（轮机工程专业论文）旋转式点接触摩擦磨损试验机研制与润滑状态转化特征研究.pdf

t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h ux i n h e p r o f e s s o ry a nz h i ju n m a y 2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 旋缝式直接触鏖拯磨拯达验扭竖剑皇涸、滑丛查整丝挂堑硒 究。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个 人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：襁 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密d ( 请在以上方框内打“ ) 摩 部件3 理的润 性等方 摩擦副的润滑机理又有所不同，为了进一步研究点接触式摩擦副的润滑机理，作 者应用c a d 制图、机械原理、机械设计以及变频器、传感器、阻容特性参数测试 仪等方面的知识与设备自行研制了旋转式点接触摩擦磨损试验机及其测试系统。 该试验机直接通过电机驱动试样做旋转运动来模拟摩擦副的相对运动状况，且采 用导轨滑块机构，因此具有结构紧凑，操作简单，三维空间位置可调等特点。该 机主要由硬件构成，控制和测试任务分别由3 部分完成：变频器调节转速；载荷 大小由压力传感器系统采集并实时显示；阻容特性参数测试仪与计算机构成的系 统完成油膜瞬时电阻信号的采集、转换、存储。利用该试验机在轻载、低转速工 况下，开展了大量的润滑试验，结果表明转速与载荷对油膜的形成具有相反的作 用，且转速的影响更为显著。随着转速、载荷的改变，摩擦副的润滑状态也发生 了变化，表明该试验系统能够有效测量不同工况条件下润滑状态的变化。 本文所研制的旋转式点接触摩擦磨损试验机运行稳定、工作可靠、所测数据 准确。能够很好地满足轻载、低转速工况下，点接触式摩擦副润滑试验的开展， 为实现合理的润滑设计奠定了理论与实践基础，具有一定的实用价值。 关键词：润滑状态；摩擦副；磨损试验机；电阻值 e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，r e d u c i n gr a wm a t e r i a le o n s u m p t i o n ，e x t e n d i n ge q u i p m e n tl i f e ， i m p r o v i n gt h e i rr e l i a b i l i t ya n de t c t h es t u d y i n go fl u b r i c a t i o nt h e o r yi s ab a s i sf o r r e a s o n a b l ed e s i g n ，b u td i f f e r e n tf r i c t i o np a i rh a sd i f f e r e n tl u b r i c a t i o nm e c h a n i s m i n o r d e rt os t u d yl u b r i c a t i o nt h e o r yo fp o i n t c o n t a c tf r i c t i o n , c a d ，m e c h a n i c a lp r i n c i p l e ， m e c h a n i c a ld e s i g n ，t h ei n v e r t e r , s e n s o r , r ct e s tp a r a m e t e r s ，o t h e ra s p e c t so fk n o w l e d g e a n de q u i p m e n th a v eb e e nu s e di nd e v e l o p i n gt h er o t a t i n gp o i n t c o n t a c tf r i c t i o na n dw e a r t e s t e ra n di t st e s t i n gs y s t e m t h et e s t i n gm a c h i n ei sd i r e c t l yd r i v e db ym o t o r t om a k et h e s a m p l er o t a t et os i m u l a t et h er e l a t i v em o v e m e n to f f r i c t i o np a i r , a n dt h eu s i n go fg u i d e a n dt h es l i d e rm e c h a n i s m ，t h es t r u c t u r eo ft h em a c h i n ei sc o m p a c t i ti se a s yt oo p e r a t e a n dc o u l db ea d j u s t e di nt h et h r e e d i m e n s i o n a ls p a c e t h et e s t i n gs y s t e m ，c o n s i s t i n go f h a r d w a r ec o m p o n e n t s ，t h ec o n t r o l l i n ga n dt e s t i n gt a s k si sc o m p l e t e db yt h r e es u b u n i t s ： i n v e r t e ri su s e di na d j u s t i n gt h es p e e d ；l o a di sc o l l e c t e db yt h ep r e s s u r es e n s o rs y s t e m a n dr e a l t i m ed i s p l a y ；t h et e s t i n gu n i to fr ca n dt h ec o m p u t e rc a no b t a i no i l f i l m i n s t a n t a n e o u sr e s i s t a n c es i g n a la c q u i s i t i o n ，c o n v e r s i o na n ds t o r a g e al o to fl u b r i c a t i o n e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u tu n d e rl i g h tl o a da n dl o ws p e e dc o n d i t i o n s t h e r e s u l t ss h o wt h a ts p e e da n dl o a dh a v ed i f f e r e n tr o l e so nt h ef o r m a t i o no fo i lf i l m ，a n d a m o n gt h e m ，s p e e dh a sm o r es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e w i t ht h ec h a n g e o fs p e e da n dl o a d ， t h el u b r i c a t i o nm e c h a n i s mo ff i i c t i o np a i ra l s oc h a n g e s ，i ti ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mc a nb ee f f e c t i v e l ym e a s u r e d t h ec h a n g eo fl u b r i c a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h er o t a t i n gp o i n t c o n t a c tt r i b o m e t e ri nt h i sp a p e rr u n ss m o o t h l y , r e l i a b l e ，a n dt h e d a t ao b t a i n e da lea c c u r a t e i tc a ns a t i s f yl u b r i c a t i o nt e s to fp o m c o n t a c tf r i c t i o np a i r u n d e rl i g h tl o a d , l o ws p e e dc o n d i t i o n s a l la c h i e v e m e n t sa s s o c i a t e di nt h ep a p e ra r e v a l u a b l ef o rt h ed e e p e re x p e r i m e n to nt h ep o i n t - c o n t a c tl u b r i c a t i o na n df 0 rm ef u r t h e r r e s e a r c ho nt h el u b r i c a t i n gd e s i g n k e yw o r d s ：l u b r i c a t i o nc o n d i t i o n ；f r i c t i o np a i r ；w e a rt e s t i n gm a c h i n e ；r e s i s t a n c e 目 目 第1 章绪论。 1 1 立题的意义 1 2 点接触摩擦副的润滑状态 1 3 点接触摩擦副润滑状态的转化 1 4 摩擦磨损试验机的国内外研究 1 5 油膜电阻测试法的国内外研究 1 6 本课题的主要研究工作 第2 章总体设计 2 1 试验机的总体结构 2 2 试验机的工作原理 2 3 油膜电阻的测试原理9 2 4 本章小结9 第3 章试验机的机械结构设计。1 0 3 1 摩擦试验机概述1 0 3 2 摩擦试验机的台架1 1 3 2 1 电机的选择1 1 3 2 2 台架整体结构尺寸的确定1 2 3 3 摩擦试验机的旋转本体1 2 3 3 1 旋转本体机构的设计。1 2 3 3 2 旋转本体与电机轴的连接1 3 3 4 摩擦试验机加载定位机构的设计1 5 3 4 1 摩擦试验机水平加载定位机构的设计。1 5 3 4 2 摩擦试验机竖直加载定位机构的设计1 5 3 5 摩擦试验机加载系统的设计1 6 3 5 1 加载系统上部机构的设计1 6 3 5 2 加载系统下部机构的设计1 7 3 6 本章小结2 0 第4 章测试系统的设计2 l 4 1 引言2 1 4 2 变频器的选择2 2 4 3 压力传感器系统2 4 4 3 1 压力传感器2 4 目录 4 3 2b s q 2 变送器2 7 4 3 3 压力显示器。2 9 4 4 阻容特性参数测试仪l c l 0 8 1 9 3 0 4 4 1l c r - 8 1 9 阻容特性参数测试仪测试功能的选择3 2 4 4 2l c r 8 1 9 阻容特性参数测试仪接线操作3 4 4 5 测试及数据存储系统3 4 4 6 测试系统的抗干扰设计3 6 4 6 1 测试系统的绝缘3 6 4 6 2 测试系统的屏蔽3 7 4 6 3 测试系统的接地3 7 4 7 本章小结3 8 第5 章油膜电阻法的测试试验及数据处理3 9 5 1 试验材料及试验机的调试3 9 5 1 1 试验材料3 9 5 1 2 试验机的调试4 0 5 2 试验方案4 1 5 2 1 定载荷一变转速试验方案4 1 5 2 2 变载荷一定转速试验方案4 3 5 3 油膜电阻法的特性试验4 5 5 3 1 定载荷变转速试验4 7 5 3 2 变载荷定转速试验5 2 5 4 本章小结5 7 第6 章结论与展望5 9 6 1 结论5 9 6 3 对摩擦试验机的展望5 9 参考文献6 0 致谢5 i 4 旋转式点接触摩擦磨损试验机研制与润滑状态转化特征研究 第1 章绪论 1 1 立题的意义 摩擦学是有关摩擦、磨损与润滑科学的总称。摩擦引起能量消耗，据相关报 道全世界每年约有1 3 1 2 的能源消耗在摩擦上1 1 】；磨损是机械零部件3 种主要的 失效形式之一，大约有8 0 的机械零件由于各种磨损导致失效【2 】；而润滑却是降低 摩擦、控制磨损最有效的措施。合理的润滑设计对于节约能源、减少原材料消耗、 延长机械设备寿命和提高其可靠性等方面具有重要意义【3 1 。 实现合理的润滑设计首先需了解机械设备的润滑机理，只有在充分掌握其润 滑特性的前提下，才能有目的地开展设计工作。本文依项目要求，设计并搭建了 旋转式点接触摩擦磨损试验机，在轻载、低转速下对润滑机理开展研究。测量润 滑油油膜厚度的方式方法有电容法、x 射线法、声发射法和光干涉法等，它们能 够成功地测量全膜润滑状态下润滑油膜的厚度。然而，机械设备在工作过程中并 不总是处于全膜润滑状态，往往是多种润滑形式交替存在。电阻法虽不能定量测 试油膜厚度，却可以反应出润滑状态的变化，因此，本文选择电阻测试法对润滑 特性开展研究。 本课题研究内容是设计球一盘式摩擦磨损试验机，并在此基础上开展点接触摩 擦副润滑状态的监测研究，为实现进一步开展润滑状态转化的理论研究奠定试验 基础。 1 2 点接触摩擦副的润滑状态 机械设备在实际工作过程中，其摩擦副会经历不同的润滑状态。如启动时从 静止接触快速过渡到全膜润滑；而在停止时，又要经历全膜润滑、混合润滑以及 边界润滑等润滑状态【4 】。近1 0 0 年，国内外学者对润滑机理开展了大量的研究工作， 形成了较为完善的润滑理论。 自r e y n o l d s 提出流体动力润滑理论之后，相继出现了边界润滑【5 1 、弹性流体 动力润滑【q 以及混合润滑理论川。然而，无论依据膜厚还是摩擦系数来划分润滑状 态，在弹流润滑和边界润滑状态之间存在一空白带【8 1 。在广大学者的不懈努力下， 近2 0 年来人们对这一空白带有了全新的认识，即薄膜润滑。混合润滑只是描述各 第1 章绪论 种润滑状态共存的综合特性，不属于基本的润滑状态【9 】。因此，润滑膜由厚到薄经 历以下过程：流体动力润滑一弹流润滑一薄膜润滑一边界润滑一千摩擦。在流体 润滑方面，自从c r u b i n 提出弹流润滑以来，由于d o w s o n 1 0 】等，c h e n 矿1 1 1 等， h a m r o c k ，温诗钭1 2 】等一大批科研工作者的努力，已趋于完善；边界润滑自h a r d y 提出以来，由于b o w d e n 13 1 ，i o n g s b u r y t l 4 1 ，h o m o l a 1 习等人的贡献，已经有了很大 的发展；干摩擦是研究最早的课题，其宏观理论已基本成熟；国内，以清华大学 温诗铸教授为主导的科研队伍对薄膜润滑理论做出了杰出贡献。他们在文章【1 6 - 2 4 中对薄膜润滑的机理进行了详细的说明，在此基础上提出润滑状态的判定方法， 并绘制润滑状态划分图。 在实际工程中，人们需了解摩擦副所处的润滑状态。目前有两种方法，一是 用s m e c k 曲线( 摩擦系数) 来区分不同的润滑状态。二是通过计算油膜厚度h 与综合表面粗糙度r a 的比值来判断润滑状态。而温诗铸【2 5 】等提出润滑状态的判断 准则不仅包括h r a ，还应该考虑润滑剂分子的大小，应同时采用h r a 和h r g 来 区分润滑状态，这里i 沁是润滑剂分子的有效半径。h r g 代表分子层数，当h r a 大于3 ，且h r g 小于3 时，处于边界润滑；h r g 大于3 但小于1 0 1 5 ( 具体值与 固体表面能相关) 时，处于薄膜润滑状态；当h r g 大于1 5 时，处于弹流润滑状 态。当h r a 小于3 时，则处于混合润滑。其润滑状态划分图如图1 1 所示。 2 - 3 0 混合润滑 仟接触、边界润滑、薄厦弹漉润滑、动压溯滑 润滑、弹流润滑) 仟接触、边界泻潘、薄晨 润滑， 薄厦润滑 ( 千接融、边界润滑) 边界润滑 0 3 n i r a 图1 i 润滑状态划分图 f i g 1 1l u b r i c a t i o ns t a t e sm a p 旋转式点接触摩擦磨损试验机研制与润滑状态转化特征研究 1 3 点接触摩擦副润滑状态的转化特征 在速度较高的区域，膜厚与速度呈正相关，润滑膜以弹流润滑为主。固体表 面的弹性变形和润滑剂的粘压性质是弹流油膜形成的决定性因素。随着速度减小， 当膜厚小于临界油膜厚度时，润滑状态转变到薄膜润滑状态。进入薄膜润滑状态 后，膜厚与速度的相关性减弱。润滑膜的厚度随着载荷的增加而有微弱减小。粘 度对膜厚的影响程度低于弹流润滑的情况，但高于速度对膜厚的影响程度。此外， 薄膜润滑一个重要的特征就是在一定的工作条件下油膜厚度随连续运行时间增加 【2 5 1 。薄膜润滑区别于边界润滑之处，在于具有相当的膜厚值，润滑剂具有一定的流 动性，因而粘度等对润滑性能仍然具有重要影响。 弹流润滑以粘性流体膜为特征，遵循连续介质力学的规律；边界润滑以吸附 分子膜为特征，界面物理化学为其理论基础；而薄膜润滑状态的润滑膜由流体膜、 有序膜和吸附膜组成，其润滑特性不同于前两者。如果接触区的油膜较厚，流体 膜起主要作用，润滑性能将服从弹流润滑规律。当油膜变得很薄时，有序膜的厚 度比例变大，有序膜将起主导作用。当这一层油膜破裂后，单分子吸附层将起主 导作用，此时的润滑状态将变成边界润滑状态。油膜分子的分布如图1 2 所示。这 三种油膜的排布及占总膜厚的比例与润滑状态的转化是密切相关的。 吸附晨 育序曩 漆俸昃 图1 2 油膜分子分布图 h g 1 2t h ed i s t r i b u t i o nm a p o f m o l e c u l a rf i l m 1 4 摩擦磨损试验机的国内外研究现状 摩擦磨损试验机在国内的研制起步较晚，到1 9 6 5 年才制造出第一台摩擦试验 机【厕。目前呈现的总体状况是生产规模小、种类少，除了少数产品是自主研发的， 第1 章绪论 多数仿制国外摩擦试验机。具体情况如下： ( 1 ) 商品化的摩擦磨损试验机主要应用于实验室，模拟性台架摩擦磨损试验机 仅仅局限在几类特殊产品，且这类试验机多由厂家自制，其性能一般较差。 ( 2 ) 国内摩擦磨损试验机多数模仿国外6 0 - - 7 0 年代的产品，相当数量产品没有 知识产权，产品结构老化、自动化程度低( 不能自动保存数据) 、采集数据速度慢 等缺点。 ( 3 ) 摩擦磨损试验机存在着调速范围小、载荷小、精度低等缺点。 ( 4 ) 数据处理的方法落后。多数用肉眼读数，以手工方法处理数据，因此增加 了工作量，降低了试验结果的精度。 ( 5 ) 摩擦磨损试验机外观粗斟2 7 1 。 而国外摩擦磨损试验机，无论是性能还是品种都领先于我国。整体发展状况 如下： ( 1 ) 摩擦磨损试验机的试验条件接近摩擦副的实际工况。试验机从针对金属材 料试验扩大到对不同材料、不同极限条件下的试验。此外，用于模拟性台架试验 的试验机有了很大的发展。这类试验机几乎能模拟摩擦副的实际工况，测试精度 得以大幅度提高。 ( 2 ) 摩擦表面的测温技术。在测温技术方面热电偶这一方法运用较为普遍，通 过在试验机结构的适当位置上铺设热电偶，当参考端和测量端有温差时，就会产 生热电势，根据该热电势与温度的单值关系就可以测量摩擦表面的温度。该技术 在摩擦试验机上得到了广泛的应用。 ( 3 ) 计算机技术同摩擦磨损试验机相结合。摩擦试验机和计算机紧密联系，使 操作更加简单，提高了测试的智能化程度，同时也提高了试验机的可靠性。一台 摩擦试验机至少配备一台计算机，计算机完成信号采集、数据处理、打印及显示 采样数据波形。 ( 4 ) 成像摄影技术在摩擦磨损试验机上得以应用【2 8 1 。 以上论述说明，我国在摩擦试验机的设计方面与国外存在较大的差距。因此， 自主开发、设计摩擦磨损试验机及其测试系统是非常有必要的。 旋转式点接触摩擦磨损试验机研制与润滑状态转化特征研究 1 5 油膜电阻测试法的国内外研究现状 在摩擦副所处润滑状态的研究方面，国内外学者都做了大量的工作，而电阻 法则是一种古老而又全新的定性评价润滑状态的方法。 矿物油电阻率一般是从1 0 n 到1 0 1 6 欧姆厘米2 9 1 ，而金属的电阻率则只有1 0 4 欧姆厘米左右。这种巨大的差别使通过测量接触处的电阻来判断油膜是否存在 的想法得以实现。如果在圆盘试验机上进行试验，只需将圆盘绝缘，连接上电源， 接入可变电阻器和电压表即可，如图1 3 所示。 1 电源2 - 电流表3 电压表4 圆盘机构孓变阻器 图1 3 最简单的电阻测量电路 f i g 1 3s i m p l er e s i s t a n c em e a s m e m e n tc i r c u i t m a x w e l l t 3 0 】早在1 8 7 3 年就曾指出：当两个大的金属导体接触时，如果接触面 积很小，计算电阻的常用公式： r = 础a( 1 1 ) 其中： 少一电阻率； 厶一长度； 彳一面积； 是不适用的。因为，此时电流收缩引起的散布电阻p 2 r ( r - 接触圆盘的半径) 不容忽视。 n e e d s t 3 1 1 于1 9 4 0 年发现，若在厚度为2 5 4 微米的油膜上a n0 0 2 5 伏电压，油 膜便会导电，而润滑油膜为1 5 微米时，可以像电路中的铜导线一样传输小的电流， 除非所加电压很低，否则电压越高电阻越小。 电阻法在膜厚测量中的应用可追溯到1 9 4 7 年英国r o l l s r o y c e 的b r i x 3 2 1 试验 第1 章绪论 研究，r o l l s r o y c e 测量了滑动和滚动情况下在接触处的电压和电流的动态关系， 并获得了油膜电压和油膜厚度的关系曲线。 l a n e 和h u g h e s t 3 3 1 在1 9 5 2 年，用电阻法在定转速，变载荷的情况下测量了齿 轮传动中的成膜情况，其测试结果证实了齿轮副中有效润滑膜的存在。1 9 5 4 年， c a m e r o d 3 4 】在测量了轮齿啮合处油膜的电阻特性之后，指出油膜的电特性与电流有 关。 l e w i c k i 3 5 1 于1 9 5 5 年在详细讨论了油膜电阻值与油膜厚度相关联的可能性之 后，指出不能用电阻法准确测量油膜厚度。1 9 6 1 年，a r c h a r d 和k i r k 3 6 】在交叉轴 双圆柱试验机上用电阻法测量了油膜厚度，发现测试结果与理论计算值相差很大。 同年( 1 9 6 1 ) f u r e y 【3 7 】提出了“金属接触百分率 的概念。3 年后，t a l l i a n t 3 8 1 首次用电阻法测量了金属接触百分比。 哈尔滨工业大学的奇毓霖、张鹏顺【3 9 】等人于1 9 8 3 年在一台j p d c l 5 0 0 型接触 疲劳试验机上测试了部分弹流润滑状态下的油膜电阻，得出如下结论： ( 1 ) 电阻法用于测部分膜弹流润滑状态是一种有效的方法。 ( 2 ) 通过对波形的分析处理，可以了解部分膜弹流金属接触与油膜形成面积比 率和时间比率。 ( 3 ) 用电阻法测部分膜弹流润滑状态对改善接触疲劳和提高零件寿命提供了监 测手段。 北京交通大学的施洪生、滕健【删等人在自制的缸套活塞环摩擦试验机上开展 了润滑条件下表面膜形成和损伤的试验研究，得出接触电阻只能是表面膜厚度的 定性描述，它能够很容易地区分表面膜的有无，尤其对分析表面膜的形成和破坏 等表面膜的变化过程特别有效等结论。 从以上学者的研究不难看出，电阻法虽不能定量测量油膜厚度，但可以有效 地测量润滑过程中金属的接触百分率。它是监测润滑状态，维护机器设备正常运 转的辅助措施。 1 6 本文的主要研究工作 本课题主要完成以下的研究工作： ( 1 ) 设计并搭建一种旋转式点接触摩擦磨损试验机。 ( 2 ) ( 3 ) 滑油膜 ( 4 ) 并与试 第2 章总体设计 第2 章总体设计 2 1 试验机的总体结构 为了满足轻载、低转速条件下点接触式摩擦副之间润滑状态研究工作的开展， 特研制了旋转式点接触摩擦磨损试验机，其主要结构有：动力系统、加载及测力 系统、数据采集及存储系统。试验机的系统结构如图2 1 所示。 6 图2 1 试验机的系统图 1 变频器2 电动机3 夹具4 加载机构孓压力显示器6 - 阻容特性参数测试仪7 计算机 1 - i n v e r t e r2 - m o t o r3 - f i x t u r e4 - l o a d i n gm e c h a n i s m5 - p r e s s u r em o n i t o r 6 - t e s t e ro f r cp a r a m e t e r s7 - c o m p u t e r f i g 2 1t h es y s t e md i a g r a mo ft e s t i n gm a c h i n e 2 2 试验机的工作原理 图2 2 试验机的结构简图 1 电动机2 旋转本体3 试样4 圆球孓加载系统 1 - m o t o r2 - r o t a t i n gb o d y3 - s a m p l e4 - p e l l e t5 - l o a d i n gs y s t e m f i g 2 2t h e s t r u c t u r ed i a g r a mo ft e s t i n gm a c h i n e 旋转式点接触摩擦磨损试验机研制与润滑状态转化特征研究 图2 2 所示为试验机的结构简图，旋转本体2 与电机轴之间过渡配合，接通电 源之后，电机轴转动( 变频器调节电动机的转速) 从而带动固定在旋转本体上的 试样3 ( 圆盘) 转动，圆球4 相对静止。调节加载系统5 可以改变球与试样之间的 间隙和载荷，这为不同工况条件下，油膜电阻特性研究的开展创造了条件。圆球 与试样之间属球盘点接触式摩擦副。 2 3 油膜电阻的测试原理 圆球与试样之间注有润滑油，在不同的转速( 或载荷) 下，球盘之间的油膜 厚度也不同，这势必会引起油膜电阻阻值的变化，油膜电阻的变化则反应出了润 滑状态的改变，如图2 3 所示为电阻信号测试接线照片。 幽2 3 电阻信号接线照片 f i g 2 3t h e c o n n e c t i o np h o t oo fr e s i s t a n c es i g n a l 油膜电阻信号直接由阻容特性参数测试仪l c r _ 一8 1 9 采集，它与计算机之间 通过数据线实现信息的传输。计算机以t x t 文档的形式存储电阻值的瞬时数据信 息。 2 4 本章小结 本章主要对该摩擦磨损试验机的总体结构进行了说明，论述了试验机的工作 原理，并对油膜电阻的测试原理进行了简要的介绍。 第3 章试验机机械结构的设计 第3 章试验机机械结构的设计 3 1 摩擦试验机概述 本文所设计的旋转式点接触摩擦磨损试验机的机械部分主要由：旋转本体( 下 试样固定装置) 、加载系统、水平和竖直加载定位机构组成。其中，加载系统分为 上、下两个部分。上部是加载力加载机构，通过拧动螺母对弹簧模块压缩与拉伸 来改变加载力的大小；下部实现加载力的传递，加载系统自重的平衡以及微动加 载。水平支承可以调节整个加载系统在前后方向的空间位置，从而改变球一盘接触 点距试样圆心的距离。 摩擦副的线速度为： 其中： v = c o t ( 3 1 ) 为电机转速r m i n ； ，为球一盘接触点距试样圆心的距离； 图3 1 试验机整体结构图 1 - 台架2 电动机3 - 旋转本体4 水平支承5 竖直支承6 - 加载机构上部7 加载机构下部 f i g 3 1t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft e s t i n gm a c h i n e 3 2 3 2 1 点距试样圆心的距离为3 5 5 m m ，所以近似有： k = f r = 0 2 x 4 0 x 9 8 x 3 5 5 x 1 0 。= 2 7 8 n m( 3 2 ) 电机扭矩为： r o = t i f f = 2 7 8 0 8 5 = 3 2 7n n l( 3 3 ) 其中： 烈：试样所受的最大扭矩； ，：试样承受的最大摩擦力； ，：接触点距圆盘圆心的距离； 乃：电机扭矩； 兀 试样所受的扭矩； 考虑到传动损失，总效率选择r = 0 8 5 ，而y 2 8 0 1 - 4 型电动机( 由丹东小型电 机有限责任公司制造) 的额定扭矩为3 8 1 n m ，大于理论计算值( 其额定转速为： n = 1 3 8 0 r m i n ) ，因此满足试验要求。 该电动机的安装尺寸如表3 1 所示。 图3 2 y 2 8 0 1 - 4 电动机安装结构图 f i g 3 2t h ei n s t a l l a t i o ns t r u c t u r eo f y 2 8 0 1 - 4m o t o r 第3 章试验机机械结构的设计 表3 1 电动机安装尺寸 t l b 3 1n e m o u n t i n gd i m e n s i o n so f m o t o r 机庳号 a北bcdefghk 1 2 56 2 51 0 05 01 94 0 6 1 5 58 01 0 8 0mnpsa ba c a d h dl 1 0 08 01 2 0m g1 6 01 7 51 5 02 0 02 9 5 3 2 2 台架整体结构尺寸的确定 y 2 8 0 1 - 4 型电动机的主要尺寸h d l = 2 0 0 2 9 5 ，为此在设计台架时留下 3 0 0 x 3 8 0 x 3 8 0 的空间，如图3 3 所示，标注3 处铺设钢板，用以固定电动机底座； 标注1 、2 处铺1 0 m m 厚的钢板，试验机的水平支承机构与之配合。整个试验台架 长6 0 0 m m ，宽3 8 0 m m ，高3 8 0 m m ，由4 0 角钢焊接而成( 材料为q 2 3 5 b ，即屈服 强度仃。为2 3 5 m p o 的碳素结构钢) ，表面经过光洁处理。 图3 3 试验机台架结构 f i g 3 3t h e 缸l l es t r u c t u r eo ft e s t i n gm a c h i n e 3 3 摩擦试验机的旋转本体 3 3 1 旋转本体机构的设计 按传力的方式分，机械传动可分为啮合传动和摩擦传动。啮合传动又分为齿 轮传动、涡轮蜗杆传动、链传动等；摩擦传动可分为摩擦轮传动和带传动等。啮 合传动涉及到的机械零部件相对较多，加工、安装都较为复杂，出于对此的考虑， 动力传动方式选择摩擦传动。又由于皮带传动外廓尺寸大，而本试验机的工况为 轻载、低转速，结构尺寸不宜过大，因此不选择带传动方式。试验机的动力传动 旋转式点接触摩擦磨损试验机研制与润滑状态转化特征研究 方式设计为摩擦轮传动，旋转本体直接与电机轴连接，电动机驱动其做旋转运动。 i 蓼 y ，彭、， 彭、 鏖 峨黝。隧黼 太义心心心心添沁测彰l 矿，s溺溺渊a、y 天y _ x ， ，产y do ， v x 豹嘭 丝 l 耄 | j | 2 豸 3 4 图3 4 试验机旋转本体机构 1 旋转本体2 试样3 压力环4 压盖 f i g 3 4t h eb o d yr o t a t i o ns t r u c t u r eo f t e s t i n gm a c h i n e 如图3 4 所示，整个机构由旋转本体l 、试样2 、压力环3 、压盖4 组成，试 样2 与旋转本体1 之间有一定位销，其下端面加工一凸台，与旋转本体凹陷处配 合。此外，试样上端面与压力环3 接触，拧紧螺钉时通过压力环在竖直方向给试 样一向下的压紧力。这样设计可以保证试验过程中，试样在水平面内无滑动、无 旋转运动，竖直方向无窜动，同时可以保证试样圆心与旋转本体圆心的对中性。 压盖4 通过螺钉与旋转本体相连，其作用有二：一方面通过拧紧贯穿压盖的螺钉 给压力环一预紧力，另一方面防止试验过程中润滑油的飞溅。 3 3 2 旋转本体与电机轴的连接 依据孔、轴尺寸大小的差异，它们之间的配合方式可分为间隙配合、过盈配 合和过渡配合三种。得到这些配合又有两种不同的制度，分别是基孔制和基轴制。 基孔制的孔称为基准孔，其基本下偏差为零，代号为h ；基轴制的轴称为基准轴， 其基本上偏差为零，代号为h 。一般情况下，优先采用基孔制的配合。 在试验机的设计过程中，电机轴的极限偏差已知( 上偏差+ o 0 0 9 m m ，下偏差 o 0 0 4 m m ) ，查表知其公差等级为6 级。在公差等级高( 轴7 级、孔8 级及以上) 时，孔要比同级的轴加工困难，一般采用孔比轴低一级的配合【4 1 1 。出于对此的考 虑，选择旋转本体孔的公差等级为7 级，此外，基于基准制优先选择的原则，采 用基孔制，这样可以得到孔、轴的公差带代号分别为：# 1 9 t 7 ，1 9 j 6 。 第3 章试验机机械结构的设计 o 4 - 0 0 2 1 图3 5 孔矽19 0 2 1 及轴妒19 - o + o 0 0 4 0 0 9 的尺寸公差带图 o f i g 3 5t h e s i z et o l e r a n c ez o n ed i a g r a mo fh o l e 19 j 0 2 1 锄d a ) 【l s 伊l 了+ - o o o o o 舛9 图3 5 为旋转本体孔与电机轴的尺寸公差带图，从图中可知： o d 峨= 1 9 0 2 1 r a m ，= 1 9 m m e s = + o 0 2 1 m m ，e = o m m 瓦= o 0 2 l m m = 1 9 0 0 9 m m ，= 矽1 8 9 9 6 m m 钌= + o 0 0 9 m m ，e i = - 0 0 0 4 m m t = o 0 1 3 m m x 仙m 3 0一 - -_ _ 一 2 0 _ 甘 l o _ 、 i l + 古 一j 、 lf 饫 1 0一_- 一 - _ 9 b 2 0 _ i 、 f 图3 6 配合公差带图 f i g 3 6t h em a t c h i n gt o l e r a n c eg o n ed i a g r a m 1 4 o ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 旋转式点接触摩擦磨损试验机研制与润滑状态转化特征研究 图3 6 所示为孔、轴配合公差带图，从图中可知旋转本体与电机轴之间的配合 方式为过渡配合，其中最大间隙为+ o 0 2 5 m m ，最大过盈为0 0 0 9 m m 。过渡配合的 配合性质介于间隙配合与过盈配合之间，相配合的孔、轴同轴性比间隙配合好， 装配方法比过盈配合方便【4 1 1 。此外，在键以及锁紧螺钉的作用下，使电机轴与旋 转本体之间连接可靠，提高了动力传动系统的稳定性。 3 4 摩擦试验机加载定位机构的设计 3 4 1 摩擦试验机水平加载定位机构的设计 如下图3 7 所示，为水平加载定位机构，该机构的作用有二，其一连接水平滑 块，其二与竖直加载定位机构( 左右框架) 紧密结合。水平结构的左右方向各有 两个水平滑块，每个滑块上有4 个m 4 螺纹孔，这些螺纹孔与配合孔3 相对应。螺 钉拧紧之后，滑块与水平加载定位机构结合牢固。标注1 为其与竖直加载定位机 构之间的配合面，出于对安装过程的考虑，需做倒圆角处理，如图所示，在两个 直角处倒角分别为r 0 5 ，r 2 。 ， 。穹 号 一 - 三 = 一 。鲁 图3 7 水平加载定位机构 1 与水平支承结合面2 与水平支承配合孔3 与水平滑块配合孔 f i g 3 7h o r i z o n t a ll o a dp o s i t i o n i n gm e c h a n i s m 。- 3 4 2 摩擦试验机竖直加载定位机构的设计 竖直加载定位机构在保持整个加载系统稳定性方面起着重要的作用，因此， 在设计过程中，整个框架的厚度设计为2 0 m m ，材料为3 0 钢。整个框架除了螺纹 孔以外，其余部分采用线切割的加工工艺进行加工。 第3 章试验机机械结构的设计 图3 8 竖直加载定位机构 1 与后面板配合孔2 - 与上面板配合孔3 与水平支撑配合孔 f i g 3 8v e r t i c a l1 0 a dp o s i t i o n i n gm e c h a n i s m 图3 8 所示为其机械结构与实物图，竖直加载定位机构是试验机的重要零部 件。首先，它与水平加载定位机构相结合，构建起了试验机的整体空间结构；其 次，后面板与之连接，它承担了整个加载传动系统的重量；最后，上面板以及加 载系统上部机构的重量由它承担。 3 5 摩擦试验机加载系统的设计 3 5 1 加载系统上部机构的设计 加载机构是摩擦磨损试验机的重要组成部分，如何准确地进行载荷的增减， 保证所加载荷稳定、精确，这是在进行加载系统设计时所必须考虑的问题。国内 外摩擦试验机上的加载方式通常有两种：一是利用杠杆对力的放大作用，采用杠 杆一砝码加载心】。另一种是利用伺服电机和弹簧加载，伺服电机提供动力，弹簧 则起减震作用，正压力的大小由传感器测量。由于测量精度的要求以及加载系统 整体结构的限制，对这两种加载方法本试验机均未采用，本试验机采用螺母二弹簧 片模块的加载方式进行载荷的增、减，该方法可在低载条件下改变载荷大小，且 所加载荷稳定、精确。能够很好地满足试验的要求。 图3 9 加载系统上部机构 1 加载螺母2 加载盖板3 力口载支承4 弹簧片模块孓压力传感器6 - 加载连接7 加载传动杆 f i g 3 9u p p e rb o d yo fl o a d i n gs y s t e