【正文】 直線往復運動摩擦磨損試驗機的改造設計方案第1章 緒 論 課題研究的目的與意義運動產(chǎn)生摩擦。由摩擦引起的磨損、潤滑、材料與能源消耗等一系列摩擦學問題普遍存在并對社會、經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生著巨大影響。由于摩擦學科學所涉及的問題，與節(jié)約能源、節(jié)約材料、減少磨損、提高資源利用率和保護環(huán)境等密切相關，成為我國走新型工業(yè)化道路和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟必須面對的科學問題，已受到科技界的高度重視。利用摩擦磨損試驗機進行摩擦學相關試驗是最簡單便捷的測試材料摩擦性能的方法。與實際使用試驗相比，試驗機測試周期短，成本低，并且可單獨控制一些參數(shù)進行單項測試，靈活性也很好。所以在摩擦學研究領域，摩擦磨損試驗機被廣泛應用于機械設計，材料科學等領域進行材料磨損摩擦性能試驗，用以評定材料的耐磨性能，也可用于測定摩擦功及材料的摩擦系數(shù)等。另外，摩擦磨損試驗機能很簡單明了地演示摩擦磨損機理，對于摩擦磨損的教學有很好的促進作用，因而摩擦磨損試驗機也廣泛應用于教學實驗室。為了滿足軸套、襯套的轉(zhuǎn)動對磨試驗的需要，參考我?，F(xiàn)有摩擦磨損實驗機的基本原理，設計一個結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、實用廉價的轉(zhuǎn)動對磨摩擦磨損實驗機，結(jié)合試驗機開展摩擦學試驗，對生產(chǎn)實踐、摩擦學測試技術以及摩擦學理論研究都具有積極的參考價值。 研究動態(tài)1910年第一臺磨料磨損試驗機問世，1975年美國潤滑工程學會（ALSE）編著的“摩擦磨損裝置”一書中所公布的不同類型摩擦磨損試驗機已有上百種。近幾十年來，摩擦磨損試驗機和試驗方法有了較大發(fā)展，但價格都比較昂貴。80年代初美國的SoemanteiS等人[1]最早從事高溫磨損試驗機的研究，共研制了三臺高溫磨料磨損試驗機。并在這些試驗機上研究了純鋁和純銅在室溫到400℃范圍內(nèi)大氣氣氛下磨料磨損的特性。80年代末德國的FischerA等人[2]在總結(jié)前人對試驗機研究的基礎上，研制一臺氣氛可控的高溫三體磨損試驗機。該機最大的優(yōu)點是氣氛可控、嚴格保證試驗的主要因素（溫度、磨料、載荷等）恒定，實驗數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。主要缺點是：耐高溫工作部位未設冷卻系統(tǒng)，影響設備精度；同時由于該機未考慮高溫氧化對磨損的影響，在該機測定高溫氧化與磨損的交互作用時誤差較大。90年代西交大的邢建東等人[3]研制了一臺高溫磨損試驗機。在電阻爐中的磨損室內(nèi)裝有一水平放置的砂輪，砂輪上有一定的松散磨料。實驗時試樣夾上裝有相同成分的3個試樣，它們受到作用于表面鋪有松散磨料的砂輪上的載荷，由于試樣和砂輪及其松散磨料間的相對運動而產(chǎn)生兩體和三體混合磨料磨損。該機可嚴格控制溫度。一次3個試樣，可減少重復試驗次數(shù)。但其主要不足是：（1）試樣總在同一軌跡上反復磨損，磨屑潛入砂輪間隙，使砂輪研磨能力逐漸下降；（2）氣氛不易控制；（3）這種混合磨損與實際工況相差較遠。近年來，西交大吳文忠、邢建東等人在FischerA的高溫氧化磨損試驗機的基礎上，研制一臺高溫氧化三體磨損試驗機。該機的主要優(yōu)點是：摩擦學系統(tǒng)設計合理；氣氛可控，溫度可控；關鍵部件設有冷卻系統(tǒng)。主要不足是：密封還存在一些問題；冷卻系統(tǒng)還不夠完善；氣氛成分不能定量測定等。太原理工大學的楊學軍等[4]研制了一臺高溫銷盤磨損試驗機。該機結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，加熱溫度可控，能在1000℃范圍內(nèi)對各種金屬材料的摩擦磨損特性進行研究，摩擦速度可調(diào)，所加載荷穩(wěn)定，試驗磨損均勻，對試驗參數(shù)的變化反應敏感。北方交大的李霞等[5]研制的高速摩擦磨損試驗機，其最大滑動速度可達70m/s，可以測量高速狀態(tài)下的摩擦學參數(shù)；可以模擬高速列車制動；可以實現(xiàn)多個測試數(shù)據(jù)的顯示與同步記錄。 北京機械工業(yè)管理學院的崔周平、宋期等[6]對MT1型真空摩擦磨損試驗機進行了實際的振動速度測量和頻譜分析，得出了有關振動速度值和主要的振動來源。設計出的MT1型真空摩擦磨損試驗機在空載情況下的摩擦盤強迫振動速度值較小。哈工大的宋寶玉等人[7]研究的SYI型真空摩擦磨損試驗機，可以提供4103Pa的壓力環(huán)境，速度在0~2800 r/min范圍內(nèi)可調(diào)，并且可以自動進行數(shù)據(jù)采集和處理。該機可以在真空、不同氣候環(huán)境、加熱及冷卻等多種條件下測定材料的摩擦性能。北方交大的徐雙滿等人[8]為了研究機車柴油機缸套活塞環(huán)材料的摩擦學性能，研制了一臺往復式銷塊摩擦磨損試驗機。該試驗機可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)載荷、速度、潤滑脂的單因素控制。但該試驗機磨損量的測量采用的是不連續(xù)的稱重法。 設計內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是對直線往復摩擦磨損試驗機的改造，并使其有利于教學實驗。主要研究方法是從摩擦磨損測試的基本原理出發(fā)，找出簡單易用的傳動、調(diào)速、加載和測力的結(jié)構(gòu)方案，將往復對磨的運動方式改成轉(zhuǎn)動對磨，并使研制的試驗機結(jié)構(gòu)小巧，造價低廉，功能完善。本文主要內(nèi)容如下：1. 完成對往復對磨摩擦磨損試驗機的整體改造設計。2. 完成對試驗機的主軸驅(qū)動系統(tǒng)、摩擦磨損測定系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計。3. 通過計算校核總體結(jié)構(gòu)及關鍵零部件的強度。第2章 總體設計 實驗背景為了減小熱鍍鋅工藝里穩(wěn)定輥軸套與襯套（軸瓦）之間的磨損，現(xiàn)擬用表面織構(gòu)技術在軸套表面開槽，通過實驗探討最佳開槽形式，最終提高其摩擦磨損特性。但是現(xiàn)有的實驗機為往復式磨摩擦磨損試驗機，而這里的實際工況為襯套軸套之間發(fā)生對磨，所以將原有實驗機改造成轉(zhuǎn)動式磨摩擦磨損試驗機。 設計方案試驗機附加部分包括驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和加載系統(tǒng)、密封系統(tǒng)四部分組成。 驅(qū)動系統(tǒng)本課題選用Y系列三相交流異步電動機，根據(jù)穩(wěn)定輥軸承所受實際載荷來估算轉(zhuǎn)動對磨試驗機驅(qū)動電機的負荷，從而確定電動機的型號。 傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)是將電動機的運動和動力傳遞給工作機的中間裝置。 傳動方案電動機與聯(lián)軸器1相連，聯(lián)軸器1再與減速器相連，通過減速器以得到所需的轉(zhuǎn)速。減速器通過聯(lián)軸器2與實驗軸相連，實驗軸連接著工作機部分。 加載系統(tǒng)實驗軸上裝有軸套，軸套用螺栓與實驗軸軸肩固定。軸套、軸瓦浸沒在水池中，軸瓦上方裝有裝夾塊，裝夾塊與原試驗機的加載系統(tǒng)相連。實際穩(wěn)定輥的軸瓦長度為60mm，考慮到現(xiàn)實實驗臺的尺寸大小，將軸套長度縮短為20mm，并保證實驗軸套的線載荷與實際軸套的相同。（）。 軸套、軸瓦的尺寸 人字槽 工作機的裝配圖，2為軸用擋圈，3為軸承，4為套筒，5為軸承座，6為軸承端蓋，7為水池壁，8為裝夾塊，9為軸瓦，10為軸套，11為螺塞，12為固定實驗軸與軸套的螺栓，13為O型密封圈，14為固定軸承端蓋與軸承座的螺栓。工作時實驗機對裝夾塊施加壓力，故在實驗軸上安裝兩個軸承以承擔受力，兩軸承之間用套筒相連，一個軸承的一端與軸承端蓋相接，另一個軸承的一端與軸用擋圈相接，以防止軸承錯位。兩軸承一個安裝在軸承座內(nèi)壁，另一個安裝在軸承支座上。 密封系統(tǒng)水池與實驗軸用O型密封圈密封，O型密封圈安裝在軸承端蓋中，軸承端蓋用螺栓與水池固定。為了更好地觀察實驗效果，水池壁采用有機玻璃。為了防止水槽中的水進入軸承，對水池與軸承端蓋進行密封。水槽通過玻璃膠粘貼在底座上。由于實驗平臺最大高度為127mm，故設計水池的高度應低于最大高度。水池安裝時先安裝水池下半部分，焊接在底座上，再把軸承端蓋（含O型密封圈）、軸承、套筒順序安裝。此時將實驗軸插入水池，水池排水處用螺塞密封好。最后將水池上部安裝在水池下部上，軸承端蓋用螺栓與水池固定，在需密封地方涂上水玻璃。需更換軸套時只需旋下螺塞，待水池水排完后卸下固定軸套的螺栓，即可更換軸套。各部件用螺栓與底座相固定。底座直接安放在試驗機平臺上，并通過緊定螺栓固定在實驗臺上。 工作方式 實驗時接通電動機，電動機通過聯(lián)軸器帶動減速器轉(zhuǎn)動，進減速器減速得到實驗所需的轉(zhuǎn)速，減速器再通過聯(lián)軸器帶動實驗軸轉(zhuǎn)動，實驗軸帶動軸套轉(zhuǎn)動。這時對裝夾塊施加壓力，讓軸套、軸瓦之間相互摩擦，此時通過試驗機上的傳感器來測定摩擦系數(shù)。通過對摩擦系數(shù)的對比從而得出最佳開槽形式。~。 摩擦磨損試驗機裝配圖（左視圖）（俯視圖） 摩擦磨損試驗機裝配圖（軸側(cè)圖）第3章 動力機選擇 動力機是機器中運動和動力的來源，其種類很多，有電動機、內(nèi)燃機、蒸汽輪機、水輪機、汽輪機等。電動機構(gòu)造簡單、工作可靠、控制方便、維護容易，一般生產(chǎn)機械上大多采用電動機驅(qū)動。 確定電動機的功率 電動機功率選得合適與否，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響。當功率小于工作要求時，電動機不能保證工作機的正常工作，或使電動機因長期過載發(fā)熱量大而過早損壞；功率過大則電動機價格高，能量不能充分利用，經(jīng)常處于不滿載運行，其效率和功率因素都較低，增加電能消耗，造成很大浪費。 計算工作機所需功率PW。設生產(chǎn)線加工某種規(guī)格時的帶鋼張力為20kN。下面來計算不同糾正輥上推量時穩(wěn)定輥軸承的負荷，以此來估算轉(zhuǎn)動對磨試驗機驅(qū)動電機的負荷。 熱鍍鋅鋅鍋中三輥 ，得水平受力： F3X=T sinr (31)垂直受力： F+T=G+T+F3Y (32)對（32）變形得：F3Y=T+FGT cosr (33) 穩(wěn)定輥的受力分析其中T為帶鋼拉力，G為穩(wěn)定輥重力，F(xiàn)為浮力，F(xiàn)3穩(wěn)定輥所受支反力。tanr= r=arctan (34)其中△S為上推量，其值為10/20/30/40mm，L1為穩(wěn)定輥和糾正輥的鉛垂距離。L1 為330 mm。 穩(wěn)定輥重量為185 kg，故其重力為G=mg=185 =1813 N (35) 穩(wěn)定輥材料為316L不銹鋼。密度ρ1= g/cm3，其體積為V== cm3