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小型摩擦磨损试验机的研制设计【28张图纸】【全套图纸】【优秀】

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小型摩擦磨损试验机的研制设计【28张图纸】【全套图纸】【优秀】.rar

小型摩擦磨损试验机的研制设计说明书.doc---(点击预览)

小型摩擦磨损试验机的研制设计开题报告.doc---(点击预览)

A3-9-弯曲承力臂.dwg---(点击预览)

A3-27-8--2张零件图.dwg---(点击预览)

A3-21-22--2张零件图.dwg---(点击预览)

A3-12-15--4张零件图.dwg---(点击预览)

A3-10-基座.dwg---(点击预览)

A2-23-26--4张零件图.dwg---(点击预览)

A2-17-20--4张零件图.dwg---(点击预览)

A1-爆炸图.DWG---(点击预览)

A1-机架.dwg---(点击预览)

A1-功能部件装配图.dwg---(点击预览)

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关键词：: 小型摩擦磨擦磨损试验实验研制设计图纸全套优秀

资源描述：

小型摩擦磨损试验机的研制设计

46页-23000字数+说明书+开题报告+任务书+28张CAD图纸

A0-实体装配图.DWG

A1-5-8--4张零件图.dwg

A1-功能部件装配图.dwg

A1-机架.dwg

A1-爆炸图.DWG

A2-17-20--4张零件图.dwg

A2-23-26--4张零件图.dwg

A3-10-基座.dwg

A3-12-15--4张零件图.dwg

A3-21-22--2张零件图.dwg

A3-27-8--2张零件图.dwg

A3-9-弯曲承力臂.dwg

下密封圈.dwg

任务书.doc

传动轴.dwg

圆柱试件.dwg

圆柱试件夹.dwg

圆柱试件盖板.dwg

大带轮.dwg

小型摩擦磨损试验机的研制设计开题报告.doc

小型摩擦磨损试验机的研制设计说明书.doc

小带轮.dwg

扭转弹簧.dwg

摩擦盘.dwg

支撑杆.dwg

方柱试件.dwg

方柱试件夹.dwg

方柱试件盖板.dwg

旋转体上盖.dwg

旋转体下托.dwg

杠杆滑块.dwg

秤杆支撑调节筒.dwg

秤杆连接体.dwg

调节螺纹.dwg

轴承固定筒.dwg

轴承端盖.dwg

连接杆.dwg

A0-实体装配图.gif

A1-5-8--4张零件图.gif

A1-爆炸图.gif

A1-功能部件装配图.gif

A1-机架.gif

A2-17-20--4张零件图.gif

A2-23-26--4张零件图.gif

A3-9-弯曲承力臂.gif

A3-12-15--4张零件图.gif

A3-21-22--2张零件图.gif

A3-27-8--2张零件图.gif

秤杆连接体.gif

秤杆支撑调节筒.gif

方柱试件盖板.gif

方柱试件夹.gif

杠杆滑块.gif

摩擦盘.gif

扭转弹簧.gif

调节螺纹.gif

小带轮.gif

旋转体上盖.gif

旋转体下托.gif

圆柱试件.gif

圆柱试件盖板.gif

圆柱试件夹.gif

支撑杆.gif

轴承端盖.gif

轴承固定筒.gif

摘要 ………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论 …………………………………………………………………………… 1

　　　1.1选题的目的及意义 ………………………………………………………………1

　　　1.2选题的国内外研究现状 …………………………………………………………2

　　　　　1.2.1 选题的国内研究现状 ……………………………………………………2

1.2.2 选题的国外发展趋势 ……………………………………………………3

　　　1.3选题研究的主要内容与研究方法 ………………………………………………5

　　　1.4选题研究的预期结果 ……………………………………………………………5

第2章摩擦磨损试验原理与方法 …………………………………………………6

2.1 材料摩擦磨损的评定方法 ………………………………………………………6

2.1.1 摩擦的概念及类型 ………………………………………………………6

2.1.2 摩损的类型及评定方法 …………………………………………………6

　　　2.2 摩擦磨损试验方法分类 …………………………………………………………8

　　　2.3 常用的几种磨损试验机 …………………………………………………………9

　　　2.4 教学用磨损试验机的功能需求…………………………………………………11

2.5 本章小结…………………………………………………………………………11

第3章磨损试验机测试方案比较与分析 ………………………………………12

3.1 简易环块式方案…………………………………………………………………12

3.1.1 结构特点及工作原理 ………………………………………………… 12

3.1.2 主要组件 ……………………………………………………………… 13

　　　　　3.1.3 设计启示 ……………………………………………………………… 15

　　　3.2 球盘式方案 …………………………………………………………………… 15

　　　　　3.2.1 试验机工作原理…………………………………………………………15

3.2.2 试验机传动方案…………………………………………………………16

　　　　　3.2.3 试验机机械部分特点……………………………………………………17

　　　　　3.2.4 试验机应用范围…………………………………………………………18

　　　　　3.2.5 设计启示 ……………………………………………………………… 18

　　　3.3 多用途型方案……………………………………………………………………18

　　　　　3.3.1 试验原理 ……………………………………………………………… 18

　　　　 3.3.2 试验机结构组成及其主要性能指标……………………………………19

　　　　　3.3.3 设计启示 ……………………………………………………………… 21

　　　3.4 CJS106型试验机……………………………………………………………… 21

　　　　　3.4.1 基本结构及工作原理……………………………………………………21

3.4.2 设计启示…………………………………………………………………23

3.5 本章小结…………………………………………………………………………24

第4章小型磨损试验机试验执行部件的结构设计……………………………25

　　　4.1试件装夹组件的设计…………………………………………………………… 25

4.2摩擦力测试组件的设计………………………………………………………… 27

4.3 试验力加载组件设计……………………………………………………………27

4.4 本章小结…………………………………………………………………………28

第5章小型磨损试验机整体结构设计……………………………………………29

　　　5.1主要参数设计…………………………………………………………………… 29

5.2整体结构设计…………………………………………………………………… 29

5.3 本章小结…………………………………………………………………………31

第6章试验机零部件的设计与校核………………………………………………32

　　　6.1电动机的选型…………………………………………………………………… 32

6.2轴系零件的设计校核…………………………………………………………… 33

6.2.1轴的设计与校核………………………………………………………… 33

6.2.2轴承的选用与校核……………………………………………………… 34

　　　　　6.2.3键的选用与校核………………………………………………………… 35

　　　6.3实体设计………………………………………………………………………… 36

6.4 本章小结…………………………………………………………………………37

结论 ………………………………………………………………………………………38

参考文献 …………………………………………………………………………………39

致谢 ………………………………………………………………………………………40

摘要

　　　摩擦学是一个实践性比较强的学科，试验是学好摩擦学的一个重要环节。磨损摩擦试验机是能够定量的演示摩擦磨损机理的试验设备。市面上销售的商业化的磨损摩擦试验机价格高昂，结构复杂，不适宜教学实验室使用。

　　　通过分析摩擦学原理，并参考其他磨损试验机的工作原理，设计了一个小型的摩擦磨损试验机。该机采用柱盘式结构，无液压件，加载组件紧凑，加载稳定，测力组件零件少，测量简单直接，减少了中间环节误差，加工制作简单，工作可靠，成本低廉。该机可以进行滚动和滑动两种摩擦试验，试验所用上试件可以是方的或圆的柱体，机械加工非常方便；试验所用下试件为圆盘，它对任何材料都可采用车削加工，加工成本低，便于不同材料的摩擦学性能测试，能够很好的满足实验室的教学试验要求。

关键词：试验机；摩擦；磨损；摩擦性能；试验装置

　　　摩擦学及其相关领域的基础研究既瞄准了当今的科学前沿，又面向国家重大装备和工程的需求，促进摩擦学和相关学科的发展，既能解决了我国国民经济、社会发展和国家安全中出现的许多重要的摩擦学科学技术问题，又能改善我国在世界能源战略中的格局。因此，应加强我国在摩擦学领域的研究。

　　　1、摩擦学是多学科交叉科学，融基础知识和应用技术于一体，是包括大家都熟悉的摩擦、磨损、润滑在内的一个宽广的科技领域。它在工程上的应用包括：建筑、装备和产品的摩擦学设计，全生命周期中摩擦消耗和磨损控制，以及润滑技术措施的实施与新型润滑材料的研发。

　　　2、摩擦学具有重要的经济价值。在建筑、装备和产品的设计中，重视和积极应用摩擦学前沿科技知识，积极进行摩擦学设计，对于提高建筑、装备和产品的性能、可靠性，降低运行费用，从而提高建筑、装备和产品在市场上的竞争力，有更为深远的意义。

　　　3、摩擦材料的研究和攻关是工程科技前沿的重点。包括润滑油和润滑脂，其与摩擦学有关的性能以及这些性能的正确使用，是提高摩擦学设计质量不可缺少的条件，也是提高设备运行质量、降低运行成本、减少环境污染和延长使用寿命的基本手段。在近数十年中，摩擦材料一直是材料科学、化学和表面工程领域的前沿课题，也是物理学、控制工程等中的热门话题。

　　　4、摩擦学已成为高科技领域。摩擦学影响范围广大，与摩擦学有关的花费往往发生在建筑、装备和产品全生命周期中。随着经济体制的变革，在激烈的市场竞争下，摩擦学已经成为一个充满高科技的研究领域，远离了过去书本或手册中那些陈旧的概念或者认为“润滑”只是加加油的传统概念。

　　　随着科学技术的进步，机械产品在不断向高速度、高精度、大批量和生产过程高度自动化、连续化的方向发展。机械设计时，如不考虑摩擦、磨损问题，就不可能设计出符合要求的机械产品。也就是说在设计阶段就应采取有效措施对摩擦、磨损加以控制和利用，已成为机械设计者的基本任务之一。因此，加强机械类相关专业摩擦学的学习与研究是学生毕业后能设计出符合世界发展潮流的绿色环保、节能降耗机械产品的重要条件。

　　　利用摩擦磨损试验机进行摩擦学相关试验是最简单便捷的测试材料摩擦性能的方法。与实际使用试验相比，试验机测试周期短，成本低，并且可单独控制一些参数进行单项测试，灵活性也很好，所以在摩擦学研究领域，摩擦磨损试验机被广泛应用于机械设计，材料科学等领域进行材料磨损摩擦性能试验，用以评定材料的耐磨性能，也可用于测定摩擦功及材料的摩擦系数等。另外，摩擦磨损试验机能很简单明了的演示摩擦磨损机理，对于摩擦磨损的教学有很好的促进作用，因此，摩擦磨损试验机也广泛应用于教学实验室，用于摩擦学的教学试验使用

内容简介：: SY-025-BY-2毕业设计（论文）任务书学生姓名高攀宏系部机电工程系专业、班级材料成型及控制工程B03-65班指导教师姓名毕凤阳职称讲师从事专业材料成型及控制工程是否外聘是否题目名称小型摩擦磨损试验机的研制一、设计（论文）目的、意义利用摩擦磨损试验机进行摩擦学相关试验是最简单便捷的测试材料摩擦性能的方法。并且，摩擦磨损试验机能很简单明了的演示摩擦磨损机理，对于摩擦磨损的教学有很好的促进作用，因此，摩擦磨损试验机也广泛应用于教学实验室，用于摩擦学的教学试验使用。由于市场上销售的摩擦磨损试验机体积庞大，结构复杂，自动化程度高，价格昂贵，不利于学校教学试验使用。为了满足学校实验室做摩擦学实验的一般需要，参考MM-200型摩擦磨损实验机的基本原理，设计一个结构简单、体积小巧、实用廉价的摩擦磨损实验机，不仅能够弥补学校教学实验设备的不足，还具有商业化推广价值。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）本课题研究的主要内容是实现大型的摩擦磨损试验机的小型化，并使其方便于教学实验室使用。具体参数要求：1) 实验材料：金属及非金属；2) 实验条件：滑动摩擦及滚动摩擦；3) 试样尺寸：直径3050mm，厚度10mm；4) 试样转速：50-980r/min5) 最大负荷为300N。主要研究方法是从磨损摩擦测试的基本原理出发，找出简单、易用、小巧的传动，调速，加载以及测力的方案，替代其他大型试验机的相应结构，从而使研制的试验机结构小巧，造价低廉，功能完善。三、设计（论文）完成后应提交的成果1、利用三维设计软件完成试验机三维实体模型的建立；2、完成试验机装配图、零件图（装配图2张A0图纸，零件图2张A0图纸当量）；3、完成设计说明书（1.5万字）。四、设计（论文）进度安排第1周：书写开题报告，分配任务书；第24周：查阅资料确定功能参数；第57周：样机三维实体设计；第811周：装配设计、零部件设计和工程图绘制；第1214周：编写设计说明书；第15周：完成设计，进行答辩准备。五、主要参考资料1 唐小行，冯秦淮等. 机械设计中的摩擦学问题J.机械工程师，2002，11；2 王三民，诸文俊.机械原理与设计M.机械工业出版社，2001；3 杨学军，赵昕玥. 高温销盘磨损试验机的研制J.太原理工大学学报，2005，4；4 李霞，许志庆等. 高速摩擦磨损试验机的总体设计J.中国仪器仪表，2003，10；5 张栋，刘永强. 简易摩擦试验机的改装J.现代机械，2003，5；6 宾胜武等. 刷镀技术M.北京：化学工业出版社，2003；7 梁风，张峰等. 球盘式摩擦磨损实验机的研制J.机械工程师，2005，8；8徐灏.机械设计手册3S.北京：机械工业出版社，1991；9徐灏.机械设计手册4S.北京：机械工业出版社，1991；10材料表面工程相关技术网站论坛；11CAD/CAE/CAM相关技术网站论坛；12其它相关技术期刊和书籍。六、备注提交光盘一张，内容包含:三维样机实体；装配动画和工作动画； CAD工程图、设计计算说明书电子文档。指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日SY-025-BY-3毕业设计（论文）开题报告学生姓名高攀宏系部机电工程系专业、班级材料成型及控制工程B03-65班指导教师姓名毕凤阳职称讲师从事专业材料成型及控制工程是否外聘是否题目名称小型摩擦磨损试验机的研制一、课题研究现状、选题目的和意义利用摩擦磨损试验机进行摩擦学相关试验是最简单便捷的测试材料摩擦性能的方法。并且，摩擦磨损试验机能很简单明了的演示摩擦磨损机理，对于摩擦磨损的教学有很好的促进作用，因此，摩擦磨损试验机也广泛应用于教学实验室，用于摩擦学的教学试验使用。由于市场上销售的摩擦磨损试验机体积庞大，结构复杂，自动化程度高，价格昂贵，不利于学校教学试验使用。国内外在该领域的研究重点在试验机的自动化，智能化方面，很多公司或学校使用的小型试验机多由自己研制开发，目前还没有商品化的小型摩擦磨损试验机销售。为了满足学校实验室做摩擦学实验的一般需要，参考MM-200型摩擦磨损实验机的基本原理，设计一个结构简单、体积小巧、实用廉价的摩擦磨损实验机，不仅能够弥补学校教学实验设备的不足，还具有商业化推广价值。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题本课题研究的主要内容是实现大型的摩擦磨损试验机的小型化，并使其方便于教学实验室使用。三、技术路线（研究方法）主要研究方法是从磨损摩擦测试的基本原理出发，找出简单、易用、小巧的传动，调速，加载以及测力的方案，替代大型试验机的相应结构，从而使研制的试验机结构小巧，造价低廉，功能完善。四、进度安排第1周：书写开题报告，分配任务书；第24周：查阅资料确定功能参数；第57周：样机三维实体设计；第811周：装配设计、零部件设计和工程图绘制；第1214周：编写设计说明书；第15周：完成设计，进行答辩准备。五、参考文献1 唐小行，冯秦淮等. 机械设计中的摩擦学问题J.机械工程师，2002，11；2 王三民，诸文俊.机械原理与设计M.机械工业出版社，2001；3 张栋，刘永强. 简易摩擦试验机的改装J.现代机械，2003，5；4 宾胜武等. 刷镀技术M.北京：化学工业出版社，2003；5 梁风，张峰等. 球盘式摩擦磨损实验机的研制J.机械工程师，2005，8；6 徐灏.机械设计手册3S.北京：机械工业出版社，1991；7 Ling Xiaomei， Jia Xian. Influence of composition on friction-wear behavior of composite materials reinforced by brass fibers J. Rare Metals，2003，4；8 A.A.Voevodin J. S. Zabinski C.Muratore. Recent Advances in Hard，Tough，and Low Friction Nanocomposite CoatingsJ.Tsinghua Science and Technology，2005，6 .六、备注指导教师意见：签字：年月日本科学生毕业设计小型摩擦磨损试验机的研制系部名称：机电工程系专业班级：材料成型及控制工程B03-65班学生姓名：高攀宏指导教师：毕凤阳职称：讲师黑龙江工程学院二七年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDevelopment of Small Friction-wear TesterCandidate：Gao PanhongSpecialty：Material Processing and Control EngineeringClass：B03-65Supervisor：Lecturer Bi FengyangHeilongjiang Institute of Technology2007-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘要摩擦学是一个实践性比较强的学科，试验是学好摩擦学的一个重要环节。磨损摩擦试验机是能够定量的演示摩擦磨损机理的试验设备。市面上销售的商业化的磨损摩擦试验机价格高昂，结构复杂，不适宜教学实验室使用。通过分析摩擦学原理，并参考其他磨损试验机的工作原理，设计了一个小型的摩擦磨损试验机。该机采用柱盘式结构，无液压件，加载组件紧凑，加载稳定，测力组件零件少，测量简单直接，减少了中间环节误差，加工制作简单，工作可靠，成本低廉。该机可以进行滚动和滑动两种摩擦试验，试验所用上试件可以是方的或圆的柱体，机械加工非常方便；试验所用下试件为圆盘，它对任何材料都可采用车削加工，加工成本低，便于不同材料的摩擦学性能测试，能够很好的满足实验室的教学试验要求。关键词：试验机；摩擦；磨损；摩擦性能；试验装置ABSTRACTTribology is a subject that need many practice and experiment. Experiment is an important element in learning tribology. Friction-wear tester is an equipment that can quantitatively demonstrate the mechanism of friction and wear. Because the friction-wear tester that on sale has a high price and complex structures， it is not appropriate to use in laboratory.I designed a small friction-wear tester by analyzing principles of tribology and other friction-wear tester. The structure of the friction-wear tester is column-disc. There is no hydraulic package on it and its loading modules are compact and stable. So it is easy to be produced and has low cost. The friction-wear tester can be used in both rolling and sliding friction testing. The specimen is square or round cylinder which is easy to be machined. It can meet the requirements of laboratory well. Key words：Testing Machine；Friction；Wear；Tribological Property；Testing DeviceI黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要 Abstract 第1章绪论 11.1选题的目的及意义 11.2选题的国内外研究现状 21.2.1 选题的国内研究现状 2 1.2.2 选题的国外发展趋势 31.3选题研究的主要内容与研究方法 51.4选题研究的预期结果 5第2章摩擦磨损试验原理与方法 6 2.1 材料摩擦磨损的评定方法 6 2.1.1 摩擦的概念及类型 6 2.1.2 摩损的类型及评定方法 62.2 摩擦磨损试验方法分类 82.3 常用的几种磨损试验机 92.4 教学用磨损试验机的功能需求11 2.5 本章小结11第3章磨损试验机测试方案比较与分析 12 3.1 简易环块式方案12 3.1.1 结构特点及工作原理 12 3.1.2 主要组件 133.1.3 设计启示 153.2 球盘式方案 153.2.1 试验机工作原理15 3.2.2 试验机传动方案163.2.3 试验机机械部分特点173.2.4 试验机应用范围183.2.5 设计启示 183.3 多用途型方案183.3.1 试验原理 18 3.3.2 试验机结构组成及其主要性能指标193.3.3 设计启示 213.4 CJS106型试验机 213.4.1 基本结构及工作原理21 3.4.2 设计启示23 3.5 本章小结24第4章小型磨损试验机试验执行部件的结构设计254.1试件装夹组件的设计 25 4.2摩擦力测试组件的设计 27 4.3 试验力加载组件设计27 4.4 本章小结28第5章小型磨损试验机整体结构设计295.1主要参数设计 29 5.2整体结构设计 29 5.3 本章小结31第6章试验机零部件的设计与校核326.1电动机的选型 32 6.2轴系零件的设计校核 33 6.2.1轴的设计与校核 33 6.2.2轴承的选用与校核 346.2.3键的选用与校核 356.3实体设计 36 6.4 本章小结37结论 38参考文献 39致谢 40黑龙江工程学院本科生毕业设计第1章绪论1.1 选题的目的及意义运动产生摩擦。由摩擦引起的磨损、润滑、材料与能源消耗等一系列摩擦学问题普遍存在并对社会、经济的发展产生了巨大影响。由于摩擦学科学所涉及的问题，与节约能源、节约材料、减少磨损、提高资源利用率和保护环境等密切相关，成为我国走新型化工业道路和发展循环经济必须面对的科学问题，已受到科技界的高度重视。一般认为，人类一次能源大约1/3是消耗于摩擦损失，约有70%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的。中国机械工程学会摩擦学分会上世纪末的全国调查显示：我国每年制造汽车消耗的钢材与制造汽车配件消耗的相比大致相等。根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值的2% 7%。我国的GDP只占世界的4%，却消耗了世界30%以上的钢材。同发达国家比较，我国目前平均生产水平还较低。2003年国民经济的生产总值为11694亿元，如果摩擦、磨损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的5%计算，就损失584.7亿元。摩擦学及其相关领域的基础研究既瞄准了当今的科学前沿，又面向国家重大装备和工程的需求，促进摩擦学和相关学科的发展，既能解决了我国国民经济、社会发展和国家安全中出现的许多重要的摩擦学科学技术问题，又能改善我国在世界能源战略中的格局。因此，应加强我国在摩擦学领域的研究。1、摩擦学是多学科交叉科学，融基础知识和应用技术于一体，是包括大家都熟悉的摩擦、磨损、润滑在内的一个宽广的科技领域。它在工程上的应用包括：建筑、装备和产品的摩擦学设计，全生命周期中摩擦消耗和磨损控制，以及润滑技术措施的实施与新型润滑材料的研发。2、摩擦学具有重要的经济价值。在建筑、装备和产品的设计中，重视和积极应用摩擦学前沿科技知识，积极进行摩擦学设计，对于提高建筑、装备和产品的性能、可靠性，降低运行费用，从而提高建筑、装备和产品在市场上的竞争力，有更为深远的意义。3、摩擦材料的研究和攻关是工程科技前沿的重点。包括润滑油和润滑脂，其与摩擦学有关的性能以及这些性能的正确使用，是提高摩擦学设计质量不可缺少的条件，也是提高设备运行质量、降低运行成本、减少环境污染和延长使用寿命的基本手段。在近数十年中，摩擦材料一直是材料科学、化学和表面工程领域的前沿课题，也是物理学、控制工程等中的热门话题。4、摩擦学已成为高科技领域。摩擦学影响范围广大，与摩擦学有关的花费往往发生在建筑、装备和产品全生命周期中。随着经济体制的变革，在激烈的市场竞争下，摩擦学已经成为一个充满高科技的研究领域，远离了过去书本或手册中那些陈旧的概念或者认为“润滑”只是加加油的传统概念。随着科学技术的进步，机械产品在不断向高速度、高精度、大批量和生产过程高度自动化、连续化的方向发展。机械设计时，如不考虑摩擦、磨损问题，就不可能设计出符合要求的机械产品。也就是说在设计阶段就应采取有效措施对摩擦、磨损加以控制和利用，已成为机械设计者的基本任务之一。因此，加强机械类相关专业摩擦学的学习与研究是学生毕业后能设计出符合世界发展潮流的绿色环保、节能降耗机械产品的重要条件。利用摩擦磨损试验机进行摩擦学相关试验是最简单便捷的测试材料摩擦性能的方法。与实际使用试验相比，试验机测试周期短，成本低，并且可单独控制一些参数进行单项测试，灵活性也很好，所以在摩擦学研究领域，摩擦磨损试验机被广泛应用于机械设计，材料科学等领域进行材料磨损摩擦性能试验，用以评定材料的耐磨性能，也可用于测定摩擦功及材料的摩擦系数等。另外，摩擦磨损试验机能很简单明了的演示摩擦磨损机理，对于摩擦磨损的教学有很好的促进作用，因此，摩擦磨损试验机也广泛应用于教学实验室，用于摩擦学的教学试验使用。1.2磨损试验机的发展现状1.2.1磨损试验机国内的研究现状我国的摩擦试验机的研制比摩擦学的研究要晚一些，直到1965年济南试验机厂才制造出中国的第一台摩擦试验机MQ-12型四球摩擦试验机。在摩擦试验机的制造方面，济南试金集团(济南试验机厂)做了一些工作，该厂在全国率先仿制了美国Timken、瑞典SKF、德国Optimol和美国Falex的摩擦试验机，这些摩擦试验机对我国摩擦学研究发挥了重要的作用。国内目前还有几个小厂也生产摩擦试验机，但其生产规模比较小，摩擦试验机品种也相对较少，这些厂家的产品除了少数是和科研单位合作开发的，其余产品基本是仿制品。具体如下：1、商品化的摩擦试验机主要用于试验室试件试验，国内的模拟性台架摩擦试验机仅仅限于几类特殊的产品(如汽车离合器)，其余的还鲜有商品出售，这类试验机多由使用厂家自制，自制产品的性能一般较差。2、我国的摩擦试验机基本上是测绘国外6070年代的产品，相当部分的产品没有自主知识产权，现在这些产品结构严重老化，存在着自动化程度低(以手动控制为主)、多数不能自动保存数据、采集数据的速度慢等缺点。3、国内商品化的摩擦试验机都是回转式的，还没有往复式摩擦试验机的商品出售。4、目前国内的摩擦试验机存在着调速范围小，荷载小，精度低等缺点。特别是有效载荷一般都小于5KN。上述问题严重影响了厂家对材料性能的准确测定及摩擦学科技工作者对摩擦学的研究。5、处理数据的方法落后，多数用肉眼读取数据，用示波器显示数据变化的波形，以手工的方法处理数据，这种方法不仅工作量非常大，而且数据处理容易出错，结果的精度也很低。6、摩擦试验试验机外观粗糙。因而研制宽调速、重载、高精度、自动化程度高的往复式摩擦试验机及其自动数据处理系统已经迫在眉睫。1.2.2磨损试验机国外的发展趋势国外的摩擦试验机经过几十年的发展，其产品在性能上有大幅的提高，在种类上有很大的扩充，呈现如下发展趋势1、摩擦试验机对摩擦副的工况尽可能的模拟。摩擦试验机不仅仅局限于对金属材料试验，出现了针对不同材料、不同极限工作条件的新型摩擦试验机。国外的厂商针对航空航天、冶金工业、核工业、高速铁路、汽车、摩托车和信息技术的许多极为苛刻条件(如高承载、高腐蚀、高低温、高速度、超高真空、强辐射等)，研制出多种摩擦试验机，如毛皮摩擦试验机、机场跑道摩擦试验机、塑料摩擦试验机、冰面摩擦试验机、纸张摩擦试验机、汽车离合器摩擦试验机、关节肌腱摩擦试验机等。产品更加专业化，试验机种类更加细化。日本的专家三桥健八曾把用于橡胶的摩擦试验机做过总结，常用的橡胶摩擦试验机共有七大类，四十六种之多。用于模拟性台架试验的摩擦试验机有很大的发展。模拟性台架试验机几乎能模拟实际摩擦副的所有工况，如温度、湿度、润滑条件、转速/频率、荷载、表面膜、粗糙度等，其测量精度有很大的提高。正是对现场工况进行了尽可能的模拟，因而，模拟性台架试验机的大小差距很大，小的只有几公斤重可以便携，而大的有数百吨重。2、摩擦表面的温度测量技术。摩擦表面温度是影响和制约摩擦性能的最重要参数之一，摩擦表面温度场的分布与接触物体表面形态、摩擦副材料的热物理性能、结构尺寸、工况条件以及散热条件等因素有关，且具有微观、瞬时、动态的特点，测量非常困难，因而摩擦表面的温度测量将是一个重要的方向。3、摩擦试验机和计算机结合更加紧密，其操作更加简单，设计更加人性化。现在的几乎所有摩擦试验机至少配备一台计算机(便携式配备单片机)，试验机采样、数据处理、打印、试验机的控制、采样数据波形显示均由计算机完成，计算机已经取代示波器进行虚拟显示。试验机的使用也非常简单，有的试验机只要用鼠标点击计算机的操作界面即可。4、成像摄影技术在摩擦试验机上的应用。随着成像摄影技术的日益成熟，成像摄影技术已开始应用于摩擦试验机，用其测量各种试件的磨斑，并可通过计算机实现试件的磨斑自动显示、测量、打印。5、目前几乎所有摩擦试验机都能够适时测量出材料的瞬时摩擦系数，但绝大多数摩擦试验机还不能对薄层的磨损进行适时测量(微小磨损量测量)。据报道：仅有日本用激光发射超声高速脉冲来测量薄层的摩擦磨损特性取得了成功，因此摩擦试验机对材料磨损量的适时检测也是一个发展方向。6、纳米技术的发展对摩擦试验机的影响。自从1984年德国人Gleiter研制出纳米微粒进行压制烧结得到纳米固体材料以来，纳米材料已在许多领域引起了广泛的重视和研究，成为材料学研究的热点，纳米摩擦学是材料科学与摩擦学交叉领域最前沿的内容。纳米摩擦学主要包括从纳米尺度上研究纳米材料的摩擦、磨损和润滑现象的本质和研究纳米材料的摩擦学特性及其与材料结构特性的关系等，与纳米技术相关检测产品的开发将带来摩擦磨损测试技术的革命。7、生物摩擦学(Bio-triology)对摩擦试验机的影响。生物摩擦学于上世纪80年代提出，生物摩擦学研究摩擦学、生物力学、生物化学、流变学和材料科学等的交叉学科，在医学和摩擦学工作者共同努力下得到迅速发展。由于摩擦可以引起人体许多生理变化江南大学硕士学位论文和疾病。目前生物摩擦学的研究目标是研制摩擦磨损低、病理反应小的人工器官，主要集中在人工关节和心脏瓣膜的研究，现在人工关节已经大量地应用于关节晚期、外伤致残，或骨瘤切除病人的关节置换。根据调查推算，我国可能有100150万骨关节病人需要做人工关节手术。这些活动的人造器官因为要长期存在于人体内，因而模拟人体内环境的摩擦试验必不可少。澳大利亚的科技工作者研制出了模拟关节运动的试验机对人造关节进行试验，而美国的科技工作者更是把活体白兔置于新型摩擦试验机上，测试白兔的关节摩擦技术参数，进而研究关节炎和风湿病的病理。可以预见用于生物摩擦学的摩擦试验机将是摩擦试验机发展的一个重要的方向。8、生态摩擦学(Eco-tribology)，人类为了可持续发展面临着资源和环境两个重大问题。为此，最近提出生态摩擦学研究可望成为今后的重要研究方向之一。据估计，全世界约有13l2的能源以各种形式消耗在摩擦上，而摩擦导致的机械磨损所损耗的材料在我国每年高达几百亿元，因此减摩耐磨技术的开发和普及具有重要的经济和社会效益，最大限度地降低摩擦是人们长期追求的目标。润滑油，特别是添加剂含有多种有害的金属元素。据统计，全世界每年润滑油消耗量为300万吨，其中约有30因各种原因被排放到环境中而造成污染。绿色环保摩擦材料将是今后研究的热点，与绿色环保摩擦材料研究相关检测产品的开发将带来摩擦磨损测试技术的革命。1.3选题的研究内容与研究方法本课题研究的主要内容是实现大型的摩擦磨损试验机的小型化，并使其有利于教学实验室使用。主要研究方法是从磨损摩擦测试的基本原理出发，找出简单、易用、小巧的传动，调速，加载和测力的结构方案，替代其他大型试验机的相应结构，从而使研制的试验机结构小巧，造价低廉，功能完善。1.4研制小型摩擦磨损试验机的预期结果为了满足学校实验室做摩擦学实验的一般需要，参考MM-200型摩擦磨损实验机的基本原理，设计一个结构简单、体积小巧、实用廉价的摩擦磨损实验机，不仅能够弥补学校教学实验设备的不足，还具有商业化推广价值。设计的小型摩擦磨损实验机的机械部分首先应满足摩擦学实验和实验教学的基本要求，其次易于不同配副材料的更换和不同参数的调节。在此基础之上还要求实验机运转平稳、机械震动小，以减小由于机械原因产生的误差。为了满足以上要求，设计的小型摩擦磨损试验机不采用液压加载组件件，使用其他较紧凑，加载稳定的加载组件；测力组件尽量少，测量简单直接，减少中间环节误差；另外还要求加工制作简单，工作可靠，成本低廉。实验所使用的试件加工成本低，便于不同材料的摩擦学性能测试。同时为了提高试验教学效果，设计的试验机在实验过程中，许多测试参数需要学生自己动手调整，对培养学生实际动手能力、巩固所学专业知识、锻炼学生分析问题和解决问题的能力起到了非常明显的作用，同时为教师的科研工作提供了便利条件，对教学质量的提高起到了推动作用。第2章摩擦磨损试验原理与方法在不同摩擦环境下，不同摩擦类型有着不同的摩擦学表现，但表象背后所呈现的磨损摩擦基本机理是相同的。通过不同的方法测试出的摩擦性能数据对应着不同的应用场合，为了使测试数据与真实使用数据比较接近，通常在试验时尽可能的模拟真实使用环境。2.1材料摩擦磨损性能的评定方法2.1.1 摩擦的概念及类型1、摩擦概念两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。这种阻碍相对运动的阻力称为摩擦力。摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。摩擦力(F)与施加在摩擦面上的法向压力(P)之比称为摩擦系数，以表示，即 =F/P。虽然该式对于极硬材料(如金刚石)和极软材料(如某些塑料)存在着一定的不确切性，但它仍适用于一般工程材料。2、摩擦类型按照接触面运动方式分：（1）滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。如内燃机活塞在汽缸中的摩擦、车刀与被加工零件之间的摩擦等；（2）滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。如滚动轴承的摩擦、齿轮之间的摩擦等。实际上，发生滚动摩擦的零件或多或少地都带有滑动摩擦，呈现出滚动与滑动的复合式摩擦。评定摩擦主要是测试材料的摩擦系数，测试方法是在摩擦面上施加不同的法向压力(P)，然后测出对应的摩擦力(F)，根据=F/P，计算出平均数，作为材料的摩擦系数。2.1.2摩损的类型及评定方法1、磨损和摩擦是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象摩擦是磨损的原因，而磨损是摩擦的必然结果。磨损是多种因素相互影响的复杂过程，而磨损的结果将给摩擦面带来多种型式的损伤和破坏，因而磨损的类型也就相应地有所不同。2、分类按环境和介质可分为：流体磨损；湿磨损；干磨损。按表面接触性质可分为：金属流体磨损；金属-金属磨损；金属磨料磨损。比较常用的分类方法是基于磨损的失效机制进行分类，一般分为五类：粘着磨损；磨料磨损；腐蚀磨损；微动磨损；表面疲劳磨损(接触疲劳)。3、磨损性质（1）在摩擦过程中，零件表面将发生一系列物理、化学和力学状态的变化。1) 因材料塑性变形而引起表层硬化和应力状态的变化；2) 因摩擦热和其它外部热源作用下而发生的相变、淬火、回火以及回复再结晶等；3) 因与外部介质相互作用而产生的吸附作用。这些过程将逐渐地改变材料的耐磨损性能和类型。因此，在讨论磨损类型时，必须考虑这些变化的影响，从材料的动态特性观点去分析问题。（2）实际上，上述磨损机制很少单独出现，它们可能同时起作用或交替发生作用。根据磨损条件的变化，可能会出现不同的组合形式。（3）磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。所谓外部条件主要指摩擦类型(滚动或是滑动)、摩擦表面的相对滑动速度和接触压力的大小。4、材料耐磨性的定义及评定方法材料耐磨性是指某种材料在一定的摩擦学条件下抵抗磨损的能力，通常以磨损率的倒数来表示，即（2.1）式中材料耐磨性； W磨损率（单位时间或单位运动距离的磨损量）。表示磨损量的常用方法有以下几种。（1）线磨损：指磨损表面法线方向的的尺寸变化值（mm或m）。（2）质量磨损：指磨损表面的质量损失（g或mg）。（3）体积磨损：指磨损表面的体积损失（mm3 或m3）。（4）磨损率：包括单位时间的磨损量（mg/s）、单位摩擦行程的磨损量（mg/m）及单位转数的磨损量（mg/r）。（5）比磨率：表示磨损量与负荷及摩擦行程乘积之比（mm3/10Nmm）。（6）相对耐磨性：试验试样与标准试样在同一情况条件下的耐磨性之比，即（2.2）式中相对耐磨性；、试验试样和标准试样耐磨性； W标W试试验试样和标准试样磨损率。在上述这些磨损量的评定方法中，线磨损、体积磨损和质量磨损都是表面的损失，没有考虑到零件或试样的尺寸、形状以及所载负荷、速度、磨程的影响。因此是一个绝对值的磨损量表示方法。而磨损率则考虑了负荷和磨程的影响，可供在同样滑动速度的条件下比较。用相对耐磨性来评定材料的耐磨性时，则采用了一种与原来使用材料性能相同的标准材料在相同磨损条件下进行对比试验的方法，这种评定方法在相当程度上，可以避免在磨损过程中参量变化及测量误差造成的系统误差，可以比较方便而准确的评定镀层的磨损性能。因此这一方法比较常用。2.2摩擦磨损试验方法分类在进行摩擦学领域的相关研究时，需要对材料或涂层的耐磨性或润滑剂的润滑效果进行评定，根据试验条件和目的的不同，常把磨损试验分为实际使用试验和实验室试验两类，两种方法各有利弊。1、实际使用试验实际工况条件下的磨损试验，其真实性和可信性最强，是检验试验方案中最有效的方法。但是，这种方法有许多缺点，有时甚至使试验不可以实现。其缺点如下：（1）试验周期长。（2）使用条件不固定，有许多偶然因素，使得数据的重现性与可比性差，分散度比较大。（3）影响因数比较复杂，很难确定单个因素对磨损过程及结果的影响，并且磨损结果测量往往比较困难，精度不高。（4）花费大量的人力物力。因此，很少用实际使用试验的方法来检验材料的耐磨性及润滑油的性能等相关参数。2、实验室试验实验室试验分为台架试验和试样试验。（1）台架试验用真实的零组件，甚至整台设备进行试验。这种试验比较接近实际条件，许多因素可人为控制，排除偶然因素的影响。但其不适于研究摩擦磨损机理，且试验周期长，费用高。（2）试样试验这种试验方法是把材料做成简单的试样，放在常用的试验机上进行试验。它是进行材料耐磨性试验的最广泛应用的方法。其主要优点是便于研究磨损的过程和规律，可减少和控制偶然因素，适用于研究各种因素对摩擦和磨损的影响。试验周期短，费用较低。试样试验又分为一般性的试样试验和模拟性的试样试验两种。1）一般性的试样试验，不强调模拟某一零件实际的工作情况，试样形状简单，主要用于研究摩擦磨损机理、一般规律以及材料的耐磨性等。因这种试验被理想化了，其结果常与实际有相当的差别。2）模拟性的试样试验，主要是模拟某种零件的实际工作情况，因而针对性强。进行模拟性试验一般有两种方法：一种是试验机上摩擦副的磨损类型要与实际使用条件下的一样，即按磨损类型模拟；另一种是试验机上摩擦副的主要摩擦条件（如温度、周围环境、压力和速度等）应与实际零件相同或接近，即按摩擦条件模拟。这两种模拟是有内在联系的，不是绝对对立的。根据摩擦磨损试验以及实验教学的要求，教学用磨损摩擦试验机主要用于测试在不同速度、较小载荷下各种材料的摩擦性能以及演示摩擦磨损机理、一般规律。属于实验室一般性的试样试验，对试验机的要求不是很高。2.3 常用的几种磨损试验机1、磨损试验机分类磨损试验机种类很多，图2.1和图2.2是其中有代表性的几种。2、常用的几种磨损试验机（1）MM-200型摩擦磨损试验机国产的MM-200型摩擦磨损试验机是仿瑞士的Amster产品。该机主要由传动机构、负载机构和摩擦力矩测量机构组成。可做金属及非金属材料在滑动摩擦、滚动摩擦、和滚动-滑动复合摩擦和间歇接触摩擦等各种状态下的摩擦磨损性能试验。并可以改变润滑状况，使试样在液体摩擦、边界摩擦、干摩擦及磨粒磨损条件下进行试验，评定材料的耐磨性能，也可用于测定摩擦功及材料的摩擦系数。该机最大负荷为2000N。试样转速为上试样180r/min或360r/min，下试样200r/min或400r/min。试样直径30 50mm，厚度10mm。摩擦力矩测量范围0 150kgfcm。a）盘销式 b）销筒式 c）往复运动式 d）MM型 e）砂纸磨损试验 f）快速磨损试验图2.1 常用的几种磨损试验机原理图夹紧块压敏电阻承力臂上试件摩擦盘砝码：1N、2N、5N或10N图2.2 环环磨损试验机原理图（2）ML-10型固定磨料磨损试验机 ML-10圆盘型干式固定磨损试验机用于测定金属耐磨性，该试验机负荷为2100N。圆盘转速为60r/min、120r/min。试样径向进给量为1mm/r、2 mm/r、3 mm/r、4 mm/r（可根据试样的大小选择）。（3）MD-240型定速摩擦试验机MD-240型试验机主要用于研究在不同温度条件下，摩擦材料的摩擦系数和磨损率，研究摩擦材料的耐热衰退性能及主要因素（温度、压力、速度）对摩擦性能的影响。该机用静液压加载，负荷可在240 24000N范围内变化（相应比压为0.2 2MPa）。主轴转速为480 r/min、650 r/min、959 r/min。试样中心线速度为7.5m/s、10.25 m/s、14.1 m/s。最高温度350。上试样尺寸3cm2cm，压在摩擦圆盘上。摩擦圆盘由主轴带动旋转。同类型的还有MM-1000型摩擦试验机，试样为两圆环，其两端面相接触摩擦。（4）环块式摩擦磨损试验机国产有MK-1型，国外有TIMKEN型。MK-1型试验机，上试样尺寸12cm12cm15cm，下试样尺寸 30 50cm，2 10cm，转速300 800 r/min。用读数显微镜测量磨痕宽度，计算磨损的体积。试验中可以测出摩擦力的数值，以此计算摩擦力的数值。2.4 教学用磨损试验机的功能需求以上几种市场上常见的磨损摩擦试验机具有自动化程度高，试验步骤规范、测量数据可靠等优点，但对试验条件要求高，标准设备昂贵，一般学校实验室承担不起如此高昂的费用。这就要求我们动手制作一台能够满足摩擦学试验和试验教学的基本要求，易于不同配副材料的更换和不同参数调节的磨损摩擦试验机。在此基础之上还要求试验机运转平稳、机械震动小，以减小由于机械原因产生的误差。另外，为了锻炼同学们的动手能力，应该降低试验机的自动化程度，让同学们更多的参与到试验数据的测定与计算中来，巩固所学专业知识、锻炼学生分析问题和解决问题的能力。2.5 本章小结本章介绍了摩擦学的发展现状、磨损、摩擦的基本概念以及材料摩擦磨损性能的评定方法，并通过比较各种方法之间利弊，得出实验室试样试验是进行材料摩擦、磨损、性能评定的最简便易行的方法，尤其对于以演示摩擦磨损机理和规律为主的大学摩擦学试验课程，实验室试样试验是最合适的办法。第3章磨损试验机测试方案比较与分析摩擦磨损试验机根据试验所测试的参数不同，试验机的结构和测试原理也不一样。比较几种常见的摩擦磨损试验机测试方案的优缺点，并结合实验室对试验机功能的要求，设计一种适合教学实验使用的试验机是本章研究的重点。3.1 简易环块式方案2该机是由广东韶关学院物理系王斌、蔡兴旺两位老师于2003年设计制造的，其结构简单、工作可靠、制作费用低廉，比较适合做试件在润滑条件下的磨损摩擦试验。3.1.1 结构特点及工作原理（1）结构特点试验机主要由动力系统、油箱、磨损测试组件及摩擦测试组件组成。其中，摩擦组件又由加载组件及测力组件构成，其结构原理如图3.1 所示。I磨损测试组件 II摩擦测试组件1拧紧螺母 2.压缩弹簧 3固定块 4摩擦环块 5滚动轴承 6放油螺钉 7磨块 8加力杠杆 9砝码 10拉伸弹簧 11指示力臂 12刻度板 13温度计图3.1 环块式摩擦磨损试验机结构示意图（2）工作原理磨损测量。电动机带动摩擦环块旋转，砝码可在加力杠杆上连续移动，调节作用在摩擦环块与磨块之间的正压力。摩擦环块的硬度比磨块的硬度高，通过测量磨块的磨损质量就可测定某种油品、某种荷载下的磨损量摩擦测试。加在摩擦环块与磨块间的正压力由拧紧螺母压缩弹簧实现，圆钢杆穿过固定块与磨块一起可绕摩擦环块转动，圆钢杆与指示力臂均固接在轴承上，可绕环块轴转动，指示力臂连接拉力弹簧。工作前，拧紧加载弹簧，从弹簧的压缩量计算出环块与磨块间的正压力。运转后，磨块与环块间的摩擦力使整个加载组件转动。同时，指示力臂拉动拉伸弹簧伸长，直到摩擦力与拉力弹簧的拉力平衡。由指示力臂转过的角度就可换算出拉力弹簧的伸长量，从而计算出摩擦力的大小。相应地由公式F=fN 及T=FR，还可计算出摩擦系数及摩擦力矩T。3.1.2 主要组件1、动力及油箱电动机选用广东韶关电机厂生产的交流电动机，额定功率及转速为600W 和1360r/min，电动机通过联轴器转动摩擦环块，环块轴由两滚动轴承在油箱外支承，轴穿过油箱处可用橡胶圈进行密封。为监测油温，安装有温度计；油箱底部有放油螺钉，油箱尺寸为400300200mm，油箱顶部部分覆盖，防止油液飞溅，同时固定拉伸弹簧、刻度板及作为加力杠杆的支点。2、磨损组件磨损组件包括摩擦环块、磨块、固定块、加力杠杆及砝码。为加工方便，磨块使用30 的圆钢，可双面使用。固定块与加力杠杆焊接，杠杆力臂交角为90，长度比为1：4 。长臂端车有螺纹，砝码为圆盘形，可沿力臂移动连续调节压力（计算时，须考虑力臂的自重）。零件的材料及主要参数如下：（1）摩擦环块。45 号钢，调质及渗碳处理，硬度64HRC，环面粗糙度0.32m，直径100mm，厚4mm。（2）磨块。普通45 号钢，硬度HRC36，端面粗糙度0.32m，直径30mm，厚20mm。（3）固定块。普通45 号钢，尺寸为404040mm，加力杠杆为M14。（4）砝码。普通45 号钢，质量为4kg/个，表面防锈处理。3 、摩擦测试组件（1）加载组件设计如图3.2 所示。圆钢杆7(6mm)由通孔穿过固定块9，顶部焊一钢板(厚6mm），另一端固接在滚动轴承2上。钢板上攻有丝孔，螺杆6可拧进拧出。螺母8拧进，压缩弹簧5将磨块压4紧在环块1上。测量出弹簧的压缩长度，就可由虎克定律NkX，求出加载力N。式中： k为弹性系数，应由标定试验求出；X 为弹簧压缩长度。（2）测力组件测力组件由指示力臂、拉伸弹簧及刻度板组成。指示力臂固接在轴承上，在摩擦力的作用下，指示力臂转动，克服拉伸弹簧弹力直至平衡。1. 摩擦环块 2滚动轴承 3环块转轴 4磨块 5压缩弹簧 6螺杆 7圆钢杆 8拧紧螺母 9固定块图3.2 加载组件结构示意图根据图3.2 可以计算出弹簧的伸长量L。 (3.1)又由摩擦力与弹簧拉力的平衡方程r =TRcos(/2)求得摩擦力为 (3.2)当较小时(如20)，为提高数据精度，应用式(3.2)计算摩擦力。K2 为拉力弹簧的弹性系数，应由标定试验得出。本机设计中，r=5mm，R=8mm。3.1.3 设计启示本试验机采用常见的零部件及材料制作，无液压件，加载组件紧凑，加载稳定，测力组件零件少，测量简单直接，减少了中间环节误差，加工制作简单，工作可靠，成本低廉。设计还具有一定的灵活性，如通过更换不同的摩擦幅、不同弹性系数的弹簧等，可以进行更宽荷载范围及更多种摩擦形式的摩擦磨损试验。因此，本试验机的设计具有一定的实用性和启发性。3.2 球盘式方案15由哈尔滨工业大学机械基础试验中心的梁风，张锋，宋宝玉结合学生试验特点，采用球盘式结构设计的摩擦磨损试验机具有体积小、机械传动结构简单、试件装夹方便的特点。试验所用上试件可利用滚动轴承的标准球体，这种球体价格低，可以直接在市场购买；试验所用下试件为圆盘，它对任何材料都可采用车削加工，加工成本低，便于不同材料的摩擦学性能测试，这是球盘式摩擦磨损试验机的最大特点。实践证明该试验机为摩擦学试验提供了一个功能强，性价比高的试验设备。满足教学用摩擦磨损试验机用于测试在不同速度、较小载荷条件下各种材料和润滑剂的摩擦性能，然后进行摩擦磨损机理研究的要求。3.2.1 试验机工作原理 1、机械部分试验机机械部分工作原理如图3.4所示。1.带传动 2.电动机及齿轮减速器 3.转杯 4.下试件 5.上试件 6.夹头 7.砝码 8.杠杆 9.压力传感器图3.4 试验机机械部分工作原理图电动机2通过减速器减速后，经带传动驱动转杯3回转，下试件4安装在转杯中，并随转杯一起回转，上试件5装在夹头6中。载荷由砝码1 的重力产生，杠杆2 在摩擦力作用下摆动，杠杆的另一端压在压力传感器上，压在压力传感器上的力可由试验机配套的数据采集测量系统获得。工作时，可在下试件表面上滴润滑油（边界润滑），也可不加润滑油（干摩擦）。试验机主要技术指标：下试件转速：18 300r/min；最大载荷：P=10N；摩擦半径：10 30mm。 2、试件形状及尺寸试件结构及尺寸如图3.5 所示。上试件为球体，可直接选用不同材料的标准轴承球。下试件为圆盘，可选用不同材料经车削加工而成。图3.5 上下试件结构及尺寸 3、摩擦系数测试原理如图3.4所示，试验机作用在试件上的载荷P由砝码重力W产生，P与W 的关系为P=W (3.4)作用在上试件5上的摩擦力与作用在传感器 9 上的力Q 的关系为 (3.5) 本试验机则 Q= (3.6)摩擦系数 (3.7)所以，只要预先确定加载砝码的重力，再由试验机配备的试验数据采集测试系统采集传感器受力的大小，即可计算出摩擦系数。3.2.2 试验机传动方案如图3.4 所示，本试验机采用调压调速电机作为原动机，电机通过齿轮减速器和带传动带动转杯和下试件回转进行摩擦试验。电机转速范围：90 1500r/min，齿轮减速器减速比为1/5，两带轮大小相等。通过减速后转杯和下试件转速范围为：18 300r/min。摩擦半径为10 30mm，摩擦线速度的范围是：0.02 0.94m/s，达到了摩擦试验线速度的要求。采用带传动，传动较平稳，能缓冲震动，并起到过载保护作用。3.2.3 试验机机械部分特点（1）为了方便更换摩擦试件，设计有专门的杠杆支架。换试件时先把杠杆固定在支架上，然后分别更换上下试件。（2）为防止试验过程中发生异常情况，杠杆对传感器产生很大冲击，使传感器精度下降，设计了杠杆限位装置，限制杠杆只能在一个小范围内摆动。如图3.6 所示。限位装置杠杆图3.6 杠杆的限位装置传感器支架图3.7 传感器位置调节（3）设计传感器具有2个自由度，如图3.7所示。可以杠杆轴为中心旋转传感器支架来调节传感器位置，使传感器测头在工作状态时垂直接触杠杆，停止工作时离开杠杆。还可以沿传感器支架调节传感器位置，使传感器的测头与杠杆接触点到杠杆轴心的水平距离和上下试件的摩擦点到杠杆轴心的水平距离相等。（4）设计上下试件在转杯中进行摩擦试验。这种设计的优点在于防止下试件转动时将磨屑和润滑剂甩到试验机上。（5）在杠杆上设计有调节杠杆平衡的质量块。试验时调节质量块在杠杆上的位置使杠杆平衡，然后再加砝码，这样可保证调节平稳。（6）杠杆上设计有专用刻度，用于调节摩擦半径的大小，以及杠杆平衡块和传感器的定位。（7）摩擦半径可调，提高下试件圆盘的利用率，节约试验成本。（8）在调节摩擦半径的滑块上，设计有用于静态标定时固定标定线的圆环，通过定滑轮，用砝码加力可进行静态标定。（9）本试验机为小型摩擦磨损试验机。设计的机座质量较大，以减小试验时震动对试验数据的影响。（10）该试验机可用于试验教学，又可用于教师科研试验使用。3.2.4 试验机应用范围利用该试验机和与其配套的测试系统，可进行不同材料、不同速度、不同载荷、不同硬度、不同表面质量、不同润滑条件下的摩擦学试验的研究。3.2.5 设计启示球盘式摩擦磨损试验机的研制成功，弥补了本专业试验教学设备不足。试验机2004年已通过学校鉴定，鉴定结果认为该试验机设计思想先进、原理简明正确、调试和操作简单方便、结构新颖、测试试验数据准确、在国内同类试验设备中处于领先地位、具有很好的推广价值。该试验机经过两学期试验教学和教师科研使用，对培养学生实际动手能力、巩固所学专业知识、锻炼学生分析问题和解决问题的能力起到了非常明显的作用，同时为教师的科研工作提供了便利条件，对教学质量的提高起到了推动作用。3.3 多用途型方案16本方案是由南京航空航天大学机电工程学院范炯，戴振东，姜澄宇合作设计的，通过模块化设计，该试验机可以进行干摩擦或润滑状态下，常温或高温环境下的销盘试验，环块试验以及接触疲劳试验。可以对同一盘试样进行摩擦、磨损和接触疲劳性能的试验，避免了试样不同的误差，试验结果更准确，重复性更好。3.3.1 试验原理评价材料摩擦性能的指标通常包括摩擦系数和耐磨性，对于表面涂层材料还应包括接触疲劳寿命。测定摩擦系数必须与试验条件相对应，同时统一使用库仑定律 (3.8)在外界施加一定载荷P 的前提下，测出摩擦力，从而求得摩擦系数。在试验中如两试样为线接触，则该位置的接触应力最大值用赫兹公式求得式中： Fn为法向应力；1，2分别为接触点处的曲率半径； b 为接触线长度； E1， E2 分别为两试样的弹性模量；1 ，2分别为两试样的泊松比。以磨损速率(dW /dt) 和磨损率(dW/ds) 两项指标作为测定耐磨性的基本指标，结合实际情况，将其扩展为在一定的条件下，经过一定时间的摩擦试验后，根据磨痕体积、磨痕宽度或面积来衡量耐磨性。测定接触疲劳寿命是利用滚轮在试样表面滚动，滚轮每滚动一圈，试样承受一次交变载荷。预先确定转速，根据涂层开始产生疲劳破坏时的累计旋转圈数(即载荷交变次数) ，或分析试样承受一定次数交变载荷后的表面状况，确定其接触疲劳寿命。3.3.2 试验机结构、组成及其主要性能指标该试验机为立式结构，由主体、试样装夹附件和数据采集及处理系统组成，如图3.8 所示。图3.8多用途摩擦试验机总体结构示意图调速电机通过一组皮带轮带动主轴旋转，主轴上的夹头可以根据需要更换。加载杆通过万向联轴节固定在基座上，外载荷通过加载杆放大后施加到试样上。加载杆上装有测量摩擦力的传感器，传感器输出的信号传送给数据采集系统进行处理和分析。加载杆上的固定座可以改装其它附件，以满足不同的试验要求。基座台面上可以放置润滑附件或加热附件。试样一般为圆盘状，易于加工并获得必要的精度。该试验机可以进行滑动摩擦试验和滚动摩擦试验，通过选装不同的附件来实现。滑动摩擦试验有销盘试验和环块试验，分别见图3.8，图3.9所示。上下试样之间的接触可以是点、线或面接触。这种安排用于评价摩擦副之间间歇工作的情况。如啮合齿轮的运动，齿轮每转一周，每个齿的齿面承受一次摩擦。图3.9为环块试验的示意图。上下试样可以是线接触，也可以是面接触。这种安排用于评价摩擦副中一个一直处于工作状态，而另一个处于间隙性工作状态的情况。如活塞环和缸体摩擦性能的评价，活塞环为上试样，缸体为下试样，所用试验材料直接取材于试验对象。图3.9环块试验装置示意图滚动试验有无油状态下和润滑状态下的疲劳试验。图3.10，图3.11 为疲劳试验的示意图，它们的基本结构一致。加载杆的固定座上安装一轴承架，其上安装一个小轴承，轴承与试样的测试面线接触。试样随主轴旋转，带动轴承在试样表面滚动。这种安排用于评价间歇线接触的工作状态，如模拟齿轮的啮合状态，这时试样的接触面性能与齿轮表面性能一致。如果轴承换成球或者球形圆周面的盘，则可模拟圆球在平面上的滚动。该试验要求附件和试样有较高的精度，同时准确安装，否则陪试轴承的寿命较短。图3.10无油状态下疲劳试验装置示意该试验机还可以进行高温摩擦试验，如图3.12所示。其中增加了一个电加热附件，它适用于干摩擦状态下前面所述的各种摩擦试验。如可以进行高温下的环块试验，模拟气缸中活塞环和缸体的实际工作状况。另外，该试验机还能用同一试样进行不同的摩擦试验，如用做过销盘试验的试样直接进行接触疲劳试验，这样可以排除不同试样的性能差异对试验数据的干扰，有利于研究涂层的摩擦性能与疲劳性能间的相关性。图3.11润滑状态下疲劳试验装置示意图图3.12高温摩擦试验装置示意图这种多功能试验机的主要性能为：无级调速主轴转速范围： 38 4 000 r/m in；试样所受载荷范围： 21 700 N。3.3.3 设计启示由上面介绍可知，所研制的由主体、试样装夹附件和计算机数据采集及处理系统组成的摩擦试验机，在结构设计构思上具有许多特点。(1) 只需更换主轴夹头和加载杆上的附件就可以进行不同的摩擦试验，还能通过设计新的附件来实现新的功能，体现了该试验机的多用性和功能的可拓展性； (2) 在该试验机上进行各种摩擦试验时可以采用同一试样，有利于研究试样各种摩擦性能间的相关性； (3) 由于这种试验机采用计算机数据采集系统，使数据处理变得方便，快捷，试验结果准确，重复性好。由此可以认为，该多功能摩擦试验机将具有广泛的应用前景。3.4 CJS106型试验机3.4.1 基本结构及工作原理该机为了适应不同状态下的试验，也是采用的拼装组合式模块化结构，图3.13是该试验机的结构简图。由图3.13可以看出，交流变频器1将变频后的电流供给主电机2上，通过谐波减速器3（仅低速时用）、腔外传动装置4、磁力耦合器5穿过真空罩壁传至腔内装置6上，再经过圆锥齿轮副传至腔内传动装置6上，再经过圆锥齿轮副传至主机7的主轴上。试件8由于被紧固在主轴上，所以被带带动。而球形试件9则被夹固在立轴11上。立轴通过直线轴承10，其上端可加试验载荷。而摩擦副间产生的摩擦力迫使横臂12绕小立轴13转动，但此转动由固定的弹性变形元件14所阻止，其上帖有电阻应变片，因此可感知阻力大小，其数值经应变仪16及微机17处理后由打印机18打印输出。1.交流变频器 2.主电机 3.谐波减速器 4.腔外传动装置 5.磁力耦合器 6.腔内传动装置 7.主机 8.试件 9.球形试件 10.直线轴承 11.承载轴承 12.横臂 13.小立轴 14.变形原件 15.真空泵 16.应变仪 17.微机 18.打印机 19床身 20.真空泵 21.真空泵电机图3.13 CJS106型真空多功能摩擦磨损试验机传动示意图带动试件8的主轴转速可在2 1440r/min内任意设置，由交流变频器或交流变频器与谐波减速器组合调速。试验可加最大载荷：“环块”线接触(如图3.14)时100N；1. 主机主轴 2.柱形试件 3.平面试件图3.14 “环块”线接触试验示意图“球环”点接触（如图3.15）时50N；1.主机主轴 2.试件 3.球试件图3.15 “球环”点接触试验示意图“环环”面接触（如图3.16）时100N。1. 主机主轴 2.环形试件 3.平试件图3.16 “环环”面接触试验示意图当需要做线接触摩擦磨损试验时，只要把“球环”点接触摩擦磨损装置（图3.14双点滑线所圈部分）拆下来，换上“环块”线接触摩擦磨损试验装置（如图3.17）即可。当进行“环环”的面接触摩擦磨损试验时，拆下“线”接触摩擦磨损试验装置，换上“面”接触摩擦磨损试验装置即可。当进行常态试验时，可不用真空罩及真空泵，其他部件正常使用。并且应该注意，在使用前需对各应变片进行标定。3.4.2 设计启示 CJS106型真空多功能摩擦磨损试验机是一个商业化的大型多功能的智能试验机，通过专用软件就可以把相关的测试结果打印出来，而且该机采用模块化设计，做不同的试验采用不同的模块组件，能够有效的降低试验机的拥有成本，试验机的性价比很高。另外，该机做点接触，线接触以及面接触采用的部件结构对我的设计也是一个很好的启发。在研制小型试验机时要将其可用的优点都用在自己的设计上。1.柱形试件 2.12.垫圈 3.轴 4.平面试件 5.法兰盘 6.直线轴承 7.T型套 8.弹性元件 9.内套 10.轴承 11.压板 13.短外套 14.端盖 15.螺帽 16.支架 17.短铰臂 18.接头 19.弹片支座 20.防脱环 21.法兰盘 22.直线轴承座 23.挡块 24.传力杆 25.滑轮组件 B1.六角螺帽 B2.B5.B7.六角螺钉 B3.B6.垫圈 B4.平头螺钉 B8.顶丝 B9.B11.圆头螺钉B10.顶丝 B12.尼龙绳图3.17 “环块”线接触摩擦磨损试验装置结构示意图3.5 本章小结本章比较了收集到的几种小型摩擦磨损试验机的结构及工作原理。通过对比发现了各种设计的优缺点，并为自己的设计选型提供了很好的参考依据。第4章小型磨损试验机功能部件的结构设计功能部件的设计是小型摩擦磨损试验机设计的关键部分，只有将功能部件设计的巧妙合理了，才能整体提升试验机的性能。4.1 试件装夹组件的设计在比较了几种小型摩擦磨损试验机并参考了几个大型摩擦磨损试验机的相关原理与结构之后，发现模块化的试验机是性价比较高的，而且可以进行多种摩擦磨损试验，能够比较好的满足学校实验室的教学需要，但像CJS106型真空多功能摩擦磨损试验机的各功能模块较大，对教学实验室来说，并不是非常合理的做法，但采用这种较大功能模块的设计具有精度高的优点。因此，我在设计小型试验机时，也采用模块化设计，但可更换的模块仅限于夹头部分，目前设计常用的用于滚动摩擦试验的圆柱夹头（如图4.1）和用于滑动摩擦试验的方柱夹头（如图4.2），其余部分在做不同试验时不用变动。圆柱试件盖板圆柱试件圆柱试件夹图4.1 圆柱试件装夹模块示意图方柱试件方柱试件夹方柱试件盖板图4.2 方柱试件装夹模块示意图夹头靠紧固螺钉和连接杆与试验机测力部件相连，更换时只需放松紧固螺钉，取下夹头即可，这样较少的更换模块实现较多的功能，而且对机型的测试精度影响很小，是比较可取的设计方案。试件尺寸按照常用试验机的上试件尺寸取方柱试件10mm5mm5mm，圆柱试件直径5mm，长度10mm，两头加工锥底直径2mm，高度1.5mm的锥孔，如图4.3所示。图4.3 圆柱试件示意图4.2 摩擦力测试组件的设计经过观察研究其他试验机测力原理，发现简单的试验机测力组件都是靠弹簧来测力的，价格便宜，设计应用简单是其最大的优点。虽然更多的精密试验机测力是靠压敏电阻来测力的，但考虑到我研制的试验机主要用于学校试验教学，演示磨损摩擦机理，较少的用于科学研究，所以还是选用价格便宜的扭转弹簧作为测力元件。在测力组件结构上，参考了其他一些试验机的测力原理，但有所改进。主要改进的地方是测力组件的中心与摩擦盘同心。图4.4所示的球盘式试验机的测力的方式是一般试验机普遍采用的方式，当试件5受到摩擦力的推动以后，会带动8绕9旋转，如果5受到的摩擦力较小，6旋转幅度很小，不会与转杯发生碰撞，试验能够正常进行；但如果试件5受到的摩擦力较大的话，6则可能与转杯发生碰撞，严重时甚至造成机器损坏。1.带传动 2.电动机及齿轮减速器 3.转杯 4.下试件 5.上试件 6.夹头 7.砝码 8.杠杆 9.压力传感器图4.4 球盘式试验机原理图为了克服这一问题，让试验机测力组件的旋转中心与摩擦盘的旋转中心重合（如图4.5），这样上试件的旋转范围扩大了很多，而且不论怎么旋转，上下试件的接触面积都不会改变，这样不仅有效的提高了摩擦磨损试验机的精度，而且扩大了测力范围。4.3 试验力加载组件设计由图4.4可以看出，上试件的加载载荷是由砝码7提供的，根据G=mg，可知，当要提供10N的压力时，需要加载一个1kg的砝码，当要提供100N的载荷时需要放一个10kg的砝码，因此给试验造成很大的麻烦。当然，也有不少的试验机采用液压组件进行加压，但因液压组件结构复杂，造价高，也不适合学校实验室使用。一般的小型摩擦磨损试验机的试验力范围在30N之内，不能满足大多数磨损试验的需要，因为材料的磨损率W是用单位时间或单位运动距离的磨损量来表示的，如果材料受到的摩擦力较小，短时间内受到的磨损就很少，难以测定，不容易来说明材料的磨损机理与规律。能加载较小的试验力的试验机只能比较清楚而简单的测试材料的摩擦系数与演示摩擦原理，不利于研究材料的磨损机理。图4.5 小型摩擦磨损试验机功能部件示意图大型的摩擦磨损试验机广泛采用液压系统作为加载组件，该系统具有加载力大，加载效率高，加载较大试验力时比较简单易操作的优点，但液压系统比较复杂，尤其实现边加载力边旋转测力时，结构更复杂，不容易设计制造，并且成本很高，所以不便于使用。为了弥补以上两种加载力组件的不足，同时最好的满足实验室对教学试验机的使用要求，我在设计加载组件时，联想到普通的杆秤只需一个小秤砣就能测出上百千克重物的质量，因此将杠杆原理引入到磨损摩擦试验机中，作为加载组件。这样既能比砝码加载方式提供更大的加载载荷，又没有液压组件的结构复杂，因此，这是一个非常可取的设计方案。为了更好的实现摩擦磨损两种功能的测试，加载力初步定位300N，介于砝码加载方案和液压加载方案之间。4.4 本章小结本章通过分析了几种其他磨损摩擦试验机的测试原理，与结构方式，找到其不足的地方与不适合自己设计要求的部分，然后想办法改进，将其应用到自己的设计之中，创造性的完成了小型磨损试验机功能部件的优化设计。第5章小型磨损试验机传动部件设计进行完小型试验机主功能部件的设计，就是配套传动部件与整机的设计了，在该部分设计中，需要考虑产品易用性与实用性。5.1 主要参数设计衡量一个磨损摩擦试验机的性能的主要有最大试验力，试验力准确度，摩擦力矩最大值，主轴转速范围四个参数。一般小型摩擦磨损试验机的试验力靠砝码加载，最大试验力30N，较大型的摩擦磨损试验机采用液压组件加载试验力，试验力范围一般1 3kN，我们教学试验主要用于演示摩擦磨损试验原理，不用加载那么大的试验力，但较小的试验力又不利于测试材料的磨损性能，根据老师给定的测试范围并考虑试验机结构的简洁，所以将加载的最大试验力定为300N。对于试验力的准确度初步按1%之内设计，具体准确度在设计制造完工之后进行测试标定，如果准确度超过3%，则要查找相关原因，进行改进。摩擦力矩的最大值经计算为3Nm，计算过程如下：根据参考文献1，一般金属材料间的动摩擦因素在0.3之内，只有粉末冶金材料的动摩擦因素在0.35 0.55之间，但我们不常用，因此取材料间的最大动摩擦因素0.4，则在加载最大试验力300N时，摩擦力 F= P=300N0.4=120N （5.1）最大转矩 T=FS=120N25mm=3 Nm （5.2）为了设计制造方便，以及具有广泛的主轴调速范围，主轴调速不便采用变速器，最好采用变频调速电机。现在的变频调速电机不仅价格越来越便宜，而且调速精度也比较高，如果单件小批量生产，采用自主设计的变速器的价格甚至比采用高精度变频调速电机的造价高很多，所以采用变频调速电机进行调速。YVP系列变频调速电机的恒转矩调频范围为5 50 Hz，恒功率调频范围50 100 Hz，而该电机在50 Hz时的转速为1480r/min，因此其速度变化范围为148 2960 r/min，经一传动比为3的带轮传动装置减速后，其速度变化范围为50 980 r/min在设计要求的范围之内。5.2 整体结构设计为了便于样机的制造，试验机机架采用直角铁焊接而成，外面用0.5mm钢板覆盖，为了便于应用小型试验机进行试验，试验机的高度设计为80cm左右，宽度30cm左右，长度60cm左右，试验机大小基本和单人学生课桌相当，非常便于试验操作人员操作试验机。试验机机架的基本结构如图5.1。该处布置试验机执行部件该处布置传动部件该处布置变频调速电机图5.1 试验机基本部件布置示意图试验机带轮传动装置采用带轮一级减速，然后通过轴带动摩擦盘运转。轴的安装方式是立式的，并且承载300N左右的轴向力，因此采用角接触球轴承，两端固定方式如图5.2所示。图5.2 轴承固定方式示意图5.3 本章小结本章首先确定了试验机的基本参数，并根据基本参数初选了电动机。然后根据各部件尺寸以及布置方式，确定了试验机的基本框架以及传动轴的布置，为下一步的具体部件的设计计算与相关的实体设计提供了理论依据。第6章试验机零部件的设计与校核在确定了试验机的基本参数后，本张主要进行相关零部件的设计校核，以保证试验机设计完成后能够完成应有的功能。6.1 电动机的选型首先计算小型摩擦磨损试验机传递的最大功率，由第5.1节可知，试验机传递的最大摩擦力F=120N转盘所需的功率P=Fv=120N50mm980r/min=307.72W （6.1）电机所需的功率为P1=P/0.95=307.72W0.95=323.92W （6.2）查参考文献1，选取标准功率为0.55kW的YVP801型电动机，其基本外形尺寸与安装尺寸如图6.1。机座号极数安装尺寸外形尺寸AA/2BCDEFGHKABACADHDL802、4125

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