机械毕业设计（论文）-微振摩擦磨损试验机设计【全套图纸】

题题 目：目： 姓姓 名：名： 学学 院：工学院院：工学院 专专 业：机械设计制造及其自动化业：机械设计制造及其自动化 班班 级：级： 指导老师：指导老师： 二二一三年一三年 六月六月 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 本本科科毕毕业业设设计计 延边大学本科毕业设计 1 摘摘 要要 微振摩擦发生在两接触表面之间有极小振幅运动的情况下。微振摩擦不仅可以 导致接触表面间的摩擦磨损，而且会加速裂纹的产生和扩展，最终使得构件的疲劳 寿命大大降低。目前，工业领域中因微振摩擦而造成的损伤相当普遍。因此，深入 开展微振摩擦学的研究，对预防和控制工业微动损伤有重要的指导意义，且具有广 阔的工程应用前景。而且在机械工程及其相关领域不断发展的形势下，摩擦学的研 究领域正由宏观转向微观发展，所以对微振磨损试验机的设计和深入研究有利于在 实际的工程生产中正确的选择材料，避免了一些不必要的浪费。 本文概述了微振摩擦磨损试验机的发展概况、分类、特点等，并简要分析了验 机的要求明细表、功能结构图。该试验机性能稳定，测试系统准确可靠,且试验数据 充分。 关键词：微振摩擦；位移缩小机构；弹性梁；试验机 完整版说明书，全套图纸，加完整版说明书，全套图纸，加 153893706153893706 延边大学本科毕业设计 2 Abstract Fretting occurs on the contact surface between two components which are placed in a small amplitude vibration circumstance. Fretting wear is one of the most important phenomena for inducing a dramatic reduction of fatigue strength. The damage induced by fretting is very common in industry and possible catastrophic consequence occurs. Thus, studies on fretting wear not only have science significance of exploring the unknown, but also show a broad prospect of engineering application in many fields, which have important guidance to palliate fretting damages in industry. And with the development of mechanical engineering and the related fields, the tribology research is turning macroscopic development to microscopic development. So the design and researches on fretting testing machine are useful for choosing the right materials in the actual engineering production that avoids some unnecessary waste. The paper mainly introduces the development situation, classification, and characteristics of fretting testing machine and briefly analyzes its request in details and function structure chart. The apparatus has stable performance, accurate and reliable testing system and the testing data is sufficient. Keywords: fretting wear, displacement narrow institutions, elastic beam, testing machine 延边大学本科毕业设计 3 目录目录 摘摘 要要1 AbstractAbstract2 目录目录3 引引 言言5 第一章第一章 绪论绪论.6 1.1 论文的研究背景 .6 1.2 微振摩擦磨损试验机的研究现状 .7 第二章第二章 微振摩擦磨损试验机简介微振摩擦磨损试验机简介.9 2.1主要用途与适用范围.9 2.2主要技术规格、技术参数和技术指标.9 2.3工作条件10 2.4试验机结构及工作原理10 2.4.1 试验机结构10 2.4.2 工作原理：（参看图 1：工作原理图） 10 2.4.3 主轴及往复运动系统11 2.4.4 位移缩小机构系统.11 2.4.5 摩擦副及摩擦力测量系统12 2.4.6 测力传感器的选择 13 2.4.7 测力传感器的设计 14 第三章第三章 摩擦磨损实验机设计准则摩擦磨损实验机设计准则15 3.1 实验机的材料性能 15 3.2 实验机性能 15 3.2.1 试件接触形式和运动状态 15 3.2.2 调节试件的能力16 3.3 实验机的设计和选择原则 16 3.3.1 首先确定磨损类型 17 3.3.2 磨损试件的接触条件和运动形式要与实际零件工作情况相同 17 3.4 经济性 17 第四章第四章 试验条件因素试验条件因素18 延边大学本科毕业设计 4 第五章第五章 微振摩擦磨损实验机的主体结构设计微振摩擦磨损实验机的主体结构设计19 5.1 驱动部分 .19 5.2 传动部分 .20 5.3 摩擦磨损测试组件部分 .22 5.3.1 弹性梁的设计22 5.3.2 弹性梁夹具设计23 5.4 试件夹具的设计 .24 5.4.1 平面试件的夹具 24 5.4.2 球试件的夹具 25 5.5 箱体设计26 5.5.1 设计方法 26 5.5.2 箱体主要结构参数的选择 26 5.6 实验参数的选择 .26 5.6.1 实验时间27 5.6.2 实验载荷和偏心轮的转速27 5.6.3 实验次数 27 5.6.4 控制试件摩擦表面所处的状态 27 5.7 摩擦磨损的计算方法 .27 5.7.1 磨损量的计算 27 5.7.2 摩擦系数的计算 28 5.8 试验机整体结构 .28 第六章第六章 结论结论29 参考文献参考文献.30 谢谢 辞辞.31 延边大学本科毕业设计 5 引引 言言 随着科学技术的发展，现代金属材料的应用范围日益宽广，使用条件日益苛刻， 不仅要求宏观上的性能指标，而且对微观上的要求也十分严格， ，因而本设计就是研 究材料在微动工况下的摩擦磨损的性能，来方便工程人员合理的选材，避免造成不 必要的浪费。所以微动摩擦磨损试验机就能够检测出在微动情况下材料抵抗摩擦磨 损的能力。 本设计旨在综合已有研究成果的基础上，设计一种使用方法简单、结构合理， 并且符合标准试验法要求的微动摩擦磨损试验机，以便在某些特殊情况下自行设计、 制造及改装使用。在设计和研制过程中，遵循了试验机设计和选择原则，并严格按 照机械设计的设计步骤进行设计，突出体现了简捷、精确的特点。 在学习、体会、忙碌与运用中，我的毕业设计结束了，我的学生生涯也要随之 逝去。我已经做了自己最大努力去完成设计，但我知道仍然还有许多不足之处，希 望各位老师批评并指正。 延边大学本科毕业设计 6 第一章第一章 绪论绪论 1.1 论文的研究背景 微动是指在一个振动环境下，发生在近似紧配合的接触表面之间的微米量级振 幅的运动。微动现象由于没有宏观的相对运动，因此从设计到失效分析几乎未引起 相关学者的重视。但是，微动摩擦不仅可以造成接触表面间的摩擦磨损，引起构件 咬合、松动或形成污染源等等，而且可以加速裂纹的萌生、扩展，使构件的疲劳寿 命大大降低。在许多工业重要部门，微动已成为一些配合零部件失效的主要原因之 一。微动摩擦研究中，存在着许多形式不一和研究对象不一的微动试验设备，从获 得微动位移幅度和交变应力的动力源的角度看，目前微动摩擦磨损试验机可以分为 以下三类：机械式、电磁式和电液伺服式。采用以上3种驱动方式的微动试验机在实 际应用中均存在不利因素，例如，机械式：自动化程度低、精度差；电磁式：振幅 不高、激振力小；电液伺服式：体积大、成本高等。在机械工程及其相关领域不断 发展的形势下，摩擦学的研究领域正由宏观转向微观，其试验也向着微观领域和动 态测试方面发展。由于现有微动摩擦磨损试验机均存在自身的不利因素，使得微动 摩擦学的研究受到了一定限制。因此，以微动摩擦磨损试验的目的和基本方法为基 础，结合现代驱动技术、计算机技术、自动化技术和智能控制技术等设计开发新型 微动摩擦磨损试验机，对深入开展微动摩擦磨损试验机及试验技术的研究有着重要 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 延边大学本科毕业设计 7 程热物理、流变学、应用数学、物理学、化学、材料科学、信息理论等一系到学术 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，探索新 原理、新功能，推动摩擦学设计和减摩抗磨损技术的发展，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。 1.2 微振摩擦磨损试验机的研究现状 自1911年Eden首次报道微动这一现象以来，微振摩擦学的发展经历了90年，大 致可分为4个阶段 1)微振摩擦学的建立(1911年40年代) 1911年Eden等发现微动现象后，一直到1927年才又引起重视，Tomlinson首次专 门设计设备对微动的过程进行研究，由于在他的试件上出现了红色a-Fc203氧化磨屑， 因此他创造了“微动腐蚀”一词。此后，随研究的增多，人们又发现了微动疲劳现 象，并注意到微动可以加速疲劳破坏，而且经常出现的微动和疲劳的联合作用才更 危险，甚至可以使强度降低因子增至25或更大。 2)微振摩擦学早期理论的建立(40年代末60年代末和70年代初) 1949年Mindlin提出了在一定条件下微动接触区存在滑移区和粘着区，并最早计 算了接触应力分布，这标志着微动摩擦学的研究进入了一个新阶段。随战后现代工 业的发展，微动损伤的危害日益突出，相关研究迅速增加。50年代初在美国 Philadelphia召开了首届微动摩擦学会议并出版了第一本文集，这一时期Feng和 Rightmire，tnaigh等提出了不同的微动磨损理论。1969年Nishioka等提出了一种早期 的微动疲劳模型，1970年Hurriek在他的一篇综述论文中将微动分为3个过程，1972年 Waterhouse发表了首部有关微动的专著FrettingCorrosion)。 3)微振摩擦学的重要发展阶段(70年代80年代) 进入70年代以后，新学科之间的相互交叉和科学技术的迅速发展，微动摩擦学 也得到了迅猛的发展。新的学术思想不断地引入微动摩擦学的研究，例如， Hoeppncr，Endo和Goto等将断裂力学方法引入微动疲劳的研究，Waterhouse等人将 Suh的大位移滑动磨损的剥层理论引入微动磨损的研究。随着分析方法和测试技术的 不断发展，一些新的理论模型被先后提出，如80年代末Berthier、Vincent和Godet提 延边大学本科毕业设计 8 出了微动运动调节理论，Godet提出了微动的三体理论等。 4)微振摩擦学的崭新发展阶段(上世纪90年代以来) 上世纪90年代以来，微动摩擦学的研究日趋活跃，研究论文迅猛增加，国际交 流频繁，在新材料、复合材料、表面工程、润滑、新型接触方式、计算机模拟、高 新技术领域的应用等方面都取得了显著进展。Zhou和Vincent提出的二类微动图理论， 揭示了微动运行机制和损伤机制之间的内在规律，为微动摩擦学的研究提供了有效 工具，是近十年来微动摩擦学的重要进展之一。 根据文献研究可知，近二十年来微动摩擦学学科的发展状况和未来趋势主要可 以概括为6个方面： (1)基础研究从简单的工业微动破坏现象观察、单一试验参数影响、平移微 动模式分别走向破坏机理试验分析、综合机械与材料，如位移、压力、频率、往复 次数、材料组织结构和力学性能等参数的影响、其它如径向、滚动、扭动、冲击等 微动模式的微动特性研究。Zhou和Vincent在大量不同参数和材料的试验基础上，建 立的二类微动图理论是最具代表性的进展。 此处删除 第二章第二章 微振摩擦磨损试验机简介微振摩擦磨损试验机简介 延边大学本科毕业设计 9 2.1主要用途与适用范围 该机主要是以机械式微动摩擦磨损试验机进行设计的，利用该试验机进行了微 动摩擦磨损试验，分析了位移幅值、法向载荷、运动频率等基本参数对微动摩擦副 间摩擦系数的影响；通过金相显微镜，考察了不同试验条件下试件表面的磨斑形貌， 研究了切向微动的运行和损伤机理。试验结果表明，试验数据和理论分析结果基本 符。 2.2主要技术规格、技术参数和技术指标 序号项 目 名 称 1模拟运动微振磨损 2摩擦副形式球面摩擦 3运动形式往复运动 4试验力20120N 5行程4mm13mm 6主轴转速范围（无级可调）01000r/min 7主轴转速误差5 r/min 8摩擦副温度控制范围室温25C 9摩擦副温度控制误差2C 10试验时间控制范围1 秒99 小时 11介面介质无液体介质 12外型尺寸459mm301mm331mm 13净重约 30kg 14试验用钢球15mm 15试验机驱动偏心驱动 2.3工作条件 1) 室温 1035C 范围内； 2) 相对湿度不大于 80%； 延边大学本科毕业设计 10 3) 周围无震动，无腐蚀性介质和无较强电磁场干扰的环境中； 4)电源电压的波动范围不应超过额定电压的10%，频率的波动范围不应超过额定频 率的 2%，三相电压的不平衡电压不应超过 10V； 5) 在稳固的基础上正确安装，水平度不超过 0.2/1000. 2.4 试验机结构及工作原理 2.4.1 试验机结构 该试验机主要由动力系统、加载系统、磨损测试组件和摩擦力测试组件组成。 2.4.2 工作原理：（参看图 1：工作原理图） 图 1 本系统通过电动机带动可调凸轮做旋转运动，凸轮带动连杆上下运动，再经三 角形位移缩小机构将较小幅值的位移传递给导轨，导轨拖动平面试件夹具一同实现 小幅的往复运动，球试件和平面试件在砝码重力作用下形成一对微动摩擦副，从而 构成整个微动摩擦磨损试验装置。弹性梁在摩擦力作用下产生变形，在小幅情况下， 变形量与摩擦力成正比，利用在弹性梁上贴应变片的方法测量摩擦力，即通过弹性 梁的变形而使贴在上面的应变片伸长或缩短，再通过动态应变仪将应变片电阻的变 延边大学本科毕业设计 11 化转变为电压的变化，然后将电压信号乘以标定系数即为摩擦力。工作时，平面试 件夹具体与导轨中需加注润滑油。为使试验机在高频情况下运动平稳、轻快，并具 有较长的使用寿命，因而采用了精密直线导轨。 2.4.3 主轴及往复运动系统 此处已删除 3.2.2 调节试件的能力 实验设备必须具有足够的机械稳定性，在摩擦磨损实验机上，测定摩擦系数时， 由于机构内的摩阻，常常导致数值不稳定。实验机的精度不够，影响数据的正确性； 寿命短，影响实验的长期进行；有震动，使得测得的数据之间误差较大。试件的调 节能力，对实验参数选择很重要。实验机应调节方便，实验结果的分散度很小，重 复性很高，实验精度也就很高。 为了简单，方便，而且能满足实验条件的要求，本实验机采用应变片通过测量 弹性梁的变形来计算出摩擦力的大小，采用砝码实现法向载荷的加载，其结构 如图 7 所示： 延边大学本科毕业设计 12 图 7 如上图中的调平螺母，试验开始前，首先使用螺母调整弹性梁的平衡，使法相 载荷从零开始依次递增。 3.3 实验机的设计和选择原则 试验机的种类繁多，目前还没有标准化。模拟性的试验应根据实验目的和要求 设计和选择。一般性的摩擦磨损试验机已倾向标准化，但看法不完全一致，一般必 须遵守的基本原则如下： 3.3.1 首先确定磨损类型 这是设计和选择试验机的主要根据之一。按摩擦副表面磨损的过程分为粘着磨 损、磨粒磨损、疲劳磨损和微动磨损等。 微动摩擦试验机属于粘着磨损。 3.3.2 磨损试件的接触条件和运动形式要与实际零件工作情况相同 实际的工作零件可能出现的运动形式有滑动、滚动、滚动兼滑动和冲击，其中 有连续运动（如转动）和往复运动（大振幅和小振幅运动） 。接触形式分为只有一个 延边大学本科毕业设计 13 设计表面（如受液体或固体颗粒冲击的零件）和有两个设计表面。其中，有点接触、 面接触和线接触。不同的接触形式对摩擦磨损产生不同的影响，必须仔细考虑。 微动摩擦磨损试验机属于点接触，如上图 6 所示： 3.4 经济性 在分析设计高真空摩擦实验机的同时，还必须要考虑各种零部件的造价，尽量在节约资金 的同时，完成设计任务。试验机应调整方便，试验结果的分散度小，重复性好，试验精度高。 第四章第四章 试验条件因素试验条件因素 1. 试样的表面性质：包括材料种类（化学成分及组织） 、机械性能和表面光洁度， 它们明显的影响磨损。 2. 试样的形状和尺寸：它影响试样的接触型式和重迭系数，而且它们还对润滑状 态、压力大小、相对运动速度以及磨损量等都有影响。有些试样试验机规定了 试样的形状和尺寸。 延边大学本科毕业设计 14 3. 试样中的固定件与运动件材料不同时，一般不宜倒转装配，特别是在干摩擦或 固体润滑的情况下。 4. 运动形式：试样相对运动所形成的滑动、滚动或复合摩擦形式不同，对润滑状 态或破坏特征等都有影响。 5. 速度：速度对磨损影响比较复杂，速度改变，摩擦系数一般发生变化；摩擦材 料变形速度和接触区的温度也发生变化；甚至改变了磨损形式和润滑状态。 6. 温度：温度与速度一样，对磨损影响同样是比较复杂的。温度升高到一定程度， 材料的摩擦系数和磨损量都将变化；温度升高，润滑油的粘度下降，严重时甚 至破坏油膜，改变润滑状态。 7. 压力：压力改变，摩擦副的摩擦磨损特性随之改变，润滑状态也随之改变。 8. 周围环境介质：周围环境的水汽、空气、灰尘以及其它气体的改变，对摩擦副 材料和润滑材料都有影响。摩擦表面的状态控制不严，将引起摩擦磨损测量结 果无规律的变化。因此，试验过程应防止摩擦表面被异物污染，防止微粒侵入， 以及在装卸试件时保证重装的位置精度。 第五章第五章 微振摩擦磨损实验机的主体结构设计微振摩擦磨损实验机的主体结构设计 5.1 驱动部分 延边大学本科毕业设计 15 此处已删除 图13 根据实验材料设计夹具如下图14中的夹具盖板用来加紧试件，防止试件在实验 延边大学本科毕业设计 16 过程中发生松动，影响实验结果，试件下边的顶块用来实现平面试件底部的支撑， 从而防止平面试件在法向载荷作用下产生的弯曲变形对整个微动运动过程的影响。 图14 5.4.2球试件的夹具 球试样为直径为15毫米的45滚珠轴承钢；，球试件夹具设计为螺旋加紧装置， 使用圆螺母加紧试件从而进行试验摩擦，如图 15。 图 15 图 13 中的球试件夹具和夹紧装置是螺纹连接的，用螺纹旋紧 加紧球试件，防止球 试件在实验时滑动，并且夹具是通过紧定螺钉固定在弹性梁上，通过调整夹具柄的 高度来调整球试件和平面试件的垂直距离。 延边大学本科毕业设计 17 5.5 箱体设计 5.5.1 设计方法 箱体的结构设计通常采用结构包容法，即根据箱体内部零件尺寸和它们之间的 相互关系，采用包容的方法来构造箱体的结构形状及确定其结构尺寸。与此同时， 还应考虑外部有关零部件对箱体和尺寸的要求。然后从美学角度进行修正。 5.5.2 箱体主要结构参数的选择 箱体的一些结构参数，如壁厚、凸台及孔等对箱体的工作能力、材料消耗、质 量及成本影响很大，设计时须处理好。壁厚、凸台的布置和尺寸的确定可采用类比 法，对同类产品进行比较，并参照设计手册等资料提供的经验数据及设计者的经验。 此处已删除 延边大学本科毕业设计 18 5.8 试验机整体结构 延边大学本科毕业设计 19 第六章第六章 结论结论 本文的主要特色就是为了设计在不同的载荷以及滑动速度条件下，分析各种材 料的摩擦磨损特性。微动摩擦磨损试验机，其结构原理简明，调试和操作简单方便、 结构新颖、测试实验数据容易。如果加以应用，可以培养学生实际动手能力，巩固 所学专业知识，锻炼学生分析问题和解决问题的能力。该试验机可用于实验教学， 又可用于教师科研试验。希望该试验机能对教学质量的提高起到推动作用。我是第 一次接触这种机器。因此，感觉不知道怎么做，我的指导老师任靖日教授给予我很 大的帮助。题目要求：通过设计微动摩擦磨损试验机，了解摩擦磨损原理，摩擦副 结构特点以及运动关系。从而揭示微动摩擦磨损试验机的工作原理和使用方法以及 重要性。根据这一要求将整个设计工作分成了几个阶段完成。第一阶段：调研，收 集摩擦学，摩擦磨损实验机的资料，分析各种材料。在此过程中，我通过网络和去 图书馆搜集资料。第二阶段：学习摩擦磨损原理及有关知识。我又重新学习了机 械设计 （西北工业大学机械原理及机械零件教研室编）中的第四章摩擦磨损概述， 翻阅了摩擦学原理等书籍。第三阶段：考虑试验机的功能和制造要求实用性等。 总之，可以归纳为首先规划试验机大致轮廓，分析微动摩擦磨损试验机的原理，根 据微动摩擦磨损试验机的工作原理，选择试验机的结构及各种零件结构，分析实际 工作原理并考虑材料的经济性和实用性等。经过以上几个阶段的研究工作，终于完 成了对微动摩擦磨损实验机的设计。 虽然完成了微动摩擦磨损试验机的设计，但是对于它的实际工作情况就不知晓 了，它是否可以模拟实际工作条件，只有完整的制造出来才可以知道。因此只能是 通过本设计，来了解摩擦磨损原理，摩擦副结构特点以及运动关系。从而认识微动 摩擦磨损试验机的工作原理和使用方法的重要性。 延边大学本科毕业设计 20 参考文献参考文献 1 J. Wen；X. Ying.IEEE Transactions on MagneticsM, part1 Tribological characteristics of SiNx films, 1999 2 O.A. Le