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磨料磨损试验机设计
33页 14600字数+说明书+开题报告+任务书+文献综述+7张CAD图纸
丝杠.dwg
任务书.doc
动横梁.dwg
封面.doc
带轮.dwg
总装配图.dwg
文献综述.doc
磨料磨损试验机设计开题报告.doc
磨料磨损试验机设计说明书.doc
箱体.dwg
蜗杆轴.dwg
诚信承诺书.doc
轴.dwg
目 录
摘 要1
1 引言1
1.1 设计的目的和意义1
1.2 研究现状2
1.3 磨料磨损试验机的发展趋势3
2 磨料磨损试验机的总体设计5
2.1 传动方式5
2.2 试验负荷的影响6
3 运动的动力的计算8
3.1滚珠丝杆副的动力计算8
3.2 丝杆强度和稳定性的计算9
3.3 丝杠的刚度10
4 磨料磨损试验机的结构设计的相关计算12
4.1 试验机主要性能指标的确定12
4.1.1 电机选择12
4.1.2 同步带传动计算13
4.1.3 主轴计算16
4.2 各级传动的设计18
4.2.1 第一级带传动计算18
4.2.2 第三级带传动20
4.3 丝杆轴承的选择22
4.4 离合器的选择23
5 磨料磨损试验机的结构设计24
5.1 箱体的结构设计24
5.2 横梁和支架的设计24
5.3 摩擦轮的设计25
6结论27
参考文献28
致 谢29
摘 要
目前磨料磨损试验机的品种繁多，也有不少人在研究新型的试验机。在国内的相关研究中则广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、四球式磨料磨损试验机、往复式磨料磨损试验机、磨损试验机、盘销式磨料磨损试验机等。磨料磨损试验的目的是为了对磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种因素对磨料磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。
我所设计的是磨料磨损的试验机。是用电机带动带轮为驱动，利用带式传动使整台设备运转。这种试验机是进行磨料磨损的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的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。该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。是综合各种试验机的一种先进的设备。
关键词：磨损；试验机；高温 ；高速
机械式传动方式优点：易于实现自动控制，无污染。缺点：大力值难于实现，一般仅适用于小于1000kN的力，对比上面两种加载方式，由于本设计的规格为100kN，故决定采用机械式加载方式。
磨料磨损试验机的传动方式有单丝杠式，双丝杠式，多丝杠式。单丝杠式难于保证精度（加载时，易偏离中心线），而多丝杠式结构过于复杂，故采用单丝杠传动方式，结构相对简单，能保证本试验机对精度的要求。
本试验机的传动主要为螺旋传动和同步带传动。同步齿形带的传动必须考虑带的张紧，可通过调整其中一张紧轮的位置而达到张紧的目的。至于另两级带传动，由于结构的限制，可采用电机张紧方式张紧。螺旋传动有蜗轮蜗杆传动和滚珠丝杠副县长的传动。蜗轮蜗杆具有自锁性能，在装配时必须注意其旋转方向。滚珠丝杠采用垫片式消隙和预紧方式，可通过调整预紧力来改变其松紧程度，以便使用权丝杠运转自如。
在考虑到成本等方面的因素，决定采用双电机工作方式，因为如果采用单电机工作方式，单电机为饲服电机，其价格较高。而采用双电机，其一为异步电机，其二为步进电机，其造价较低且其结构也不是很复杂。加载时，丝杆的转速低，其运动速度慢，当两元件的距离较远时，如不采用快进机构则其效率较低。因此，当快进时，如不把步进电机隔离，则步进电机将被被动带动转动，且其转达速进十分高，易把步进电机烧坏，因些在其上面加一分离机构（离合器）。
磨料磨损试验机所采用的丝杠为滚珠丝杠，滚珠丝杠必须考虑自锁，其自锁方式有多种，本系统中利用蜗轮蜗杆（降速比较大）来实现其自锁。
- 内容简介：
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磨料磨损试验机的设计摘 要目前磨料磨损试验机的品种繁多，也有不少人在研究新型的试验机。在国内的相关研究中则广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、四球式磨料磨损试验机、往复式磨料磨损试验机、磨损试验机、盘销式磨料磨损试验机等。磨料磨损试验的目的是为了对磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种因素对磨料磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。我所设计的是磨料磨损的试验机。是用电机带动带轮为驱动，利用带式传动使整台设备运转。这种试验机是进行磨料磨损的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的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。该设备是高速加工和刀具材料研究方向研究工作急需的基础设备，该设备可以扩展该学科的研究领域和提高研究水平。是综合各种试验机的一种先进的设备。关键词：磨损；试验机；高温 ；高速AbstractThe abrasive wear test machine of the variety, there are a lot of people in the study of new type of testing machine. In the domestic related research is widely used in the testing machine has a roller type wear testing machine, four ball friction and wear testing machine, reciprocating friction and wear testing machine, cutting type friction, wear testing machine, friction test machine. Friction and wear test is aimed on the friction and wear phenomenon and its essence is studied, a evaluation of various factors influence on friction and wear properties, thereby determining the requirements of the optimal parameters of friction pair components.What I design is at a high temperature abrasive wear testing machine. Is driven by a motor belt wheel for driving belt transmission, using the whole device operation, this machine is of high speed friction and wear behavior of effective equipment, is widely used for various high temperature friction and wear properties of high speed cutting tool for testing and evaluation, is of high speed cutting and new cutting tool materials research and development and application of the necessary equipment. The device is of high speed machining and tool material research direction research work needed infrastructure equipment, the equipment can be extended to the field of study and improve research level. Is a comprehensive test machine is a kind of advanced equipment.Key words：friction；testing machine；high temperature；high-speed目 录摘 要11 引言11.1 设计的目的和意义11.2 研究现状21.3 磨料磨损试验机的发展趋势32 磨料磨损试验机的总体设计52.1 传动方式52.2 试验负荷的影响63 运动的动力的计算83.1滚珠丝杆副的动力计算83.2 丝杆强度和稳定性的计算93.3 丝杠的刚度104 磨料磨损试验机的结构设计的相关计算124.1 试验机主要性能指标的确定124.1.1 电机选择124.1.2 同步带传动计算134.1.3 主轴计算164.2 各级传动的设计184.2.1 第一级带传动计算184.2.2 第三级带传动204.3 丝杆轴承的选择224.4 离合器的选择235 磨料磨损试验机的结构设计245.1 箱体的结构设计245.2 横梁和支架的设计245.3 摩擦轮的设计256结论27参考文献28致 谢29中国地质大学长城学院2012届毕业设计1 引言1.1 设计的目的和意义随着冶金、矿山、电力以及工程机械等行业的发展，人们对磨损危害的认识有了相当的提高。为了弄清磨损机理以减少有害的磨损，各国学者对材料在常温下的各种磨损问题均进行了大量的研究，但对于材料在高温下的磨损问题至今却研究的较少，这和高温磨损试验装置的缺乏不无关系。1910年第一台磨料磨损试验机即以问世，1975年美国润滑工程师学会（ALSE）编著的“磨料磨损装置”一书中所公布的不同类型的磨损试验机也有上百种，但其中大部分都是磨损试验机。近几十年来，磨损试验机和试验方法虽然有了较大的发展，但这些试验机大多还是由企业和研究工作者根据工作需要和实际工况自行设计制造的，适合高分子及其复合材料试验用的磨损试验机等。只有少数试验机是由专门的试验机厂或仪器制造公司制造和供应的，而且这些试验机大都结构复杂，价格较贵，这说明了磨损问题的复杂性和进行实验室磨损试验研究的困难所在。通常,把测定材料机械性能的仪器和设备称为磨料磨损试验机。但是，有些国家有时把测定材料物理性能（甚至化学性能）的仪器和设备也称为磨损试验机。国外，在工业比较发达的国家中，对于试验机的研制和生产，都是比较重视的。这是因为，磨损试验机作为一个基础工业部门，对于工业生产和科研工作有直接的不容忽视的影响。实际上，对于工业生产和各种工程设计来说，磨料磨损试验机是确保各种机器，车辆，船舶和结构物的合理设计与安全运行的重要测试设备。因为，为了既经济又安全可靠地从事各种工程设计，必须根据材料的机械性能选取合适的材料。否则，可能造成浪费，或者导致发生严重的事故。而要获得准确的材料机械性能数据，只有使用材料试验机。在工业生产中，为了保证产品质量，常常需要对各种材料和零部件或整机进行检定和测试。许多重要性的热处理零部件，如轧钢机的钢辊，机器的主轴和汽车的连杆等，都要百分之百的进行硬度检定。在冶金工业生产中，随着科学技术的飞速发展，也提出了许多新问题。例如现代技术的发展，需要一些具有特殊性能的，能在高温，低温，高压，高速以及各种复杂条件下工作的材料，因此必须研制新型材料与合金。钢铁厂生的的钢材，也需要随时检验。显而易见，所有这些研究和检验工作，离开材料试验机是无法进行的。上述几点，已足以说明磨损试验机的发展对航空，冶金，机械，建筑和造船等工业部门，在合理设计工程结构，节约材料，提高产品质量，改进工艺和降低成本方面具有重要的意义。另外，由于磨料磨损试验机所涉及到的科学技术领域比较广泛，如高温技术，低温技术，真空技术，液压技术，光学技术，电子技术和激光技术等，并且还应用各种测试，记录和显示仪器，所以磨损试验机的技术发展，往往取决于很多科学技术领域的水平。磨料磨损试验的目的是为了对磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种因素对磨料磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。磨料磨损试验研究的内容非常广泛，如探讨磨损和润滑机理以及影响磨损的诸因素，对新的耐磨、减磨及摩擦材料和润滑剂进行评定等。由于磨损现象十分复杂，磨损条件都各不相同不同，试验方法和装置种类繁多，如何准确地获取磨料磨损过程中的参数变化成为一个十分重要的研究课题。为了探索和验证机械工程中磨损问题的机理以及有关影响因素，磨料磨损试验机是进行磨损试验的有效设备。1.2 研究现状近些年来，随着航空，冶金，造船，化工和机械工业生产技术水平的迅速发展，对金属材料试验提出的要求也越来越高，许多产品的重要的零部件甚至整机，常常需要在各种复杂的情况下进行模拟试验。因此，在材料试验机中不断地采用了一些新技术，例如电液伺服系统，电子计算机等。所有这些新技术的应用，不仅使磨料磨损试验机的性能在为提高，而且使磨损试验机的结构也随之发生了很大的变化。近来国外生产的一些特殊的磨损试验机，由于应用了一些新技术，试验机的性能有所提高，应用范围也有所扩大。这种试验机除了能做拉压，弯，剪切等表态试验外，还可以做蠕变和松弛试验，有的还能做动态试验，测定材料的疲劳极限。国外生产的磨损试验机和拉力试验机，主要分为机械式，液压式和电子式三种。近来电液伺服系统万能试验机后来居上。此外，有时又按其他特征分为高温，低温，大型，微型和自动试验机等。机械式磨料磨损试验机的加荷机械和测力机械一般采用机械传动装置。这种试验机具有足够的精度和稳定性。但负荷能力受到一定限制，因测力机械的惯性较大，加荷速度受到一定限制。所以，国外一些主要生产厂已经不再生产，有的仅放在次要的地位。液压磨损试验机，应用液压传动加荷。与机械万能试验机相比较，除负荷较大外，加荷平衡，加荷速度可自由调节。近些年来，各国都在大力发展电子磨损试验机与电子拉力试验机。这是一种将电子技术应用于试验机负荷系统与变形系统中，精确地进行测量和记录的新型磨料磨损试验机。目前，世界只有美国、日本、瑞士等少数几个国家有磨料磨损试验机的专业生产企业，而济南试金集团是国内最早研制和生产磨料磨损试验机的厂家。早在1964年为了满足我国石油工业和材料工业的发展需要，济南试金集团开始研制MQ-12型四球磨料磨损试验机，1965年研制成功并投入生产，1966年又研制成功MM-200型磨损试验机，两种试验机的研制成功标志着我国已有了自行研制磨料磨损试验机的能力。在最近的几年，涌现出了一批新兴生产磨料磨损试验机的企业，也有不少优质产品面世。磨料磨损试验机用于评定材料的磨损机理和测定材料的摩擦系数。并可模拟各种材料在干摩擦、湿摩擦、磨料磨损等不同工况下磨损试验。该机采用计算机控制系统，可实时显示试验力、摩擦力矩、摩擦系数、试验时间等参数，并可记录实验过程中摩擦系数时间曲线。滚动摩擦试验能调节实现不同的滑差率；该产品所做结果符合GB/T12444.2-90金属磨损试验方法MM型磨损GB/T396083塑料滑动摩擦系数试验方法。由于该机功能多，结构简单可靠，使用方便，有多个标准试验方法建立在该机型上，且在国外使用较多，所以在国内研究领域也有非常广泛的应用。美国FALEX公司：FALEX公司是摩擦磨损测试仪器的专业制造商，具有75年的历史，其产品广泛应用在石化、机械，军工等多个领域，目前有超过300台四球机试验机在各个国家使用，已被各国政府部门和工业界广泛的认同，FALEX公司的很多仪器已成为磨损领域的测试标准，被收录在ISO、ASTM等国际和行业的标准中。 FALEX四球法磨损试验机设计有精密负载以便完成精确的磨损实验，它是唯一通过多个实验室循环实验所得出的精度作为ASTM方法中的精度要求的仪器，到目前为止没有其他的仪器展示这个精度，为了符合ASTM、ISO、DIN的要求，就一定要使用FALEX四球法磨损实验测定仪。试验机的测试原理是：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；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；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；通过测量材料的损失体积可计算压头和样品的磨损系数。1.3 磨料磨损试验机的发展趋势磨料磨损试验机是用来进行性能指标测定的设备，在各类材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中都需要应用试验机来进行力学性能测试。而其中的磨损试验机上的拉伸、压缩、弯曲、剪切等试验尤为广泛。我国的磨损试验机为数众多，遍布于全国各地，大部分不具备电测能力，以手动调整进、回油阀的方式运行，试验手段落后，有劳动量大和测试结果不准确等缺点。若对其指示、记录系统及控制系统进行适当的技术改造，则可以充分地发挥设备的潜能，大大提高其技术性能及使用价值，更好地为材料研究、质量控制和实验教学服务。 本系统将先进的虚拟仪器技术、传感技术、测试技术和控制技术相结合并应用于静态试验机，来实现力学性能参数的自动检测，其中试验数据的实时采集、自动处理分析和试验中的加载速率控制是本系统研究的重点。 本系统在充分掌握大量试验机的动态信息的基础上，采用虚拟仪器技术，进行了磨损试验机数控化系统的硬件搭建及软件设计。传统的磨料磨损试验机是液压动力的, 这种试验机存在一些不足之处。它通过油泵向油缸输油加压, 由流量调节阀控制流量。油泵和测力油缸的液压系统容易发生故障, 不但影响试验机的运行和试验质量, 而且增加了维修工作量; 它的液压夹具的钳口座比较笨重, 容易损坏; 采用摆锤测力计测量试验力,摆锤的惯性大, 对载荷的测量精度低, 且量程范围小。电子磨料磨损试验机的特点是能够实现应力、应变、位移的闭环控制; 试验中无须选择量程, 可实行全过程自动控制; 装卸夹具和附件方便; 软件包功能强大, 用户通过PC 可直接存储数据、计算并输入测试结果和打印试验报告。计算机控制整个试验过程, 保证了试验的质量。电子磨损试验机是先进的机械技术与现代的电子技术相结合的产物，是充分发挥了机、电技术各自特长而设计成的大型精密测试仪器，它具有高科技特点，其设计方法是模块化的。采用集散技术，有效地利用了微机功能对各种附件和功能单元进行组合管理、控制、实现多种功能试验。电子磨料磨损试验机由计算机控制系统进行自动控制。首先, 通过计算机可完成试验阶段的设置。对于金属材料的常规拉伸试验, 通常划分为三个阶段, 即弹性阶段、屈服阶段和强化阶段。在三个试验阶段设置中, 均要选择速率控制类型和最大存储频率等主要参数值。同时, 计算机可实现测量数据的存储, 并由计算软件对试验数据进行处理, 给出检测结果,最后, 完成试验报告的打印。机械式磨料磨损试验机，基于主机架采用门式结构，使得造型匀称美观大方结构简单、成本低。尤其配以滚珠丝杠与同步齿型胶带的传动系统，使得整机运行平稳，响应快、噪声低、效率高。对测量系统，微机可以对其进行自动调零，自动标定、自动换档，从而保证了测量系统的稳定可靠性，并大大地提高了工作效率。通过对传统磨损试验机的分析,发现如下特点：（1）以高性能的电机系统取代机械变速系统：目前，高性能的电机系统己经比较成熟，调速比可以达到一比几百、几千甚至更高。利用这种系统既可以实现转动，也可以实现摆动和直线运动。由高性能电机直接驱动主轴，不仅能使机械结构大大简化，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。但高性能电机系统价格比较昂贵。（2）在磨料磨损试验机上应用微型计算机：微型计算机的价格低廉，操作简单，性能稳定，不仅可以取代以往的二次仪表对试验机进行控制，而且还可以对测试参数进行自动采集和数据处理，因而能使试验机的功能大大加强。（3）改进测试手段。（4）提高稳定性、测试精度，以使试验结果具有更好的重复性和再现性。2 磨料磨损试验机的总体设计2.1 传动方式机械式传动方式优点：易于实现自动控制，无污染。缺点：大力值难于实现，一般仅适用于小于1000kN的力，对比上面两种加载方式，由于本设计的规格为100kN，故决定采用机械式加载方式。磨料磨损试验机的传动方式有单丝杠式，双丝杠式，多丝杠式。单丝杠式难于保证精度（加载时，易偏离中心线），而多丝杠式结构过于复杂，故采用单丝杠传动方式，结构相对简单，能保证本试验机对精度的要求。本试验机的传动主要为螺旋传动和同步带传动。同步齿形带的传动必须考虑带的张紧，可通过调整其中一张紧轮的位置而达到张紧的目的。至于另两级带传动，由于结构的限制，可采用电机张紧方式张紧。螺旋传动有蜗轮蜗杆传动和滚珠丝杠副县长的传动。蜗轮蜗杆具有自锁性能，在装配时必须注意其旋转方向。滚珠丝杠采用垫片式消隙和预紧方式，可通过调整预紧力来改变其松紧程度，以便使用权丝杠运转自如。在考虑到成本等方面的因素，决定采用双电机工作方式，因为如果采用单电机工作方式，单电机为饲服电机，其价格较高。而采用双电机，其一为异步电机，其二为步进电机，其造价较低且其结构也不是很复杂。加载时，丝杆的转速低，其运动速度慢，当两元件的距离较远时，如不采用快进机构则其效率较低。因此，当快进时，如不把步进电机隔离，则步进电机将被被动带动转动，且其转达速进十分高，易把步进电机烧坏，因些在其上面加一分离机构（离合器）。磨料磨损试验机所采用的丝杠为滚珠丝杠，滚珠丝杠必须考虑自锁，其自锁方式有多种，本系统中利用蜗轮蜗杆（降速比较大）来实现其自锁。图2-1 工作示意图螺纹联接的防松，在冲击，振动或变载荷的作用下，螺旋副的摩擦力可能减小或瞬间消失，重复后，就可能使用联接松动，甚至松脱。因此必须采取防松措施。本试验机中采用的防松措施为：双螺母防松（即在螺母上再加一个螺母）和垫片防松。图2-2 工作示意图本试验机使用的润滑方式为脂润滑。因此应该根据实际情况定时加一定的润滑脂，以保证机构的运转良好。轴承的预紧情况将直接影响其运转性能。如过松，易使机构失效，且易产生振动。如过紧，则又使机构运转不良。本试验机中多采用了焊接连接方式。因此，焊接的方法，质量就直接影响试验机的整机性能和寿命。2.2 试验负荷的影响（1）摩擦磨损试验机一般都要对试验负荷进行测量，所采用的测量方式往往随加载方式的不同而不同。机械式的杠杆一砧码加载可以直接根据加载砝码得到负荷值，机械式弹簧加载可以根据游标显示的弹簧变形确定负荷值，液压加载可以通过加载油缸的压力换算得到负荷值(如MQ-800型四球式磨损试验机)。然而，不论在哪种加载方式下，都可以利用负荷传感器直接测量负荷值。负荷传感器应当安装在尽量靠近摩擦副的位置上，以避免或减小导向部分摩擦力引起的测量误差。（2）摩擦力(摩擦系数)的影响；在试验机上，摩擦力(或摩擦力矩)和摩擦系数一般只测一项。例如，在已知负荷P的情况下，只要测出摩擦力F，就可以根据公式u=F/P求出摩擦系数的数值。这可以利用微机或数字电路实现运算处理。测量摩擦力常用的方法一般有两种，即测量作用在驱动轴上的扭矩，或者是借助于弹性元件测定作用在固定件上的力。在采用第二种测量方法测量摩擦力时，由于固定件在沿摩擦力方向自由运动时必然要传递法向力，所以当将其安装在滚动轴承之类的低摩擦装置上，以使附加的摩擦力尽可能地减小，从而保证摩擦力的测量精度。摩擦扭矩可以采用扭矩传感器进行测量，其安装位置既可以是在运动轴上，也可以是在固定轴上。当把扭矩传感器安装在运动轴上时，需要确保传感器的信号输出良好。在试验机上，通常是将摩擦扭矩转换成拉力或压力对其进行测量（见图2-3），但要注意使转换机构造成的误差不得超过允许值。图2-3将摩擦扭矩转化成拉力或压力的测量（3）速度的影响；在有些试验机上还要求对速度进行测量，可以采用的测速装置有测速发电机和光电传感器等。记录转数最常用的是机械式计数器。（4）测温方法的影响；摩擦磨损试验需要测定的温度有环境温度、润滑剂温度和摩擦副的摩擦面温度，其中不易测量的是摩擦面温度(因为它不暴露在外面)。在试验机上常用的测温方法有热电偶法和红外测温法。用这两种方法测得的摩擦面温度都是近似值。这是因为热电偶无法安装在摩擦面上，而只能安装在靠近摩擦面的位置上;而红外测温法则是因为只能测得摩擦面边界上的温度或试件的体温。如果能够知道试件温度的分布情况，那就可以对测温结果进行修正，从而使测量误差减小。为了消除或减少以上原因所产生的误差，在实测时可以把实际试件之一(或两件)组合成热电偶的一部分，这就是所谓的“自然热电偶”测温法。这种方法原则上可以直接从摩擦面取得温度信息，然而这个信息不仅会受到由于润滑剂的作用所产生的界面电动势的影响，而且在多触点的循环电流对它也有影响L阁。因此，在现有的试验机上很少使用这种测温方法。（5）重复性和再现性；摩擦磨损试验机能否给出重复性和再现性都比较好的试验结果，取决于每次试验用的试杆和试验环境条件(包括仪器的工作状态)是否都能保持一致。西德Optimol公司的SRV型标准化微动式摩擦磨损测试机之所以能够给出较好重复性和再现性的试验结果，就是因为它的关键部件一振动系统和力监测系统的工作状态非常稳定。为了使试验条件稳定，就要从动力源和试验机结构上保证负荷及速度等T矿稳定，同时还需要测试系统稳定，应能准确地测出工矿参数，以便于调整。此外，合理的摩擦副接触形式也是取得较好重复性和再现性试验结果的重要因素之一。一般说来，点接触比面接触受外界的影响小，因而在相同条件下，点、线接触有利于再现摩擦副的接触状态。3 运动的动力的计算3.1滚珠丝杆副的动力计算消除轴向间隙的调整预紧方式，采用双螺母,通过两螺母间的轴向位置，以消除轴向间隙，并进行预紧,提高传动的定位精度，重复定位精度及轴向刚度，预紧力一般为最大轴向载荷的1/3。预紧方式采用垫片式。滚珠丝杠的承载能力取决于其抗疲劳能力，故应首先按寿命条件和额定动载荷选择和校验其基本参数。同时检验其载荷是否超过额定静载荷（低速）。强度，刚度，稳定性也需要进行验证。采用内循环方式，垫片式消隙和预紧。预紧参数双圆弧，接触角比值，滚道圆弧偏心距。丝杠参数公称直径50mm，导程，右旋，精度等级三级 钢球直径圈数jk列数= 滚珠螺旋传动由于精度要求较高，比较复杂，所以一般均由专业厂生产。转速很低时可仅按额定静载荷确定或校核其尺寸。 （3-1）工作寿命 ，寿命系数 =载荷系数 ，=动载荷硬度影响系数，短行程系数，转速系数 工作转速（） ，加载时，则计算 （3-2） 即丝杠寿命符合条件。3.2 丝杆强度和稳定性的计算（） （3-3）当量摩角，取，丝杠公称直径 。丝杠螺旋角 计算（） （3-4）采用预紧，因此预紧产生的转矩也要计算，预紧力为最大轴向力的1/3，则 （3-5）当量应力 （3-6）丝杠螺纹底径 （3-7） 计算 根据强度条件，即丝杠满足强度条件。柔度计算 （3-8）长度系数，丝杠最大工作长度 临界载荷计算 （3-9）弹性模量丝杠的危险截面面积 计算 稳定的合格条件 丝杠符合稳定性条件。3.3 丝杠的刚度轴向载荷产生的轴向变形量: （3-10）丝杠的计算长度，指F和T作用处到固定支撑端的距离，丝杠材料弹性模量，丝杠的计算截面面积，直径 （3-11） 计算 （3-12）丝杠的螺纹导程，丝杠材料的切变模量，计算= （3-13） （有预紧）钢球直径，工作台螺母中的钢球数，载荷分布不均匀系数，取预紧力（N），取 由转动变为移动: （3-14）丝杠的驱动功率: （3-15） 滚珠丝杠累纹底径。滚珠丝杠轴颈直径由结构确定，滚珠丝杠螺纹长度由结构确定，滚珠螺母螺纹底径，滚珠丝杠设计中应该注意的一些问题：为了保证定位精度，除考虑丝杠刚度外，还应在结构布轩上尽可能使用权螺母和丝杠同样受拉或受压，以使两者轴向变形方向一致减少螺母与丝杠之间的导程式变形量之差。此外，滚珠螺旋传动应尽量避免随径向载荷，以免使丝杠弯曲，若丝杠上有齿轮等产生径向载荷的元件，则应使其尽可能靠近丝杠的径向轴承处。另外，要尽量减少丝杠，螺母所受的倾覆力矩，力求部件移动阻力的合力通过丝杠轴线。由于本试验机采用双丝杠，其阻力通过两丝杠中心线，这要靠定位安装及加工的尺寸精度。滚珠丝杠传动反行程不能自锁，为了使用权螺旋传动受轴向中力后不发生逆转，在此试验机中采用了轮蜗杆的传动比，这种传动比的蜗轮蜗杆可以起到自锁作用。本试验机是采用垂直安装的滚珠丝杠传动，容易发生螺母从丝杠螺纹上脱出而造成事故，因此，在设计时采用限位挡块以保证安全运行。为防止尘埃和污物进入螺纹滚道，妨碍钢球运转的流畅性并且加速钢球与滚道的磨损，设计中必须考虑防护设施与密封。此试验机根据结构特点采用防尘罩密封。由于转速较慢，采用高压的高粘度润滑剂进行脂润滑。4 磨料磨损试验机的结构设计的相关计算4.1 试验机主要性能指标的确定4.1.1 电机选择 Pm0.251 kw同步带的传动效率 ：195%，滚动轴承的传动效率 ：298%，则总传动效率：总120.931 电动机的输出功率P出 (4-2)故0.2696 kw，为使电动机的功率留有余量，负荷率取：0.85。根据参考资料可知，选择的电机型号为：YVF280M1-4(摘自JB/T 7118-2004)该电机的主要参数为： 额定功率 P=0.55Kw ；额定转矩 3.5 Nm；同步转速 1500 r/min ；电机轴：D=19mm。图4-1电机的主视图图4-2电机的右视图4.1.2 同步带传动计算（1）计算功率：P (4-3) P= =0.36Kw 式中： 是同步带传动的工作情况系数，据机械设计手册可取1.40（2）选择带型和节距：根据计算功率Pd和n1,选择L型同步带。齿形如图所示（图4-4）周节制其节距Pb9.525 mm ；齿形角2:40，齿根厚s:4.65mm，齿高ht:1.91mm，带高hs:3.6mm，齿根圆角半径rr:0.51mm，齿顶圆角半径ra:0.51mm图4-4齿形图（3）小带轮齿数Z1：根据国标(JB/T 7512.2-1994),查取Zmin=20， 根据设计方案Z125；（4）小带轮节圆直径：何以由公式 （4-4）计算，也可查询机械设计手册。得小带轮直径为mm（5）大带轮齿数：根据设计方案，同步带只起传动作用，不改变速度，故令两带轮的齿数Z1、Z2等，取Z1Z225；（6）大带轮节圆直径：由公式（7）带速计算： （4-5）通常L型，则符合要求。（8）初定轴间距： （4-6）即，取a=151.2mm（9）计算带长及齿数：带长： （4-7），查机械设计手册得，齿数；（10）实际轴间距计算：实际轴间距计算分为两种情况，轴间距可调整时 （4-8）轴间距不可调时 （4-9） （4-10）根据设计要求，轴间距可调则（11）小带轮啮合齿数： （4-11）（12）基本额定功率： （4-12）基本额定功率是个带型基准宽度的额定功率，(摘自GB/T 11362-1989)宽度为的带的需用工作拉力（N），查机械手册宽度为的带单位长度的质量（），查机械手册则（13）计算带宽： （4-13）啮合齿数系数，查机械设计手册应按表4.4选取标准值，一般小于则式中： mm 确定公称带宽12.7mm，代号050（14）作用在轴上的力： （4-14）则（15）带轮的结构和尺寸：图4-5直边齿带轮的尺寸和公差根据直边齿带轮的尺寸和公差(摘自GB/T 11361-1989)如图4-5查的槽型:L，齿槽底宽bw:3.050.10，齿高hg:2.67(0,-0.10)，槽半角1.5:20，齿根圆角半径rf:1.19，齿顶圆角半径ra:1.17(+0.13,0)，节顶距2:0.762，外圆直径da:dad-2，外圆节距pada/z(z带轮齿数)，根圆直径dfda-2hg4.1.3 主轴计算（1）主轴输出功率，转速，转矩计算：根据第一部分电机计算可以得出，则转矩（2）轴的最小直径计算：计算公式为 （4-15）主轴的材料选择为，查设计手册可得则，取，即主轴上直径最小处：mm（3）轴的结构设计： 拟定轴上的零件装配方案，见图4-6图4-6 轴上零件的装配方案图4-7主轴结构设计(1）为了满足带轮的尺寸要求，(2）初步选择滚动轴承。因轴承受有径向力和轴向力的作用，故选取深沟球轴承和推力球轴承，初步选取0基本游隙组，标准精度级的深沟球轴承6206和推力球轴承51206，其尺寸分别为、，故，。(3）根据结构要求拟定，； ，； ，； ，。按钮局强度条件计算，公式如下 （4-16）已知，则，根据设计轴的最小直径为，4.2 各级传动的设计4.2.1 第一级带传动计算同步带传动利用带与带轮上齿之间的啮合进行传动。由于带的抗拉强度高，受载后变形小，能保持齿的节距不变，所以传动比较准确，传动平稳，速度高，噪声小，且无需润滑清洁，维护简单。适用速度范围宽，传动比可到10，协率由几十瓦到几百千瓦，结构紧凑，张紧力和压轴力小。此设计选用弧齿同步带，受载后的应力分布状态较好，提高了承载能力，防止带齿与轮齿的干涉，降低振动与噪声。设计功率： （4-17）工况系数，=一带传递的功率，计算选带型：根据和同图选取型带，节距。小带轮节圆直径大带轮齿数大带轮直径验证带速：带速第一级带带速满足条件初定中心距：取 取带长及齿数： (其中) 实际中心距，中心距可调， 小带轮啮合齿数： 4.2.2 第三级带传动设计功率: （4-18）工况系数，=带传递的功率 计算选带型:根据和同图选取型带，节距。小带轮节圆直径大带轮齿数大带轮直径验证带速：带速第三级带带速满足条件。初定中心距：取 取带长及齿数： (其中) 实际中心距，中心距可调， 小带轮啮合齿数： 计算带宽系数： （4-19） 各轴直径的计算：一轴二轴三轴（其中为电动机轴直径）4.3 丝杆轴承的选择滚珠丝杠多采用滚动轴承支承，既承受径向力又承受轴向力，且其力值较大，故采用圆锥滚子轴承。对于转速极低的轴承，其失效形式是滚动体内外圆滚道貌岸然接触处出现不均匀塑性变形凹坑，使轴承在运转中出现振动和噪音而不能正常工作。此时应该按轴承的静载茶计算。轴承反安装，其内部轴向力: （4-19） （4-20）判断轴向力方向: 计算并与比较: 验证额定静载荷: 基本额定静载荷，静强度安全系数，取当量静载荷，计算寿命计算: （4-21）基本额定寿命（）基本额定动载荷（N）当量动载荷（N）寿命系数（滚子轴承）轴承转速（）计算轴承寿命符合条件。4.4 离合器的选择在设计和选择离合器时，应该考虑影响离合器工作性能的各因素。包括原动机特性，负载特性，结构因素，操作方式等，由于本实验机对离合器的负载较小，以下将通过计算选择合适的转矩。离合器为刚性接合元件，大都具有相当硬度和强度的金属件，因此在接合瞬时，啮合主，从动件之间产生相当大的冲击载荷 ，易损坏接合元件，并引起机械冲击和噪声。柔性接合，主要靠接合元件的相互压紧，利用压紧后产生的磨擦力传递转矩，并允许在接合过程中稍有打滑。能够使从动部分的转速较缓慢地上升，减小机械冲击，使机器的工作状态比较平稳。根据试验机对平稳噪声等要求，在此选择柔性离合器。操作方式的不同也会影响离合器的工作性能，因此操作方便的电磁离合器成了最好的选择。总之对离合器的其本要求是接合平稳，分离彻底，动作可靠，结构简单，重量轻，外形尺寸小和从动部分惯性小，操作省力，对接合元件压紧力能达到内力平衡，使用寿命长。 （4-22）计算转矩理论转矩，储备系数，取计算转矩应该小于离合器的许用转矩。对以上的选择作一下说明，在设计中所取过小，将延长接合时间，使磨擦元件过热，加速磨损。而过大，则会使离合器接合刚度增大，操纵功增加。一般选取值时，对冲击载荷小，接合较平稳的离合器，宜取较小值；对于冲击大，或要求接合迅速的离合器，应取较大值。本试验机离合时无工作载荷，因此取较小值。5 磨料磨损试验机的结构设计5.1 箱体的结构设计根据计算所得的尺寸来看，为了能够是整体结构紧凑美观设计箱体如图（5-1）所示图5-1箱体结构设计5.2 横梁和支架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 （5-2）：图5-2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。 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。 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。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。 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，用螺栓紧固夹紧。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。5.3 摩擦轮的设计随着我国工业的迅速发展，化纤工业是关系到国民经济发展的重要产业。目前，中国的化纤产量已超过日本和韩国，成为亚洲最大的生产基地。摩擦轮是化纤厂生产涤纶长丝所使用的加弹机上必不可少的关键易损件，是高速摩擦机的“心脏”，其作用是摩擦，使之卷曲变形，增加弹性。据统计，国内磨料磨损试验机组每年需要更换及新置陶瓷摩擦轮约50万片，用来更新大批进口高速磨损试验机的旧摩擦轮，但国内目前主要依赖进口。由于摩擦轮的轮廓曲线形状及加工品质直接决定着纤维加弹后的最终品质指标，因此，对摩擦轮廓形曲线的研究也日益受到广泛的关注。对于磨料磨损试验机的摩擦轮，被加捻的丝相当于在摩擦轮交叉形成的弧边三角形区域内沿着各个摩擦轮表面行走。为了使丝的行程接近于阿基米德螺旋线，摩擦轮的表面要求做成一定的曲面形状，使与相互交错的摩擦轮所形成的弧边三棱柱区域内的假想内切圆柱相交，而得到一根相交曲线，此相交曲线即为丝绕摩擦轮行走的路线。在实际生产中，并不希望捻丝在摩擦轮边缘处以切线离开摩擦轮，因这样摩擦轮的边缘容易将丝损伤。因此使丝在离开摩擦轮时适当地早些离开，而将摩擦轮的两个边缘的曲率半径适当地收小些是合适的。下面将利用UG下的立体建模，对摩擦轮进行优化设计，得出完整的摩擦轮轮廓曲线。首先利用公式求得相应的摩擦轮轮廓曲线，在UG下进行三维建模。然后，通过合理地选择摩擦轮的参数，由DY值(摩擦轮的表面线速度丝条离开摩擦轮的速度，通常DY=22为最佳值)求得假捻丝张力比。在UG下实现摩擦盘三维立体造型，其截面曲线即为完整的摩擦轮廓形曲线如图所示。图5-3 摩擦轮立体图图5-4 摩擦轮剖面图6结论磨料磨损试验机是进行磨料磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的磨料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、计算为试验机的设计和实际制作提供了一定的依据和参考。长期以来，磨损试验机的性能检测方法是采用简易的人工检测，其缺点是检测效率低、人为因素影响大、自动化水平低。随着科学技术的发展，自动化技术越来越多地应用到工业中，用人工进行试验机性能检测的方法已经跟不上时代的步伐，试验机性能的自动化检测必将成为该行业的主流。本设计研究的试验机试验系统正是实现检测过程的自动化，提高检测效率，减少人为因素的影响。能够实现自动化检测的前提和基础就是拥有一套准确可靠的自动化夹具。本文就是设计一套能够磨损材料的试验机。它的基本要求是在测试之前，完成对被测阀体的夹紧工作，并且保证在测试过程中无泄漏。同时，夹具必须操作简单，维护方便。本课题是在认真分析各种被测试验机的测试需求，外形尺寸，工作参数的基础上完成机械设计的过程。为了保证密封良好，不仅多处应用了机械密封理论知识，而且结构上力求优化合理。在设计完成之后。为了从理论上保证系统的可靠性，在本文中，对机械密封圈的相关理论作了一定的研究，其中包括工作原理，设计方法及主要失效形式。作为测试系统的重要组成部分，夹具的好坏直接关系到整个测试系统的成败。所以说本文有较高的理论价值和实用价值。在设
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