞：磨損；試驗機；高溫 ；高速AbstractThe abrasive wear test machine of the variety, there are a lot of people in the study of new type of testing machine. In the domestic related research is widely used in the testing machine has a roller type wear testing machine, four ball friction and wear testing machine, reciprocating friction and wear testing machine, cutting type friction, wear testing machine, friction test machine. Friction and wear test is aimed on the friction and wear phenomenon and its essence is studied, a evaluation of various factors influence on friction and wear properties, thereby determining the requirements of the optimal parameters of friction pair components.What I design is at a high temperature abrasive wear testing machine. Is driven by a motor belt wheel for driving belt transmission, using the whole device operation, this machine is of high speed friction and wear behavior of effective equipment, is widely used for various high temperature friction and wear properties of high speed cutting tool for testing and evaluation, is of high speed cutting and new cutting tool materials research and development and application of the necessary equipment. The device is of high speed machining and tool material research direction research work needed infrastructure equipment, the equipment can be extended to the field of study and improve research level. Is a comprehensive test machine is a kind of advanced equipment.Key words：friction；testing machine ；high temperature ；high-speed目 錄摘 要 ...................................................................................................................................................................11 引言 ...................................................................................................................................................................11.1 設(shè)計的目的和意義 ...............................................................................................................................11.2 研究現(xiàn)狀 ...............................................................................................................................................21.3 磨料磨損試驗機的發(fā)展趨勢 ...............................................................................................................32 磨料磨損試驗機的總體設(shè)計 ...........................................................................................................................52.1 傳動方式 ...............................................................................................................................................52.2 試驗負(fù)荷的影響 ...................................................................................................................................63 運動的動力的計算 ...........................................................................................................................................83.1 滾珠絲桿副的動力計算 ........................................................................................................................83.2 絲桿強度和穩(wěn)定性的計算 ...................................................................................................................93.3 絲杠的剛度 .........................................................................................................................................104 磨料磨損試驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)計算 .....................................................................................................124.1 試驗機主要性能指標(biāo)的確定 .............................................................................................................124.1.1 電機選擇 .................................................................................................................................124.1.2 同步帶傳動計算 .....................................................................................................................134.1.3 主軸計算 .................................................................................................................................164.2 各級傳動的設(shè)計 .................................................................................................................................184.2.1 第一級帶傳動計算 .................................................................................................................184.2.2 第三級帶傳動 .........................................................................................................................204.3 絲桿軸承的選擇 .................................................................................................................................224.4 離合器的選擇 .....................................................................................................................................235 磨料磨損試驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .........................................................................................................................245.1 箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................................................................................................245.2 橫梁和支架的設(shè)計 .............................................................................................................................245.3 摩擦輪的設(shè)計 .....................................................................................................................................256 結(jié)論 ..................................................................................................................................................................27參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................................................28致 謝 .................................................................................................................................................................2901 引言1.1 設(shè)計的目的和意義隨著冶金、礦山、電力以及工程機械等行業(yè)的發(fā)展，人們對磨損危害的認(rèn)識有了相當(dāng)?shù)奶岣?。為了弄清磨損機理以減少有害的磨損，各國學(xué)者對材料在常溫下的各種磨損問題均進(jìn)行了大量的研究，但對于材料在高溫下的磨損問題至今卻研究的較少，這和高溫磨損試驗裝置的缺乏不無關(guān)系。1910 年第一臺磨料磨損試驗機即以問世，1975 年美國潤滑工程師學(xué)會（ALSE）編著的“磨料磨損裝置”一書中所公布的不同類型的磨損試驗機也有上百種，但其中大部分都是磨損試驗機。近幾十年來，磨損試驗機和試驗方法雖然有了較大的發(fā)展，但這些試驗機大多還是由企業(yè)和研究工作者根據(jù)工作需要和實際工況自行設(shè)計制造的，適合高分子及其復(fù)合材料試驗用的磨損試驗機等。只有少數(shù)試驗機是由專門的試驗機廠或儀器制造公司制造和供應(yīng)的，而且這些試驗機大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴，這說明了磨損問題的復(fù)雜性和進(jìn)行實驗室磨損試驗研究的困難所在。通常,把測定材料機械性能的儀器和設(shè)備稱為磨料磨損試驗機。但是，有些國家有時把測定材料物理性能（甚至化學(xué)性能）的儀器和設(shè)備也稱為磨損試驗機。國外，在工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家中，對于試驗機的研制和生產(chǎn)，都是比較重視的。這是因為，磨損試驗機作為一個基礎(chǔ)工業(yè)部門，對于工業(yè)生產(chǎn)和科研工作有直接的不容忽視的影響。實際上，對于工業(yè)生產(chǎn)和各種工程設(shè)計來說，磨料磨損試驗機是確保各種機器，車輛，船舶和結(jié)構(gòu)物的合理設(shè)計與安全運行的重要測試設(shè)備。因為，為了既經(jīng)濟(jì)又安全可靠地從事各種工程設(shè)計，必須根據(jù)材料的機械性能選取合適的材料。否則，可能造成浪費，或者導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的事故。而要獲得準(zhǔn)確的材料機械性能數(shù)據(jù)，只有使用材料試驗機。在工業(yè)生產(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，常常需要對各種材料和零部件或整機進(jìn)行檢定和測試。許多重要性的熱處理零部件，如軋鋼機的鋼輥，機器的主軸和汽車的連桿等，都要百分之百的進(jìn)行硬度檢定。在冶金工業(yè)生產(chǎn)中，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，也提出了許多新問題。例如現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，需要一些具有特殊性能的，能在高溫，低溫，高壓，高速以及各種復(fù)雜條件下工作的材料，因此必須研制新型材料與合金。鋼鐵廠生的的鋼材，也需要隨時檢驗。顯而易見，所有這些研究和檢驗工作，離開材料試驗機是無法進(jìn)行的。上述幾點，已足以說明磨損試驗機的發(fā)展對航空，冶金，機械，建筑和造船等工業(yè)部門，在合理設(shè)計工程結(jié)構(gòu)，節(jié)約材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)工藝和降低成本方面具有重要的意義。另外，由于磨料磨損試驗機所涉及到的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域比較廣泛，如高溫技術(shù)，低溫技術(shù)，真空技術(shù)，液壓技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，電子技術(shù)和激光技術(shù)等，并且還應(yīng)用各種測試，記錄和顯示儀器，所以磨損試驗機的技術(shù)發(fā)展，往往取決于很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的水平。磨料磨損試驗的目的是為了對磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進(jìn)行研究，正確地評價各種因素對磨料磨損性能的影響，從而確定符合使用要求的摩擦副元件的最優(yōu)參數(shù)。磨料磨損試驗研究的內(nèi)容非常廣泛，如探討磨損和潤滑機理以及影響磨損的諸因素，對新的耐磨、減1磨及摩擦材料和潤滑劑進(jìn)行評定等。由于磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜，磨損條件都各不相同不同，試驗方法和裝置種類繁多，如何準(zhǔn)確地獲取磨料磨損過程中的參數(shù)變化成為一個十分重要的研究課題。為了探索和驗證機械工程中磨損問題的機理以及有關(guān)影響因素，磨料磨損試驗機是進(jìn)行磨損試驗的有效設(shè)備。1.2 研究現(xiàn)狀近些年來，隨著航空，冶金，造船，化工和機械工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平的迅速發(fā)展，對金屬材料試驗提出的要求也越來越高，許多產(chǎn)品的重要的零部件甚至整機，常常需要在各種復(fù)雜的情況下進(jìn)行模擬試驗。因此，在材料試驗機中不斷地采用了一些新技術(shù)，例如電液伺服系統(tǒng)，電子計算機等。所有這些新技術(shù)的應(yīng)用，不僅使磨料磨損試驗機的性能在為提高，而且使磨損試驗機的結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了很大的變化。近來國外生產(chǎn)的一些特殊的磨損試驗機，由于應(yīng)用了一些新技術(shù)，試驗機的性能有所提高，應(yīng)用范圍也有所擴大。這種試驗機除了能做拉壓，彎，剪切等表態(tài)試驗外，還可以做蠕變和松弛試驗，有的還能做動態(tài)試驗，測定材料的疲勞極限。國外生產(chǎn)的磨損試驗機和拉力試驗機，主要分為機械式，液壓式和電子式三種。近來電液伺服系統(tǒng)萬能試驗機后來居上。此外，有時又按其他特征分為高溫，低溫，大型，微型和自動試驗機等。機械式磨料磨損試驗機的加荷機械和測力機械一般采用機械傳動裝置。這種試驗機具有足夠的精度和穩(wěn)定性。但負(fù)荷能力受到一定限制，因測力機械的慣性較大，加荷速度受到一定限制。所以，國外一些主要生產(chǎn)廠已經(jīng)不再生產(chǎn)，有的僅放在次要的地位。液壓磨損試驗機，應(yīng)用液壓傳動加荷。與機械萬能試驗機相比較，除負(fù)荷較大外，加荷平衡，加荷速度可自由調(diào)節(jié)。近些年來，各國都在大力發(fā)展電子磨損試驗機與電子拉力試驗機。這是一種將電子技術(shù)應(yīng)用于試驗機負(fù)荷系統(tǒng)與變形系統(tǒng)中，精確地進(jìn)行測量和記錄的新型磨料磨損試驗機。目前，世界只有美國、日本、瑞士等少數(shù)幾個國家有磨料磨損試驗機的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，而濟(jì)南試金集團(tuán)是國內(nèi)最早研制和生產(chǎn)磨料磨損試驗機的廠家。早在 1964 年為了滿足我國石油工業(yè)和材料工業(yè)的發(fā)展需要，濟(jì)南試金集團(tuán)開始研制 MQ-12 型四球磨料磨損試驗機，1965 年研制成功并投入生產(chǎn)，1966 年又研制成功 MM-200 型磨損試驗機，兩種試驗機的研制成功標(biāo)志著我國已有了自行研制磨料磨損試驗機的能力。在最近的幾年，涌現(xiàn)出了一批新興生產(chǎn)磨料磨損試驗機的企業(yè)，也有不少優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品面世。磨料磨損試驗機用于評定材料的磨損機理和測定材料的摩擦系數(shù)。并可模擬各種材料在干摩擦、濕摩擦、磨料磨損等不同工況下磨損試驗。該機采用計算機控制系統(tǒng)，可實時顯示試驗力、摩擦力矩、摩擦系數(shù)、試驗時間等參數(shù)，并可記錄實驗過程中摩擦系數(shù)—時間曲線。滾動摩擦試驗?zāi)苷{(diào)節(jié)實現(xiàn)不同的滑差率；該產(chǎn)品所做結(jié)果符合GB/T12444.2-90 金屬磨損試驗方法—MM 型磨損 GB/T3960—83 塑料滑動摩擦系數(shù)試驗方法。由于該機功能多，結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用方便，有多個標(biāo)準(zhǔn)試驗方法建立在該機型上，且在國外使用較多，所以在國內(nèi)研究領(lǐng)域也有非常廣泛的應(yīng)用。2美國 FALEX 公司：FALEX 公司是摩擦磨損測試儀器的專業(yè)制造商，具有 75 年的歷史，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在石化、機械，軍工等多個領(lǐng)域，目前有超過 300 臺四球機試驗機在各個國家使用，已被各國政府部門和工業(yè)界廣泛的認(rèn)同，F(xiàn)ALEX 公司的很多儀器已成為磨損領(lǐng)域的測試標(biāo)準(zhǔn)，被收錄在 ISO、ASTM 等國際和行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)中。 FALEX 四球法磨損試驗機設(shè)計有精密負(fù)載以便完成精確的磨損實驗，它是唯一通過多個實驗室循環(huán)實驗所得出的精度作為 ASTM 方法中的精度要求的儀器，到目前為止沒有其他的儀器展示這個精度，為了符合 ASTM、ISO、DIN 的要求，就一定要使用 FALEX 四球法磨損實驗測定儀。試驗機的測試原理是：平頭或圓形壓頭安放在被測樣品上，用精確測定質(zhì)量的砝碼施加載荷；針或球安裝在一支倔強系數(shù)很大的杠桿上，該杠桿被設(shè)計為無摩擦切向力傳感器；當(dāng)盤式樣品旋轉(zhuǎn)時，壓頭和樣品間產(chǎn)生的摩擦力會使杠桿發(fā)生輕微的彎曲，該形變程度可被固定在一起的線性差分位移傳感器檢測，并由此計算摩擦力的具體數(shù)值；通過測量材料的損失體積可計算壓頭和樣品的磨損系數(shù)。1.3 磨料磨損試驗機的發(fā)展趨勢磨料磨損試驗機是用來進(jìn)行性能指標(biāo)測定的設(shè)備，在各類材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、材料科學(xué)研究和教學(xué)試驗中都需要應(yīng)用試驗機來進(jìn)行力學(xué)性能測試。而其中的磨損試驗機上的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等試驗尤為廣泛。我國的磨損試驗機為數(shù)眾多，遍布于全國各地，大部分不具備電測能力，以手動調(diào)整進(jìn)、回油閥的方式運行，試驗手段落后，有勞動量大和測試結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點。若對其指示、記錄系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造，則可以充分地發(fā)揮設(shè)備的潛能，大大提高其技術(shù)性能及使用價值，更好地為材料研究、質(zhì)量控制和實驗教學(xué)服務(wù)。 本系統(tǒng)將先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù)、傳感技術(shù)、測試技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于靜態(tài)試驗機，來實現(xiàn)力學(xué)性能參數(shù)的自動檢測，其中試驗數(shù)據(jù)的實時采集、自動處理分析和試驗中的加載速率控制是本系統(tǒng)研究的重點。 本系統(tǒng)在充分掌握大量試驗機的動態(tài)信息的基礎(chǔ)上，采用虛擬儀器技術(shù)，進(jìn)行了磨損試驗機數(shù)控化系統(tǒng)的硬件搭建及軟件設(shè)計。傳統(tǒng)的磨料磨損試驗機是液壓動力的, 這種試驗機存在一些不足之處。它通過油泵向油缸輸油加壓, 由流量調(diào)節(jié)閥控制流量。油泵和測力油缸的液壓系統(tǒng)容易發(fā)生故障, 不但影響試驗機的運行和試驗質(zhì)量, 而且增加了維修工作量; 它的液壓夾具的鉗口座比較笨重, 容易損壞; 采用擺錘測力計測量試驗力 ,擺錘的慣性大, 對載荷的測量精度低, 且量程范圍小。電子磨料磨損試驗機的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、位移的閉環(huán)控制; 試驗中無須選擇量程, 可實行全過程自動控制; 裝卸夾具和附件方便; 軟件包功能強大, 用戶通過PC 可直接存儲數(shù)據(jù)、計算并輸入測試結(jié)果和打印試驗報告。計算機控制整個試驗過程, 保證了試驗的質(zhì)量。電子磨損試驗機是先進(jìn)的機械技術(shù)與現(xiàn)代的電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是充分發(fā)揮了機、電技術(shù)各自特長而設(shè)計成的大型精密測試儀器，它具有高科技特點，其設(shè)計方法是模塊化的。采用集散技術(shù)，有效地利用了微機功能對各種附件和功能單元進(jìn)行組合管理、3控制、實現(xiàn)多種功能試驗。電子磨料磨損試驗機由計算機控制系統(tǒng)進(jìn)行自動控制。首先, 通過計算機可完成試驗階段的設(shè)置。對于金屬材料的常規(guī)拉伸試驗, 通常劃分為三個階段, 即彈性階段、屈服階段和強化階段。在三個試驗階段設(shè)置中, 均要選擇速率控制類型和最大存儲頻率等主要參數(shù)值。同時, 計算機可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的存儲, 并由計算軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 給出檢測結(jié)果,最后, 完成試驗報告的打印。機械式磨料磨損試驗機，基于主機架采用門式結(jié)構(gòu)，使得造型勻稱美觀大方結(jié)構(gòu)簡單、成本低。尤其配以滾珠絲杠與同步齒型膠帶的傳動系統(tǒng)，使得整機運行平穩(wěn)，響應(yīng)快、噪聲低、效率高。對測量系統(tǒng)，微機可以對其進(jìn)行自動調(diào)零，自動標(biāo)定、自動換檔，從而保證了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，并大大地提高了工作效率。通過對傳統(tǒng)磨損試驗機的分析,發(fā)現(xiàn)如下特點：（1）以高性能的電機系統(tǒng)取代機械變速系統(tǒng)：目前，高性能的電機系統(tǒng)己經(jīng)比較成熟，調(diào)速比可以達(dá)到一比幾百、幾千甚至更高。利用這種系統(tǒng)既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，也可以實現(xiàn)擺動和直線運動。由高性能電機直接驅(qū)動主軸，不僅能使機械結(jié)構(gòu)大大簡化，而且還能降低試驗機的摩擦損耗，提高整機的壽命和可靠性。但高性能電機系統(tǒng)價格比較昂貴。（2）在磨料磨損試驗機上應(yīng)用微型計算機：微型計算機的價格低廉，操作簡單，性能穩(wěn)定，不僅可以取代以往的二次儀表對試驗機進(jìn)行控制，而且還可以對測試參數(shù)進(jìn)行自動采集和數(shù)據(jù)處理，因而能使試驗機的功能大大加強。（3）改進(jìn)測試手段。（4）提高穩(wěn)定性、測試精度，以使試驗結(jié)果具有更好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。42 磨料磨損試驗機的總體設(shè)計2.1 傳動方式機械式傳動方式優(yōu)點：易于實現(xiàn)自動控制，無污染。缺點：大力值難于實現(xiàn)，一般僅適用于小于 1000kN 的力，對比上面兩種加載方式，由于本設(shè)計的規(guī)格為 100kN，故決定采用機械式加載方式。磨料磨損試驗機的傳動方式有單絲杠式，雙絲杠式，多絲杠式。單絲杠式難于保證精度（加載時，易偏離中心線） ，而多絲杠式結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，故采用單絲杠傳動方式，結(jié)構(gòu)相對簡單，能保證本試驗機對精度的要求。本試驗機的傳動主要為螺旋傳動和同步帶傳動。同步齒形帶的傳動必須考慮帶的張緊，可通過調(diào)整其中一張緊輪的位置而達(dá)到張緊的目的。至于另兩級帶傳動，由于結(jié)構(gòu)的限制，可采用電機張緊方式張緊。螺旋傳動有蝸輪蝸桿傳動和滾珠絲杠副縣長的傳動。蝸輪蝸桿具有自鎖性能，在裝配時必須注意其旋轉(zhuǎn)方向。滾珠絲杠采用墊片式消隙和預(yù)緊方式，可通過調(diào)整預(yù)緊力來改變其松緊程度，以便使用權(quán)絲杠運轉(zhuǎn)自如。在考慮到成本等方面的因素，決定采用雙電機工作方式，因為如果采用單電機工作方式，單電機為飼服電機，其價格較高。而采用雙電機，其一為異步電機，其二為步進(jìn)電機，其造價較低且其結(jié)構(gòu)也不是很復(fù)雜。加載時，絲桿的轉(zhuǎn)速低，其運動速度慢，當(dāng)兩元件的距離較遠(yuǎn)時，如不采用快進(jìn)機構(gòu)則其效率較低。因此，當(dāng)快進(jìn)時，如不把步進(jìn)電機隔離，則步進(jìn)電機將被被動帶動轉(zhuǎn)動，且其轉(zhuǎn)達(dá)速進(jìn)十分高，易把步進(jìn)電機燒壞，因些在其上面加一分離機構(gòu)（離合器） 。磨料磨損試驗機所采用的絲杠為滾珠絲杠，滾珠絲杠必須考慮自鎖，其自鎖方式有多種，本系統(tǒng)中利用蝸輪蝸桿（降速比較大）來實現(xiàn)其自鎖。圖 2-1 工作示意圖螺紋聯(lián)接的防松，在沖擊，振動或變載荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能減小或瞬5間消失，重復(fù)后，就可能使用聯(lián)接松動，甚至松脫。因此必須采取防松措施。本試驗機中采用的防松措施為：雙螺母防松（即在螺母上再加一個螺母）和墊片防松。圖 2-2 工作示意圖本試驗機使用的潤滑方式為脂潤滑。因此應(yīng)該根據(jù)實際情況定時加一定的潤滑脂，以保證機構(gòu)的運轉(zhuǎn)良好。軸承的預(yù)緊情況將直接影響其運轉(zhuǎn)性能。如過松，易使機構(gòu)失效，且易產(chǎn)生振動。如過緊，則又使機構(gòu)運轉(zhuǎn)不良。本試驗機中多采用了焊接連接方式。因此，焊接的方法，質(zhì)量就直接影響試驗機的整機性能和壽命。2.2 試驗負(fù)荷的影響（1）摩擦磨損試驗機一般都要對試驗負(fù)荷進(jìn)行測量，所采用的測量方式往往隨加載方式的不同而不同。機械式的杠桿一砧碼加載可以直接根據(jù)加載砝碼得到負(fù)荷值，機械式彈簧加載可以根據(jù)游標(biāo)顯示的彈簧變形確定負(fù)荷值，液壓加載可以通過加載油缸的壓力換算得到負(fù)荷值(如 MQ-800 型四球式磨損試驗機)。然而，不論在哪種加載方式下，都可以利用負(fù)荷傳感器直接測量負(fù)荷值。負(fù)荷傳感器應(yīng)當(dāng)安裝在盡量靠近摩擦副的位置上，以避免或減小導(dǎo)向部分摩擦力引起的測量誤差。（2）摩擦力(摩擦系數(shù))的影響；在試驗機上，摩擦力(或摩擦力矩)和摩擦系數(shù)一般只測一項。例如，在已知負(fù)荷 P的情況下，只要測出摩擦力 F，就可以根據(jù)公式 u=F/P 求出摩擦系數(shù)的數(shù)值。這可以利用微機或數(shù)字電路實現(xiàn)運算處理。測量摩擦力常用的方法一般有兩種，即測量作用在驅(qū)動軸上的扭矩，或者是借助于彈性元件測定作用在固定件上的力。在采用第二種測量方法測量摩擦力時，由于固定件在沿摩擦力方向自由運動時必然要傳遞法向力，所以當(dāng)將其安裝在滾動軸承之類的低摩擦裝置上，以使附加的摩擦力盡可能地減小，從而保證摩擦力的測量精度。摩擦扭矩可以采用扭矩傳感器進(jìn)行測量，其安裝位置既可以是在運動軸上，也可以是在固定軸上。當(dāng)把扭矩傳感器安裝在運動軸上時，需要確保傳感器的信號輸出良好。在試驗機上，通常是將摩擦扭矩轉(zhuǎn)換成拉力或壓力對其進(jìn)行測量（見圖 2-3） ，6但要注意使轉(zhuǎn)換機構(gòu)造成的誤差不得超過允許值。圖 2-3 將摩擦扭矩轉(zhuǎn)化成拉力或壓力的測量（3）速度的影響；在有些試驗機上還要求對速度進(jìn)行測量，可以采用的測速裝置有測速發(fā)電機和光電傳感器等。記錄轉(zhuǎn)數(shù)最常用的是機械式計數(shù)器。（4）測溫方法的影響；摩擦磨損試驗需要測定的溫度有環(huán)境溫度、潤滑劑溫度和摩擦副的摩擦面溫度，其中不易測量的是摩擦面溫度(因為它不暴露在外面)。在試驗機上常用的測溫方法有熱電偶法和紅外測溫法。用這兩種方法測得的摩擦面溫度都是近似值。這是因為熱電偶無法安裝在摩擦面上，而只能安裝在靠近摩擦面的位置上;而紅外測溫法則是因為只能測得摩擦面邊界上的溫度或試件的體溫。如果能夠知道試件溫度的分布情況，那就可以對測溫結(jié)果進(jìn)行修正，從而使測量誤差減小。為了消除或減少以上原因所產(chǎn)生的誤差，在實測時可以把實際試件之一(或兩件)組合成熱電偶的一部分，這就是所謂的“自然熱電偶”測溫法。這種方法原則上可以直接從摩擦面取得溫度信息，然而這個信息不僅會受到由于潤滑劑的作用所產(chǎn)生的界面電動勢的影響，而且在多觸點的循環(huán)電流對它也有影響 L閣。因此，在現(xiàn)有的試驗機上很少使用這種測溫方法。（5）重復(fù)性和再現(xiàn)性；摩擦磨損試驗機能否給出重復(fù)性和再現(xiàn)性都比較好的試驗結(jié)果，取決于每次試驗用的試桿和試驗環(huán)境條件(包括儀器的工作狀態(tài))是否都能保持一致。西德 Optimol 公司的SRV 型標(biāo)準(zhǔn)化微動式摩擦磨損測試機之所以能夠給出較好重復(fù)性和再現(xiàn)性的試驗結(jié)果，就是因為它的關(guān)鍵部件一振動系統(tǒng)和力監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)非常穩(wěn)定。為了使試驗條件穩(wěn)定，就要從動力源和試驗機結(jié)構(gòu)上保證負(fù)荷及速度等 T 礦穩(wěn)定，同時還需要測試系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)能準(zhǔn)確地測出工礦參數(shù)，以便于調(diào)整。此外，合理的摩擦副接觸形式也是取得較好重復(fù)性和再現(xiàn)性試驗結(jié)果的重要因素之一。一般說來，點接觸比面接觸受外界的影響小，因而在相同條件下，點、線接觸有利于再現(xiàn)摩擦副的接觸狀態(tài)。73 運動的動力的計算3.1 滾珠絲桿副的動力計算消除軸向間隙的調(diào)整預(yù)緊方式，采用雙螺母,通過兩螺母間的軸向位置，以消除軸向間隙，并進(jìn)行預(yù)緊,提高傳動的定位精度，重復(fù)定位精度及軸向剛度，預(yù)緊力一般為最大軸向載荷的 1/3。預(yù)緊方式采用墊片式。滾珠絲杠的承載能力取決于其抗疲勞能力，故應(yīng)首先按壽命條件和額定動載荷選擇和校驗其基本參數(shù)。同時檢驗其載荷是否超過額定靜載荷（低速） 。強度，剛度，穩(wěn)定性也需要進(jìn)行驗證。采用內(nèi)循環(huán)方式，墊片式消隙和預(yù)緊。預(yù)緊參數(shù)—雙圓弧，接觸角比值 ，滾道圓弧偏心距 。45???/0.52nWrD?(/2)sinsWerD???絲杠參數(shù)—公稱直徑 50mm，導(dǎo)程 ，右旋，精度等級三級　 10hom?鋼球直徑 　.93(/64)in圈數(shù) j k 列數(shù)= 　 ?0.52.0.52.9sWr???'217???滾珠螺旋傳動由于精度要求較高，比較復(fù)雜，所以一般均由專業(yè)廠生產(chǎn)。轉(zhuǎn)速很低時可僅按額定靜載荷確定或校核其尺寸。（3-hFHLanKC?1）—工作壽命 ，hL150hL?—壽命系數(shù) =KK/3().172—載荷系數(shù) ， =FF.2—動載荷硬度影響系數(shù)，HH.0?—短行程系數(shù)，LKLK1.—轉(zhuǎn)速系數(shù) n /3()4.8n?工作轉(zhuǎn)速（ ） ，加載時 ，則/mirn05/ms?n0.56.3/min1r??計算 （3-hFHLanKC?3.172.1.6448N?2）8510aC?N即絲杠壽命符合條件。3.2 絲桿強度和穩(wěn)定性的計算（ ） （3-3）1T/Nm0tan()/2TFd????—當(dāng)量摩角，取 ， —絲杠公稱直徑 。?T17'005dm?—絲杠螺旋角 ?'?計算 （ ） （3-4）1T/Nm0tan()/2TFd????采用預(yù)緊，因此預(yù)緊產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也要計算，預(yù)緊力為最大軸向力的 1/3，則（3-5）220/3()/(1)94/TNm??????當(dāng)量應(yīng)力（3-6）223()()0.FTd????—絲杠螺紋底徑 （3-7）2d20ser?5.842.96?3976m?計算 2234101()()3.976.?????根據(jù)強度條件 ，即絲杠滿足強度條件。.aMp????柔度計算（3-8）/rLi????—長度系數(shù)，??0.7?—絲杠最大工作長度 L?150m?2/43.96.94id??—臨界載荷0F計算 /rLi???0.715/.5.???9（3-9）20/rFEA???—彈性模量E—絲杠的危險截面面積 A22/4158.7dm計算 20/rF???398N穩(wěn)定的合格條件絲杠符合穩(wěn)定性條件。0/4/605.7?3.3 絲杠的剛度軸向載荷產(chǎn)生的軸向變形量:（3-jFLEA??10）—絲杠的計算長度，指F和T作用處到固定支撐端的距離，iL 80iLm?—絲杠材料彈性模量，E52.071E??—絲杠的計算截面面積， ，直徑 A93WDm05d（3-2220()/4(5.)/41Adm?????11）計算 51080.3.7F???（3-2jhTpLPGI?12）—絲杠的螺紋導(dǎo)程，hP10hPm?—絲杠材料的切變模量，G48.3G?—pI??440/2()695WdD???計算 = （3-jhTpLPI???4101.068.35m??13）10（有預(yù)緊 ）??3130.1ZaWPKFD????/0.52sWrD?—鋼球直徑，WD5.9Wm—工作臺螺母中的鋼球數(shù)，Z78Zjk?—載荷分布不均勻系數(shù)，取K1.2K—預(yù)緊力（N） ，取 由轉(zhuǎn)動變?yōu)橐苿?PFmax/340PFN（3-14）tn()T?????0.8??絲杠的驅(qū)動功率:（3-15） 31095TP???334614.595.8kW???滾珠絲杠累紋底徑 。滾珠絲杠軸頸直徑 由結(jié)構(gòu)確定，滾珠絲杠螺紋長2.7dm1L度由結(jié)構(gòu)確定，滾珠螺母螺紋底徑 ，2056.024nDderm????3.096nsr?滾珠絲杠設(shè)計中應(yīng)該注意的一些問題：為了保證定位精度，除考慮絲杠剛度外，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)布軒上盡可能使用權(quán)螺母和絲杠同樣受拉或受壓，以使兩者軸向變形方向一致減少螺母與絲杠之間的導(dǎo)程式變形量之差。此外，滾珠螺旋傳動應(yīng)盡量避免隨徑向載荷，以免使絲杠彎曲，若絲杠上有齒輪等產(chǎn)生徑向載荷的元件，則應(yīng)使其盡可能靠近絲杠的徑向軸承處。另外，要盡量減少絲杠，螺母所受的傾覆力矩，力求部件移動阻力的合力通過絲杠軸線。由于本試驗機采用雙絲杠，其阻力通過兩絲杠中心線，這要靠定位安裝及加工的尺寸精度。滾珠絲杠傳動反行程不能自鎖，為了使用權(quán)螺旋傳動受軸向中力后不發(fā)生逆轉(zhuǎn)，在此試驗機中采用了輪蝸桿 的傳動比，這種傳動比的蝸輪蝸桿可以起到自鎖作用。62:1本試驗機是采用垂直安裝的滾珠絲杠傳動，容易發(fā)生螺母從絲杠螺紋上脫出而造成事故，因此，在設(shè)計時采用限位擋塊以保證安全運行。為防止塵埃和污物進(jìn)入螺紋滾道，妨礙鋼球運轉(zhuǎn)的流暢性并且加速鋼球與滾道的磨損，設(shè)計中必須考慮防護(hù)設(shè)施與密封。此試驗機根據(jù)結(jié)構(gòu)特點采用防塵罩密封。由于轉(zhuǎn)速較慢，采用高壓的高粘度潤滑劑進(jìn)行脂潤滑。114 磨料磨損試驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)計算4.1 試驗機主要性能指標(biāo)的確定4.1.1 電機選擇 Pm＝ ＝ ＝0.251 kwmaxfFn2/60R??120.43/60???同步帶的傳動效率 ：η 1＝95%，滾動軸承的傳動效率 ：η 2＝98%，則總傳動效率：η 總 ＝η 1 η2＝0.931 電動機的輸出功率 P 出 ＝ (4-2)總?m故 ＝ ＝0.2696 kw，為使電動機的功率留有余量，負(fù)荷率?。?0.85。根據(jù)參出P95.0821?考資料可知，選擇的電機型號為：YVF280M1-4(摘自 JB/T 7118-2004)該電機的主要參數(shù)為： 額定功率 P=0.55Kw ；額定轉(zhuǎn)矩 3.5 N?m；同步轉(zhuǎn)速 1500 r/min ；電機軸：D=19mm。12圖 4-1 電機的主視圖圖 4-2 電機的右視圖4.1.2 同步帶傳動計算（1）計算功率：Pｄ＝ (4-3) Ak?Pｄ= =0.36Kw )98.0251.(4.??式中： 是同步帶傳動的工作情況系數(shù)，據(jù)機械設(shè)計手冊可取 1.40Ak（2）選擇帶型和節(jié)距：根據(jù)計算功率 Pd和 n1,選擇 L 型同步帶。齒形如圖所示（圖 4-4）周節(jié)制其節(jié)距Pb＝9.525 mm ；齒形角 2β°:40，齒根厚 s:4.65mm，齒高 ht:1.91mm，帶高②hs:3.6mm，齒根圓角半徑 rr:0.51mm，齒頂圓角半徑 ra:0.51mm13圖 4-4 齒形圖（3）小帶輪齒數(shù) Z1：根據(jù)國標(biāo)(JB/T 7512.2-1994),查取 Zmin=20， 根據(jù)設(shè)計方案 Z1＝25；min1?（4）小帶輪節(jié)圓直徑：何以由公式 （4-?bPd1?4）計算，也可查詢機械設(shè)計手冊。得小帶輪直徑為 mm8.751?d（5）大帶輪齒數(shù)：根據(jù)設(shè)計方案，同步帶只起傳動作用，不改變速度，故令兩帶輪的齒數(shù) Z1、Z2 等，取Z1＝Z2＝25；（6）大帶輪節(jié)圓直徑：由公式 mdPb8.7512??（7）帶速計算：（4-106?ndv?5）通常 L 型 ，則 符合要求。smv/9.10638.???? smv/5ax?maxv?（8）初定軸間距：（4-)(2)(7.02121dd???6）即 ，取 a= =151.2mm2.31.0?a21（9）計算帶長及齒數(shù)：帶長 ：0L14（4-??0212104)(2addaL????7），查機械設(shè)計手冊得 ，齒數(shù) ；mL9.53.12.50???? mLp6.9?64?Z（10）實際軸間距計算：實際軸間距計算分為兩種情況，軸間距可調(diào)整時（4-200Lap??8）軸間距不可調(diào)時（4-??2cos12?da?9）（4-1211tan2dLivp???10）根據(jù)設(shè)計要求，軸間距可調(diào)則 mLap 05.18629.536.0.1520 ??????（11）小帶輪嚙合齒數(shù)：（4-????????1211ZaPZentbm?11） 102??mZ（12）基本額定功率：（4-??1020vmTPa?12）基本額定功率是個帶型基準(zhǔn)寬度 的額定功率， (摘自 GB/T 11362-1989)0sb0sb——寬度為 的帶的需用工作拉力（N） ，查機械手冊aT0sb——寬度為 的帶單位長度的質(zhì)量（ ） ，查機械手冊mmkg/則 ????KWvPa 75.21091..95.46.2120 ?????（13）計算帶寬：15（4-14.0ozbsPKb?13）——嚙合齒數(shù)系數(shù)，查機械設(shè)計手冊zK應(yīng)按表 4.4 選取標(biāo)準(zhǔn)值，一般小于sb 1d則 mPozds 27.4.3604.25114.0 ???式中： mm .sb確定公稱帶寬 12.7mm，代號 050（14）作用在軸上的力：（4-vPFdr10?14）則 NvPFdr 327.091.601??（15）帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸：圖 4-5 直邊齒帶輪的尺寸和公差根據(jù)直邊齒帶輪的尺寸和公差(摘自 GB/T 11361-1989)如圖 4-5 查的槽型:L，齒槽底寬 bw:3.05±0.10，齒高 hg:2.67(0,-0.10)，槽半角 φ±1.5°:20，齒根圓角半徑rf:1.19，齒頂圓角半徑 ra:1.17(+0.13,0)，節(jié)頂距 2δ:0.762，外圓直徑 da:da＝d-2δ，外圓節(jié)距 pa＝π·da/z(z──帶輪齒數(shù))，根圓直徑 df＝da-2hg164.1.3 主軸計算（1）主軸輸出功率，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩計算：根據(jù)第一部分電機計算可以得出 ，KWPm256.0?則轉(zhuǎn)矩min/30rn? NnPTm.7903256.90950????（2）軸的最小直徑計算：計算公式為 （4-??3032.0nPAdT??15）主軸的材料選擇為 ，查設(shè)計手冊可得rC40126,50?T則 ，取 ，即主軸上直徑最小處： mmmd51.32.16???d6?6d?（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 擬定軸上的零件裝配方案，見圖 4-6圖 4-6 軸上零件的裝配方案17圖 4-7 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(1）為了滿足帶輪的尺寸要求 ，mL172??d241??(2）初步選擇滾動軸承。因軸承受有徑向力和軸向力的作用，故選取深溝球軸承和推力球軸承，初步選取 0 基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級的深溝球軸承 6206 和推力球軸承 51206，其尺寸分別為 、 ，故BDd63?? mBD75230??， 。md34??L543??(3）根據(jù)結(jié)構(gòu)要求擬定 ， ；m32?d283??， ；1054405， ；L6??6?， 。m327d27?按鈕局強度條件計算，公式如下（4-??TTdnPW?????32.09516）已知 ，??5min,/3,256.0??TmrnKP?則 ，根據(jù)設(shè)計軸的最小直徑為 ，3.9814dT?? md2076? ??TT ??????509.2.03814in184.2 各級傳動的設(shè)計4.2.1 第一級帶傳動計算同步帶傳動利用帶與帶輪上齒之間的嚙合進(jìn)行傳動。由于帶的抗拉強度高，受載后變形小，能保持齒的節(jié)距不變，所以傳動比較準(zhǔn)確，傳動平穩(wěn)，速度高，噪聲小，且無需潤滑清潔，維護(hù)簡單。適用速度范圍寬，傳動比可到 10，協(xié)率由幾十瓦到幾百千瓦，結(jié)構(gòu)緊湊，張緊力和壓軸力小。此設(shè)計選用弧齒同步帶，受載后的應(yīng)力分布狀態(tài)較好，提高了承載能力，防止帶齒與輪齒的干涉，降低振動與噪聲。設(shè)計功率：（4-17）1dAPK?工況系數(shù)， =AKA1.7一帶傳遞的功率，1P4.2W?計算 1dA?.?選帶型：根據(jù) 和 同圖選取 型帶，節(jié)距 。d1n3M3m小帶輪節(jié)圓直徑 1243.9bzpdm????大帶輪齒數(shù) 21.560i大帶輪直徑 237.bzpd????驗證帶速：帶速 11.9150.86/606nVms??max45/s??第一級帶帶速滿足條件初定中心距 ：01a取 120120.7()()dad???.2953.957.30190156.46.4mam?取 012am?帶長及齒數(shù)：(其中 )120112()cos()80dLad?????1210sin8.36da??????????37.56.935.48m?4pLbZ實際中心距 ，中心距可調(diào)，1()am0103845.1219.26pa m???????小帶輪嚙合齒數(shù)：??1121bmzzenta???????2436049.t????14.2.2 第三級帶傳動設(shè)計功率:（4-3dAPK?18）—工況系數(shù)， =AKAK1.7—帶傳遞的功率 3P3P5W?計算 3dAKP1.7539.06W??選帶型:根據(jù) 和 同圖選取 型帶，節(jié)距 。d3n8M8m小帶輪節(jié)圓直徑 3241.bzpm?20大帶輪齒數(shù) 423.548zi???大帶輪直徑 1.90bpdm?驗證帶速：帶速 3336.25.610/60101nVs?????max4/s?第三級帶帶速滿足條件。初定中心距 ：02取 34034.7()()dad???0.61.961.23.9003255mm取 a?帶長及齒數(shù)：(其中 )340334()2cos()180dLa??????1430sin2.5da??????????59.259.68.5m??pLmbZ實際中心距 ，中心距可調(diào)，3()am033018035216.pa m???????小帶輪嚙合齒數(shù)：??333432bmzzentza???????28216.5t????10計算帶寬系數(shù)：21（4-19）0()dWZLPKk?9.60.5321??各軸直徑的計算：一軸31104.5pdAmn??二軸3220.610.????三軸 （其中 為電動機軸直33305.8.910pdAmn?? 1d徑）4.3 絲桿軸承的選擇滾珠絲杠多采用滾動軸承支承，既承受徑向力又承受軸向力，且其力值較大，故采用圓錐滾子軸承。對于轉(zhuǎn)速極低的軸承，其失效形式是滾動體內(nèi)外圓滾道貌岸然接觸處出現(xiàn)不均勻塑性變形凹坑，使軸承在運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)振動和噪音而不能正常工作。此時應(yīng)該按軸承的靜載茶計算。軸承反安裝，其內(nèi)部軸向力:（4-??1/209.5/2.7158.2srFYN???19）（4-2/48./.34.9sr20）22判斷軸向力方向:??2 110347.9120.578.2s sAFNF?????計算 并與 比較:/arFe1/347.9/20.516arFe???2/./8.ar ?驗證額定靜載荷:??301oCNSP??—基本額定靜載荷，oC31280oC??—靜強度安全系數(shù)，取0S0.S—當(dāng)量靜載荷，0P04852.PN?計算 ??3 3128..496.10oCSN?????壽命計算:（4-60hcLnp???????21）—基本額定壽命（ ）0hLh—基本額定動載荷（N）c—當(dāng)量動載荷（N）p—壽命系數(shù)（滾子軸承 ）?10/3??—軸承轉(zhuǎn)速（ ）n/minr計算 >10/36 608..34.hL?????????hL軸承壽命符合條件。234.4 離合器的選擇在設(shè)計和選擇離合器時，應(yīng)該考慮影響離合器工作性能的各因素。包括原動機特性，負(fù)載特性，結(jié)構(gòu)因素，操作方式等，由于本實驗機對離合器的負(fù)載較小，以下將通過計算選擇合適的轉(zhuǎn)矩。離合器為剛性接合元件，大都具有相當(dāng)硬度和強度的金屬件，因此在接合瞬時，嚙合主，從動件之間產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊載荷 ，易損壞接合元件，并引起機械沖擊和噪聲。柔性接合，主要靠接合元件的相互壓緊，利用壓緊后產(chǎn)生的磨擦力傳遞轉(zhuǎn)