往復(fù)式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[含CAD高清圖紙和文檔資料]
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1. 緒 論1.1摩擦磨損概述摩擦學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用科學(xué),研究材料摩擦磨損行為一般需要借助摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)量摩擦副的摩擦磨損特性等一系列參數(shù)。摩擦學(xué)是一門(mén)年輕而又古老的學(xué)科,是“研究相互接觸、相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的科學(xué)、技術(shù)及相關(guān)的實(shí)踐1”。摩擦磨損問(wèn)題存在于人類物質(zhì)活動(dòng)的各個(gè)方面。在汽車、發(fā)電設(shè)備、冶金、鐵道、宇航、電子和農(nóng)機(jī)等各方面的機(jī)械都大量存在著摩擦學(xué)的問(wèn)題。據(jù)估計(jì),全世界約有1/2l/3的能源以各種形式消耗在摩擦上,如果從摩擦學(xué)方面采取正確的措施,就可以大大節(jié)約能源消耗。磨損是機(jī)械零部件3種主要的失效形式之一,所導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的,大約有80的機(jī)械零件由于各種磨損導(dǎo)致失效2。特別是隨著物質(zhì)文明的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展,機(jī)械設(shè)備的開(kāi)發(fā)使用普遍趨于重載、高速、離效率化,如何控制和改善機(jī)械的摩擦磨損狀溫、提高其使用壽命和工作可靠性,已成為機(jī)械工業(yè)技術(shù)人員必須關(guān)注的問(wèn)題,并促使其研究不斷發(fā)展。1966年英國(guó)學(xué)者HPJost發(fā)表了著名的學(xué)術(shù)報(bào)告一潤(rùn)滑(摩擦學(xué))、教育和研究(Areporton the Present and lndustry Need),系統(tǒng)的闡述了“摩擦學(xué)(Tribology)”及其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重大意義并被人們普遍關(guān)注,也標(biāo)志著摩擦學(xué)發(fā)展成為一門(mén)包括摩擦、磨損和潤(rùn)滑在內(nèi)的跨學(xué)科的科學(xué)。摩擦學(xué)是研究在摩擦與磨損過(guò)程中相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間相互作用、變化及其有關(guān)的理論與實(shí)踐的一門(mén)科學(xué)。摩擦磨損則是“兩個(gè)接觸表面之間的由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的相互作用及物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。”摩擦與磨損是自然界中能量守恒和物質(zhì)守恒兩大基本規(guī)律的重要環(huán)節(jié),因?yàn)闇p少摩擦和磨損從本質(zhì)上也就是節(jié)省能量和提高材料利用率的問(wèn)題。在機(jī)器系統(tǒng)中,機(jī)器構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是最基本和最重要的功能。機(jī)器構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和接觸作用是通過(guò)摩擦副來(lái)實(shí)現(xiàn)的,同時(shí)也在摩擦副兩表面產(chǎn)生摩擦、磨損和潤(rùn)滑等物理現(xiàn)象。機(jī)器中任何一個(gè)摩擦副故障(摩擦學(xué)失效),都將導(dǎo)致機(jī)器相關(guān)部件或全部功能的失效。因此,摩擦副的摩擦磨損問(wèn)題是摩擦學(xué)研究的基本問(wèn)題和及其重大的課題,也是機(jī)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。摩擦學(xué)具有兩個(gè)重要屬性:(1)多學(xué)科性:摩擦學(xué)的研究涉及材料學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)、測(cè)試技術(shù)、物理和力學(xué)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域,摩擦學(xué)的發(fā)展需要多學(xué)科的高度交叉、融合和支持;(2)實(shí)踐性:摩擦學(xué)理論分析往往需要大量實(shí)驗(yàn)研究成果的支持,其應(yīng)用更是直接服務(wù)于各種生產(chǎn)實(shí)踐,因此,試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究對(duì)摩擦學(xué)學(xué)科的發(fā)展和工程實(shí)際問(wèn)題的解決縣有非常重要的作用,是一基礎(chǔ)性工程。機(jī)械零件摩擦磨損問(wèn)題的解決有賴于實(shí)驗(yàn)研究方法的進(jìn)步及其測(cè)試技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究,也有賴于多學(xué)科的交叉和融合。1.2摩擦磨損試驗(yàn)簡(jiǎn)介1.2.1摩擦磨損試驗(yàn)的目的和意義摩擦磨損試驗(yàn)的目的是為了對(duì)摩擦磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進(jìn)行研究,正確地評(píng)價(jià)各種因素對(duì)摩擦磨損性能的影響,從而確定符合使用要求的摩擦副元件的最優(yōu)參數(shù)。摩擦磨損試驗(yàn)研究的內(nèi)容非常廣泛,如探討摩擦、磨損和潤(rùn)滑機(jī)理以及影響摩擦、磨損的諸因素,對(duì)新的耐磨、減磨及摩擦材料和潤(rùn)滑劑進(jìn)行評(píng)定等。由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜,摩擦磨損條件不同,試驗(yàn)方法和裝置種類繁多,如何準(zhǔn)確地獲取摩擦磨損過(guò)程中的參數(shù)變化成為一個(gè)十分重要的研究課題。為了探索和驗(yàn)證機(jī)械工程中摩擦磨損問(wèn)題的機(jī)理以及有關(guān)影響因素,在摩擦學(xué)研究中開(kāi)展摩擦磨損測(cè)試技術(shù)和數(shù)據(jù)分析研究具有非常重要的作用。1.2.2摩擦磨損試驗(yàn)的方法由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜,試驗(yàn)方法和裝置種類繁多,試驗(yàn)數(shù)據(jù)受眾多因素的制約,往往難以進(jìn)行比較,所以有人提出建立摩擦磨損試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題以便建立統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范試驗(yàn)方法。近年來(lái),試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化已得到越來(lái)越多的國(guó)家和組織的重視。材料摩擦磨損性能是多種影響因素的綜合表現(xiàn),因而必須嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件,規(guī)范試驗(yàn)過(guò)程已獲得可靠的結(jié)論。目前采用的試驗(yàn)方法可以歸納為下列三類3:(1)實(shí)驗(yàn)室試件試驗(yàn)根據(jù)給定的工礦條件,在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行試驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)環(huán)境和工礦參數(shù)容易控制,因而試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性較高,實(shí)驗(yàn)周期短,試驗(yàn)條件的變化范圍寬,可以在短時(shí)間內(nèi)獲得比較系統(tǒng)的數(shù)掘。但由于實(shí)際條件與實(shí)際工礦的差異,因而試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)用性較差。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)主要用于各種類型的摩擦磨損機(jī)理和影響因素的研究,以及摩擦副材料、工藝和澗滑劑性能的評(píng)定。(2)模擬性臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M性臺(tái)架試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)所獲得的試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,根據(jù)所選定的參數(shù)設(shè)計(jì)易磨損零件,不需要在實(shí)際機(jī)器設(shè)備上進(jìn)行操作,只需要模擬機(jī)器零件的使用工礦條件進(jìn)行試驗(yàn)由于臺(tái)架試驗(yàn)條件接近實(shí)際工礦,增強(qiáng)了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。同時(shí),通過(guò)試驗(yàn)條件的強(qiáng)化和嚴(yán)格控制,也可在較短的時(shí)間內(nèi)獲得系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),還可對(duì)個(gè)別因素對(duì)磨損性能影響進(jìn)行單項(xiàng)研究。臺(tái)架試驗(yàn)的主要目的在于校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和零件磨損性能設(shè)計(jì)的合理性。這種模擬試驗(yàn)可以根據(jù)給定的工礦條件調(diào)節(jié)各種參數(shù)來(lái)分別測(cè)定其對(duì)摩擦磨損的影響,而且測(cè)得的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性和規(guī)律性較好,便于進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)狀態(tài)下還可以通過(guò)強(qiáng)化試驗(yàn)條件來(lái)縮短試驗(yàn)周期,減少試驗(yàn)費(fèi)用,可用來(lái)對(duì)機(jī)器元件的材料匹配特性和幾何形狀特性進(jìn)行檢測(cè)評(píng)定和優(yōu)化改進(jìn)。這類試驗(yàn)方法所得到的結(jié)果,有時(shí)不能完全反映出實(shí)際工礦條件下的復(fù)雜的摩擦磨損狀況,往往不能直接應(yīng)用,只有精確的模擬試驗(yàn)得到的結(jié)果才能有較好的實(shí)用性。臺(tái)架試驗(yàn)由于試驗(yàn)成本過(guò)高,而且會(huì)受許多干擾因素的影響,用模擬試驗(yàn)方法代替臺(tái)架試驗(yàn)是必要和經(jīng)濟(jì)的。1.2.3實(shí)際使用試驗(yàn)在上述兩種試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)實(shí)際零件進(jìn)行使用試驗(yàn)。這種試驗(yàn)的真實(shí)性和可靠性最好,它是檢驗(yàn)材料或工藝試驗(yàn)方案最有效的方案。但它也存在嚴(yán)重的缺陷:(1)實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)由于有些零件需要經(jīng)過(guò)幾個(gè)月甚至幾年的更換周期,如果重復(fù)幾次試驗(yàn),勢(shì)必需要較長(zhǎng)時(shí)間才能得到有效結(jié)果。(2)影響因素比較復(fù)雜,試驗(yàn)參數(shù)不易控制。在實(shí)際使用中,經(jīng)常會(huì)在不同工礦下運(yùn)行,由于運(yùn)行的條件不確定,試驗(yàn)結(jié)果受多種影響因素的制約,試驗(yàn)零件磨損量的測(cè)量比較困難,因而試驗(yàn)結(jié)果的通用性較差、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度不高,所取得的測(cè)試數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較差,隨機(jī)性較大,不便研究其摩擦磨損的規(guī)律性,也難以進(jìn)行單項(xiàng)因素對(duì)摩擦磨損影響的觀察。通常這種方法僅作為整機(jī)系統(tǒng)的摩擦磨損性能綜合評(píng)定的一種手段。(3)花費(fèi)多、收效少實(shí)際使用試驗(yàn)需要花費(fèi)較多的人力、物力、財(cái)力,試驗(yàn)周期較長(zhǎng),有時(shí)收效甚少,得到的常常是一些精確度不高的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在二十世紀(jì)二十年代以前,實(shí)際工礦試驗(yàn)應(yīng)用比較普遍。隨著近幾年室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展特別是磨損試驗(yàn)機(jī)的逐步完善,同時(shí)考慮到實(shí)際試驗(yàn)的某些困難和缺陷,實(shí)驗(yàn)室試件試驗(yàn)和模擬性臺(tái)架試驗(yàn)已逐步成為檢驗(yàn)和優(yōu)選材料方案的重要手段。1.2.4磨損實(shí)驗(yàn)步驟摩擦磨損試驗(yàn)一般要經(jīng)過(guò)以下三個(gè)階段:(1)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行大量的試樣磨損試驗(yàn)研究,預(yù)選材料、工藝方案及確定有關(guān)參數(shù);(2)在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí),進(jìn)行實(shí)際零件或簡(jiǎn)化試樣的磨損試驗(yàn),精選實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的影響及效果;(3)通過(guò)實(shí)際使用試驗(yàn)最后校驗(yàn)和確定研究方案實(shí)現(xiàn)的可能性及使用效果。這三個(gè)階段可以根據(jù)具體情況來(lái)安排和取舍,以確定試驗(yàn)重點(diǎn)和試驗(yàn)方案以及試驗(yàn)方法。實(shí)踐表明:摩擦磨損試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件不同,試驗(yàn)結(jié)果必然差異很大。所以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),應(yīng)當(dāng)盡可能地模擬實(shí)際工礦條件,如滑動(dòng)速度和表面壓力的大小和變化、表面層的溫度變化、潤(rùn)滑狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)條件和表面接觸形式等等,對(duì)于高速摩擦副的磨損試驗(yàn),溫度影響是主要問(wèn)題,應(yīng)當(dāng)使試件的散熱條件和溫度分布接近實(shí)際情況。在低速摩擦副的試驗(yàn)中,由于磨合時(shí)間較長(zhǎng),為了消除磨合對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,可以預(yù)先將試件的摩擦表面磨合加工,以便形成與使用條件相適應(yīng)的表面品質(zhì)。對(duì)于未經(jīng)磨合的試件,在試驗(yàn)初期,試驗(yàn)數(shù)據(jù)受試件表面品質(zhì)的影響較大,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差,一般不宜采用。1.3摩擦試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1910年第一臺(tái)磨料磨損試驗(yàn)機(jī)問(wèn)世,1975年美國(guó)潤(rùn)華工程學(xué)會(huì)(AlSE)編著的“摩擦磨損裝置”一書(shū)中所公布得不目類型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)已有上百種4 僅幾十年來(lái),摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)方法有了較大發(fā)展,但價(jià)格都比較昂貴。80年代初美國(guó)的Soemantri S等人最早從事高溫磨損試驗(yàn)機(jī)的研究,共研制了三臺(tái)高溫磨料磨損試驗(yàn)機(jī)5。并在這些試驗(yàn)機(jī)上研究了純鋁和純銅在室溫400范圍內(nèi)大氣氣氛下磨料磨損的特性。80年代末德國(guó)的Fischer A等人在總結(jié)前人對(duì)試驗(yàn)機(jī)研究的基礎(chǔ)上,研制了一臺(tái)氣氛可控的高溫三體磨損試驗(yàn)機(jī)6。該機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)是氣氛可控、嚴(yán)格保證試驗(yàn)的主要因素(溫度、磨料、載荷等)固定,試驗(yàn)數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。主要缺點(diǎn)是:上試件矩形缺口處未留倒角,磨料不易進(jìn)入磨面,易發(fā)生粘著磨損;耐高溫工件部位未設(shè)冷卻系統(tǒng),影響設(shè)備精度;同時(shí)由于該機(jī)未考慮高溫氧化對(duì)磨損的影響,在該機(jī)上測(cè)定高溫氧化與磨損的交互作用時(shí)誤差較大。90年代西交大的邢建東等人研制的高溫磨損試驗(yàn)機(jī)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。試樣夾上相同成分的3個(gè)試樣受載荷作用于表面鋪有松散磨料的砂輪上,由于試樣和砂輪及其松散磨料間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生兩體和三體混合磨料磨損7。該機(jī)即可嚴(yán)格控制溫度,一次3個(gè)試樣可減少重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)。但其主要不足是:(1)試樣總在同一軌跡上反復(fù)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(shí)際工礦相差較遠(yuǎn)。近年來(lái),西交大吳文忠、邢建東等人在Fi scher A的高溫氧化磨損試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上,研制的一臺(tái)高溫氧化三體磨損試驗(yàn)機(jī),該機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是:摩擦學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理;氣氛可控,溫度可控;關(guān)鍵部件設(shè)有冷卻系統(tǒng)。主要不足是:密封還存在一些問(wèn)題;冷卻系統(tǒng)還不夠完善;氣氛成分不能定量測(cè)定等。太原理工大學(xué)的楊學(xué)軍等研制了的一臺(tái)高溫銷盤(pán)磨損試驗(yàn)機(jī),該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,加熱溫度可控,能在1000范圍內(nèi)對(duì)各種金屬材料的摩擦磨損特性進(jìn)行研究,摩擦速度可調(diào),所加載荷穩(wěn)定,試樣磨損均勻,對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的變化反應(yīng)敏感8。北方交大的李霞等研制的高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。其最大滑動(dòng)速度可達(dá)70m/s,可以測(cè)量高速狀態(tài)下的摩擦學(xué)參數(shù);可以模擬高速列車制動(dòng);可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)試數(shù)掘的顯示與同步紀(jì)錄9。崔周平等人研制的MT-1型真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),該機(jī)可以提供從大氣到6.710Pa的壓力環(huán)境;測(cè)量的參數(shù)較多,除了測(cè)力和速度等參數(shù)外,還可以測(cè)量溫度和摩擦引起的震動(dòng)頻率等;同時(shí)具有較為完善的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)10;只須改變夾具及其附件,便可實(shí)現(xiàn)多種接觸形勢(shì)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式,以及不同的系統(tǒng)剛度和震動(dòng)特性,拓寬了試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用范圍。哈工大的宋寶玉等人研制的SYI型真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),可以提供410。Pa的壓力環(huán)境,速度在02800r/min范圍內(nèi)可調(diào)11,并且可以自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。該機(jī)可以在真空、不同氣體環(huán)境、加熱及冷卻等多種條件下測(cè)定材料的磨擦性能。北方交大的徐雙滿等人為了研究機(jī)車柴油機(jī)缸套一活塞環(huán)材料的摩擦學(xué)性能研制一臺(tái)往復(fù)式銷塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),該試驗(yàn)機(jī)可以在一定范圍內(nèi)實(shí)行載荷、速度、潤(rùn)滑脂的單因素控制12,但該試驗(yàn)機(jī)磨損量的測(cè)量采用的是不連續(xù)的稱重法。1.4摩擦試驗(yàn)機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,摩擦磨損測(cè)試技術(shù)呈快速發(fā)展之勢(shì),摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)呈以下發(fā)展趨勢(shì)13(1)以高性能的電機(jī)系統(tǒng)取代機(jī)械變速系統(tǒng)目前,高性能的電機(jī)系統(tǒng)己經(jīng)比較成熟,調(diào)速比可以達(dá)到一比幾百、幾千甚至更高。利用這種系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng),也可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)。由高性能電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸,不僅能使機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,而且還能降低試驗(yàn)機(jī)的摩擦損耗,提高整機(jī)的壽命和可靠性。但高性能電機(jī)系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴。(2)在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格低廉,操作簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定,不僅可以取代以往的二次儀表對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行控制,而且還可以對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)處理,因而能使試驗(yàn)機(jī)的功能大大加強(qiáng)。(3)改進(jìn)測(cè)試手段。(4)提高穩(wěn)定性,提高測(cè)試精度。提高試驗(yàn)機(jī)的穩(wěn)定性,以使試驗(yàn)結(jié)果具有更好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。業(yè),年市場(chǎng)容量約為1000億美元。像國(guó)際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線及物流與倉(cāng)儲(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備的集成供應(yīng)商。摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的種類繁多,分類的方式各不相同,最具代表性的分類方法有蘇聯(lián)的分類法和美國(guó)潤(rùn)滑工程師協(xié)會(huì)的分類法。前者是根據(jù)模擬摩擦面的破壞形式,以便于查明各種影響因素,將摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分為8種類型;后者是根據(jù)摩擦副的幾何形狀,為便于在選定了摩擦副的形式之后去查找相應(yīng)的試驗(yàn)裝置和了解該裝置的主要技術(shù)指標(biāo)而將試驗(yàn)機(jī)分為12個(gè)大類。桂長(zhǎng)林在文獻(xiàn)14中參照磨損類型的分類提出了一種按摩擦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行分類的新方法。這種分類方法突出了摩擦元素的特點(diǎn)和對(duì)試驗(yàn)的特殊功能要求,從而便于采用設(shè)計(jì)方法學(xué)原理對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種方法將摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分成了4大類:(1)是固體固體摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)這類試驗(yàn)機(jī)根據(jù)摩擦副的運(yùn)動(dòng)形態(tài)又分為5小類,即單項(xiàng)滑動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)(含滾滑)、沖擊和微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(根據(jù)需要可以在摩擦元素間加或不加潤(rùn)滑劑)。每一小類試驗(yàn)機(jī)的摩擦副形式又有很多種,因而它們又各包含有多種形式的試驗(yàn)機(jī)??梢哉J(rèn)為,大部分摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)種都屬于這一大類,它們可以重現(xiàn)粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和摩擦化學(xué)磨損。從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,這一大類試驗(yàn)機(jī)體現(xiàn)了摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。根據(jù)試件的磨損特性和運(yùn)動(dòng)特性可以將其分為3小類,即三體磨粒磨損、二體磨粒磨損和動(dòng)載磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)。與第一類試驗(yàn)機(jī)相比,三體磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)要在摩擦副的摩擦面上加磨粒。固定磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)的摩擦副一方是固定磨粒(一般都采用砂布盤(pán)),另一方則可設(shè)計(jì)成各種不同形式,其特例是研究單個(gè)磨粒磨損的試驗(yàn)機(jī)。在這一小類試驗(yàn)機(jī)中,摩擦副多為銷一盤(pán)式(轉(zhuǎn)動(dòng))或銷一板式(往復(fù)運(yùn)動(dòng))。為了防止偏磨,銷設(shè)計(jì)成能夠自旋,但是摩擦路跡一般不重復(fù)。自由磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)可以設(shè)計(jì)成試件運(yùn)動(dòng)、磨粒運(yùn)動(dòng)和試件與磨粒C時(shí)運(yùn)動(dòng)等3種形式。(2)是固體液體加磨粒(或固體一液體)的試驗(yàn)機(jī)該類試驗(yàn)機(jī)的最大特點(diǎn)是使含磨粒(或不含磨粒)的液體沖刷固體表面,因而其關(guān)鍵是要在試件表面形成具有一定流速的液流。通常利用泵、勢(shì)能和離心力來(lái)實(shí)現(xiàn)這種目的。從相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理出發(fā),也可以讓試件相對(duì)于液體運(yùn)動(dòng)。液流和試件形成的沖擊角是一個(gè)重要參數(shù),通常要求可調(diào)。(3)是固體氣體加磨粒的試驗(yàn)機(jī)其功能是使含磨粒的氣流去沖刷固體表面。作為這類試驗(yàn)機(jī)的特例是單顆磨粒沖擊裝置。這種試驗(yàn)機(jī)有以下三種形式:1)供氣系統(tǒng)加磨粒加噴咀加試件;2)高速運(yùn)動(dòng)的試件加供給的磨粒。這種試驗(yàn)機(jī)一般都要抽真空,以避免轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象對(duì)磨損的影響;3)利用離心力拋出磨粒。對(duì)于這類試驗(yàn)機(jī)來(lái)說(shuō),磨粒向試件的沖擊角也是一個(gè)重要參數(shù),同樣要求可調(diào);4)是除了以上所述之外的特殊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)??煽剌d荷、可控氣氛、高溫或低溫磨損試驗(yàn)機(jī)均可歸入此類。這類試驗(yàn)機(jī)在摩擦過(guò)程中摩擦元素所受的載荷是變化的。可控氣氛摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)有抽真空、通入或不通入特種氣體和控制或不控制濕度等特殊要求。密封問(wèn)題對(duì)這類試驗(yàn)機(jī)而言十分重要,非接觸式傳動(dòng)磁力傳動(dòng)在這類試驗(yàn)機(jī)上也得到了充分的應(yīng)用。高溫或低溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)要求在高溫或低溫下工作,因而需要考慮高溫隔熱和低溫防護(hù),其選材也要能夠滿足高溫或低溫要求。1.5摩擦試驗(yàn)機(jī)的影響因素(1)運(yùn)動(dòng)形式的影響運(yùn)動(dòng)形式與試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)的摩擦副結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式一般是固定的,但也有一些多功能試驗(yàn)機(jī)的摩擦副和運(yùn)動(dòng)形式均可通過(guò)添加附件而加以改變。例如,美國(guó)FALFX公司的多功能試樣測(cè)試機(jī)在添加附件以后,就可以形成球一平面、四球、板一板(面接觸)、液體浸蝕、針一盤(pán)和滾動(dòng)四球等多種摩擦副形式。試驗(yàn)機(jī)上摩擦副的最基本運(yùn)動(dòng)形式一般有以下4種,即滑動(dòng)、滾動(dòng)、自旋和沖擊。在試驗(yàn)機(jī)上,對(duì)運(yùn)動(dòng)形式都有明確的規(guī)定,但對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置精度卻要求不高,因此這方面的要求可忽略。(2)負(fù)荷的影響負(fù)荷是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù),其在試驗(yàn)過(guò)程中一般應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定。試驗(yàn)機(jī)對(duì)負(fù)荷的精度要求很高,國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷示值的相對(duì)誤差為士lIo要滿足負(fù)荷精度的要求,就必須考慮在試驗(yàn)機(jī)上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力。目前摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)比較常用加載方式有機(jī)械式、液壓式和電磁式三種。其中,機(jī)械式加載又可分為杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載或以上三種加載形式的組合,杠桿加載和重物直接加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,載荷穩(wěn)定,不存在負(fù)荷保持的問(wèn)題,加載精度高,但當(dāng)摩擦副運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)卻會(huì)引起振動(dòng)和沖擊;彈簧加載產(chǎn)生的振動(dòng)比較小,但是,彈簧加載的精度不高,難于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精確調(diào)整。液壓式加載包括動(dòng)壓加載和靜壓加載兩種,但液壓加載很難保持負(fù)荷穩(wěn)定。電磁加載易于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的自動(dòng)控制,但其弱點(diǎn)是控制部分的成本較高,而且在已有摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上使用還比較少。(3)恒比壓的影響目前使用的多種類型的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),對(duì)恒比壓有比較高的要求。目前試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)恒比壓的方法有:1) 從摩擦副的結(jié)構(gòu)上保證摩擦過(guò)程中接觸面積不變,借以在負(fù)荷不變的條件下實(shí)現(xiàn)恒比壓;2) 在試驗(yàn)過(guò)程中隨著接觸面積的增大,依照一定的規(guī)律增大負(fù)荷以實(shí)現(xiàn)恒比壓。日本東京試驗(yàn)機(jī)制作所生產(chǎn)的理研一大越式高速磨損試驗(yàn)機(jī)就是利用這種方法實(shí)現(xiàn)恒比壓的;3) 同時(shí)測(cè)量摩擦副的接觸面積和試驗(yàn)負(fù)荷,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,給出負(fù)荷的控制信號(hào),使負(fù)荷隨著接觸面積的變化而變化,從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中的恒比壓。這種方式先進(jìn)、可靠,然而實(shí)施難度很大。這是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中摩擦副的接觸面積不易測(cè)量,故其至今尚未得到實(shí)際應(yīng)用。(4)滑動(dòng)速度的影響滑動(dòng)速度的大小對(duì)摩擦磨損往往具有關(guān)鍵性的意義8。因而也是摩擦磨損試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)?;瑒?dòng)速度的方向有單向和往復(fù)兩種,后者又可以分為擺動(dòng)式和往復(fù)直動(dòng)式。在試驗(yàn)機(jī)上既可以用機(jī)械方式(如凸輪機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng),也可以由電機(jī)(如伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī))來(lái)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)。往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)通常是用曲柄滑塊等往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)機(jī)的速度大小一般都要求可調(diào),所能采用的方式有級(jí)調(diào)速和無(wú)級(jí)調(diào)速兩種。有級(jí)調(diào)速是利用變換齒輪或皮帶輪速度比等方法實(shí)現(xiàn)的。無(wú)級(jí)調(diào)速可通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn):一種是機(jī)械式無(wú)級(jí)調(diào)速(如摩擦輪和差動(dòng)輪系等),但其調(diào)速范圍不大,另一種是使用無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)進(jìn)行,這種方式的調(diào)速范圍很大,如直流伺服電機(jī)的調(diào)速范圍可達(dá)1-2000r / min(下限還可以更低)。當(dāng)采用電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí),一般都要求速度穩(wěn)定,因而常采用速度控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。(5)溫度的影響溫度是摩擦磨損試驗(yàn)的又一個(gè)重要參數(shù)。有些試驗(yàn)對(duì)環(huán)境溫度有其特定的要求,如高溫條件或低溫條件。高溫試驗(yàn)通常采用電阻絲加熱,也可以借助于高頻加熱等。對(duì)于高溫試驗(yàn)機(jī),既要考慮加熱部件和其他部件的隔熱問(wèn)題,又要針對(duì)加熱溫度很高的特定情況同時(shí)考慮其加熱部件的選材問(wèn)題。低溫試驗(yàn)機(jī)常采用適當(dāng)?shù)闹评浞椒ㄊ乖嚰車木植凯h(huán)境保持低溫,也可以將摩擦副浸泡在制冷劑中實(shí)現(xiàn)低溫。(6)氣氛的影響有些試驗(yàn)研究要求對(duì)氣氛進(jìn)行控制(如真空試驗(yàn))。在只要求控制濕度的場(chǎng)合,簡(jiǎn)易的辦法是將摩擦副部分加一個(gè)有較好密封性能的罩子,再在其中放置一些盛水的盒子即可調(diào)節(jié)濕度。當(dāng)然,濕度調(diào)節(jié)也可以在濕度傳感器控制下自動(dòng)地進(jìn)行。此外,用于真空條件下摩擦磨損研究的試驗(yàn)機(jī)對(duì)真空度的要求較高。實(shí)現(xiàn)真空可以使用真空泵,在這里密封問(wèn)題很重要,尤其動(dòng)密封往往是令人頭疼的問(wèn)題。為了提高真空度,有些試驗(yàn)機(jī)上采用了磁力傳動(dòng),借以少用或不用動(dòng)密封。(7)試驗(yàn)時(shí)間的影響試驗(yàn)時(shí)間一般是依具體情況而定,大多數(shù)試驗(yàn)機(jī)沒(méi)有配備定時(shí)裝置。要在試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制,可以采用定時(shí)器控制動(dòng)力源,也有的是根據(jù)摩擦力或摩擦力矩的極限值來(lái)控制停機(jī)。這種控制方法對(duì)試驗(yàn)機(jī)也起著過(guò)載保護(hù)作用。1.6往復(fù)式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)的選題背景摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表而間的摩擦、潤(rùn)滑和磨損,以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門(mén)交叉學(xué)科。摩擦學(xué)研究的對(duì)象很廣泛,在機(jī)械工程中主要包括動(dòng)、靜摩擦零件表而受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊;機(jī)械制造工藝的摩擦學(xué)問(wèn)題;彈性體摩擦;特殊工況條件下的摩擦學(xué)問(wèn)題;深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤(rùn)滑劑稀釋和防漏密封等情況下的摩擦。摩擦學(xué)涉及許多學(xué)科。如完全流體潤(rùn)滑狀態(tài)的滑動(dòng)軸承的承載油膜,基本上可以運(yùn)用流體力學(xué)的理論來(lái)解算。在計(jì)算摩擦阻力時(shí)則需要認(rèn)真考慮油的流變性質(zhì),甚至要考慮瞬時(shí)變化過(guò)程的效應(yīng),而不能把它簡(jiǎn)化成牛頓流體。為了了解磨損的發(fā)生發(fā)展機(jī)理,尋找各種磨損類型的相互轉(zhuǎn)化以及復(fù)介的錯(cuò)綜關(guān)系,需要對(duì)表面的磨損全過(guò)程進(jìn)行微觀研究。僅就油潤(rùn)滑金屬摩擦來(lái)說(shuō),就需要研究潤(rùn)滑力學(xué)、彈性和塑性接觸、潤(rùn)滑劑的流變性質(zhì)、表而形貌、傳熱學(xué)和熱力學(xué)、摩擦化學(xué)和金屬物理等問(wèn)題,涉及物理、化學(xué)、材料、機(jī)械工程和潤(rùn)滑工程等學(xué)科2. 往復(fù)式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)本課題是往復(fù)式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要任務(wù)是完成試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì),主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、往復(fù)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、加熱裝置的設(shè)計(jì)。在本章中對(duì)試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、往復(fù)結(jié)構(gòu)、加載結(jié)構(gòu)、加熱裝置等進(jìn)行了選擇確定。2.1往復(fù)式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)由于本論文涉及的往復(fù)式高溫摩擦磨試驗(yàn)機(jī)主要面向小型企業(yè),所以該試驗(yàn)機(jī)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠適合高速高溫運(yùn)動(dòng),工作范圍較大,成本較低,操作簡(jiǎn)單,控制方便。我們?cè)O(shè)計(jì)的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:(1) 載荷范圍:小于100N;(2) 主軸轉(zhuǎn)速范圍:0-600r/min,無(wú)級(jí)調(diào)速; (3) 摩擦溫度的測(cè)量范圍:室溫500;(4) 試樣尺寸:小于100mm; (5) 往復(fù)行程:200mm。2.2各結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案2.2.1往復(fù)結(jié)構(gòu)的選擇常見(jiàn)的能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)可以分為以下3種:(1) 凸輪機(jī)構(gòu):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、運(yùn)動(dòng)范圍大、難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng),多用于裝配、價(jià)格低的場(chǎng)合。(2) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu):工作范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、定位精度較高、占地面積小,是較早使用的結(jié)構(gòu)形式。 (3) 齒輪機(jī)構(gòu):結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、較好的姿態(tài)確定性、適應(yīng)性好,缺點(diǎn)是坐標(biāo)計(jì)算和控制復(fù)雜。綜合比較以上3種形式的往復(fù)結(jié)構(gòu),由于本設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且成本不能較高,工作范圍較大,結(jié)合各個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),因此本設(shè)計(jì)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。2.2.2往復(fù)結(jié)構(gòu)的主要部件及運(yùn)動(dòng)在往復(fù)結(jié)構(gòu)的基本方案選定后,根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù),為了滿足設(shè)計(jì)要求,本往復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2個(gè)運(yùn)動(dòng),即回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng),將連桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng),如圖2-1所示。本往復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由4個(gè)大部件組成:(1) 轉(zhuǎn)盤(pán):通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(2) 連桿:通過(guò)開(kāi)口銷與轉(zhuǎn)盤(pán)相連實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。(3) 導(dǎo)桿:利用和連桿相連并通過(guò)導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。(4) 導(dǎo)向裝置:用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)桿的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖2-1 往復(fù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-1 Construction of twin bed reciprocating grate schematic drawing 2.2.3驅(qū)動(dòng)方式的選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是摩擦試驗(yàn)機(jī)的重要組成部分, 摩擦試驗(yàn)機(jī)的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置的選擇。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 摩擦試驗(yàn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。本次設(shè)計(jì)根據(jù)性能要求采用電動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便等優(yōu)點(diǎn)。因此,摩擦試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方案。2.2.4加載機(jī)構(gòu)的選擇 負(fù)荷是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù),其在試驗(yàn)過(guò)程中一般應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定。試驗(yàn)機(jī)對(duì)負(fù)荷的精度要求很高,國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)負(fù)荷示值的相對(duì)誤差為士1%。要滿足負(fù)荷精度的要求,就必須考慮在試驗(yàn)機(jī)上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力。目前摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)比較常用加載方式有機(jī)械式、液壓式和電磁式三種。其中,機(jī)械式加載又可分為杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載或以上三種加載形式的組合,杠桿加載和重物直接加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,載荷穩(wěn)定,不存在負(fù)荷保持的問(wèn)題,加載精度高,但當(dāng)摩擦副運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)卻會(huì)引起振動(dòng)和沖擊;彈簧加載產(chǎn)生的振動(dòng)比較小,但是,彈簧加載的精度不高,難于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精確調(diào)整。液壓式加載包括動(dòng)壓加載和靜壓加載兩種,但液壓加載很難保持負(fù)荷穩(wěn)定。電磁加載易于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的自動(dòng)控制,但其弱點(diǎn)是控制部分的成本較高,而且在已有摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上使用還比較少。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,我們最終選擇彈簧加載系統(tǒng),通過(guò)和應(yīng)變片傳感器技術(shù)相結(jié)合可以達(dá)到精確測(cè)量壓力的要求,所以本試驗(yàn)機(jī)采用彈簧加載系統(tǒng)。圖2-2 彈簧加載示意圖Fig. 2-2 Spring on-board schematic drawing2.2.5高溫加熱裝置的選擇 高溫加熱裝置主要包括以下三種(1)電烙鐵加熱裝置(如圖2-3所示):優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,缺點(diǎn)是功率小,度難以提高。圖2-3 電烙鐵加熱示意圖Fig. 2-3 Heated ironschematic drawing(2)電阻爐加熱裝置(如圖2-4所示):優(yōu)點(diǎn)是溫度較高而且操作方便,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)較高。圖2-4 電阻爐加熱示意圖Fig. 2-4 Heated resistance furnace schematic drawing(3)電阻絲加熱裝置(如圖2-5效果所示):優(yōu)點(diǎn)是溫度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,而且配合熱電偶可以實(shí)現(xiàn)溫度的控制,便于操作和達(dá)到試驗(yàn)溫度的目的。圖2-5 高溫示意圖Fig. 2-5 Spring on-board schematic drawing根據(jù)設(shè)計(jì)要求,我們最終選擇電阻絲,通過(guò)和熱電偶傳感器技術(shù)相結(jié)合可以達(dá)到精確測(cè)量溫度的要求,所以本試驗(yàn)機(jī)采用電阻絲加熱裝置。各個(gè)裝置方案確定后,往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)整個(gè)結(jié)構(gòu)也就出來(lái)了,示意圖如圖2-6所示:電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),連桿帶動(dòng)導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng),通過(guò)導(dǎo)向裝置將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),導(dǎo)桿帶動(dòng)下試樣夾具沿著導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。加載系統(tǒng)通過(guò)螺母向下旋轉(zhuǎn)從而壓住加載頭使其向下運(yùn)動(dòng),進(jìn)而壓縮彈簧從而對(duì)上試樣夾具產(chǎn)生壓力,上試樣對(duì)下試樣壓迫,從而實(shí)現(xiàn)在一定壓力下,測(cè)試摩擦性能。高溫加熱裝置通過(guò)電阻絲進(jìn)行加熱,溫度通過(guò)熱電偶進(jìn)行測(cè)量以便對(duì)溫度進(jìn)行控制。由于溫度較高,在箱體各個(gè)側(cè)板內(nèi)都安置隔熱層,避免損傷的發(fā)生。圖2-6 摩擦試驗(yàn)機(jī)示意圖Fig. 2-6 Friction testing machine schematic drawing1轉(zhuǎn)盤(pán) 2連桿 3導(dǎo)桿 4螺釘 5導(dǎo)向裝置 6左側(cè)板 7上側(cè)板 8螺母9螺桿 10加載頭 11套筒 12熱電偶 13隔熱層 14右側(cè)板 15電阻絲 16彈簧 17上試樣夾具 18滾珠 19螺釘 20上試樣 21下試樣 22下試樣夾具 23導(dǎo)軌 24試驗(yàn)臺(tái). 往復(fù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1往復(fù)結(jié)構(gòu)的基本要求(1) 能夠?qū)崿F(xiàn)一定的往復(fù)運(yùn)動(dòng),并且在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中能夠保證其平穩(wěn)性和安全性,而且便于操作和控制。(2) 往復(fù)結(jié)構(gòu)應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于設(shè)計(jì)。3.2設(shè)計(jì)計(jì)算及校核3.2.1電動(dòng)機(jī)的選取電動(dòng)機(jī)是專門(mén)工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件,選擇電動(dòng)機(jī)包括確定類型、結(jié)構(gòu)、功率和轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式主要根據(jù)電源,工作條件和載荷特點(diǎn)來(lái)選擇。本結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇交流三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。 電動(dòng)機(jī)選取應(yīng)綜合考慮的問(wèn)題(1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求,選擇電動(dòng)機(jī)類型。(2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求,考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,選擇電動(dòng)機(jī)功率,并確定冷卻通風(fēng)方式。所以選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量,負(fù)荷率一般去0.80.9。過(guò)大的備用功率會(huì)使電機(jī)效率降低,對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī),其功率因數(shù)將變壞,并使按電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)強(qiáng)度的生產(chǎn)機(jī)械造價(jià)提高(3)根據(jù)使用場(chǎng)所的環(huán)境條件,如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)方式,選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因數(shù)的要求,確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類型。(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)程性能的要求,以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度,選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。除此之外,選擇電動(dòng)機(jī)還必須符合節(jié)能要求,考慮運(yùn)行可靠性,設(shè)備的供貨情況,備用備件的通用性,安裝檢修的難易,以及產(chǎn)品價(jià)格,建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行和維修費(fèi)用,生產(chǎn)過(guò)程中前后期電動(dòng)機(jī)功率變化關(guān)系等各種因素。電動(dòng)機(jī)容量主要由運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱條件來(lái)限定,在不變或變化很小的載荷下長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的機(jī)械,只要其電動(dòng)機(jī)的負(fù)載不超過(guò)額定值,電動(dòng)機(jī)便不會(huì)過(guò)熱,通常不必校驗(yàn)發(fā)熱和起動(dòng)力矩,所需電動(dòng)機(jī)功率為: (3-1)工作機(jī)實(shí)際需要的電機(jī)輸出功率工作機(jī)所需輸入功率電機(jī)至工作機(jī)間傳動(dòng)裝置總效率由電動(dòng)機(jī)至轉(zhuǎn)盤(pán)的傳動(dòng)總效率為: (3-2) (3-3) (3-4)F為加載力,最大為500N。轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速是:0-600r/min所以電動(dòng)機(jī)可選范圍為600-1200r/min選電機(jī)同步轉(zhuǎn)速為960r/min,根據(jù)選用電機(jī)的額定功率要大于計(jì)算功率,因此選用Y2-132M型一般異步電動(dòng)機(jī)。額定功率2.2KW,轉(zhuǎn)速960r/min,效率82。3.2.2聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件。主要用來(lái)聯(lián)接軸與其回轉(zhuǎn)的零件,以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩。對(duì)于聯(lián)軸器,在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所聯(lián)接的兩軸不能分離,只有在機(jī)器停車并將聯(lián)接拆開(kāi)后兩軸才能分離。聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。根據(jù)傳遞載荷的大小,軸轉(zhuǎn)速的高低,被連接兩部分的安裝精度等,參考各類聯(lián)軸器特性,選擇一種合用的聯(lián)軸器類型。具體選擇時(shí)可考慮以下幾點(diǎn):(1) 所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對(duì)緩沖減震功能的要求。例如,對(duì)大功率的重載傳動(dòng),可選用齒式聯(lián)軸器;對(duì)嚴(yán)重沖擊載荷或要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的傳動(dòng),可選用輪胎式聯(lián)軸器等具有高彈性的聯(lián)軸器。(2) 聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高地和引起的離心力大小。對(duì)于高速傳動(dòng)軸,應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器。(3) 兩軸相對(duì)位移的大小和方向。在安裝調(diào)整過(guò)程中,難以保持兩軸嚴(yán)格精確對(duì)中,或工作過(guò)程中兩軸將產(chǎn)生較大的附加相對(duì)位移,應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。例如當(dāng)徑向位移較大時(shí),可選用滑塊聯(lián)軸器,角位移較大或相交兩端的連接可選用萬(wàn)向聯(lián)軸器等。(4) 聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。通常由金屬元件制成的不需潤(rùn)滑的聯(lián)軸器比較可靠;需要潤(rùn)滑的聯(lián)軸器,其性能易受潤(rùn)滑完善程度的影響,且可能污染環(huán)境。含有橡膠等非金屬元件的聯(lián)軸器對(duì)溫度、腐蝕性介質(zhì)及強(qiáng)光等比較敏感,而且容易老化。(5) 聯(lián)軸器的制造,安裝,維護(hù)和成本。在滿足使用的前提下,應(yīng)選用裝柴方便,維護(hù)簡(jiǎn)單,成本低的聯(lián)軸器。例如剛性聯(lián)軸器不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,而且裝拆方便,可用于低速,剛性大的傳動(dòng)軸。一般的非金屬?gòu)椥栽?lián)軸器,由于具有良好的綜合性能,廣泛應(yīng)用于一般的中小功率傳動(dòng)。由于對(duì)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)精度要求不高,故選用剛性聯(lián)軸器,如圖3-1。圖3-1 聯(lián)軸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 Fig .3-1 The internal structure drawing of shaft coupling載荷計(jì)算:公稱轉(zhuǎn)矩 (3-5)式中:P電動(dòng)機(jī)的額定功率,單位為KW;n電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速,單位為r/min。其中公稱轉(zhuǎn)矩由后面電動(dòng)機(jī)的選擇可以知道。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得KA=1.5,計(jì)算轉(zhuǎn)矩為 Tca=KAT=1.522.35=33.53 (3-6)其中:KA為工作情況系數(shù)。型號(hào)選擇:綜合考慮軸的轉(zhuǎn)速、軸徑及電動(dòng)機(jī)的功率從GB/T4323-84中查得選用YL5型凸緣聯(lián)軸器滿足要求,該聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為160,最大轉(zhuǎn)速為3600r/min,軸徑d2、dz分別為28mm和28mm。主動(dòng)端:J型孔 A型鍵槽dz=28mm,L1=60mm。從動(dòng)端:J1型孔 B型鍵槽d2=28mm,L=44mm。記作YL5聯(lián)軸器 GB/T5843-1986。 3.2.3轉(zhuǎn)盤(pán)的設(shè)計(jì)計(jì)算 轉(zhuǎn)盤(pán)在往復(fù)結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用,通過(guò)電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng),導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)往復(fù)行程的要求,L=10CM所以 L=2r=200mm r=其中 r回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的半徑??紤]在圓盤(pán)邊上旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的向心力,在圓盤(pán)內(nèi)側(cè)又需要很大的力帶動(dòng)旋轉(zhuǎn),所以最終確定在圓盤(pán)半徑中心,所以 R=2r=200mm R轉(zhuǎn)盤(pán)的半徑因此,轉(zhuǎn)盤(pán)的直徑為40CM。材料選擇45鋼即可。3.2.4連桿的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核連桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中起著樞紐作用,連桿通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)的帶動(dòng)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),又通過(guò)與導(dǎo)桿相連,并將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),在設(shè)計(jì)中要著重考慮連桿的安全性和穩(wěn)定性。連桿選用45鋼制成, 長(zhǎng)度L=600mm,直徑d=45mm。最大壓力Fmax=200N.規(guī)定穩(wěn)定性安全系數(shù)為Ns=810?,F(xiàn)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。由公式求出 (3-7) 式中, 柔度臨界值;連桿簡(jiǎn)化為兩端鉸支桿,。截面為圓形,i=。柔度為 所以不能用歐拉公式計(jì)算臨界壓力。由公式得 (3-8)其中, 最小柔度表3-1 優(yōu)質(zhì)碳鋼的和b的數(shù)值Table 3-1 The value of a and b of High-quality steel 材料/(MPa)b/(MPa)優(yōu)質(zhì)碳鋼4612.568可見(jiàn)連桿的柔度介于和之間,是中等柔度壓桿。如用直線公式,由表查處優(yōu)質(zhì)碳鋼的和b分別是:=461MP,b=2.568MP。由直線公式求出臨界壓應(yīng)力為 (3-9) 其中, 臨界應(yīng)力臨界壓力是 連桿的工作安全因數(shù)為 (3-10)所以滿足穩(wěn)定要求。3.2.5導(dǎo)桿的計(jì)算及校核導(dǎo)桿是連接連桿和下試樣夾具的中間橋梁,正是導(dǎo)桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)了下試樣夾具做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)下試樣和下試樣的往復(fù)摩擦。為了保證導(dǎo)桿沿一定的方向做直線運(yùn)動(dòng),設(shè)置了導(dǎo)向裝置從而確保導(dǎo)桿沿固定方向運(yùn)動(dòng)。由于導(dǎo)桿受力并不是很大,所以導(dǎo)桿選用45號(hào)鋼,進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理即可。下表3-2是導(dǎo)桿的主要參數(shù)表3-2 導(dǎo)桿的參數(shù)Table 3-2 Account of parameters長(zhǎng)度/mm截面直徑/mm抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa1024608080下面對(duì)導(dǎo)桿的受壓和受拉進(jìn)行校核導(dǎo)桿的軸力為 根據(jù)校核公式 (3-11) 根據(jù)校核,所以導(dǎo)桿滿足強(qiáng)度要求。3.2.6鍵的選取計(jì)算及校核鍵聯(lián)接是通過(guò)鍵實(shí)現(xiàn)軸和軸上零件間的周向固定以及傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。鍵的工作面是兩個(gè)側(cè)面,工作時(shí),靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面和輪轂的鍵槽底面間留有間隙。鍵的選擇主要包括類型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。鍵的主要尺寸是鍵的截面尺寸(一般為鍵寬b鍵高h(yuǎn))與長(zhǎng)度L,鍵的截面尺寸應(yīng)根據(jù)軸徑d有標(biāo)準(zhǔn)中選定。鍵的長(zhǎng)度一般可按輪轂的長(zhǎng)度而定,即鍵長(zhǎng)等于或短于輪轂的長(zhǎng)度,并且鍵長(zhǎng)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度系列。由于本試驗(yàn)機(jī)是小型,鍵的工作場(chǎng)合,故采用雙圓頭平鍵聯(lián)接;具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裝拆方便,對(duì)中性較好等特點(diǎn)。圓頭平鍵宜放在軸上用鍵槽銑刀銑出的鍵槽中,鍵在鍵槽中周向固定良好。由于鍵是標(biāo)準(zhǔn)件,不需要計(jì)算,只要根據(jù)與鍵相配合的軸的直徑來(lái)確定。由于軸的直徑已經(jīng)確定,所以鍵的尺寸只需要查表確定,經(jīng)查表選擇鍵的尺寸型號(hào)為:鍵836mm GB/T1096-1979,鍵1456mm GB/T1096-1979。鍵的材料主要是抗拉強(qiáng)度不小于600MPa鋼,一般選擇45鋼。鍵聯(lián)接的主要失效形式是工作面的壓潰,除非嚴(yán)重過(guò)載,一般不會(huì)出現(xiàn)鍵的剪斷,因此通常只按工作面的擠壓應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算。在進(jìn)行強(qiáng)度校核后,如果強(qiáng)度不夠,可采用雙鍵聯(lián)接。本課題研究的試驗(yàn)機(jī)中共有四處鍵聯(lián)接:即電機(jī)與聯(lián)軸器的連接,小齒輪軸和聯(lián)軸器以及與小齒輪的連接,大齒輪與軸連接。下面對(duì)鍵聯(lián)接進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算:根據(jù)公式p=(2T1000)/kldp (3-12)式中:p鍵受到的許用應(yīng)力,單位MPap-鍵 軸 輪轂三者中最弱材料的許用應(yīng)力,單位Mpa;經(jīng)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇的數(shù)值為鑄鐵的最低,5060MPa。T-鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩,T=F(d/2),單位為Nm。K-鍵與輪轂槽的接觸高度K=0.5h,h為鍵的高度,單位mm。L-鍵的工作長(zhǎng)度,單位mm,圓頭平鍵l=L-b,L為鍵的公稱長(zhǎng)度,b為鍵的寬度。d-軸的直徑,單位mm。(1) 首先是對(duì)電機(jī)主軸上的鍵進(jìn)行計(jì)算由于電機(jī)的型號(hào)已經(jīng)確定為Y2-132M型,經(jīng)查表可知其額定轉(zhuǎn)矩為9.72Nm;額定功率為2.2KW;額定轉(zhuǎn)速為960r/min。所以p=(2T1000)/kld=(29.721000)/43628=4.7Mpap 強(qiáng)度合格。(2) 對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)軸上面的鍵進(jìn)行校核由于本軸上共有兩處鍵聯(lián)接,且傳遞動(dòng)力一樣,所以只需對(duì)一個(gè)鍵進(jìn)行校核。首先要計(jì)算鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩,根據(jù)公式T=9550P/n,式中:P為軸所承受的功率,聯(lián)軸器的效率一般為0.98左右所以P1=0.982.2=2.156KWn為軸的轉(zhuǎn)速,即n1=940r/min所以T=9550P/N=21.5Nmp1=(2T1000)/kld=(221.51000)/43628=5.05mpap強(qiáng)度合格。所以經(jīng)過(guò)計(jì)算,本課題中所采用的鍵聯(lián)接都能滿足強(qiáng)度的條件。3.2.7導(dǎo)向裝置端蓋螺釘?shù)挠?jì)算如圖3-2所示,t為螺釘?shù)拈g距,間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)。具體工作壓強(qiáng)見(jiàn)表3-3。表3-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系Table 3-3 Bolt spacing t and between pressure p relations工作壓力P(Mpa)螺釘?shù)拈g距t(mm)0.5-1.5小于1501.5-2.5小于1202.5-5.0小于1005.0-10.0小于80在以上聯(lián)結(jié)中,每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力=+ (3-13)其中為工作載荷,為預(yù)緊力導(dǎo)向裝置工作壓力小,所以螺釘間距t小于150mm,試選擇4個(gè)螺釘圖3-2 缸蓋螺釘間距示意圖Fig.3-2 Cylinder cover bolt spacing hint所以選擇螺釘數(shù)目Z=4個(gè)合適。危險(xiǎn)截面 (3-14) K=1.51.8 此處取K=1.5所以 =11863.3+10545=19772N螺釘材料選擇Q235, (n=1.2-1.5,取n=1.5) 螺釘?shù)闹睆?(3-15)螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm。3.2.8螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 常見(jiàn)的普通螺栓連接,在被連接件上開(kāi)有通孔,插入螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。這種連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是被連接件上的通孔和螺栓桿間留有間隙,通孔的加工精度要求低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裝拆方便,使用時(shí)不受被連接件材料的限制,因此應(yīng)用很廣。對(duì)于受拉螺栓,其主要破壞形式是螺栓桿螺紋部分發(fā)生斷裂,因此其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強(qiáng)度;對(duì)于受剪螺栓,其主要破壞形式是螺栓桿和孔壁的貼合面上出現(xiàn)壓潰或螺栓桿被剪斷,其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是保證連接的擠壓強(qiáng)度和螺栓的剪切強(qiáng)度,其中連接的擠壓強(qiáng)度對(duì)連接的可靠性起決定性的作用。螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算,首先是根據(jù)連接的類型、連接的裝配情況(預(yù)緊或不預(yù)緊)、載荷狀態(tài)等條件,確定螺栓的受力;然后按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算螺栓危險(xiǎn)截面的直徑(螺紋小徑)或校核其強(qiáng)度。螺栓的其他部分(螺紋牙、螺栓頭、光桿)和螺母、墊圈的結(jié)構(gòu)尺寸,是根據(jù)等強(qiáng)度條件及使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的,通常是不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,可按螺栓螺紋的公稱直徑由標(biāo)準(zhǔn)中選定。根據(jù)分析,導(dǎo)桿處的螺栓主要承受工作剪力,螺栓桿與孔壁間沒(méi)有間隙,解除表面受擠壓;在連接結(jié)合面處,螺栓桿則受剪切。因此,應(yīng)分別按擠壓及剪切強(qiáng)度條件計(jì)算。計(jì)算式,假設(shè)螺栓桿與孔壁表面上的壓力分布是均勻的,又因?yàn)檫@種連接所受的預(yù)緊力很小,所以不考慮預(yù)緊力和螺紋摩擦力矩的影響。螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為 (3-16)螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為 (3-17)式中:F螺栓所受的工作剪力,N 螺栓剪切面的直徑(可取為螺栓孔的直徑),mm 螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度,mm,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使 螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力,Mpa 螺栓材料的需用切應(yīng)力,MPa 所以,螺栓均滿足強(qiáng)度要求。4. 加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算加載系統(tǒng):即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加載的部分,由于摩擦力是在一定壓力下產(chǎn)生的,所以加載系統(tǒng)必不可少。4.1加載系統(tǒng)的基本要求(1)加載系統(tǒng)應(yīng)能固定地施加壓力以保證試驗(yàn)過(guò)程的需要,應(yīng)便于操作和控制。便于操作包括施加載荷容易并且能在一定范圍內(nèi)施加載荷,卸載時(shí)同樣應(yīng)該方便。(2)加載系統(tǒng)的壓力應(yīng)該便于控制和測(cè)量,只有壓力便于控制,才能保證試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)和結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性。目前摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)比較常用加載方式有機(jī)械式、液壓式和電磁式三種。其中,機(jī)械式加載又可分為杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載或以上三種加載形式的組合,杠桿加載和重物直接加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,載荷穩(wěn)定,不存在負(fù)荷保持的問(wèn)題,加載精度高,但當(dāng)摩擦副運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)卻會(huì)引起振動(dòng)和沖擊;彈簧加載產(chǎn)生的振動(dòng)比較小,但是,彈簧加載的精度不高,難于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷精確調(diào)整。液壓式加載包括動(dòng)壓加載和靜壓加載兩種,但液壓加載很難保持負(fù)荷穩(wěn)定。電磁加載易于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的自動(dòng)控制,但其弱點(diǎn)是控制部分的成本較高,而且在已有摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上使用還比較少。綜上所述,我們最近選定彈簧加載。優(yōu)點(diǎn)是彈簧加載產(chǎn)生的振動(dòng)比較小,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于操作。缺點(diǎn)是加載精度不高。為了彌補(bǔ)彈簧加載精度不高的缺點(diǎn),我們將應(yīng)變片和加載系統(tǒng)相結(jié)合,避免了通過(guò)測(cè)量彈簧壓縮量而得到壓力值的計(jì)算,我們可以通過(guò)應(yīng)變儀間接地得到所施加的壓力值。如圖4-1所示,加載器由螺桿、螺母、加載頭3部分組成。螺桿和螺母組成螺旋副,進(jìn)行力的傳遞;壓頭與螺桿之間是間隙配合。旋轉(zhuǎn)螺母,由于螺旋副的作用,螺母同時(shí)也在做直線運(yùn)動(dòng),把力傳給加載頭,從而對(duì)下試樣夾具施加載荷。在使用該加載器給構(gòu)件加載時(shí),采用人工手動(dòng)加載,力的大小未知。因此,求解外力大小就是加載器標(biāo)定的關(guān)鍵。我們的方法是:用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)加若十個(gè)已知大小的外力,在加載頭上任一點(diǎn)粘貼上應(yīng)變片,在應(yīng)變儀上讀出若十個(gè)對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的應(yīng)變值,并據(jù)此畫(huà)出F-線圖。在運(yùn)用該加載器給構(gòu)件加載時(shí),只要根據(jù)應(yīng)變儀上的應(yīng)變值,查看此FC線圖,我們就可以知道所加外力的大小了。以上介紹了自行設(shè)計(jì)的加載器的結(jié)構(gòu)和標(biāo)定方法,但未給出它的結(jié)構(gòu)尺寸,在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。圖4-1 加載裝置示意Fig. 4-1 Loading equipment schematic drawing1螺桿 2螺母 3加載頭 4套筒 5彈簧 6上試樣夾具 7上試樣4.2加載系統(tǒng)的基本計(jì)算在實(shí)際工作中,加載系統(tǒng)是和彈簧結(jié)合起作用的,而且正是依靠的彈簧的壓縮量才產(chǎn)生了較大的壓力,在實(shí)際過(guò)程中,彈簧會(huì)不斷的受到不同的壓力,所以彈簧的強(qiáng)度必須滿足實(shí)驗(yàn)要求,下面我們對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及校核。4.2.1彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)試驗(yàn)機(jī)壓縮條件,選擇圓柱型壓縮彈簧。如圖4-2所示,計(jì)算過(guò)程如下:圖4-2 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)Fig.4-2 Column helical springs geometric parameter(1)根據(jù)彈簧受力的形式選取硅錳彈簧,查取許用切應(yīng)力(2)選擇旋繞比C=8,則彈性系數(shù) (4-1) (3)根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm,估算彈簧絲直徑 (4)試算彈簧絲直徑 (4-2) (5)根據(jù)變形情況確定彈簧的有效圈數(shù) (4-3)選擇標(biāo)準(zhǔn)為,彈簧的總?cè)?shù)圈(6)最后確定,,4.2.2彈簧的校核(1)對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí),則受力后容易失去穩(wěn)定性,這在工作中是不允許的,現(xiàn)校核如下:壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由,根據(jù)下列選?。?當(dāng)兩端固定時(shí);當(dāng)一端固定,一端自由時(shí);當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)結(jié)論,本設(shè)計(jì)彈簧,因此彈簧穩(wěn)定性合適。(2)疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。對(duì)于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧,還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算(如果變載荷的作用次數(shù)或者載荷變化幅度不大時(shí),可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算)?,F(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定載荷情況下,所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算 (4-4)選取1.31.7(力學(xué)性能高),此處取 (4-5)1.3結(jié)論:經(jīng)過(guò)校核,所選彈簧合適。 4.3試樣夾具的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1夾具的發(fā)展趨勢(shì)夾具是機(jī)械加工不可缺少的部件,在機(jī)
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