1、本科论文目 录摘 要IAbstractII引 言11 绪论31.1 本课题研究的目的和意义31.2 国内外研究概况41.3 发展趋势81.4 小结82 摩擦磨损试验机的影响因素92.1 试验条件的影响92.2 试验负荷的影响123 试验机的设计分析153.1 试验机的整体分析153.2 设计方案的制定153.3 方案分析194 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算214.1 试验机的主要性能指标的确定214.2 试验机的主传动系统的相关计算215 摩擦磨损试验机的结构设计335.1 磨损试验机的整体结构335.2 箱体的结构设计345.3 横梁的设计345.4 支架的设计355.5 摩擦盘夹持器的
2、设计365.6 摩擦销的结构设计37结 论38参考文献39致 谢41本科论文摘 要随着科学技术的高速发展，越来越多的人开始注意到机械效率低下这一问题。造成机械效率低下的一个主要原因是各零件间存在摩擦磨损，也正是因为摩擦磨损的存在，机械设备工作一段时间后会出现损坏。因此为了提高机械效率，改善摩擦磨损现象，延长机器使用寿命本文设计了一种摩擦磨损试验机。该试验机的功能非常强大，不仅可以用来评定材料的抗磨损性能，还可以用来分析不同润滑油的极压特性，除此之外，该试验机还可以计算出不同粗糙度所对应的摩擦系数。本次设计的试验机主要应用在高校和研究所，主要是用来做实验室试验，所以可以非常方便的对摩擦磨损现象及
3、其本质进行研究。在实际生活中，摩擦的环境是不断变化的，为了更好的确定各个参数，设计一个符合要求的摩擦磨损试验机是非常重要的。在国内的相关研究中，无论是机械领域还是材料领域都会用到摩擦学，所以摩擦学在科研过程中扮演了一个非常重要的角色，因此本文设计了一种摩擦磨损试验机，它不仅可以促进机械领域摩擦现象的研究，还可以扩展学科的研究领域，提高研究水平。当然摩擦磨损试验机在进行试验时，可以非常准确的测出摩擦学中的各个参数，然后在经过反复的试验最后确定最优参数。关键词：摩擦；试验机；摩擦学；设计AbstractWith the rapid development of science and techno
4、logy, more and more people begin to notice the problem of low mechanical efficiency. One of the main reasons for low mechanical efficiency is the friction and wear between various parts. It is also because of the friction and wear that mechanical equipment will be damaged after working for a period
5、of time. Therefore, in order to improve the mechanical efficiency, improve the friction and wear phenomenon and prolong the service life of the machine, a friction and wear testing machine is designed in this paper. The function of this testing machine is very powerful. It can be used not only to ev
6、aluate the wear resistance of materials, but also to analyze the extreme pressure characteristics of different lubricating oils. In addition, the testing machine can also calculate the friction coefficient corresponding to different roughness. The testing machine designed in this paper is mainly use
7、d in universities and research institutes. It is mainly used for laboratory tests, so it is very convenient to study the friction and wear phenomenon and its essence. In real life, the friction environment is constantly changing. In order to better determine various parameters, it is very important
8、to design a friction and wear testing machine that meets the requirements. Tribology is used in domestic related research, both in mechanical field and material field, so tribology plays a very important role in scientific research. Therefore, this paper designs a friction and wear testing machine,
9、which can not only promote the research of friction phenomena in mechanical field, but also expand the research field of disciplines and improve the research level. Of course, the friction and wear testing machine can accurately measure various parameters in tribology when testing, and then determin
10、e the optimal parameters after repeated tests. Key words: Friction; Testing machine; Tribology; Design本科论文引 言在当今时代，摩擦学在科研领域起到了很大的作用，它被称作21世纪科学技术中最基础的技术。对于摩擦磨损试验机来说，现存的种类有许多，最常见的是滚子式磨损试验机。本文设计了一种摩擦磨损试验机，它主要是用来测量材料在试验中的各参数。导致机械设备效率降低的原因有许多，但是影响最大也是最常见的是本文所提到的摩擦磨损，几乎80%的机械设备效率低下都是由摩擦磨损导致的。现实条件下，摩擦磨损无处不
11、在，就算是机器正常工作时，它也是存在的，它与多种因素有关，最常见的影响因素是压力和冲击。本文设计的摩擦磨损试验机，从它的名字中，就可以看出它的用途。大多数人也许对这个名字感到陌生，但它还有一些常见的名字，如摩擦试验机和磨损试验机等，这些名字对于机械行业的人来说是非常熟悉的。摩擦磨损试验机的种类是非常多的，可以根据摩擦副的不同进行分类，根据摩擦运动方式不同进行分类，也可根据载荷范围不同进行分类。现阶段，我国的摩擦磨损试验机大概有上百种，这极大的推动了科研领域的发展。对现阶段的摩擦磨损试验机来说，大多数都采用电脑控制，试验结果会通过电脑的显示屏显示出来，以便于观察和分析。并且机电一体化，也是摩擦磨
12、损试验机的一个发展方向，如果得以完全实现，不仅可以提高试验的精度，减少试验的误差，也可以大大的节省人力和物力。现阶段的摩擦磨损试验机机电一体化已基本成熟，在进行摩擦磨损实验时，只需按照一定的标准将实验数据输入到试验机中，试验机即可自动控制试验的进行，当试验完成时试验机会发出声音，提醒试验员，试验已结束。控制系统也和传统的控制系统不同，它具有断电记忆的功能，既试验过程中，如果突然断电，试验机也会自动保持断电前输入的参数。摩擦磨损试验机的适用范围非常广泛，只要条件允许，它不仅可以模拟出滑动、滚动等各种运动，还可以模拟出滑滚复合运动等各种复合运动，以便完成各种接触形式的摩擦磨损试验。摩擦磨损试验机最
13、常被用来评定润滑油、金属以及其它材料的摩擦磨损性能。摩擦磨损试验机内部有数据采集处理系统，可以通过传感器将电信号转变为数字信号，计算机经过数值信号输入转变为模拟量输出，完成数据的存储与处理。对于一些用于教学的试验机，它的计算机只能记录实验数据，然后通过打印机打印，最后由学生手工完成绘制。随着社会的高速发展，摩擦磨损试验机逐渐成为了发达国家研究的热点。对于摩擦学来说，它的理论性一般，但是实践起来却很困难，所以为了进一步探究摩擦现象，可通过摩擦磨损试验机来进行实验分析。为了更好的了解磨损机理，减轻磨损所带来的危害，当今世界各个国家的学者都开始对材料出现的磨损问题进行探讨。1 绪论1.1 本课题研究
14、的目的和意义改革开放以来，随着科学技术突飞猛进的发展，摩擦学在科学领域扮演的角色越来越重要。摩擦学的理论性不是很强，但是实践性是非常强的，当材料发生摩擦磨损行为时，我们就会用到摩擦磨损试验机，主要是用它来测量材料摩擦时的各种参数。常见的摩擦磨损试验机有以下五种：四球式、切入式、滚子式、盘销式、往复式等。在近五十年以来，各个领域都得到了飞速的发展，尤其是机械、电气和材料等领域，在这些领域中，人们都开始逐渐意识到磨损的危害。为了更好的了解磨损机理，减轻磨损所带来的危害，当今世界各个国家的学者都开始进行常温下的摩擦磨损试验，这推动了常温下工作的试验机的发展，由于高温下的摩擦磨损试验是非常少的，所以导
15、致适用于高温试验的摩擦磨损试验机的研究非常少。常见的摩擦磨损试验机如图1.1所示。图1.1 摩擦磨损试验机世界上的第一台摩擦磨损试验机是在二十世纪一零年代发明的，试验机的发展还是非常快的，现阶段我们所知的摩擦磨损试验机有几百种不同的类型，可参考摩擦磨损装置这本书。但是80%都是在常温下工作的，即常温磨损试验机1-2。在二十世纪以来，摩擦磨损试验机得到了突飞猛进的发展，但是它的研发主要依靠的还是企业的需求。就像最为少见的高温摩擦磨损试验机的研发，就是在企业需要对高温材料进行试验的条件下研发的。对于70%的摩擦磨损试验机来说，它们有几个共同的特点价格高、结构复杂，这也从侧面反映了摩擦磨损问题是不简
16、单的，并且进行摩擦磨损试验也是非常困难的。就摩擦磨损试验而言，它的操作难度因试验而异，它不仅可以揭释摩擦现象的本质，还可以得出各参数在不同工况下产生的影响，以便选择符合条件的参数。该试验可以应用在多个方面，其中最常用的是确定影响摩擦以及磨损的要素，也可以用于探讨摩擦机理以及对新发现的材料进行润滑剂、抗冲击、耐磨的评定等。现阶段有一个重要的课题就是怎样更好的测得摩擦磨损过程中主要参数发生的变化，这一课题的难点是摩擦磨损现象复杂并且条件多样。为了更好的确定和探索影响摩擦磨损性能的机理，我们必须密切关注摩擦学的研究以及加强摩擦磨损测试技术的学习。在我们生活的各个方面都存在摩擦磨损问题，例如航空、汽车
17、农机、铁道等。根据网络调研发现，世界上主要的能量消耗发生在摩擦上，因此摩擦学是非常重要的。如果想有效的减少能量的消耗，最好的方式是采取合理的摩擦方案。对于机械零件来说，磨损和压溃是最常见的失效形式。与压溃相比，每年因为磨损而失效的零件是非常多的，对经济造成了很大的损失，根据最新统计，大约五分之四的机械零件失效是磨损造成的。随着社会的飞速发展，机械设备不断朝着高效、重载改变的方向发展，不断成为全人类关注的问题，这将帮助人们进一步深入研究机械磨损。1.2 国内外研究概况摩擦磨损试验机的适用领域是非常广泛的，最常见的是在机械领域。近些年来，全球的经济都在高速的发展，好多行业的发展都取到了前所未有的
18、成功，摩擦磨损试验机也变的越来越重要3。现阶段，在摩擦磨损试验机行业，美国、意大利和英国依旧遥遥领先，我国处在中等偏上的位置。我国第一台摩擦磨损试验机是济南的试金集团发明的。早在二十世纪六五十年代，我国的石油行业就非常需要摩擦磨损试验机，于是在1964年初，试金集团研究出了全国第一台MQ-12型四球摩擦试验机，并于1965年开始大批量的生产。在此基础上试金集团于第二年研制出有一种摩擦磨损试验机，型号为MM-200。试金集团两种试验机的研发，很大程度上提高了我国的试验机研发能力。进入二十一世纪以来，又多了许多研究摩擦磨损试验机的厂家，并且又研制出了许许多多高质量的产品。现阶段，我国有许多可以研制
19、出高质量试验机的企业，竟成测试技术有限公司就是其中之一，它研发了SFT-2M销盘式摩擦磨损试验机如图1.2所示：图1.2 SFT-2M销盘式摩擦磨损试验机SFT-2M试验机的研制，更加促进了我国试验机行业的发展，为销盘式摩擦磨损试验机的研发奠定了坚实的基础。该装置可以更加准确的测得材料表面的磨损情况，也可以进行摩擦副试验进而得出在不同摩擦方式下，材料的摩擦系数等各种参数。最大的特点是测量精度高。主要技术指标如表1.1所示：表1.1 SFT-2M销盘式摩擦磨损试验机主要技术指标项目名称技术指标载荷范围1N200N旋转速度1004500rpm样品尺寸880mm 0.530mm摩擦系数测量精度0.2
20、 F样品对偶尺寸36mm磨痕深度1mm精度0.1m除了该公司外，我国在该领域成熟的公司还有许多，例如思达测试技术有限公司，它研发了MME-2微机控制摩擦磨损试验机。该摩擦磨损试验机的用途是非常广泛的，例如用于干摩擦等摩擦状态、金属和非金属材料和模拟干摩擦等摩擦模拟试验，该机的创新点是采用PLC进行控制。微机控制摩擦磨损试验机直接与电脑相连，可直接通过电脑观察和记录数据，并且各个参数也会在电脑屏幕上显示。在实验结束后可以输出各种曲线，例如摩擦系数时间曲线。该设备的特点是功能非常多，成本高，使用方便等。该机器不仅在国内用的较多，在国外也很受欢迎。MME-2微机控制摩擦磨损试验机如图1.3所示，技术
21、参数如表1.2所示。图1.3 MME-2微机控制摩擦磨损试验机表1.2 MME-2微机控制摩擦磨损试验机技术参数项目名称技术指标最大试验力2500N摩擦力矩测量范围020N.m上、下试样轴转速0-600r/min试样轴向最大移动距离4mm试验力相对误差在10%以上，不超过2%试验力重复性相对误差在10%以上，不超过2%摩擦力矩相对误差在10%以上，不超过2%摩擦力矩重复性相对误差在10%以上，不超过2%温度适用范围25-60时间控制范围1s-9999min转数控制范围1-99999999外形尺寸9706601100试验机净重约500kg以下是对于国外的一些成熟产品介绍：美国FALEX公司：经过
22、网络调研可知，该公式具有70多年的历史并且它是一个专业制造摩擦磨损测试仪器的公司。该公司的生产范围是非常广泛的，无论是在机械、化工还是材料领域都有广泛的应用。迄今为止，该公司生产的最具影响力的摩擦磨损试验机四球法磨损实验测定仪已经在各个国家广泛应用，并被各国政府所认同。四球法磨损磨损试验机如图1.4所示，技术参数如表1.3所示。图1.4 FALEX四球法磨损实验测定仪表1.3 FALEX四球法磨损实验测定仪技术参数项目名称技术指标试验负荷可变驱动四球试验机，气动可变负载最大到 180kg标准四球试验机，固定砝码和机械杆，最大50kg试验速度气动连续可变驱动，60 -3600 rpm 连续可调，
23、可选1 -10,000 rpm速度转换组件V形带和滑轮驱动，提供三种速度选择 600, 1200, 1800 rpm.温度控制数字温度控制环境温度-232定时数字可编程定时器 (1s-999h)测量F-1519：集成测压元件和数字显示摩擦力F-1520：手动测量环境固态或液态(润滑油、润滑脂,固态膜涂层等)可选外罩仓增强温度控制精度可选压力仓，最大压力125psi尺寸168 cm x 91 cm x 81 cm电源220V, 50/60Hz、10A气源80 psi 干燥空气 ( F-1519)1.3 发展趋势随着科学和技术的不断发展，越来越多的人开始关注摩擦磨损技术，对于摩擦磨损试验机来说，它
24、主要有以下几种发展趋势：（1）更高程度的机电一体化：采用合适的电机来代替传统的机械调速系统。迄今为止，机电传动系统已经较为成熟，它的调速比非常高。用该系统可以完成多种运动形态，例如直线、摆动运动等。采用合适的电机带动主轴，最大的优点是简化机械结构以及降低能量消耗；（2）添加微计算机：目前，微型计算机的性价比是非常高的，操作也很简单，并且性能比较稳定。微计算机可以用来控制试验机，使数据采集更加准确，并简化试验机的操作。（3）简化试验过程；（4）提高精度，减少试验结果的偶然性和特殊性。1.4 小结本次设计的摩擦磨损试验机主要应用在高温高速的情况下，它的类型属于销盘式摩擦磨损试验机。所设计的试验机性
25、能要求如下：（1）主轴转速：，可实现无级调速；（2）工作温度：摄氏度以下；（3）加载范围：，采用的加载方式为砝码加载；（4）样品盘尺寸：直径为，厚度不能超过。本次设计的摩擦磨损试验机必须满足性能要求。在本次设计中，首先进行相关的设计计算，然后对摩擦磨损试验机的机械结构进行设计，最后用SolidWork画出整个试验机的三维结构图。2 摩擦磨损试验机的影响因素摩擦磨损试验是研究材料磨损性能必不可少的试验，进行该试验的原因是试验机可以模拟出理想化的摩擦系统，可以更好的确定出参数。摩擦磨损试验机的基本系统如图2.1所示，它可以测量出载荷、速度、温度、摩擦力和表面特征等参数。因此，在摩擦磨损试验机的设计
26、过程中，必须考虑它的设计目的和设计要求，并根据设计目的与要求进行设计。它的构思图如图2.1摩擦磨损试验机的基本系统所示，它的运转变量在工作时必须是可调的，至于选择什么样的参数要根据需求决定4。在下图2.1中，1和2为摩擦元素，3为润滑剂，4为气氛。图2.1 摩擦磨损试验机的基本系统2.1试验条件的影响（1） 运动状态影响：就摩擦磨损试验而言，不同的运动状态，对试验结果的影响是不同的，其中摩擦副的结构会严重影响摩擦磨损试验的结果。但是在一般情况下，运动状态和摩擦副结构是不会发生变化的，然而也有一些特殊的情况，例如当添加附件的时候可能会发生变化。添加附件的公司，最常见的是美国FALEX公司，该公司
27、形成了许多摩擦副的形式。滚动、自旋、滑动和冲击是常见的试验机摩擦副。对摩擦磨损试验机来说，对运动形式的要求精度是非常高的，需要考虑，对运动位置的精度要求很低，一般不予考虑。（2） 负荷的影响：负荷在摩擦磨损试验机的工作过程中扮演了一个非常重要的角色。它与其它参数不同，它对精度的要求是非常高的，并且模拟时始终处于稳定状态。为了获得合适的负荷精度，在试验时最常用的办法是减少加载装置中的阻力。在2018年的一项调查中，就试验机的加载方式而言，经常被使用的有电磁式、机械式、液压式等。其中机械式的加载又可分为重物、杠杆、弹簧，除此之外还有一种不常见的方式是三者的组合。前两者的加载系统具有许多优点，例如机
28、构简单，精度高，存在过载保护，然而它也存在缺点，最大的缺点是容易产生振动和冲击。对于弹簧加载来说，它在加载过程中产生的振动是非常小的，它最大的缺点是精度低，很难实现负荷稳定。难实现负荷稳定还有另一种加载方式，叫做液压式加载，该加载方式又可分为静压和动压两种。还有一种加载方式因成本较高而不常用，该种加载方式为电磁加载。（3） 恒比压的影响：针对摩擦磨损试验机来说，它的类型是非常多的，并且对恒比压的要求也很高，难以实现。为了实现恒压比，最常用的方法如下：（a） 对材料进行磨损试验时，保证它与磨盘的接触面始终不变，这样就可以确定恒压比(如图2.2所示)。图2.2 以摩擦副结构保证恒圧比（b） 当摩擦
29、时接触面积发生变化。在做试验时接触面积逐渐增大，此时要想实现恒压比，最好的方法是按照一定规律增加负荷。理研一大越式高速磨损试验机就运用到了这中方法的，它的原理图如图2.3所示。在2.3图中装置1为凸轮，装置2为摇杆，装置3为齿轮齿条，装置4为弹簧，装置5和装置8为齿轮齿条，装置6为旋转圆环器件，装置7为片状试件。图2.3 理研一大越式高速磨损试验机原理图（c）为了保证恒压比，在同一时间内，记录摩擦副的接触面积，记录摩擦副的实验负荷，在记录之后对各数据进行处理，得出负荷的大小，控制负荷，使它随着接触面积的变化而变化。该方式与前两种方式相比，具有先进可靠的优点，但是也有操作复杂的缺点。造成这一缺点
30、的主要原因是接触面积很难测量。（4）滑动速度的影响：滑动速度是进行摩擦磨损试验时的关键参数，因此它对摩擦磨损具有很大的影响。该速度有两个滑动方式，一个是单向滑动，另一个是双向滑动。其中，双向滑动又可分为摆动和往复式两种。对于试验机来说，它可以通过多种方式来实现摆动，常见的有机械和电机两种。往复直线运动最简单的是通过曲柄滑杆机构实现的。本次所设计的机器速度要求是可调的，常见的调速方式有两种，一种是有级调速，一种是无级调速，前者是通过改变齿轮转速和带轮转速的比值实现的，而后者无级调速又可分为机械式和电机式两种，其中电机式要比机械式的应用范围更广，并且的它的速度更加稳定，为了调节速度一般采用的控制方
31、式为闭环控制。常见的有直流伺服电机，它的调速范围很广，最低可达到1.2r / min。（5）温度的影响：温度同运动状态一样对试验的影响是很大的，对于一些特殊的材料来说，温度是必须考虑的。在高温环境下做实验时，最常用的加热方式是电阻丝加热。因此，想制造一个高温试验机，我们就必须考虑它一些部件的隔热问题，同时还要考虑材料的耐热性等问题。同理，对于低温试验机来说，制冷需要使用适当的方式，并且要保证零件能承受一定的低温。（6）气氛的影响：气氛对摩擦磨损试验机的影响是非常大的，控制气氛主要是在做真空试验时考虑的。在做真空试验时，必须要对气氛进行控制。对于想调节湿度的摩擦磨损试验机，现阶段，应用最多的方法
32、是，选取一个可以有效密封的罩子，在罩子中放入适当的水，然后将它放在试验机的摩擦副上。调节湿度还有另一种方法是添加一个湿度传感器，用它来调节湿度。除此之外，一些用于特殊场合的试验机，例如在真空条件下做试验的试验机，它对真空度的要求是非常高的。创造一个真空环境，可以使用的方法有许多，最常用的是用真空泵抽真空，但是要注意的是必须保证密封性良好。一些试验机运用了磁力传动的方式，很有效的提高了真空度。（7）试验时间的影响：试验时间的长短一般是由具体的试验来决定的。现阶段来说，大多数的试验机都不会安装定时装置，但是也有少部分的高校和研究所安装该装置，该装置的工作原理是原理是通过控制动力源的大小来实现时间的
33、控制，还有一些定时装置的原理是通过调节摩擦力的极限来控制机器开关。定时装置还有一个重要的作用是过载保护。2.2 试验负荷的影响对于负荷来说，不同的负荷产生的影响是不同的，所以是必须考虑的。加载方式也可以影响负荷的测量，不同的加载方式随负荷的变化而变化。Timken试验机是机械式杠杆一砧码加载的，它主要是通过所加的砝码来确定负载的。机械式弹簧加载最常见的试验机是AMSLER试验机，它测量负荷时靠弹簧的形变得出的。液压加载最常见的试验机MQ-800型四球式摩擦试验机，是通过换算油缸的压力得到负荷的数值。除了上述几种方式之外，用负荷传感器测量负荷是最轻松的一种测量方式，为了较少测量误差，一般都将负荷
34、传感器安装在摩擦副附近。（1） 摩擦力的影响：在进行摩擦磨损实验时，试验过程中只需要测量摩擦力的大小而不需要测量摩擦系数。这么做的一个原因是与摩擦系数相比，摩擦力更容易测量。在测得摩擦力后，根据公式，就可以得出摩擦系数，其中P为负荷。同理，也可以已知摩擦系数确定摩擦力。测量摩擦力有两种方法，一种是用弹簧等弹性元件来测量，然后按弹簧的计算公式算出力的大小，另一种是侧量轴的扭矩。当采用第一种方法测量F时，由于法向力是固件运动时必然产生的，所以应该尽量较少摩擦力，这样可以增加摩擦力的测量精度。当提到摩擦力，就不得不提摩擦扭矩，一般来说摩擦扭矩都是用传感器来测量的，该传感器可以安装在静轴或动轴上。对于
35、动轴和静轴来说，要想测得摩擦力，首先要确定传感器能输出信号。当对摩擦扭矩进行测量时，一般是将扭矩转换成拉压力来进行测量（见图2.4），但是这样测量的误差比较大，当超过允许值时不能使用。图2.4 将摩擦扭矩转化成拉力或压力的测量（2） 速度的影响：在进行摩擦磨损试验时，能否避免试验结果具有偶然性和特殊性，主要是由每次试验的仪器工作状态是否始终保持不变决定的。测量速度，现在常用的是西德公司的SRV型试验机。（3） 测温方法的影响：工作环境温度、室内温度、润滑油温度和摩擦副表面温度，都是做摩擦磨损试验时必须测量的温度，在这些温度中，摩擦副表面温度是非常难测量的，主要原因是它在里面。红外线测温法和电偶
36、测温法都是经常应用在试验机上的测温方法，这两种方法有一个共同的特点是它们测得的都是接近值，造成这一现象的原因是电偶只能安装在摩擦副的附近，只能测得它附近的温度，对于减小测量误差，最好的方法是修正测量结果。测量误差最小的方法是自然热电偶法，该方法基本可以准确的测得摩擦副表面的温度，它的原理是将待测件组合成热电偶的一部分，但是该方法也有缺点，最大的缺点是可能会受到润滑油的影响，导致润滑油进入电偶使测量装置损坏，所以该方法不常用。（4）磨损量的影响：现阶段，测量磨损量还是很困难的。以前，最常用的测量方法是将待测件卸下，然后手动测量磨痕。现在，常用的方法是电测法，即根据试验中测得摩擦副的相对位移，完成
37、磨损量的在线监控。3 试验机的设计分析3.1 试验机的整体分析根据第二章所述的内容可以很容易的确定摩擦磨损试验机的机械结构主要由主传动、加载、摩擦盘夹持、摩擦销轴向和径向进给、加热及冷却系统等系统组成。对这些系统进行组合可得到不同的整体设计方案，然后对各个方案进行分析，最后选择合适的方案。3.2 设计方案的制定通过对试验机的整体分析，以及各个系统的组合设计，可得出如下四种设计方案：一、设计方案一设计方案一的方案图如图3.1所示：图3.1 设计方案一设计方案一各部分的组成：主传动系统：方案一的主传动系统为图3.1方框中的部分。该部分的工作原理为电机带动齿轮转动，然后齿轮间进行齿轮传动，再然后齿轮
38、带动主轴转动，最后主轴带动摩擦盘旋转，以实现磨损工件的作用。摩擦盘夹持系统：摩擦盘夹持系统如图3.1中虚框部分。夹持器是与主轴相连的，在主轴的作用下而运动。本次设计的夹持器为通用的。加载系统：伺服控制连续加载。摩擦销轴向和径向进给系统：轴向进给是通过丝杠螺母之间的相互作用实现的。摩擦销的轴向移动，是依靠步进电机和编码器带动的。径向进给是通过调节手轮实现的。加热及冷却系统：因为加热处温度较高，所以应在加热炉处添加隔热层，隔热层材料应采用石棉。二、设计方案二设计方案二的方案如图3.2所示：图3.2 设计方案二设计方案二各部分的组成：主传动系统：方案二的主传动系统为图3.2方框中的部分。工作原理为电
39、机带动主轴转动，然后主轴带动摩擦盘转动，进而实现摩擦工件的作用。摩擦盘夹持系统：摩擦盘夹持系统如图3.2双实线框所示，基本与方案一相同，但它不是通用的。加载系统：弹簧加载。摩擦销轴向和径向进给系统：径向进给主要是通过调整手轮来实现的，手轮转动，丝杠也会运动，进而实现摩擦销的径向进给。对于实现摩擦销的轴向移动，它也是丝杠旋转带动的，而此时是依靠步进电机和编码器带动的。加热及冷却系统：加热炉处的设计基本与方案一相同，不同的是，为了冷却主轴，在主轴的外部包裹了一层铜管，用铜管做冷却管，并在铜管中加入冷却用的冷却水。三、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
40、主传动系统：主传动系统如图3.3实线框部分所示。该原理为电机带动带轮转动，然后通过传送带带动主轴转动，最后主轴带动摩擦盘进行旋转，进而实现摩擦工件的作用。摩擦盘夹持系统：摩擦盘夹持系统如图3.3双虚线部分所示。基本同方案一一致，也是通用的。加载系统：弹簧加载。摩擦销轴向和径向进给系统：本方案中丝杠的旋转是通过电机和编码器控制的，为了更好的使销子轴向运动，可通过改变横梁的竖直位置来实现；丝杠由手轮和分度盘旋转带动，二者均是手动带动的，销沿摩擦盘的轴向进给，可通过丝杠螺母相互运动实现。加热及冷却系统：因为加热处温度较高，所以在加热炉处添加了石棉隔热层。四、设计方案四图3.4是设计方案四的方案图：
41、图3.4 设计方案四设计方案四各部分的组成：主传动系统：主传动系统如图3.4实线框所示，它的工作原理与方案三相同。摩擦盘夹持系统：摩擦盘夹持系统如图3.2双虚线框所示，它的结构与方案三相同。加载系统：砝码加载。摩擦销轴向和径向进给系统：本次设计中电机和编码器的作用是控制丝杠的旋转，为了更好的使销子轴向运动，可通过改变横梁的竖直位置来实现；丝杠由手轮和分度盘旋转带动，二者均是手动带动的，销沿摩擦盘的轴向进给，可通过丝杠螺母相互运动实现。加热及冷却系统：因为加热处温度较高，所以应在加热炉处添加隔热层，采用的隔热层材料为石棉。3.3 方案分析现对四个方案进行比较。方案一采用的传动方式为齿轮传动，它的
42、好处是安装精度低且传动比恒定，并可以使电机不至于因为过载而损坏。齿轮传动也有缺点，例如噪音大等，噪音主要是由机器零件碰撞产生振动而引起的，对于齿轮传动来说，在剧烈震动的情况下可能会影响试验机的精度。该方案主轴处没有冷却装置，在主轴长时间工作的情况下，可能会导致温度升高，导致主轴发生弯曲变形甚至折断。主轴的弯曲变形会产生很大的影响，不仅会降低试验机的使用寿命，也会降低它的测量精度。采用的加载是伺服控制连续加载，它最大的好处是精确度高，但是它也有许多缺点，例如结构复杂、成本高。摩擦销径向运动是手轮和分度盘作用的结果，该方式虽然结果简单，但是横梁的刚性不好，会造成较大的误差。丝杠螺母的运动是由电机带
43、动的，该种方式经济性要求高，结构复杂，并且测量精度不太高。方案二传动方式为电机通过连轴器带动主轴旋转，该方案最大的特点是结构简单、抗震性好。当电机带动主轴转动时会产生一定的热量损失，所以该试验机效率不高。为了减少热量损失，故可在主轴处安装了冷却装置。由于主轴有热量损失，所以冷却管的作用不是很明显，并且维护也是很困难的。摩擦盘与主轴上端的连接采用的是螺栓连接，故要在摩擦盘的中心打一个孔，打孔后摩擦盘的运动稳定性不易保证，刚度也会降低很多，并且不是什么材料都能在中间打孔的，例如陶瓷等脆性材料。加载系统采用弹簧加载，该系统的优点是结构简单，缺点是测量精度不高，造成这一缺点的原因是弹簧自身的性质，它易
44、受环境的干扰。摩擦销径向运动是手轮和分度盘作用的结果，该方式虽然结果简单，但是横梁的刚性不好，会造成较大的误差。丝杠螺母的运动是由电机带动的，该种方式经济性要求高，并且测量精度不太高。方案三采用的传动方式是带传动，它是由电机带动的。该传动的优点是基本没有噪音、可以过载保护且传动平稳等。但是带传动也有许多缺陷，例如弹性滑动和打滑，其中弹性滑动是带的一种性质是必然发生的，不可避免的，而打滑是带传动的失效形式，因此带传动的传动效率不高且不能保持准确的传动比。本方案的摩擦盘夹持器由于是特制的，所以它的适用范围是比较广的。加载系统采用弹簧加载，该系统的优点是结构简单，缺点是测量精度不高，造成这一缺点的原
45、因是弹簧自身的性质，它易受环境的干扰。通过调整手轮和分度盘可以有效的控制摩擦销的轴向位移，该方式最大的缺点是效率低。摩擦销的轴向位移是靠电机控制的，它最大的缺点是不方便维修。方案四采用电机通过同步带带动主轴。该传动方式的特点是噪声低、可过载保护等。基本满足方案三传动的一切优点，与方案三最大的区别是同步带传动不会出现打滑，因此它的传动效率比较高并且传动比稳定，可使主轴保持一定的速度转动。该方案中电机带动主轴转动的过程中热影响是非常小的，采用特制的摩擦盘夹持器不仅扩大了试验机的适用范围，也使试验机的结构更加完整。采用的加载系统为砝码加载，它的主要特点是准确度高、结构简单等。横梁和立柱是相对静止的，
46、二者可以绕轴进行转动，所以测量准确、操作稳定、结构简单和效率高是系统最大的优点。用手轮和分度盘控制横梁和立柱的整体位移，可以更加准确的控制销沿盘的径向位移，所以精度高。综上所述，选择设计方案四为设计方案。因为该方案具有结构简单，经济性好，精度高等特点，其它方案没有方案四好。4 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算4.1 试验机的主要性能指标的确定查找摩擦磨损试验机的相关资料，结合设计要求，确定出摩擦磨损试验机的性能指标如下5：（1）主轴转速：，可实现无级调速；（2）工作温度：摄氏度以下；（3）加载范围：，采用的加载方式为砝码加载；（4）样品盘尺寸：直径为，厚度不能超过。4.2 试验机的主传动系统的相关计算设计试验机的传动路线为：变频调速三相异步电动机同步带和带轮主轴摩擦盘夹持器摩擦盘6-8，摩擦磨损试验机的调速为无级调速，选择的电机为三相异步交流电动机。4.2.1 电机选择设摩擦盘和摩擦销之间的动摩擦系数为，所以摩擦产生的最大功率的公式为： （4-1）式中：是摩擦产生的最大功率（Kw）；是相互作用力（N）； 是相对运动速度（m/s）；是滑动摩擦系数； 是正压力（N）； 是摩擦力作用电相对旋转轴的距离（m）；同步带的传动效率：滚动轴承的传动效率：则总传动效率： 电动机的输出功率公式为： （4-2）故为保证电动机可以达到工作
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