高温高速摩擦磨损试验机

摘 要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ ABSTRACT．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ

第一章 绪 论……………………………………………………….4

1.1本课题研究的学术背景及理论与实际意义 ................................................. 4 1.2高温高速摩擦磨损试验机国内外研究现状 ................................................. 5 1.3发展趋势 .............................................................................................. 7

1.3.1济南试金集团产品 ...................................................................7 1.3.2 美国CETR公司产品 ...............................................................8 1.3.3 瑞士CSM公司产品.................................................................9

1.4本设计的主要内容 ............................................................................... 12

第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分析与比较 .13

2.1试验机的整体分析 ............................................................................... 13 2.2不同设计方案的制定 ............................................................................ 13

2.2.1设计方案一 ...........................................................................13 2.2.2设计方案二 ...........................................................................14 2.2.3设计方案三 ...........................................................................15 2.2.4设计方案四 ...........................................................................15

2.3上述四种方案的分析比较 ..................................................................... 16

2.4设计方案的确定 .................................................................................. 18 2.5本章小结 ............................................................................................ 18

第三章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算 ..................................19

3.1试验机的主要性能指标的确定 ............................................................... 19 3.2试验机的主传动系统的相关计算 ............................................................ 19

3.2.1电机功率的计算.....................................................................19 3.2.2同步带传动的计算 .................................................................20 3.2.3主轴强度校核 ........................................................................22 3.2.4主轴上键的强度校核 ..............................................................23 3.2.5横梁的强度校核： .................................................................23 3.2.6丝杠螺母副的相关计算 ...........................................................23 3.2.7轴承的校核 ...........................................................................24

3.3本章小结 ............................................................................................ 25

第四章 摩擦磨损试验机的结构设计 ................................................26

4.1磨损试验机的整体结构 ........................................................................ 26 4.2摩擦球及其夹持器的设计 .................................................................27 4.3摩擦盘夹持器的设计 ............................................................................ 27 4.4横梁的设计 ......................................................................................... 30 4.5支架的设计 ......................................................................................... 31

4.5.1与横梁相连接的支架 ..............................................................31 4.5.2与丝杠相连的支架 .................................................................32

2

4.5.3与底板相连的支架 .................................................................34

4.6本章小结 ............................................................................................ 34

第五章 结 论 .....................................................................................35 参考文献 ...............................................................................................36 致 谢 ....................................................................................................37 科技文翻译及原文………………………………………………….38

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第一章 绪 论

1.1本课题研究的学术背景及理论与实际意义

摩擦学是由多学科组成的综合研究领域，研究以机械学、表面科学与技术、摩擦学材料、摩擦化学为主，同时也涉及流体力学、固体力学、非线性动力学、工程热物理、流变学、应用数学、物理学、化学材料科学、信息理论等一系列学术领域。摩擦学研究的任务是从机械学、材料科学与表面科学的角度出发，不断吸取相关学科的知识和最新研究成果，在更深的层次上揭示摩擦与润滑的实质，探探索新原理、新功能，推动摩擦学设计和减磨抗磨损技术的发展，并努力在实际中应用，以达到节省能量、提高磨损寿命和机械工作性能、解决极端工况条件下的摩擦、磨损、润滑问题的目的。

摩擦学的研究包括对机械动力学系统、润滑系统的数学物理的模型的建立、求解、实验与过程仿真：摩擦、磨损、润滑状态转化失效分析、混合润滑热分析及胶合系统动力学模拟研究：表面形貌与表面物理、表面化学特性对摩擦学过程影响的研究：为探索摩擦起源、解决分子尺度下的危机电系统的表面力学、润滑等基础理论所进行的分子动力学、固体表面粘着接触的微观力学和碳纳米管操纵的研究：以解决纳米工程中的摩擦问题为目标的有序分子膜、超滑技术、纳米级不薄膜润滑性能数值计算：与摩擦学、表面力学性能相关的微材料力学、功能材料力学性能研究、金刚石膜、类金刚石膜、Fe-N系膜制备及其性能研究：针对磁头磁盘性能进行的纳米颗粒材料.亚纳米级抛光、磁头表面改性研究：针对材料表面改性、表面强化而进行的准晶态合金涂层评定方法研究：电流变液应用基础、金属/陶瓷摩擦副缝纫摩擦系数主动控制研究：摩擦化学理论。原理。设计，以及金属磨损力化学修复原理与技术研究：大型机械运行过程建模、失效分析与故障诊断与基于油液分析的状态监测研究：新型润滑理论和润滑技术研究、新型摩擦学材料和润滑介质的分析与研制。摩擦磨损试验机是摩擦学领域不可或缺的研究手段和工具，岁随着摩擦学研究的扩展，各种形式和不同工况的摩擦试验机也应运而生

近年来，随着我国航天、军工及铁路提速等重大项目的启动，对材料在高温高速等极限条件下的耐磨性能提出了更高的要求，高温（800℃）高速（摩擦线速度为100m/s）摩擦磨损试验机就是应河南省耐磨材料国家重点实验室的要求，开发研制的研究材料在高温高速条件下耐磨性能所必须的模拟评定测试设备。早在2001年，该项目的立项就已经通过了由中科院兰化所薛群基院士、西北工业大学

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傅恒志院士、党鸿辛院士以及清华大学、上海交通大学、西南交通大学、武汉材料保护研究所等单位摩擦学学者组成的专家组的审核。

对于高温高速摩擦磨损试验机来说，最重要的指标就是温度和速度，经过技术查新咨询，目前在国内，清华大学研制过最高温度500℃，摩擦线速度3.8m/s的GWMJ-1型高温摩擦磨损试验机；北方交通大学曾自制过简易高速摩擦磨损试验机，技术指标为：常温，转速：4500r/min；宣化试验机厂开发的MG-2000型高温高速摩擦磨损试验机，控制温度最高也能达到800℃，但主轴转速最高3200r/min。

而本机的设计指标为：温度1000℃，主轴转速3000r/min。经技术查新咨询，国际上尚无此类试验机的文献资料。

该项目的研制成功，为摩擦学界提供了一种前所未有的实验手段，是当今试验机领域首创的高温高速模拟评定测试设备，是集机、电、液、微机控制于一体的高新技术产品，不仅能更进一步推动摩擦学科的发展，把材料学、摩擦学的研究带到一个新的高度，而且能产生巨大的经济效益，目前，沈阳金属研究所、中国科学院兰州化学物理研究所、中国科学院武汉材料保护研究所等单位均对该机表现了浓厚的兴趣，该机推广应用的前景非常广阔。

1.2高温高速摩擦磨损试验机国内外研究现状

摩擦磨损试验机有多种分类方式，例如载荷范围、摩擦运动方式、摩擦副等。据统计大概有200多种，可以按不同方法进行分类。最具有代表性的是前苏联按模拟摩擦面的破坏形式将摩擦磨损试验机分类。

早期的摩擦磨损试验机是通过纯粹的机械搭建起来的机器。它通过电机带动摩擦副往复运动来评定被测材料和油脂的特性。被测材料或油脂经过试验机的磨损后需要人为的取出然后做进一步的称重，表面纹理的观测等，再经过手动计算测出材料的特性。这种实验机仅仅能进行简单的静力加载，而且实验温度和电机扭矩等参量都没有一个准确的标准，很难与实际情况相适应。因为多少材料在实

际应用中的磨损所受的压力都为变力，如图1-1为往复式摩擦磨损试验机。

1变频电机；2曲柄盘；3连杆；4滑座；5试件；6磨头测温计；7配重砝码；8摩擦力传感器；9磨头；

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10支撑臂；11位移传感器；12支架；13加热装置；14计算机及电气控制系统；15转速计

图1-1 往复式摩擦磨损试验机示意图

进入上世纪90年代后，摩擦磨损试验机的构造逐渐完善，并且开始引入初级的测控系统。由于这些试验机在检测性能和自动化程度方面存在许多不足，有些试验机只能实现单参数控制，且大量数据处理和运算结果需要由人工来完成，已经不适应时代发展的要求。

变频电机经曲柄滑块机构驱动托架往复运动，试件安装在托架上并随托架一起运动，试件固定在活动基座上。工作载荷由砝码的重力产生，弹性支撑臂在摩擦力的作用下水平摆动，在小幅度情况下，位移与摩擦力成正比。支撑臂的另一端与位移传感器靠近，其垂直方向的位移量反映出试件磨损量的变化。工作时，托架导轨中必须加注润滑油。为使试验机的往复运动平稳、轻快，并具有较长的使用寿命，采用了精密直线导轨。这种试验机的缺点是它的负载不是连续加载的，而是通过砝码的重量来实时加载，这样试验所获得的数据并不是连续的变化量，对试验结果有一定影响，据测算误差高达25%。虽然该机器模拟了真实的工作情况，但是其测控系统仍然存在很多问题。比如在温度的测量上，它所测得的温度并不是摩擦面的真实温度，他测得摩擦头温度与实际有一定误差，而且在加热装置中并不是闭环的控制系统，使得温度的控制也有一定的误差。

要想模拟实际工况，需在试验中能对传动的速度，冲击的力量、频率，润滑的条件等方面实现自动控制，同时需对试验中摩擦力、冲击力、温度、载荷、速度、磨损率等工作参数或摩擦学特性参数等能实时进行数据采集。近十年来随着工程实际对材料性能的准确性要求越来越高，随着现代自动化测试技术和虚拟仪器迅速发展，以及计算机技术在控制、测量和数据分析等方面的应用，因此摩擦磨损试验机的测控系统得到了飞速发展。目前应用的摩擦磨损试验机已经实现的闭环自动化控制，可以按照给定程序自动进行连续的压力加载，同时通过各种传感器与调理电路直接及CUP的运算直接直观的给出材料的各种性能，更加智能化。例如电磁加载、液压加载等技术配合相应软件的使用可以实现对样品的恒力模式、线性增量模式等任意动态模式加载。动态加载技术的应用不但可以实现对复杂工况更真实的模拟，而且可以消除高速运转下传统机械加载带来的误差。

目前有许多摩擦磨损试验机利用LabVIEW平台来进行开发。利用虚拟仪器开发平台LabVIEW 开发的多功能摩擦磨损试验机智能测控系统以工控机为核心，集数据采集、数据处理、波形显示和试验环境控制为一体，实现了温度、速度、压力、力矩和摩擦系数的实时检测。利用I abVIEW 内嵌的C语言子程序使系统具有灵活而又强大的数据处理能力。

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1.3 发展趋势

虽然目前摩擦磨损试验机发展已经得到了很大发展，但是在某些领域仍然有待提高。例如在航空航天机械内部的摩擦是真空状态极限温度下的高负荷工作，如何能够贴近于现实的模拟这类恶劣的工作环境进行摩擦磨损试验仍然是一个难题。虽然目前国内对此也有一些特种摩擦磨损试验机的问世，但这些目前还无法形成商用，而且处于摸索阶段,以下是国内外公司的一些关于高温高压摩擦磨损试验机的产品。

1.3.1济南试金集团产品

图 1-2是济南试金集团的一种产品的图片。

图 1-2 屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机MM-U5G

该试验机主要用途：

该系列试验机是以滑动摩擦形式，在室温或高温以及改变润滑状态（无油润滑或浸油润滑）、负荷、速度、摩擦配偶材料、摩擦副表面粗糙度、硬度等参数的各种情况下，对环状试样施加较高的端面试验力进行试验。主要用于评定工程塑料、粉末冶金、合金轴承等材料在不同条件下的摩擦性能，可应用于选择摩擦副配对材料及材料抗磨损性能的研究。

表 1-1是该公司试验机的主要技术规格及参数：

表 1-1 济南试金集团试验机的主要规格和技术参数

主要技术参数 MM-U5G MM-U10G

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力范围 验力精度 主轴转速范围 主轴转速测量精度 最大摩擦力 摩擦力精度 温度测控范围 温度测控精度 时间设定

试验机外形尺寸 （长×宽×高） 试验机净重

1~5 kN ±1% 10~2000 r/min ± 10 r/min 300 N ±2% 室温~600 ℃

±2 ℃ 1 s~9999 min 1200×870×1700

850 kg

10 kN ±1% 300~2800 r/min ± 10 r/min 500 N ±3% 室温~600 ℃

试验机在下列条件下正常工作： (1) 在室温10 ℃~35 ℃的范围内； (2) 相对湿度不大于80%的环境中；

(3) 周围无震动，无腐蚀性和无强电磁干扰的环境中；

(4) 电源电压的波动范围不应超过额定电压的±10%；频率的波动不应超过额定频率的±2%；

(5) 地面安装，水平度为0.2/1000 1.3.2 美国CETR公司产品

图 1-3是美国CETR公司的多功能磨损试验机的实物图：

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图 1-3 多功能摩擦磨损实验机/ UMT TESTER

生产厂家：CETR(Center of trobology)，美国 规格指标：

(1) 最大垂直移动距离：100 mm；定位精度：0.5 μm；速度：0.001~10 mm/s； (2) 最大横向移动距离：75 mm； 定位精度：2 μm； 速度：0.0~10 mm/s； (3) 上试件旋转速度：1~50 RPM；

(4) 最大载荷：25 kg (0.25 kN)；力传感器测量范围：0.2~20 N(0.02 ~2 kg )； (5) 分辨率：0.05 N (5 g) ； (6) 温度测量范围：0 ℃ ~100 ℃； (7) 声发射传感器响应频率：0.5~5.5 MHz 功能介绍：

试验机的主要功能可进行多功能微摩擦试验和抛光试验。前者可作为多功能微摩擦试验机，可以在较大的载荷范围内进行销-盘式、往复式、四球式等摩擦磨损试验，还可以用来进行刻划试验以评价薄膜与基体的结合强度，也可以用来测量材料的微观硬度。后者可以模拟实际抛光的各种条件，如温度、压力、转速、被抛光材料、抛光垫材料、抛光液等等，可以用来研究以上多个工艺参数对抛光速率及抛光质量的影响。 1.3.3 瑞士CSM公司产品

图 1-4是瑞士CSM公司的摩擦磨损试验机。

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图 1-4瑞士CSM公司的摩擦磨损试验机

瑞士CSM公司是世界知名的表面力学性能测试设备制造商，数十年中，为世界范围的科研院所、工业用户提供了最先进的技术与应用服务。

CSM公司提供多种功能的摩擦磨损实验设备，按不同的载荷以及使用条件可分为以下几类：

(1) 纳米摩擦测试仪 NTR（Nano-tribometer）；

(2) 摩擦试验机 TRB（Tribometer pin-on-disk），可升级为真空摩擦试验机； (3) 高温摩擦试验机 THT（High temperature tribometer），可升级为高温真空摩擦试验机；

(4) 磨损测试仪 CAW（Calowear）；

(5) 膜厚测试仪 CAT（Calotest），分为工业与实验室用2种型号。 CSM公司的摩擦试验机主要用于测定自润滑涂层的使用寿命，以及表征固体材料或硬质涂层在不同条件下的摩擦磨损行为，用户可以通过改变摩擦时间、接触压力、运动速率、环境温度、湿度、润滑剂等参数得到材料的一系列性能指标。

一套完整的摩擦试验机系统包括以下组成： (1) 主机（CSM Tribometer）

(2) 计算机通信接口（PC interface box） (3) 数据处理工作站（Computer workstation）

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(4) 仪器操作及数据处理软件（WinXP平台）

(5) 附件（针式压头支架，球形压头支架，润滑剂容器，砝码，校正模块） 试验机的尺寸：

(1) 主机（Tribometer）：500 ×320 mm，550 mm height (2) 计算机接口（PC interface）：500 ×300 mm，50 mm height (3) 毛重：50 kg

建议安装环境：试验机应安装在振动较小的平台上。 图 1-5是该试验机的测试原理示意图。

图1-5 CSM公司摩擦磨损试验机测试原理。

试验机的测试原理是：

(1) 平头或圆形压头安放在被测样品上，用精确测定质量的砝码施加载荷； (2) 针或球安装在一支倔强系数很大的杠杆上，该杠杆被设计为无摩擦切向力传感器；

(3) 当盘式样品旋转时，压头和样品间产生的摩擦力会使杠杆发生轻微的弯曲，该形变程度可被固定在一起的线性差分位移传感器检测，并由此计算摩擦力的具体数值；

(4) 通过测量材料的损失体积可计算压头和样品的磨损系数。

我认为在未来的摩擦磨损试验机会向以下几个方向发展：（1）使用高性能的机械系统和加载系统。高调速比、高稳定性并可实现无级调速的变频电机、伺服电机等高性能电机的使用将使试验机的机械结构大大简化，而且还能降低试验机的摩擦损耗，提高整机的寿命和可靠性。高性能电机配合相应机械机构还能实现

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直线运动、旋转运动、往复振动等多种运动方式。（2）高精度测控系统、数据处理系统的应用。通过各种高精度传感器和控制器，可实现多种信号实时原位动态采集，并可通过闭环反馈调节系统，动态设定摩擦试验机的工作方式和运行参数。计算机工作站等将引入摩擦测试系统中，实现试验数据的自动采集、处理，并可对摩擦系数、转矩、速度、行程等关键参量自动数值计算，实现相关数据的动态显示、存储和打印。(3)实验温度的变化。由于未来材料需要能在高温下作用，因此对材料在高温条件下的摩擦实验越来越重要。（4）试验系统的多样化。在未来发展的摩擦磨损试验机中会出现多功能融合的实验设备，即可以进行油脂的评定同时也可以进行材料的磨损试验。

1.4本设计的主要内容

在本设计的主要内容主要涉及到的是销盘式高温高压摩擦磨损试验机的机械部分，不包含试验机的软件和电路部分，其中包含方案设计、分析与比较；主要还是研究摩擦磨损试验机结构涉及的相关计算（其中包括试验机的主要性能指标的确定、试验机的主传动系统的相关计算、电机的选择、主轴的计算及校核，轴承的校核等）；其次是摩擦磨损试验机的结构设计；最后附带设计图纸及外文翻译。

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第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分

析与比较

2.1试验机的整体分析

试验机的机械结构部分可以分为如下几个主要的系统：主传动系统、加载系统、摩擦盘夹持系统、摩擦销轴向和径向进给系统、加热及冷却系统等主要部分。对上述各个部分不同的方案进行组合，就可以得到不同的整体设计方案方案。

2.2不同设计方案的制定

通过比较，初步定下下面四种方案： 2.2.1设计方案一：

图 2-1是设计方案一的方案图。

图2-1 设计方案一的方案图

设计方案一各部分的组成：

(1) 主传动系统：变频器和三相异步电动机通过V带和带轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；

(2) 加载系统：采用伺服控制连续加载；

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(3) 摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；

(4) 摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动横梁内的一根丝杠，经过丝杠螺母的相互运动控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过步进电机和编码器带动立柱上的丝杠旋转，通过丝杠螺母副改变横梁的竖直方向的位置，来控制摩擦销的轴向位置；

(5) 加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。

2.2.2设计方案二：

图 2-2是设计方案二的方案图。

图 2-2 设计方案二的方案图

设计方案二各部分的组成：

(1) 主传动系统：变频器和三相异步电动机通过连轴器和主轴直接相连，带动摩擦盘旋转；

(2) 加载系统：采用弹簧加载；

(3) 摩擦盘夹持系统：采用螺栓螺母副将摩擦盘固定到主轴的上端； (4) 摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动横梁内的一根丝杠，经过丝杠螺母的相互运动控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过步进电机和编码器带动立柱上的丝杠旋转，通过丝杠螺母副改变横梁的竖直方向的位置，来控制摩擦销的轴向移动；

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(5) 加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。此外，主轴外用螺旋铜制冷却管包裹，冷却管内通入冷却水，对主轴进行冷却。

2.2.3设计方案三：

图 2-3是设计方案三的方案图。

图 2-3 设计方案三的方案图

设计方案三各部分的组成：

(1) 主传动系统：变频器和三相异步电动机通过连轴器和主轴直接相连，带动摩擦盘旋转；

(2) 加载系统：采用传统的弹簧加载；

(3) 摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；

(4) 摩擦销轴向和径向进给系统：通过步进电机和编码器带动底座支架上的丝杠旋转，通过丝杠螺母副带动立柱和横梁一起水平运动，来控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过手动旋转手轮和分度盘带动立柱内的一根丝杠，经过丝杠螺母的相互运动带动横梁的竖直方向的位置，来控制摩擦销的径向进给；

(5) 加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。

2.2.4设计方案四：

图 2-4是设计方案四的方案图。

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图 2-4 设计方案四的方案图

设计方案四各部分的组成：

(1) 主传动系统：变频器和三相异步电动机通过V带和带轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；

(2) 加载系统：采用传统的砝码加载；

(3) 摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；

(4) 摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动底座内的一根丝杠，丝杠螺母的相互运动控制横梁和立柱的整体的水平位置，来控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过立柱结构上的可旋转结构，使得横梁可以沿立柱上的某一点旋转一定的角度，用旋转来代替移动控制摩擦销的竖直位置；

(5) 加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。

2.3上述四种方案的分析比较

方案一采用V带传动，可以缓和载荷冲击而且运行平稳，无噪声，制造安装精度要求不是很严格，并且可以防止过载时对电机的损坏。但是带传动有弹性滑动和打滑，效率低而且不能保持准确的传动比，也就是不能保持主轴以一定的速度转动。主轴外无冷却装置，使得主轴在工作状态的高温下容易发生变形和损坏，降低了主轴的寿命和装置的测量精度。伺服控制连续加载虽然精确但设备复杂且

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成本很高，安装维修也不方便。手轮和分度盘控制销子沿盘的径向位移，结构简单，但是横梁刚性较差，对结果误差有较大的影响。立柱上采用步进电机带动丝杠螺母，结构复杂，成本高，降低了整个系统的刚度，但对系统测量精度的作用不大。

方案二电机通过连轴器直接和主轴相连，结构简单且紧凑。但减震性能不好，系统的震动较大。而且主轴和电机之间有直接的热量传递，降低了系统的热稳定性。主轴外有冷却装置，但由于上述的热传递作用，使得其作用不是很明显，而且由于空间较小，对主轴的冷却无法有效进行，安装维修也不方便。摩擦盘通过中间的螺栓孔与主轴上端直接相连，不易保持盘的整体性和运动的平稳性，而且对于尺寸不大的陶瓷等脆性材料，在摩擦盘的中间打孔也很难实现，并且盘的刚性大大降低。弹簧加载结构简单，但加载不精确，容易受到弹簧性能等外部因素的干扰，对实验结果影响很大。手轮和分度盘控制销子沿盘的径向位移，结构简单，但是横梁刚性较差，对结果误差有较大的影响。立柱上采用步进电机带动丝杠螺母，结构复杂，成本高，降低了系统的刚度，但对系统测量精度的作用不大。

方案三电机通过连轴器直接和主轴相连，结构简单且紧凑。但减震性能不好，系统的震动较大。而且主轴和电机之间有直接的热量传递，降低了系统的热稳定性。而且主轴外无冷却系统，使得在工作情况下，加热炉内的热量通过主轴连轴器直接传递给电机，主传动系统整体的温度较高，不易散热，对系统的刚度和寿命影响大，而且对测量结果会产生很大的误差。采用专用的摩擦盘夹持器结构较为合理。弹簧加载结构简单，但加载不精确，容易受到弹簧性能等外部因素的干扰，对实验结果影响很大。手轮和分度盘控制销子的轴向位移，效率低，速度慢，而且结构复杂。步进电机控制销子沿摩擦盘的轴向位移，结构复杂，成本较高，安装维修不方便。

方案四采用电机通过同步带带动主轴，可以缓和载荷冲击而且运行平稳，无噪声，且同步带传动无弹性滑动和打滑，效率高而且能保持准确的传动比，也就是能保持主轴以某一速度稳定地转动。主轴和电机之间的热影响很小。专用的摩擦盘夹持器保证了摩擦盘旋转时的精度，又可以保证其整体性，对于例如三角形硬质合金可专位车刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等的试件的夹持又有很大的优势。传统的砝码加载简单易行而且加载准确，误差较小。左边立柱和横梁是相对固定的，可以绕一个轴旋转一定的角度，使系统稳定性好，测量结果较精确，结构简单，而且工作效率比较高。手轮和分度盘控制横梁和立柱的整体位移来控制摩擦销沿摩擦盘的径向位移，结构简单，成本低，维修方便，而且有足够高的精度。

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2.4设计方案的确定

通过上面对四种设计方案的优缺点的分析比较，可以得出结论：方案四是这四种设计方案中比较合理的一种方案。该方案既可以满足设计精度的要求，又具有成本低，结构简单，安装维修方便等特点。

2.5本章小结

(1) 通过几个主要结构部分的不同的方案组合，给出四种不同的试验机总体设计方案；

(2) 综合分析比较四种方案各自的优缺点；

(3) 经过比较，得到这四种方案中最为合理的设计方案。

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第三章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算

3.1试验机的主要性能指标的确定

参考第一章中的各种试验机的参数，结合设计要求，确定该试验机的主要性能指标如下：

(1)主轴转速范围：0~3000 r/min，无级调速； (2)工作最高温度：1000 ℃；

(3)加载力的范围：0~20 N,采用砝码加载；

(4)样品盘尺寸：最大直径 d=80 mm,最大厚度 h=10mm； (5)最大试验力：20N。

3.2试验机的主传动系统的相关计算

由试验机的主轴转速范围和变速方式，可以选择变频调速三相异步交流电动机来实现。

因此该试验机的主传动路线为：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

3.2.1电机功率的计算【1，材料力学，2，机械设计】：

取摩擦盘和摩擦销之间的动摩擦系数 f=fmax=1

则摩擦产生的最大功率 Pm=Fv=fFn(2n/60)r (3-1) 其中： Pm是摩擦产生的最大功率（Kw）； F是相互作用力（N）； v是相对运动速度（m/s）；f是滑动摩擦系数； Fn是正压力（N）； r是摩擦力作用的相对旋转轴的距离(m)；

则Pm＝fmaxFn(2n/60)r201(23000/60)0.040.252Kw

同步带的传动效率 η1＝98% 滚动轴承的传动效率 η2＝98%

Pm

故电动机的输出功率 P出＝＝

0.2520.262Kw ,

0.980.9812

为使电动机的功率留有余量，负荷率取：0.85

P＝P出/0.85＝0.262/0.85＝0.308Kw 根据参考资料可知，选择的电机型号为： Y801-4

该电机的主要参数为： 额定功率 P=0.55Kw ；额定电流 3.8 A ； 额定转矩 10 N•m ； 同步转速 1500 r/min ；

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3.2.2同步带传动的计算：【3机械设计手册】

(1) 计算功率：

Pd＝kAP= 1.40(0.252/0.98)=0.36 Kw 式中： kA是同步带传动的工作情况系数见表3-1，

表3-1工作情况系数kA

据资料可取1.20，对增速传动，须将下列数字加进本表的kA 中，R=n1/n2=2，所以kA=1.2+0.2=1.4

(2) 选择带型和节距，由图3-1梯形同步带选型图可查得：

图3-1梯形同步带选型图

20

选择L型同步带，且节距p＝9.525 mm ； (3) 齿数：

可根据同步带的最小许用齿数确定。查表3-2得：

表3-2带轮最小许用齿数

选小带轮齿数： z1=16。故大带轮齿数为：z2= iz1=32 故：z1=16,z2=32 带轮节圆直径：

令D1、D2分别是两个带轮的节圆直径，则：

ZP329.525ZP169.52548.5 mm D2297 mm D1 =1=

（4）验证带速v：

vD1n6010003.1448.530007.61m/svmax40m/s 其

601000 21

中vmax= 40m / s；式中：n是小带轮的转速，r/min；由表3-3同步带允许最大线速度查得。

表3-3同步带允许最大线速度

式中： n是小带轮的转速，r/min；

（5）初定中心距a：

0.7(D1D2)a02(D1D2) （3-2） 令a0(D1D2)145.5mm

（6）初定带的节线长L0p及齿数z：

(D1D2)(D2D1)2145.596042a02145.5536mm

24a024145.5取标准节线长度：Lp588.8mm mm；齿数z＝56 ；

（7）实际中心距： LpL0P588.8536aa0145.5171.9mm

22（7） 小带轮啮合齿数zm：

zmz1pz1169.52516(zz)168 21222a222171.9L0p（8）基本额定功率P0：

(Tmmv2)v(2450.0957.612)7.61P01.822Kw

10001000（9）带宽b：

bnbn01.14P0.36d25.41.146.12mm

KLP11.8220式中： bn12.7mm

（10）轴上载荷：

FQ1000Pc10000.3647.3N v7.613.2.3主轴强度校核：【2机械设计十五章】

主轴受到的扭转力矩的作用远大于轴向力，轴向力对轴的作用可以忽略不计，

22

仅考虑扭转力矩对轴的作用即可。

切应力T：

T9.55106P/nT[T]MPa （3-3） 3WT0.2d式中： WT是轴的抗扭截面系数(mm3)；P是轴传递的功率(Kw)；n是轴的转速(r/min)；[T]许用切应力（MPa）；C是与轴截面有关的系数。

则轴的最小直径：d39.55106PP （3-4） C30.2[T]nn[T]45

C102主轴的材料选择 1Gr16N35；可取

d10230.2524.46；取d5 mm 3000即主轴上直径最小处：d5mm

3.2.4主轴上键的强度校核：【3，机械设计手册】

键的尺寸初步定为7724，则该键连接所能传递的转矩：

T1hl'd[p] (3-5) 4式中： d是轴的直径；l'是键的接触长度；h是键的高度；[p]是许用压强；取

d24,h7,l'24,[p]40，则

11Thl'd[p]724244040.32 N•m

44由于轴上受到的力最大为20 N，T远大于轴上实际受到的扭矩。 故键的强度满足要求。 3.2.5横梁的强度校核：

由于横梁受到的轴向和切向力最大均为20 N，而且摩擦销与横梁不是紧密接触，也就是力不是直接作用在横梁上。因而横梁受到的力很小，可以忽略不计，横梁强度在满足结构要求的前提下能够满足强度和刚度要求。 3.2.6丝杠螺母副的相关计算：【3，机械设计手册】

该丝杠螺母副主要用于传递运动，来控制摩擦销沿摩擦盘的径向位移。而没有很大的力的传递，因此其传递的力可以忽略不计。下面对丝杠螺母副进行结构设计，强度校核可以不计。

23

螺母的轴向位移：lSPx (3-6) 22式中： φ是螺杆转角（rad）；S是导程 (mm)；P是螺距 (mm)；x是螺纹线数；

令该螺纹为单线螺纹，则x＝1；

由于丝杠带动摩擦销的移动距离为40 mm，又要留下一定的余量，可令螺纹长度L＝40 mm；

设计使螺纹移动l=40mm时，手轮转动8圈，即：

2816 rad

P2l2405 mm x16由此可知：SPx515 mm 螺纹中径：d20.8F (3-7) pp式中： Ψ是螺母形式参数，整体式螺母取1.2~2.5，分体式螺母取2.5~3.5；pp是螺纹副许用压强，N/mm2；可取2,pp9；

带入数据，有：d20.8F200.80.843 mm pp29由系统结构特点，取：d220 mm ；

4 0螺母高度： Hd2220mm

H40810~12 旋和圈数：np5基本牙型高度：H10.5p0.552.5 mm 工作压强：pF200.0159pp

d2h1n3.142.5208工作压强满足要求。 为了保证自锁，螺纹升角: 3.2.7轴承的校核：

该系统三处用到了轴承：主轴、丝杠、以及横梁旋转轴处的轴承。这三处轴承均不用于承受载荷，仅仅起到支撑作用，受到的力很小，可以忽略不计；而且

 4°30 ′

螺纹牙根部的宽度：b0.65p0.6553.25 mm

24

其转速均远远低于轴承的极限转速。因此轴承的校核可以省略，而认为这些轴承的均满足设计要求。

3.3本章小结

(1) 根据相关资料，确定试验机的主要性能指标；

(2) 分别对电机、同步带、主轴、键、丝杠螺母、轴承等部分进行相关计算，进行结构设计和相应的强度校核。

25

第四章 摩擦磨损试验机的结构设计

4.1磨损试验机的整体结构

摩擦磨损试验机用CAD做出的二维装配图的整体外观效果如图 4-1所示。

（a）

(b)

26

图4-1摩擦磨损试验机的二维装配图

4.2摩擦球及其夹持器的设计

适合于高温摩擦磨损测试仪的测试球尺寸有 1.5 毫米、3 毫米、6 毫米、10 毫米（均为直径）。可以为不同直径的摩擦球配备不同内径的夹持器。摩擦球夹持器设计见图 4-2：

(a)

图 4-2 摩擦球夹持器

夹持器中间为中空结构，后面有螺纹，只需将测试球从夹具的后端放入并应用配套的零件旋紧即可。针对高温摩擦测试热胀冷缩的特点，可以在夹具中心加入微型弹簧以保证测试球始终保持被夹紧状态。

4.3摩擦盘夹持器的设计

由于摩擦盘尺寸相对较小，对于脆性材料摩擦盘进行试验，摩擦盘的加工尤其是钻中心孔难度很大，因此采用螺栓直接固定不适合。设计成专用的摩擦盘夹持器，如图4- 3所示：

27

(a\\)

（b）

图 4-3 摩擦盘夹持器

用螺纹副将摩擦盘夹持器固定在主轴上，使之随主轴一起旋转。在摩擦盘下面加上一个垫片，直径大小和摩擦盘相当，但厚度可调，装卸方便，用于夹紧不同厚度的摩擦盘，使这个夹持器更加通用化。在摩擦盘外面用一个盘盖定位，用

28

螺栓紧固夹紧。盘盖的结构如图 4-3(b)所示：

对于特殊形状而且尺寸较小的试件，例如可转位车刀刀片等，可以采用特制的镍合金盘型夹具来固定，如图 4-4所示：

（a）

（b）

29

图 4-4 可转位车刀专用夹具

4.4横梁的设计

将球安装在一支倔强系数很大的杠杆上，该杠杆被设计为无摩擦切向力传感器，当盘旋转时，压头和样品间产生的摩擦力会使杠杆发生轻微的弯曲，该形变程度可被固定在一起的线性差分位移传感器检测，并由此计算摩擦力的具体数值。通过测量材料的损失体积可计算压头和样品的磨损系数。横梁的设计如图 4-5：

(a)

(b)

30

图 4-5 横梁

在横梁的两侧可以加上线性差分位移传感器。摩擦销受力引起横梁中间的杠杆的微变形，位移传感器检测并指示出相对应的力的大小。

横梁的两个臂上开的槽是为了提高测量的灵敏度；横梁两侧与支架相连的部分有个5 mm的凸起，是为了使横梁的杠杆部分与其他零件分隔开，测量过程中减少部件之间的摩擦对测量结果的影响。

横梁右端的孔与摩擦销的配合采用过渡配合，既可以保证摩擦销的位置精度，又可以尽量避免和销在竖直方向上的摩擦力作用，以减少加载时对加载力精度的影响。

4.5支架的设计：

此试验机用到的的支架有三种形式，它们受的力都很小，满足结构要求的支架就能够满足受力的要求。

4.5.1与横梁相连接的支架：

该支架的作用是支撑、固定横梁，并带动横梁一起绕旋转轴旋转。图 4-6是不同角度下横梁的二维图。

（a）

31

(b)

图 4-6 横梁不同角度的视图

4.5.2与丝杠相连的支架：

该支架的作用是为横梁的旋转提供一个旋转轴，并且和丝杠相配合，控制摩擦销沿摩擦盘的轴向位置。横梁的旋转角度范围是由该支架的结构所限制的。

图 4-7是不同角度时与丝杠相连的支架的视图。

32

(a)

(b)

图 4-7 与丝杠相连的支架不同角度的视图

33

横梁的旋转角度的极限位置是由结构上的横挡板和45°的斜面限制的，它们和上述支架下端的两个面的相互作用来保证了旋转的位置。由于旋转仅仅为了使摩擦盘和摩擦销分开，或者装卸摩擦销，而对具体的旋转角度精度要求不是非常高，这种机械结构完全可以满足精度要求。

4.5.3与底板相连的支架：

图 4-8是不同角度时与底板相连的支架的视图。

（a）

图 4-8 与底板相连的支架不同角度的视图

该零件的作用是连接底板和上面的零件，为丝杠和导杆提供支撑，使上面的零件能够较为精确的到达要求的位置。

4.6本章小结

(1) 分别对试验机整体、摩擦球夹持器、摩擦盘夹持器、横梁和主要的支架进行功能分析和结构设计；

(2) 对试验机的部分零件和结构给出CAD二维图形表示。

34

第五章 结 论

高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的高温摩擦磨损性能进行测试和评价，是高速切削和新型刀具材料研制开发和应用的必备设备。因此本文对销盘式高温高速摩擦磨损试验机的原理和结构进行介绍，给出了试验机的基本参数，并对试验机的机械结构部分进行了相关设计、计算和计算机二维制图，为试验机的设计和实际制作提供了一定的依据和参考。

该设计在满足设计要求的前提下，力求结构简单，制造成本低廉，没有一味地追求高精度，适合进行实际的生产。设计中采用了较为简单的方法实现了相同的功能，例如在实现摩擦销和摩擦盘的分离和摩擦销的安装这个功能上，没有采用较高精度的电动机带动丝杠螺母这一结构，而是采用了简单的旋转结构这种纯机械结构来实现，既可以保证足够的精度，又可以简化结构，降低成本，制造、安装、维修都大为简化。此外，摩擦销、摩擦盘的设计都很灵活，可以适用于尺寸、结构都不同的摩擦副的试验，例如尺寸不同的摩擦球，不同形状的摩擦盘。同时也设计了相应的夹持系统，这充分体现了互换性设计的思想。

该设计只是针对摩擦磨损试验机的机械结构部分进行了相关的设计计算和仿真，而电气控制系统和检测系统还需要进一步的补充。

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致 谢

本次设计是在尊敬的周后明老师的悉心指导和严格要求下完成的，导师渊博的知识、严谨的治学态度、高度的责任心以及严于律己、待人诚恳的思想品德深深的影响着我，这不仅使我顺利完成了此项设计，而且也将成为使我受益终生的宝贵财富。从课题的选择到完成，周老师都始终给予我耐心细致的指导和不懈的支持，在此谨向周老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在完成设计的过程中，不仅把大学四年所学习的课程都总结了一遍，同时也学习到了很多新的知识，对于以后的工作打下了坚实的基础。在此次的设计过程中得到了许多同学的的热情帮助和鼓励，对此，表示深深的感谢和衷心的祝福。

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