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1. 緒 論
1.1摩擦磨損概述
摩擦學(xué)是一門實踐性很強(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機(jī)，通過摩擦磨損試驗測量摩擦副的摩擦磨損特性等一系列參數(shù)。
摩擦學(xué)是一門年輕而又古老的學(xué)科，是“研究相互接觸、相對運(yùn)動表面的科學(xué)、技術(shù)及相關(guān)的實踐[1]”。摩擦磨損問題存在于人類物質(zhì)活動的各個方面。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)的問題。據(jù)估計，全世界約有1/2～l/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)注的問題，并促使其研究不斷發(fā)展。1966年英國學(xué)者H．P．Jost發(fā)表了著名的學(xué)術(shù)報告一《潤滑(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)展成為一門包括摩擦、磨損和潤滑在內(nèi)的跨學(xué)科的科學(xué)。
摩擦學(xué)是研究在摩擦與磨損過程中相對運(yùn)動表面之間相互作用、變化及其有關(guān)的理論與實踐的一門科學(xué)。摩擦磨損則是“兩個接觸表面之間的由于相對運(yùn)動而發(fā)生的相互作用及物質(zhì)運(yùn)動的過程?！蹦Σ僚c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)，因為減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題。在機(jī)器系統(tǒng)中，機(jī)器構(gòu)件的運(yùn)動是最基本和最重要的功能。機(jī)器構(gòu)件之間的相對運(yùn)動和接觸作用是通過摩擦副來實現(xiàn)的，同時也在摩擦副兩表面產(chǎn)生摩擦、磨損和潤滑等物理現(xiàn)象。機(jī)器中任何一個摩擦副故障（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題是摩擦學(xué)研究的基本問題和及其重大的課題，也是機(jī)器設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。
摩擦學(xué)具有兩個重要屬性：(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)、測試技術(shù)、物理和力學(xué)等多個學(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)實踐性：摩擦學(xué)理論分析往往需要大量實驗研究成果的支持，其應(yīng)用更是直接服務(wù)于各種生產(chǎn)實踐，因此，試驗測試技術(shù)的開發(fā)研究對摩擦學(xué)學(xué)科的發(fā)展和工程實際問題的解決縣有非常重要的作用，是一基礎(chǔ)性工程。機(jī)械零件摩擦磨損問題的解決有賴于實驗研究方法的進(jìn)步及其測試技術(shù)的開發(fā)研究，也有賴于多學(xué)科的交叉和融合。
1.2摩擦磨損試驗簡介
1.2.1摩擦磨損試驗的目的和意義
摩擦磨損試驗的目的是為了對摩擦磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進(jìn)行研究，正確地評價各種因素對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)。摩擦磨損試驗研究的內(nèi)容非常廣泛，如探討摩擦、磨損和潤滑機(jī)理以及影響摩擦、磨損的諸因素，對新的耐磨、減磨及摩擦材料和潤滑劑進(jìn)行評定等。由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜，摩擦磨損條件不同，試驗方法和裝置種類繁多，如何準(zhǔn)確地獲取摩擦磨損過程中的參數(shù)變化成為一個十分重要的研究課題。為了探索和驗證機(jī)械工程中摩擦磨損問題的機(jī)理以及有關(guān)影響因素，在摩擦學(xué)研究中開展摩擦磨損測試技術(shù)和數(shù)據(jù)分析研究具有非常重要的作用。
1.2.2摩擦磨損試驗的方法
由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)雜，試驗方法和裝置種類繁多，試驗數(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的標(biāo)準(zhǔn)化問題以便建立統(tǒng)一試驗標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范試驗方法。近年來，試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)化已得到越來越多的國家和組織的重視。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)格控制試驗條件，規(guī)范試驗過程已獲得可靠的結(jié)論。
目前采用的試驗方法可以歸納為下列三類[3]：
(1)實驗室試件試驗
根據(jù)給定的工礦條件，在摩擦磨損試驗機(jī)上對試件進(jìn)行試驗。由于實驗室的試驗環(huán)境和工礦參數(shù)容易控制，因而試驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性較高，實驗周期短，試驗條件的變化范圍寬，可以在短時間內(nèi)獲得比較系統(tǒng)的數(shù)掘。但由于實際條件與實際工礦的差異，因而試驗結(jié)果的實用性較差。實驗室試驗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定。
(2)模擬性臺架試驗
模擬性臺架試驗是在實驗室試驗所獲得的試驗結(jié)果基礎(chǔ)上，根據(jù)所選定的參數(shù)設(shè)計易磨損零件，不需要在實際機(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．由于臺架試驗條件接近實際工礦，增強(qiáng)了試驗結(jié)果的可靠性。同時，通過試驗條件的強(qiáng)化和嚴(yán)格控制，也可在較短的時間內(nèi)獲得系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)，還可對個別因素對磨損性能影響進(jìn)行單項研究。臺架試驗的主要目的在于校驗實驗室試驗數(shù)據(jù)的可靠性和零件磨損性能設(shè)計的合理性。這種模擬試驗可以根據(jù)給定的工礦條件調(diào)節(jié)各種參數(shù)來分別測定其對摩擦磨損的影響，而且測得的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性和規(guī)律性較好，便于進(jìn)行對比分析。在實驗室模擬試驗狀態(tài)下還可以通過強(qiáng)化試驗條件來縮短試驗周期，減少試驗費(fèi)用，可用來對機(jī)器元件的材料匹配特性和幾何形狀特性進(jìn)行檢測評定和優(yōu)化改進(jìn)。這類試驗方法所得到的結(jié)果，有時不能完全反映出實際工礦條件下的復(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得到的結(jié)果才能有較好的實用性。臺架試驗由于試驗成本過高，而且會受許多干擾因素的影響，用模擬試驗方法代替臺架試驗是必要和經(jīng)濟(jì)的。
1.2.3實際使用試驗
在上述兩種試驗的基礎(chǔ)上，對實際零件進(jìn)行使用試驗。這種試驗的真實性和可靠性最好，它是檢驗材料或工藝試驗方案最有效的方案。但它也存在嚴(yán)重的缺陷：
(1)實驗周期長
由于有些零件需要經(jīng)過幾個月甚至幾年的更換周期，如果重復(fù)幾次試驗，勢必需要較長時間才能得到有效結(jié)果。
(2)影響因素比較復(fù)雜，試驗參數(shù)不易控制。在實際使用中，經(jīng)常會在不同工礦下運(yùn)行，由于運(yùn)行的條件不確定，試驗結(jié)果受多種影響因素的制約，試驗零件磨損量的測量比較困難，因而試驗結(jié)果的通用性較差、試驗數(shù)據(jù)的精確度不高，所取得的測試數(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)行單項因素對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定的一種手段。
(3)花費(fèi)多、收效少
實際使用試驗需要花費(fèi)較多的人力、物力、財力，試驗周期較長，有時收效甚少，得到的常常是一些精確度不高的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。在二十世紀(jì)二十年代以前，實際工礦試驗應(yīng)用比較普遍。隨著近幾年室內(nèi)試驗測試技術(shù)的發(fā)展特別是磨損試驗機(jī)的逐步完善，同時考慮到實際試驗的某些困難和缺陷，實驗室試件試驗和模擬性臺架試驗已逐步成為檢驗和優(yōu)選材料方案的重要手段。
1.2.4磨損實驗步驟
摩擦磨損試驗一般要經(jīng)過以下三個階段：
(1)在實驗室進(jìn)行大量的試樣磨損試驗研究，預(yù)選材料、工藝方案及確定有關(guān)參數(shù)；
(2)在臺架試驗時，進(jìn)行實際零件或簡化試樣的磨損試驗，精選實際運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的影響及效果；
(3)通過實際使用試驗最后校驗和確定研究方案實現(xiàn)的可能性及使用效果。
這三個階段可以根據(jù)具體情況來安排和取舍，以確定試驗重點和試驗方案以及試驗方法。
實踐表明：摩擦磨損試驗的試驗方法和試驗條件不同，試驗結(jié)果必然差異很大。
所以在實驗室中進(jìn)行試驗時，應(yīng)當(dāng)盡可能地模擬實際工礦條件，如滑動速度和表面壓力的大小和變化、表面層的溫度變化、潤滑狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)條件和表面接觸形式等等，對于高速摩擦副的磨損試驗，溫度影響是主要問題，應(yīng)當(dāng)使試件的散熱條件和溫度分布接近實際情況。在低速摩擦副的試驗中，由于磨合時間較長，為了消除磨合對試驗結(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)。對于未經(jīng)磨合的試件，在試驗初期，試驗數(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摩擦試驗機(jī)的發(fā)展簡史
1910年第一臺磨料磨損試驗機(jī)問世，1975年美國潤華工程學(xué)會(AlSE)編著的“摩擦磨損裝置”一書中所公布得不目類型摩擦磨損試驗機(jī)已有上百種[4] 僅幾十年來，摩擦磨損試驗機(jī)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Soemantri S等人最早從事高溫磨損試驗機(jī)的研究，共研制了三臺高溫磨料磨損試驗機(jī)[5]。并在這些試驗機(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年代末德國的Fischer A等人在總結(jié)前人對試驗機(jī)研究的基礎(chǔ)上，研制了一臺氣氛可控的高溫三體磨損試驗機(jī)[6]。該機(jī)最大優(yōu)點是氣氛可控、嚴(yán)格保證試驗的主要因素(溫度、磨料、載荷等)固定，試驗數(shù)據(jù)重現(xiàn)性好。主要缺點是：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；同時由于該機(jī)未考慮高溫氧化對磨損的影響，在該機(jī)上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研制的高溫磨損試驗機(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運(yùn)動而產(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個試樣可減少重復(fù)試驗次數(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)這種混合磨損與實際工礦相差較遠(yuǎn)。近年來，西交大吳文忠、邢建東等人在Fi scher A的高溫氧化磨損試驗機(jī)的基礎(chǔ)上，研制的一臺高溫氧化三體磨損試驗機(jī)，該機(jī)的主要優(yōu)點是：摩擦學(xué)系統(tǒng)設(shè)計合理；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(xué)的楊學(xué)軍等研制了的一臺高溫銷盤磨損試驗機(jī)，該機(jī)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(jìn)行研究，摩擦速度可調(diào)，所加載荷穩(wěn)定，試樣磨損均勻，對試驗參數(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機(jī)。其最大滑動速度可達(dá)70m/s，可以測量高速狀態(tài)下的摩擦學(xué)參數(shù)；可以模擬高速列車制動；可以實現(xiàn)多個測試數(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機(jī)，該機(jī)可以提供從大氣到6.7×10Pa的壓力環(huán)境；測量的參數(shù)較多，除了測力和速度等參數(shù)外，還可以測量溫度和摩擦引起的震動頻率等；同時具有較為完善的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)[10]；只須改變夾具及其附件，便可實現(xiàn)多種接觸形勢和相對運(yùn)動形式，以及不同的系統(tǒng)剛度和震動特性，拓寬了試驗機(jī)的應(yīng)用范圍。
哈工大的宋寶玉等人研制的SY—I型真空摩擦磨損試驗機(jī)，可以提供4×10。Pa的壓力環(huán)境，速度在0～2800r/min范圍內(nèi)可調(diào)[11]，并且可以自動進(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)性能研制一臺往復(fù)式銷塊摩擦磨損試驗機(jī)，該試驗機(jī)可以在一定范圍內(nèi)實行載荷、速度、潤滑脂的單因素控制[12]，但該試驗機(jī)磨損量的測量采用的是不連續(xù)的稱重法。
1.4摩擦試驗機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，摩擦磨損測試技術(shù)呈快速發(fā)展之勢，摩擦磨損試驗機(jī)呈以下發(fā)展趨勢[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)既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，也可以實現(xiàn)擺動和直線運(yùn)動。由高性能電機(jī)直接驅(qū)動主軸，不僅能使機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，而且還能降低試驗機(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)價格比較昂貴。
(2)在摩擦磨損試驗機(jī)上應(yīng)用微型計算機(jī)
微型計算機(jī)的價格低廉，操作簡單，性能穩(wěn)定，不僅可以取代以往的二次儀表對試驗機(jī)進(jìn)行控制，而且還可以對測試參數(shù)進(jìn)行自動采集和數(shù)據(jù)處理，因而能使試驗機(jī)的功能大大加強(qiáng)。
(3)改進(jìn)測試手段。
(4)提高穩(wěn)定性，提高測試精度。
提高試驗機(jī)的穩(wěn)定性，以使試驗結(jié)果具有更好的重復(fù)性和再現(xiàn)性。業(yè)，年市場容量約為1000億美元。像國際上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是機(jī)械手自動化生產(chǎn)線及物流與倉儲自動化設(shè)備的集成供應(yīng)商。
摩擦磨損試驗機(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)的分類法和美國潤滑工程師協(xié)會的分類法。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)的試驗裝置和了解該裝置的主要技術(shù)指標(biāo)而將試驗機(jī)分為12個大類。
桂長林在文獻(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)和摩擦副的相對運(yùn)動形式對摩擦磨損試驗機(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和對試驗的特殊功能要求，從而便于采用設(shè)計方法學(xué)原理對試驗機(jī)進(jìn)行設(shè)計。這種方法將摩擦磨損試驗機(jī)分成了4大類：
(1)是固體—固體摩擦磨損試驗機(jī)
這類試驗機(jī)根據(jù)摩擦副的運(yùn)動形態(tài)又分為5小類，即單項滑動、往復(fù)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)滑動(含滾滑)、沖擊和微動摩擦磨損試驗機(jī)(根據(jù)需要可以在摩擦元素間加或不加潤滑劑)。每一小類試驗機(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機(jī)?？梢哉J(rèn)為，大部分摩擦磨損試驗機(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)計的角度來看，這一大類試驗機(jī)體現(xiàn)了摩擦磨損試驗機(jī)的基本結(jié)構(gòu)特點。
根據(jù)試件的磨損特性和運(yùn)動特性可以將其分為3小類，即三體磨粒磨損、二體磨粒磨損和動載磨粒磨損試驗機(jī)。與第一類試驗機(jī)相比，三體磨粒磨損試驗機(jī)要在摩擦副的摩擦面上加磨粒。固定磨粒磨損試驗機(jī)的摩擦副一方是固定磨粒(一般都采用砂布盤)，另一方則可設(shè)計成各種不同形式，其特例是研究單個磨粒磨損的試驗機(jī)。在這一小類試驗機(jī)中，摩擦副多為銷一盤式(轉(zhuǎn)動)或銷一板式(往復(fù)運(yùn)動)。為了防止偏磨，銷設(shè)計成能夠自旋，但是摩擦路跡一般不重復(fù)。自由磨粒磨損試驗機(jī)可以設(shè)計成試件運(yùn)動、磨粒運(yùn)動和試件與磨粒C時運(yùn)動等3種形式。
(2)是固體—液體加磨粒(或固體一液體)的試驗機(jī)
該類試驗機(jī)的最大特點是使含磨粒(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、勢能和離心力來實現(xiàn)這種目的。從相對運(yùn)動的原理出發(fā)，也可以讓試件相對于液體運(yùn)動。液流和試件形成的沖擊角是一個重要參數(shù)，通常要求可調(diào)。
(3)是固體—?dú)怏w加磨粒的試驗機(jī)
其功能是使含磨粒的氣流去沖刷固體表面。作為這類試驗機(jī)的特例是單顆磨粒沖擊裝置。這種試驗機(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)動的試件加供給的磨粒。這種試驗機(jī)一般都要抽真空，以避免轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的空氣動力學(xué)現(xiàn)象對磨損的影響；
3）利用離心力拋出磨粒。對于這類試驗機(jī)來說，磨粒向試件的沖擊角也是一個重要參數(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機(jī)。
可控載荷、可控氣氛、高溫或低溫磨損試驗機(jī)均可歸入此類。這類試驗機(jī)在摩擦過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。密封問題對這類試驗機(jī)而言十分重要，非接觸式傳動—磁力傳動在這類試驗機(jī)上也得到了充分的應(yīng)用。高溫或低溫摩擦磨損試驗機(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摩擦試驗機(jī)的影響因素
(1)運(yùn)動形式的影響
運(yùn)動形式與試驗機(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，試驗機(jī)的摩擦副結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形式一般是固定的，但也有一些多功能試驗機(jī)的摩擦副和運(yùn)動形式均可通過添加附件而加以改變。例如，美國FALFX公司的多功能試樣測試機(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、針一盤和滾動四球等多種摩擦副形式。試驗機(jī)上摩擦副的最基本運(yùn)動形式一般有以下4種，即滑動、滾動、自旋和沖擊。在試驗機(jī)上，對運(yùn)動形式都有明確的規(guī)定，但對運(yùn)動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)荷是摩擦磨損試驗機(jī)的一個重要參數(shù)，其在試驗過程中一般應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定。試驗機(jī)對負(fù)荷的精度要求很高，國內(nèi)試驗機(jī)負(fù)荷示值的相對誤差為士lIo要滿足負(fù)荷精度的要求，就必須考慮在試驗機(jī)上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力。目前摩擦磨損試驗機(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)簡單，載荷穩(wěn)定，不存在負(fù)荷保持的問題，加載精度高，但當(dāng)摩擦副運(yùn)動不穩(wěn)定時卻會引起振動和沖擊;彈簧加載產(chǎn)生的振動比較小，但是，彈簧加載的精度不高，難于實現(xiàn)負(fù)荷精確調(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(fù)荷穩(wěn)定。電磁加載易于實現(xiàn)負(fù)荷的自動控制，但其弱點是控制部分的成本較高，而且在已有摩擦磨損試驗機(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機(jī)，對恒比壓有比較高的要求。目前試驗機(jī)上實現(xiàn)恒比壓的方法有：
1) 從摩擦副的結(jié)構(gòu)上保證摩擦過程中接觸面積不變，借以在負(fù)荷不變的條件下實現(xiàn)恒比壓；
2) 在試驗過程中隨著接觸面積的增大，依照一定的規(guī)律增大負(fù)荷以實現(xiàn)恒比壓。日本東京試驗機(jī)制作所生產(chǎn)的理研一大越式高速磨損試驗機(jī)就是利用這種方法實現(xiàn)恒比壓的；
3) 同時測量摩擦副的接觸面積和試驗負(fù)荷，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，給出負(fù)荷的控制信號，使負(fù)荷隨著接觸面積的變化而變化，從而實現(xiàn)試驗過程中的恒比壓。這種方式先進(jìn)、可靠，然而實施難度很大。這是因為試驗過程中摩擦副的接觸面積不易測量，故其至今尚未得到實際應(yīng)用。
(4)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[8]。因而也是摩擦磨損試驗的一個重要參數(shù)?；瑒铀俣鹊姆较蛴袉蜗蚝屯鶑?fù)兩種，后者又可以分為擺動式和往復(fù)直動式。在試驗機(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)實現(xiàn)擺動，也可以由電機(jī)(如伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī))來實現(xiàn)擺動。往復(fù)直線運(yùn)動通常是用曲柄滑塊等往復(fù)直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)。試驗機(jī)的速度大小一般都要求可調(diào)，所能采用的方式有級調(diào)速和無級調(diào)速兩種。有級調(diào)速是利用變換齒輪或皮帶輪速度比等方法實現(xiàn)的。無級調(diào)速可通過兩種方式來實現(xiàn):一種是機(jī)械式無級調(diào)速(如摩擦輪和差動輪系等)，但其調(diào)速范圍不大，另一種是使用無級調(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)無級調(diào)速時，一般都要求速度穩(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。
(5)溫度的影響
溫度是摩擦磨損試驗的又一個重要參數(shù)。有些試驗對環(huán)境溫度有其特定的要求，如高溫條件或低溫條件。高溫試驗通常采用電阻絲加熱，也可以借助于高頻加熱等。對于高溫試驗機(jī)，既要考慮加熱部件和其他部件的隔熱問題，又要針對加熱溫度很高的特定情況同時考慮其加熱部件的選材問題。低溫試驗機(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現(xiàn)低溫。
(6)氣氛的影響
有些試驗研究要求對氣氛進(jìn)行控制(如真空試驗)。在只要求控制濕度的場合，簡易的辦法是將摩擦副部分加一個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地進(jìn)行。此外，用于真空條件下摩擦磨損研究的試驗機(jī)對真空度的要求較高。實現(xiàn)真空可以使用真空泵，在這里密封問題很重要，尤其動密封往往是令人頭疼的問題。為了提高真空度，有些試驗機(jī)上采用了磁力傳動，借以少用或不用動密封。
(7)試驗時間的影響
試驗時間一般是依具體情況而定，大多數(shù)試驗機(jī)沒有配備定時裝置。要在試驗機(jī)上實現(xiàn)時間控制，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(jī)。這種控制方法對試驗機(jī)也起著過載保護(hù)作用。
1.6往復(fù)式高溫摩擦試驗機(jī)的選題背景
摩擦學(xué)是研究相對運(yùn)動的作用表而間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門交叉學(xué)科。
摩擦學(xué)研究的對象很廣泛，在機(jī)械工程中主要包括動、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)問題；彈性體摩擦；特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題；深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤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。如完全流體潤滑狀態(tài)的滑動軸承的承載油膜，基本上可以運(yùn)用流體力學(xué)的理論來解算。在計算摩擦阻力時則需要認(rèn)真考慮油的流變性質(zhì)，甚至要考慮瞬時變化過程的效應(yīng)，而不能把它簡化成牛頓流體。
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)介的錯綜關(guān)系，需要對表面的磨損全過程進(jìn)行微觀研究。僅就油潤滑金屬摩擦來說，就需要研究潤滑力學(xué)、彈性和塑性接觸、潤滑劑的流變性質(zhì)、表而形貌、傳熱學(xué)和熱力學(xué)、摩擦化學(xué)和金屬物理等問題，涉及物理、化學(xué)、材料、機(jī)械工程和潤滑工程等學(xué)科
2. 往復(fù)式高溫摩擦試驗機(jī)的總體設(shè)計
本課題是往復(fù)式高溫摩擦試驗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要任務(wù)是完成試驗機(jī)結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計，主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)、往復(fù)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、加熱裝置的設(shè)計。在本章中對試驗機(jī)的驅(qū)動機(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)式高溫摩擦磨試驗機(jī)主要面向小型企業(yè)，所以該試驗機(jī)要求結(jié)構(gòu)簡單，能夠適合高速高溫運(yùn)動，工作范圍較大，成本較低，操作簡單，控制方便。
我們設(shè)計的往復(fù)式摩擦磨損試驗機(jī)的具體設(shè)計指標(biāo)如下:
(1) 載荷范圍:小于100N；
(2) 主軸轉(zhuǎn)速范圍:0-600r/min，無級調(diào)速；
(3) 摩擦溫度的測量范圍: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)計方案
2.2.1往復(fù)結(jié)構(gòu)的選擇
常見的能夠?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)可以分為以下3種:
(1) 凸輪機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、運(yùn)動范圍大、難以實現(xiàn)高速運(yùn)動，多用于裝配、價格低的場合。
(2) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：工作范圍大、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、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，缺點是坐標(biāo)計算和控制復(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)計要求結(jié)構(gòu)簡單，而且成本不能較高，工作范圍較大，結(jié)合各個結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，因此本設(shè)計采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。
2.2.2往復(fù)結(jié)構(gòu)的主要部件及運(yùn)動
在往復(fù)結(jié)構(gòu)的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本往復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)2個運(yùn)動，即回轉(zhuǎn)運(yùn)動和往復(fù)運(yùn)動，將連桿的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為導(dǎo)桿的往復(fù)運(yùn)動，如圖2-1所示。
本往復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要由4個大部件組成：
(1) 轉(zhuǎn)盤：通過電動機(jī)帶動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
(2) 連桿：通過開口銷與轉(zhuǎn)盤相連實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
(3) 導(dǎo)桿：利用和連桿相連并通過導(dǎo)向裝置實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。
(4) 導(dǎo)向裝置：用于實現(xiàn)導(dǎo)桿的直線往復(fù)運(yùn)動。
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)動方式的選擇
驅(qū)動機(jī)構(gòu)是摩擦試驗機(jī)的重要組成部分, 摩擦試驗機(jī)的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置的選擇。根據(jù)動力源的不同, 摩擦試驗機(jī)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。本次設(shè)計根據(jù)性能要求采用電動機(jī)構(gòu)驅(qū)動摩擦試驗機(jī),結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便等優(yōu)點。因此，摩擦試驗機(jī)設(shè)計選擇電機(jī)驅(qū)動的驅(qū)動方案。
2.2.4加載機(jī)構(gòu)的選擇
負(fù)荷是摩擦磨損試驗機(jī)的一個重要參數(shù)，其在試驗過程中一般應(yīng)當(dāng)保持穩(wěn)定。試驗機(jī)對負(fù)荷的精度要求很高，國內(nèi)試驗機(jī)負(fù)荷示值的相對誤差為士1%。要滿足負(fù)荷精度的要求，就必須考慮在試驗機(jī)上減小加載系統(tǒng)的摩擦阻力。目前摩擦磨損試驗機(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)簡單，載荷穩(wěn)定，不存在負(fù)荷保持的問題，加載精度高，但當(dāng)摩擦副運(yùn)動不穩(wěn)定時卻會引起振動和沖擊;彈簧加載產(chǎn)生的振動比較小，但是，彈簧加載的精度不高，難于實現(xiàn)負(fù)荷精確調(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(fù)荷穩(wěn)定。電磁加載易于實現(xiàn)負(fù)荷的自動控制，但其弱點是控制部分的成本較高，而且在已有摩擦磨損試驗機(jī)上使用還比較少。
根據(jù)設(shè)計要求，我們最終選擇彈簧加載系統(tǒng)，通過和應(yīng)變片傳感器技術(shù)相結(jié)合可以達(dá)到精確測量壓力的要求，所以本試驗機(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 drawing
2.2.5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)點是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，缺點是功率小，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)點是溫度較高而且操作方便，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高。
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)點是溫度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，而且配合熱電偶可以實現(xiàn)溫度的控制，便于操作和達(dá)到試驗溫度的目的。
圖2-5 高溫示意圖
Fig. 2-5 Spring on-board schematic drawing
根據(jù)設(shè)計要求，我們最終選擇電阻絲，通過和熱電偶傳感器技術(shù)相結(jié)合可以達(dá)到精確測量溫度的要求，所以本試驗機(jī)采用電阻絲加熱裝置。
各個裝置方案確定后，往復(fù)式摩擦試驗機(jī)整個結(jié)構(gòu)也就出來了，示意圖如圖2-6所示：電動機(jī)通過聯(lián)軸器帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，從而帶動連桿運(yùn)動，連桿帶動導(dǎo)桿運(yùn)動，通過導(dǎo)向裝置將回轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線往復(fù)運(yùn)動，導(dǎo)桿帶動下試樣夾具沿著導(dǎo)軌實現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。加載系統(tǒng)通過螺母向下旋轉(zhuǎn)從而壓住加載頭使其向下運(yùn)動，進(jìn)而壓縮彈簧從而對上試樣夾具產(chǎn)生壓力，上試樣對下試樣壓迫，從而實現(xiàn)在一定壓力下，測試摩擦性能。高溫加熱裝置通過電阻絲進(jìn)行加熱，溫度通過熱電偶進(jìn)行測量以便對溫度進(jìn)行控制。由于溫度較高，在箱體各個側(cè)板內(nèi)都安置隔熱層，避免損傷的發(fā)生。
圖2-6 摩擦試驗機(jī)示意圖
Fig. 2-6 Friction testing machine schematic drawing
1—轉(zhuǎn)盤 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—試驗臺
３. 往復(fù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算
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，并且在運(yùn)轉(zhuǎn)過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)簡單，便于設(shè)計。
3.2設(shè)計計算及校核
3.2.1電動機(jī)的選取
電動機(jī)是專門工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件，選擇電動機(jī)包括確定類型、結(jié)構(gòu)、功率和轉(zhuǎn)速。電動機(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來選擇。本結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求選擇交流三相鼠籠式異步電動機(jī)。
電動機(jī)選取應(yīng)綜合考慮的問題
(1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)類型。
(2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、速度變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機(jī)的溫升限制、過載能力和啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所以選電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般去0.8~0.9。過大的備用功率會使電機(jī)效率降低，對于感應(yīng)電動機(jī)，其功率因數(shù)將變壞，并使按電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩校驗強(qiáng)度的生產(chǎn)機(jī)械造價提高
(3)根據(jù)使用場所的環(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)和對功率因數(shù)的要求，確定電動機(jī)的電壓等級和類型。
(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過度過程性能的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。
除此之外，選擇電動機(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)品價格，建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行和維修費(fèi)用，生產(chǎn)過程中前后期電動機(jī)功率變化關(guān)系等各種因素。
電動機(jī)容量主要由運(yùn)行時的發(fā)熱條件來限定，在不變或變化很小的載荷下長期連續(xù)運(yùn)行的機(jī)械，只要其電動機(jī)的負(fù)載不超過額定值，電動機(jī)便不會過熱，通常不必校驗發(fā)熱和起動力矩，所需電動機(jī)功率為：
(3-1)
—工作機(jī)實際需要的電機(jī)輸出功率
—工作機(jī)所需輸入功率
η—電機(jī)至工作機(jī)間傳動裝置總效率
由電動機(jī)至轉(zhuǎn)盤的傳動總效率為：
（3-2）
（3-3）
（3-4）
F為加載力，最大為500N。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速是：0-600r/min所以電動機(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算功率，因此選用Y2-132M型一般異步電動機(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)械傳動中常用的部件。主要用來聯(lián)接軸與其回轉(zhuǎn)的零件，以傳遞運(yùn)動與轉(zhuǎn)矩。對于聯(lián)軸器，在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時所聯(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。具體選擇時可考慮以下幾點：
(1) 所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減震功能的要求。例如，對大功率的重載傳動，可選用齒式聯(lián)軸器；對嚴(yán)重沖擊載荷或要求消除軸系扭轉(zhuǎn)振動的傳動，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。對于高速傳動軸，應(yīng)選用平衡精度高的聯(lián)軸器。
(3) 兩軸相對位移的大小和方向。在安裝調(diào)整過程中，難以保持兩軸嚴(yán)格精確對中，或工作過程中兩軸將產(chǎn)生較大的附加相對位移，應(yīng)選用撓性聯(lián)軸器。例如當(dāng)徑向位移較大時，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滑的聯(lián)軸器比較可靠；需要潤滑的聯(lián)軸器，其性能易受潤滑完善程度的影響，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)簡單，成本低的聯(lián)軸器。例如剛性聯(lián)軸器不但結(jié)構(gòu)簡單，而且裝拆方便，可用于低速，剛性大的傳動軸。一般的非金屬彈性元件聯(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。
由于對機(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
載荷計算：
公稱轉(zhuǎn)矩
（3-5）
式中：P―電動機(jī)的額定功率，單位為KW；
n―電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，單位為r/min。
其中公稱轉(zhuǎn)矩由后面電動機(jī)的選擇可以知道。
由機(jī)械設(shè)計手冊查得KA=1.5，計算轉(zhuǎn)矩為
Tca=KAT=1.5×22.35=33.53 （3-6）
其中：
KA為工作情況系數(shù)。
型號選擇：
綜合考慮軸的轉(zhuǎn)速、軸徑及電動機(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。
主動端：J型孔 A型鍵槽dz=28mm，L1=60mm。
從動端：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)盤的設(shè)計計算
轉(zhuǎn)盤在往復(fù)結(jié)構(gòu)中起著承上啟下的作用，通過電動機(jī)的帶動實現(xiàn)轉(zhuǎn)動從而帶動連桿運(yùn)動，導(dǎo)桿運(yùn)動進(jìn)而實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。
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)動的半徑。
考慮在圓盤邊上旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生很大的向心力，在圓盤內(nèi)側(cè)又需要很大的力帶動旋轉(zhuǎn)，所以最終確定在圓盤半徑中心，所以
R=2r=200mm
R——轉(zhuǎn)盤的半徑
因此，轉(zhuǎn)盤的直徑為40CM。材料選擇45鋼即可。
3.2.4連桿的設(shè)計計算及校核
連桿在往復(fù)運(yùn)動中起著樞紐作用，連桿通過轉(zhuǎn)盤的帶動進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，又通過與導(dǎo)桿相連，并將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)運(yùn)動，在設(shè)計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=8~10?，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
461
2.568
可見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)動帶動了下試樣夾具做直線往復(fù)運(yùn)動，從而實現(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，設(shè)置了導(dǎo)向裝置從而確保導(dǎo)桿沿固定方向運(yùn)動。
由于導(dǎo)桿受力并不是很大，所以導(dǎo)桿選用45號鋼，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
長度/mm
截面直徑/mm
抗壓強(qiáng)度/MPa
抗拉強(qiáng)度/MPa
1024
60
80
80
下面對導(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鍵的選取計算及校核
鍵聯(lián)接是通過鍵實現(xiàn)軸和軸上零件間的周向固定以及傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩。鍵的工作面是兩個側(cè)面，工作時，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(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。鍵的長度一般可按輪轂的長度而定，即鍵長等于或短于輪轂的長度，并且鍵長應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)長度系列。
由于本試驗機(jī)是小型，鍵的工作場合，故采用雙圓頭平鍵聯(lián)接；具有結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，對中性較好等特點。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，不需要計算，只要根據(jù)與鍵相配合的軸的直徑來確定。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為：鍵8×36mm GB/T1096-1979，鍵14×56mm 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)重過載，一般不會出現(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。
下面對鍵聯(lián)接進(jìn)行強(qiáng)度計算：
根據(jù)公式σp=（2T×1000）/kld≦[σp] （3-12）
式中：
σp—鍵受到的許用應(yīng)力，單位MPa
[σp]-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)計手冊選擇的數(shù)值為鑄鐵的最低，50～60MPa。
T---鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩，T=F×(d/2)，單位為N·m。
K---鍵與輪轂槽的接觸高度K=0.5h，h為鍵的高度，單位mm。
L---鍵的工作長度，單位mm，圓頭平鍵l=L-b，L為鍵的公稱長度，b為鍵的寬度。
d---軸的直徑，單位mm。
(1) 首先是對電機(jī)主軸上的鍵進(jìn)行計算
由于電機(jī)的型號已經(jīng)確定為Y2-132M型，經(jīng)查表可知其額定轉(zhuǎn)矩為9.72N·m；額定功率為2.2KW；額定轉(zhuǎn)速為960r/min。
所以
σp=（2T×1000）/kld=(2×9.72×1000)/4×36×28=4.7Mpa≦[σp]
強(qiáng)度合格。
(2) 對轉(zhuǎn)盤軸上面的鍵進(jìn)行校核
由于本軸上共有兩處鍵聯(lián)接，且傳遞動力一樣，所以只需對一個鍵進(jìn)行校核。
首先要計算鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩,根據(jù)公式T=9550×P/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=0.98×2.2=2.156KW
n—為軸的轉(zhuǎn)速，即n1=940r/min
所以
T=9550×P/N=21.5N·m
σp1=（2T×1000）/kld=(2×21.5×1000)/4×36×28=5.05mpa≦[σp]
強(qiáng)度合格。
所以經(jīng)過計算，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)挠嬎?
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150
1.5-2.5
小于120
2.5-5.0
小于100
5.0-10.0
小于80
在以上聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力
=+ （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個合適。
危險截面
(3-14)
K=1.5—1.8 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)計計算及校核
常見的普通螺栓連接，在被連接件上開有通孔，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)簡單，裝拆方便，使用時不受被連接件材料的限制，因此應(yīng)用很廣。
對于受拉螺栓，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)計準(zhǔn)則是保證螺栓的靜力或疲勞拉伸強(qiáng)度；對于受剪螺栓，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)度對連接的可靠性起決定性的作用。
螺栓連接的強(qiáng)度計算，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)度條件計算螺栓危險截面的直徑（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)驗規(guī)定的，通常是不需要進(jìn)行強(qiáng)度計算，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)度條件計算。
計算式，假設(shè)螺栓桿與孔壁表面上的壓力分布是均勻的，又因為這種連接所受的預(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)計時應(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)計計算
加載系統(tǒng)：即實現(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過程的需要，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)該便于控制和測量，只有壓力便于控制，才能保證試驗測量的數(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)簡單，載荷穩(wěn)定，不存在負(fù)荷保持的問題，加載精度高，但當(dāng)摩擦副運(yùn)動不穩(wěn)定時卻會引起振動和沖擊;彈簧加載產(chǎn)生的振動比較小，但是，彈簧加載的精度不高，難于實現(xiàn)負(fù)荷精確調(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(fù)荷穩(wěn)定。電磁加載易于實現(xiàn)負(fù)荷的自動控制，但其弱點是控制部分的成本較高，而且在已有摩擦磨損試驗機(jī)上使用還比較少。
綜上所述，我們最近選定彈簧加載。優(yōu)點是彈簧加載產(chǎn)生的振動比較小，而且結(jié)構(gòu)簡單，便于操作。缺點是加載精度不高。
為了彌補(bǔ)彈簧加載精度不高的缺點，我們將應(yīng)變片和加載系統(tǒng)相結(jié)合，避免了通過測量彈簧壓縮量而得到壓力值的計算，我們可以通過應(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，螺母同時也在做直線運(yùn)動，把力傳給加載頭，從而對下試樣夾具施加載荷。
在使用該加載器給構(gòu)件加載時，采用人工手動加載，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:用萬能材料試驗機(jī)加若十個已知大小的外力，在加載頭上任一點粘貼上應(yīng)變片，在應(yīng)變儀上讀出若十個對應(yīng)該點的應(yīng)變值，并據(jù)此畫出F-線圖。在運(yùn)用該加載器給構(gòu)件加載時，只要根據(jù)應(yīng)變儀上的應(yīng)變值，查看此F—C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)用時應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行計算。
圖4-1 加載裝置示意
Fig. 4-1 Loading equipment schematic drawing
1—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)的基本計算
在實際工作中，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，在實際過程中，彈簧會不斷的受到不同的壓力，所以彈簧的強(qiáng)度必須滿足實驗要求，下面我們對彈簧進(jìn)行設(shè)計計算及校核。
4.2.1彈簧的設(shè)計計算
根據(jù)試驗機(jī)壓縮條件，選擇圓柱型壓縮彈簧。如圖4-2所示，計算過程如下：
圖4-2 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)
Fig.4-2 Column helical spring's 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)對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算
對于壓縮彈簧如果長度較大時，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：
壓縮彈簧的長細(xì)比
本設(shè)計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?
當(dāng)兩端固定時；當(dāng)一端固定，一端自由時；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時
結(jié)論，本設(shè)計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。
(2)疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗算。
對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)或者載荷變化幅度不大時，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗算）。
現(xiàn)在由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗算
（4-4）
選取1.3——1.7（力學(xué)性能高），此處取
（4-5）
>1.3
結(jié)論：經(jīng)過校核，所選彈簧合適。
4.3試樣夾具的設(shè)計計算
4.3.1夾具的發(fā)展趨勢
夾具是機(jī)械加工不可缺少的部件，在機(jī)