【正文】 試驗機的測試原理是基于傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)理論，測試方法采用不連續(xù)測定法，如試驗前后稱量試樣的重量，測定體積變化等等，即使采用了一定的測試設(shè)備，如模擬技術(shù)的記錄儀等，但測量儀器多采用基于系統(tǒng)抗干擾性能較差，摩擦磨損測試往往不能體現(xiàn)摩擦學(xué)的系統(tǒng)性和時變性，其測量結(jié)果也無法反映極短周期內(nèi)發(fā)生的變化（例如動靜摩擦系數(shù)過渡變化、擦傷、咬死等） 。電氣調(diào)速方面多采用基于大功率晶體管、晶匣管和大功率整流技術(shù)甚至直流發(fā)電機直流電動機技術(shù)的直流調(diào)速系統(tǒng)。邏輯控制部分，最初采用按鈕和開關(guān)進行手動控制，后來出現(xiàn)了繼電器、接觸器及其控制系統(tǒng)，用于控制試驗機的啟動、停止和有級變速，由于這種控制裝置結(jié)構(gòu)簡單、直觀易懂、維護方便、價格低廉，所以在摩擦磨損試驗機控制上得以廣泛應(yīng)用，但控制系統(tǒng)難以改變控制程序，由機械觸點實現(xiàn)開、關(guān)控制，觸點容易出現(xiàn)松動和電磨損，可靠性較低。隨著摩擦學(xué)研究的不斷深入，對摩擦磨損試驗機的要求也越來越高。人們根據(jù)摩擦磨損的特點制造了具有通用意義的摩擦磨損試驗機，用來研究不同狀態(tài)下摩擦磨損過程中的速度、溫度、摩擦力、摩擦系數(shù)、磨損量等參數(shù)的變化，根據(jù)參數(shù)的變化判斷實驗材料、潤滑劑等性能。隨著計算機的普及，出現(xiàn)了利用計算機輔助摩擦磨損試驗機的試驗機，這種試驗機多采用“傳感器＋信號調(diào)理＋數(shù)據(jù)采集卡＋軟件”這樣一種基于模數(shù)采集卡的基本形式。來著傳感器的微弱信號經(jīng)過后面配接的信號調(diào)理電路的放大和預(yù)慮后輸出標(biāo)準的模擬電壓或電流信號，經(jīng)過輸導(dǎo)線送入計算機中的數(shù)據(jù)采集卡采樣、A/D 轉(zhuǎn)換后，存儲于計算機中進行運算分析與處理，以適當(dāng)?shù)男问捷敵觥@示或記錄測量結(jié)果。但由于試驗機的拖動設(shè)備電動機和交流變頻調(diào)速設(shè)備一般為交流強電設(shè)備，易產(chǎn)生強大的內(nèi)部干擾，同時工業(yè)環(huán)境、供電系統(tǒng)也會帶來各種外部干擾，雖可采用各種軟硬件抗干擾措施在一定程度上抑制這些干擾，但這些干擾扔會使以模擬形式傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生不穩(wěn)定的非正常波動，甚至?xí)疠^大的跳躍，影響摩擦學(xué)測量結(jié)果的準確性和可靠性，同時這種形式的試驗系統(tǒng)，信號經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，會帶來一定的轉(zhuǎn)換誤差。但由5于模擬信號傳輸速度快，采用這種形式的摩擦磨損試驗機在速度要求極高的場合，往往是必須的選擇。電氣調(diào)速方面由于脈寬調(diào)制技術(shù)和矢量控制技術(shù)的發(fā)展及其在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，以交流異步電動機為對象和以交流變頻調(diào)速器為控制器的交流調(diào)速系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。邏輯控制方面出現(xiàn)了以微處理器為核心的可編程控制器。自動控制理論與計算機技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)生了計算機控制技術(shù)，計算機在工業(yè)領(lǐng)域正成為不可缺少和不可替代的強有力的控制工具。由于計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用，許多傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和方法被替代，信息利用率大大提高，從繁重的試驗工作中解放出來，可以實現(xiàn)人工最少參與的情況下，按預(yù)先編制好的測試程序，完成摩擦磨損測試、分析處理、顯示或輸出結(jié)果。系統(tǒng)一旦正常工作，各種操作一般都可以系統(tǒng)自動完成，可以完成長時間定時或不間斷測試。 小結(jié)本設(shè)計主要是對往復(fù)式摩擦磨損實驗臺進行機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計及二維圖的繪畫。所設(shè)計的實驗機滿足下面的性能要求:試樣的尺寸：Φ 504。選用小功率、可連續(xù)工作及速度可調(diào)的電機?？蓪崿F(xiàn)對試樣的摩擦系數(shù)進行測試，摩擦磨損時間可控。6第 2 章 摩擦磨損試驗機的影響因素進行摩擦磨損實驗的目的是模擬實際的摩擦系統(tǒng)，在實驗室再現(xiàn)摩擦磨損現(xiàn)象及規(guī)律，以便通過選定參數(shù)的測量所示的工作運轉(zhuǎn)變量，潤滑變量和氣氛變量等對特定摩擦磨損元素的影響。因此摩擦磨損試驗機的設(shè)計就是要依據(jù)這種目的和既定的具體任務(wù)要求。 試驗條件的影響(1) 運動形式的影響運動形式與試驗機的摩擦副結(jié)構(gòu)有關(guān)，二者都是由所要模擬的摩擦副決定的，試驗機的摩擦副結(jié)構(gòu)和運動形式均可通過添加附件面而加以改變。例如，美國 FAEX 公司的多功能試樣測試機在添加附件以后，就可以形成一個平面、四球、液體侵蝕、針一盤和滾動四球等多種摩擦副形式。試驗機上摩擦副的最基本運動形式一般有以下 4 種，即滑動、滾動、自旋和沖擊。在試驗機上，對運動形式都有明確的規(guī)定，但對運動的位置精度卻要求不高，因此這方面可以忽略。（2） 負荷的影響 負荷是摩擦磨損試驗機的一個重要參數(shù)，其在試驗過程中一般應(yīng)保持穩(wěn)定。試驗機對負荷的要求精度很高，在國內(nèi)試驗機負荷示值的相對誤差為 11%要求滿足負荷精度要求，就必須考慮在試驗機上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力。目前摩擦磨損試驗機比較常用的加載方式有機械式、液壓式、和電磁式三種。其中機械式加載又可以分為杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載或以上三種加載形式的組合，杠桿加載和重物加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，載荷穩(wěn)定，不存在負荷保持的問題，加載精度高，但當(dāng)摩擦副運動不穩(wěn)定時卻會引起振動和沖擊；彈簧加載產(chǎn)生的振動較小，但是，彈簧加載精度不高，難于實現(xiàn)負荷精度調(diào)整。液壓式加載包括動壓加載和靜壓加載兩種，但液壓加載很難保持負荷穩(wěn)定。電磁加載易于實現(xiàn)負荷的自動控制，但其是弱點是控制的成分較高，而且在已有摩擦磨損試驗機上使用還比較少。（3） 滑動速度的影響滑動速度的大小對摩擦磨損往往具有關(guān)鍵性的意義。因而也是摩擦磨損實驗的一個重要參數(shù)。往復(fù)式可以分為兩種分別為擺動式和往復(fù)直線式。在試驗機上即可以采用機械式方式( 如凸輪機構(gòu)和曲柄搖桿機構(gòu)等）實現(xiàn)擺動，也可以由電機（如伺服電機和步進電機)來實現(xiàn)擺動。往復(fù)直線運動通常是用曲柄滑塊等往復(fù)直線運動機構(gòu)來實現(xiàn)。試驗機的速度大小一般都要求可調(diào)，所能采用的方式有級調(diào)速和無極調(diào)速兩種。無極調(diào)速可通過兩種方式來實現(xiàn)：一種是機械式無極調(diào)速（如摩擦輪和差動輪系） ，但其調(diào)速范圍不大，另一種是使用無極調(diào)速電機進行，這種方式的調(diào)速范圍很大，如直流伺7服電機的調(diào)速范圍可達 12022 人 r/min（下限還可以更低） 。當(dāng)采用電機無極調(diào)速時，一般要求速度穩(wěn)定，因而常采用速度控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。（4) 試驗時間的影響試驗時間一般是依據(jù)具體情況而定，大多數(shù)試驗機沒有配備定時裝置。要在試驗機上實現(xiàn)時間的控制，可以采用定時器控制動力源，也有的是根據(jù)摩擦力或摩擦力矩的極限值來控制停機。這種控制方法是對試驗機也起著過載保護作用。 測量參數(shù)的影響（1）試驗負荷的影響試驗機一般都要對試驗負荷進行測量，所采用的測量方式往往隨加載方式的不同而不同。機械式杠桿一瑪法加載可以直接根據(jù)砝碼得到負荷值，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荷值，液壓加載可以通過加載油缸的壓力換算得到負荷值。然而，不論在哪種加載方式下。都可以利用負荷傳感器直接測量到負荷值。復(fù)合傳感器應(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，在已知負荷 p的情況下，只要測出摩擦力 F，就可以根據(jù)公式 求出摩擦系數(shù)的數(shù)值。這可以PF??利用微機或者數(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，機測量作用在驅(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)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的減小，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行測量，其安裝位置既可以作用在運動軸上，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，通常是將摩擦扭矩換成拉力或者壓力進行測量。(3) 速度的影響在有些試驗機上還要求對速度進行測量，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)最長用的是機械式計數(shù)器。 (4) 磨損量的影響磨損量是磨損試驗機中都要測量的一個參數(shù)。目前，磨損量的再線檢測尚有困難，以往都是將試件取下再測量磨痕或者稱量失重而得之。現(xiàn)在，有人采用電測量法或光8柵對摩擦副在磨損過程中的相對位移進行測量，以此實現(xiàn)磨損量的在線檢測。(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。西德公司的srv 型標(biāo)準化激動式摩擦磨損測試機之所以能夠給說較好的重復(fù)性和再現(xiàn)性的試驗結(jié)果，就是因為它的關(guān)鍵部位一震動系統(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，同時還需要測試系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)能準確地測出工況參數(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的重復(fù)性和再現(xiàn)性實驗結(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較小，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)。第 3 章 摩擦磨損試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)計算 往復(fù)式摩擦磨損試驗臺的工作原理 主動齒輪 1 通過聯(lián)軸器，減速器與驅(qū)動機相連進行動力輸入，當(dāng)從動齒輪 2 轉(zhuǎn)動時，連桿 3 帶動齒條 4 水平運動，此時齒條四便帶動齒輪 6 運動，齒條的水平運動由軸承 5 支撐控制。由于齒輪 2，連桿 3，齒條 4 與機架構(gòu)成四桿機構(gòu)，故存在極為夾角，故齒條存在急回運動。圖 1 往復(fù)運動偏心齒條—齒輪的復(fù)合機構(gòu)簡圖 結(jié)構(gòu)組成—1 主動齒輪、2 從動齒輪、3 連桿、4 齒條、5 滾動軸承、6 齒輪組成。 條件—輸出齒輪 6 的扭矩為 。 傳動的計算 （1）輸出齒輪扭矩 T=,模數(shù) m=14，查《齒輪設(shè)計計算手冊》齒數(shù) z=18，9其分度圓直徑 D=252mm，齒條受水平方向的力 F=T/(D/2)= 經(jīng)計算得連桿在齒輪最大最小與水平方向夾角為 和 。 可計算連桿（二力桿） 最大力 Fmax== 最小力 Fmin== 在齒輪 2 上的兩個極限位置上的水平分力為 = =? =Fmin = 連桿與齒輪 2 連接處的直徑為 d=690mm，故可算出齒輪的最大扭矩 ? 齒輪 1（主動齒）與齒輪 2 傳動比為 19:62。則可知齒輪 1 的扭矩為。 根據(jù)查表得知，齒輪間的傳動效率為 。 最終算的通過減速器傳給齒輪 1 的扭矩為 。 由公式 ，可得齒輪 1 的功率為 =24kw nTp??950 1p 齒輪 2 的功率為 =。齒輪 6 的功率為 （2）齒條長度不得小于 790mm，為了保證齒條在極限位置不與齒輪 2 接觸發(fā)生碰撞。考慮齒輪 2 與齒輪 6 的水平距離。擬定齒條長 1200mm，擬定齒條行程為790mm。 （3）齒輪 2 與齒輪 6 水平距離 1550mm。四桿機構(gòu)中曲柄長 345mm。連桿長1150mm。連桿設(shè)計成方形桿。材料選 45 號鋼。 由 得出方形連桿邊長 a=21mmsAF??? （4）根據(jù)輸出齒輪 1 所需的功率選定電動機型號，查《機械設(shè)計簡明手冊》電動機選 200L1 型，功率 30kw，轉(zhuǎn)速 1000r/min.。減速器比 1000/13=77。故選擇ZXY 型（低速級） 要零部件的分析和校核 電機和減速器的選擇及其主要參數(shù) 電機的選擇,根據(jù)主動齒輪 1 所需的功率 24kw，選定電機為 Y2 系列三相異步電動機 Y2—200L1—2 型號。減速器選擇，根據(jù)減速比 1000/13=77。確定減速器類型為 ZSY 型齒輪減速器。 齒輪 1 和齒輪 2 的分析和校核 因傳動尺寸無嚴格要求。故小齒輪用 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度 241386HB，平均取 260HB，大齒用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度 229HB286HB，平均取 240HB。 齒輪 1 和齒輪 2 嚙合，初步定為模數(shù) i=。 傳動功率為 p=24kw 查《機械設(shè)計》圖 得接觸疲勞極限 =710MPa， =580MPa1limH?2limH?10初步計算的許用接觸應(yīng)力 ????= 710=639MPa，? = 580=522MPa2li2 齒輪 1 轉(zhuǎn)速為 =13（r/min)1n 齒輪 2 轉(zhuǎn)速為 =4(r/min)2 齒輪 1 齒數(shù) =19，齒寬 =145z1B 齒輪 2 齒數(shù) =62，齒輪 =130mm2 使用系數(shù) 查《機械設(shè)計 》表 得 = 動載系數(shù) 查,《機械設(shè)計》圖 得 = V a?= =?????????????? = =? 齒向載荷分布系數(shù)由《機械設(shè)計》表 得 =A+B 2+c =?HK??????1db14503???C 載荷系數(shù) K= = =??接觸壽命系數(shù) 由《機械設(shè)計》圖 得NZ 1=， = 許用接觸應(yīng)力 = = =798Mpa??1H? = = =690MPa2in2? 驗算 =H