销盘式高温高速摩擦磨损试验机.doc

机械工程学院毕业设计（论文）毕业设计是大学里的最后一次设计任务，是一次对自己专业知识系统学习的总结和检验，旨在培养自己综合运用所学基础知识、专业知识去分析和解决实际生产中所遇到的问题的能力，树立正确的设计思想，学会运用正确的设计方法进行设计，锻炼自己的动手能力，绘图能力，通过设计去发现问题，找到问题，解决问题，为今后走向社会打下坚实的基础。本次设计的课题为：“销盘式高温高速摩擦磨损试验机”，该课题属于传统机械设计基础上的创新性改进设计，我国是一个机械制造大国，但机械制造业与世界先进水平仍有不小的差距，在保持传统设计的同时，如何进行创新与改进已成为当务之急，本次设计正是在这样一个思想的指导下进行的。整个设计过程中，通过知道老师与组员的共同努力，毕业设计进行的很顺利，大家互相帮助，协同工作，充分发挥我们这个集体的力量，在学习与设计的同时也增强了自己的集体荣誉感，其次，我衷心的感谢所有的指导老师对我的悉心指导。当然，由于个人知识以及能力上的缺陷，本次设计还存在一些问题和不足之处，诚望各指导老师指出。1 概论1.1本课题研究的目的和意义摩擦学是由多学科组成的综合性和实践性很强的应用科学。研究以机械学、表面科学与技术、摩擦学材料、摩擦化学为主。为了更好的研究材料摩擦磨损行为，科学家通过借助摩擦磨损试验机来测量摩擦副的摩擦磨损特性等一系列参数。 目前，国内的相关研究中广泛使用的试验机有滚子式磨损试验机、往复式摩擦磨损试验机、四球式摩擦切人式摩擦、擦磨损试验机、磨损试验机、盘销式摩擦磨损试验机等。摩擦磨损问题普遍存在于人类物质活动的各个方面。如与我们生活相关的汽车、发电、设备、冶金、铁道、宇航、电子和农机等各方面的机械都大量存在着摩擦学的问题。据估计，全世界大约有1/2- 1/3的能源以各种形式消耗在摩擦上，假如从摩擦学方面采取正确的措施，就可以大大节约能源消耗。磨损是机械零部件3种主要的失效形式之一，可想而知它所导致的经济损失是多么巨大的，大约有80%的机械零件由于各种磨损导致失效。特别是随着人类物质文明的进步和工业技术现代化的发展，机械设备的开发使用普遍趋向于重载、高速、高效率化，怎样控制和改善机械的摩擦磨损状况且提高其使用寿命和工作可靠性，已成为机械工业技术人员必须关注的问题，并促使其研究不断的深入和发展。摩擦试验机大多数中采用静态选位法观察摩擦试件，虽然简单易行，但却不能获得摩擦过程的动态信息，更不必说（摩擦）过程进行动态观测及动态数据记录；另外加上由于受到试验机转速的限制，摩擦副相对运动的速度大多较低（一般不超过10m/s ）。然而现代机械装备中许多摩擦副的相对滑动速度相当高，如高速 列车运行时的速度约为300km/h，制动时制动盘与刹车片之间摩擦速度为6070m/s.而目前还未曾见到可用于高速条件下数据动态测量所需的商用摩擦磨损试验机。摩擦磨损试验的目的是为了对摩擦磨损现象及其本质进行研究，正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用要求的摩擦副元件的最优参数。高温高速摩擦磨损试验机是进行高温高速摩擦磨损试验的有效设备，广泛运用于对各种高速刀具的高温摩擦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。1.2国内外研究概况 摩擦试验机对冶金、矿山、电力以及工程机械等行业的发展有着至关重要的作用,随着目前世界各国科技的飞速发展,各个行业在技术上的突飞猛进摩擦试验机对于各行业的重要性也越来越明显.目前，世界只有美国、日本、瑞士等少数几个国家有摩擦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的摩擦磨损试验机的厂家。早在1964年为了满足了我国石油工业和材料相关工业的发展需要，济南试金集团从开始研制MQ-12型四球摩擦试验机起，于1965年研制成功并投入生产，又在1966年又研制成功MM-200型磨损试验机，这两种试验机研制成功标志了我国已具有了自行研制摩擦磨损试验机的能力。在最近的几年，涌现出了一批新兴生产摩擦磨损试验机的企业，也有不少优质产品面世。济南竟成测试技术有限公司生产的SFT-2M销盘式摩擦磨损试验机：图1.1 SFT-2M销盘式摩擦磨损试验机仪器的工作原理：本试验装置只适用于材料涂层和材料表面的摩擦磨损的相关测试。但可提供较宽的负载范围和旋转速度。可进行球盘、栓（销）盘、盘盘的不同摩擦副的相关试验，精确测量在不同摩擦方式下，材料的摩擦系数、磨痕深度及耐磨性，操作简便，测量精度高。 主要技术指标： 载荷范围： 1N200N(100g20kg ) 旋转速度： 1004500rpm(连续可调) 样品尺寸： 880mm 厚度： 0.530mm 摩擦系数测量精度0.2 Fs（满量程） 样品对偶尺寸：36mm磨痕深度测量范围：1mm 精度：0.1m选配件：1. 100g摩擦力传感器 ( 0.05N1N ) 适用于微小载荷下材料摩擦系数的测试。2. 1000g摩擦力传感器( 0.1N10N )当然,目前国内还有其他公司的产品一样很成熟了。济南思达测试技术有限公司生产的MME-2微机控制摩擦磨损试验机就是一个例子：MME-2微机控制摩擦磨损试验机。图1.2 MME-2微机控制摩擦磨损试验机主要用途：本试验机可用于各种金属材料以及非金属材料（尼龙、塑料等）在滚动摩擦、滑动摩擦、滚滑复合摩擦和间歇接触摩擦等多种状态下的耐磨性能试验，用于评定材料的摩擦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摩擦磨损试验。该机采用微型计算机控制系统，能实时显示试验力、摩擦磨损力矩、摩擦磨损系数、试验时间等相关的参数，并可记录实验过程中相关摩擦系数时间曲线。滚动摩擦试验能根据需要可实现不同的滑差率；该产品所做结果符合GB/T12444.2-90金属磨损试验的方法MM型磨损试验；GB/T396083塑料滑动摩擦系数试验的方法。由于该机功能多，结构又简单可靠，使用方便，又有多个标准试验方法的建立在该机型上，且在国外使用较多，所以在国内摩擦学研究领域也得到非常广泛的应用。技术参数和技术指标表1.1序号项目名称技术指标1最大试验力2500N2摩擦力矩测量范围020N.m 3上、下试样轴转速0600r/min4试样轴向最大移动距离4mm5试验力示值相对误差 在满量程的10%以上，不超过2%6试验力示值重复性相对误差在满量程的10%以上，不超过2%7摩擦力矩示值相对误差 在满量程的10%以上，不超过2%8摩擦力矩示值重复性相对误差在满量程的10%以上，不超过2%9温度控制范围室温-6010时间控制范围1s-9999min11转数控制范围1-9999999912时间-摩擦力矩曲线由计算机实现对各个参数的测量显示及数据处理，可实时显示时间-摩擦力矩曲线。13试验机的外形尺寸（长宽高）主机：970660110014试验机净重约500kg美国FALEX公司：FALEX公司是摩擦磨损测试仪器方面的专业制造商，具有多年的经验，其产品广泛应用于铁路、石油、钢铁、石化、机械，军工等多个领域，目前有超过300台四球机试验机在不同的国家使用，并已得到各国政府部门和工业界广泛的认同，FALEX公司的很多仪器成为摩擦磨损领域的测试标准，已被收录在ISO、ASTM等国际和行业的标准中。 FALEX四球法磨损磨损试验机设计具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。图1.3 FALEX四球法磨损实验测定仪技术参数和试验负荷:F-1519：可变驱动四球试验机，气动可变负载最大到 180kg F-1520：标准四球试验机，固定砝码和机械杆，最大50kg 试验速度: F-1519：气动连续可变驱动，60 -3600 rpm 连续可调，可选1 -10,000 rpm度转换组件 F-1520：V形带和滑轮驱动，提供三种速度选择 600, 1200, 1800 rpm. 温度控制: 数字温度控制 环境温度-232 自动启动加热，直至设定温度 定时: 数字可编程定时器 (1s-999h) 测量: F-1519：集成测压元件和数字显示摩擦力 F-1520：手动测量 环境： 固态或液态(润滑油、润滑脂,固态膜涂层等) 可选外罩仓增强温度控制精度 可选压力仓，最大压力125psi 尺寸： 168 cm x 91 cm x 81 cm， 电源： 220V, 50/60Hz、10A 气源 80 psi 干燥空气 ( F-1519)主要特点： 标准配置 ：1HP变速马达60 到 3600 rpm ；DC 马达控制器 ；数字转速指示器 ；数字温度控制器 ；数字计时器 ；数字负载读取 ；加热器（最高 232） ；数字摩擦系统 ；落地柜 ；温度系统自动启动 ；气体压力指示器 ；气动负载（最大到180kg） ；杯盖拧紧工具；前面板负载调节器 ；前面板有紧情况下切断电源开关； 0- 25 Ib-In 扭矩扳手 ；可装配球盖 ；流量过滤球指示器；热电偶 ；球盘组件 ；空气轴承组件。图1.5 CSM公司摩擦磨损试验机测试原理。试验机的测试原理是：平头或圆形压头安放在被测样品上，可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，该杠杆可被设计为无摩擦切向力的传感器；当盘式样品旋转时，压头和样品间产生的摩擦力才会使杠杆发生轻微的弯曲，该形变程度可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 发展趋势随着人类的发展和现代科学技术的不断进步，摩擦磨损测试技术出呈现了快速发展之势，摩擦磨损试验机有如下发展趋势：1. 逐渐以高性能的电机系统代替机械变速系统：如今，己经比较成熟的系统有高性能的电机系统，其调速比可以达到一比几百、甚至几千或者更高。通过利用这种系统不但可以实现转动，也可以实现摆动和直线运动。通过由高性能电机来直接驱动主轴，不但能使机械结构得到大大简化，并且还可以降低试验机的摩擦损耗来提高整机的寿命以及可靠性。但有一点不好就是高性能电机系统价格往往比较昂贵。2. 微型计算机在摩擦磨损试验机上得到很好的应用：微型计算机不但价格低廉，操作简单，并且性能稳定，不但完全取代以往的二次仪表对试验机进行控制，并且可以对测试参数进行相关的自动采集和数据处理，从而使得试验机的功能得到了大大加强。3. 改进测试手段；4. 提高了稳定性、测试精度，使得试验结果具有更好的重复性和再现性1.4 本章小结该设计主要是对销盘式高温高速摩擦磨损试验机进行机械结构部分的设计与计算机三维实体造型以及二维图的绘制。所设计的试验机满足下面的性能要求：1. 主轴转速范围03000 r/min，能无级调速；2. 工作的最高温度1000 ；3. 加载范围：020 N，采用砝码加载；4. 测试样品盘的最大尺寸为80 mm，最大厚度10 mm。本设计要求设计出实现上述要求的较为合理的方案，并进行相关计算。最后对整个试验机进行机械结构设计，用AutoCAD绘制整个试验机的二维图。2 摩擦磨损试验机的影响因素进行摩擦磨损试验的主要是为了对模拟摩擦系统，通过实验室再现摩擦磨损现象及规律性，用来通过选定参数的测量分析考察图（2.1）所示的工作来运转变量、润滑变量和气氛变量等等对特定的摩擦磨损试验系统摩擦元素的影响。因此，摩擦磨损试验机的设计主要就是依据这种目的和既定的具体任务要求，构思形成图（2-1）所示的基本系统，它的工作运转变量要求在一定范围内实现可调，但对于测试参数应当根据需要选定。 图2.1 摩擦磨损试验机的基本系统图2.1摩擦磨损试验机的基本系统1、2 摩擦元素 3、润滑剂 4气氛2.1试验条件的影响2.1.1运动形式的影响试验机与运动形式的摩擦副的结构有关系，二者是由模拟的摩擦副所决定的，试验机的摩擦副的结构和运动形式往往是固定的，但也存在一些多功能试验机的摩擦副和运动形式均可以通过添加附件来加以改变。如由美国FALEX公司研制的多功能试样测试机通过添加附件后，便可以形成球-平面、四球、板一板(面接触)、液体浸蚀、针一盘和滚动式四球等多种摩擦副形式。试验机上摩擦副的最基本运动形式通常有以下4种，即滑动、滚动、自旋和冲击。试验机对运动的形式都有了明确的规定，却对运动的位置精度要求不是很高，因而在这个方面的要求可以忽略。2.1.2负荷的影响负荷是摩擦磨损试验机中的一个重要的参数，它在试验过程中往往保持稳定。试验机对负荷的精度要求非常高，国内试验机的负荷示值的相对误差一般为11%。为了要满足负荷精度的要求，得考虑在试验机上减小加载系统的摩擦阻力。目前，对摩擦磨损试验机比较加载方式往往有机械式、液压式和电磁式三种。其中，机械式加载又可分为杠杆加载、弹簧加载和重物直接加载或以上三种加载形式的组合，杠杆加载和重物直接加载系统的结构简单，载荷稳定，不存在负荷保持的问题，加载精度高，但当摩擦副的运动不稳定时却会引起振动和冲击;弹簧加载产生的振动比较小，然而，弹簧加载的精度不高，难以实现负荷精确调整。液压式加载包括动压加载和静压加载两种，但液压加载难以保持负荷稳定。电磁加载虽易实现负荷的自动控制，但其弱点是控制部分的成本较高，而且在已有摩擦磨损的试验机上使用比较少2.1.3恒比压的影响大多数的摩擦磨损试验机，对恒比压有比较高的要求。目前实现恒比压的方法有:(a)、从摩擦副的结构上保证摩擦过程中接触面积不变，通过在负荷不变的条件下实现恒比压(如图2.2所示):图2.2 摩擦副的结构 (b)、试验过程中随着接触面积的增大，通过一定的规律增大负荷以实现恒比压。日本东京试验机制作生产的理研一大越式高速磨损试验机就是利用这种方法实现恒比压的。图 2.3 理研一大越式高速磨损试验机原理示意图1凸 轮 : 2摇 杆 : 3, 5 ,8 齿 轮 齿 条 : 4弹 簧 ;6旋 转 圆 环 试 件 ; 7片 状 试件。（c)、同时测量摩擦副的接触面积和试验负荷，经过数据处理，给出负荷的控制信号，使负荷随着接触面积的变化而变化，从而实现试验过程中的恒比压。这种方式先进、可靠，然而实施难度很大。这是因为试验过程中摩擦副的接触面积不易测量，故其至今尚未得到实际应用。2.1.4 温度的影响温度是摩擦磨损试验的另一个重要参数。试验对环境温度都有其特定的要求，如高温条件或低温条件。高温试验通常采用的是电阻丝加热，但也可以借助于高频加热等。而高温试验机，既要考虑到加热部件和其他部件的隔热问题，又要针对加热温度很高的特定的情况下同时考虑它加热部件的选材问题。低温试验机一般采用的是适当的制冷方法使试件周围的局部环境保持低温，但也可以将摩擦副浸泡在制冷剂中实现低温。2.1.5试验负荷的影响试验机一般都要对试验负荷进行相关的测量，只是所采用的测量方式随加载方式的不同而有所不同。常见的加载方式有机械式杠杆一砧码加载，机械式弹簧加载，液压加载。不论采用哪种加载方式，都能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。2.1.6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。在试验机上，往往是将摩擦扭矩转换成拉力或压力对其进行测量（见图2.4），但要注意使转换机构造成的误差不得超过允许值。图2.4将摩擦扭矩转化成拉力或压力的测量2.1.7 测温方法的影响试验机常常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，其中不易被测量的是摩擦面温度(因为它不暴露在外面)。试验机常用的测温方法有二种：热电偶法和红外测温法。通过这两种方法测得的摩擦面温度是近似值。这是由于热电偶无法安装在摩擦面上，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。2.1.8 磨损量的影响磨损量是磨损试验中都要测量的一个重要参数。目前，磨损量的在线检测尚有困难，以往是将试件取下来再测量磨痕或称量失重而得之。如今，人们通过采用电测法或光栅对摩擦副在磨摩擦磨损过程中的相对位移进行测量，来实现磨损量的在线检测。3 方案设计、分析与比较3.1 试验机的整体分析试验机的机械结构部分有如下几个主要系统：主传动系统、加载系统、摩擦盘夹持系统、摩擦销轴向和径向进给系统、加热及冷却系统等主要部分。通过对以上各个部分不同的方案进行组合，就可以得到不同的整体设计方案。3.2 设计方案的制定通过分析，制定下面四种方案：3.2.1设计方案一图3.1 设计方案一图设计方案各部分的组成：1. 主传动系统：变频器和三相异步电动机经齿轮驱动主轴，从而带动摩擦盘旋转；2. 加载系统：采用伺服控制进行连续加载；3. 摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器的夹持摩擦盘，使摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；4.加热及冷却系统：加热炉外通过采用隔热层，加热炉和主轴箱之间又采用石棉隔热层。3.2.2设计方案二图 3.2 设计方案二的方案图设计方案二中各部分的组成：1. 主传动系统：变频器和三相异步电动机是由连轴器和主轴直接相连，来带 动摩擦盘旋转；2. 摩擦盘夹持系统：采用螺栓螺母副将摩擦盘固定到主轴的上端；3. 加载系统：采用弹簧加载；4. 加热及冷却系统：加热炉在外面采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。此外，主轴外用螺旋铜制冷却管包裹，冷却管内通入冷却水，对主轴进行冷却；3.2.3设计方案三1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.图 3.3 设计方案三的方案图设计方案三中各部分的组成：1.主传动系统：变频器和三相异步电动机主要是由V带和带轮驱动主轴，从而带动摩擦盘旋转；2.加载系统：采用传统的弹簧加载；3. 摩擦盘夹持系统：通过特制的摩擦盘夹持器来夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器又一起随着主轴转动面转动；4. 加热及冷却系统：加热炉在外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间又通过采用石棉来进行隔热层。3.2.4 设计方案图 3.4 设计方案四的方案图。设计方案四各部分的组成：1.主传动系统：变频器和三相异步电动机通过V带和带轮驱动主轴，带动摩擦盘旋转；2.加载系统：采用传统的砝码加载；3.摩擦盘夹持系统：采用特制的摩擦盘夹持器夹持摩擦盘，摩擦盘和夹持器一起随主轴转动；4.摩擦销轴向和径向进给系统：通过手动旋转手轮和分度盘带动底座内的一根丝杠，丝杠螺母的相互运动控制横梁和立柱的整体的水平位置，来控制摩擦销的沿摩擦盘的轴向进给；通过立柱结构上的可旋转结构，使得横梁可以沿立柱上的某一点旋转一定的角度，用旋转来代替移动控制摩擦销的竖直位置；5.加热及冷却系统：加热炉外采用隔热层，加热炉和主轴箱之间采用石棉隔热层。3.3 方案比较1.方案一采用齿轮，既保证传动比，制造安装精度要求不是很严格，又防止2.过载时对电机的损坏。由于齿轮传动的噪音大，震动又剧烈，而且齿轮的金属质地使得电动机的产热影响了实验精度。主轴外又无冷却装置，让主轴在高温的工作状态下不仅容易发生变形和损坏，又降低了主轴的寿命和装置的测量精度。手轮和分度盘控制销子是沿盘径向位移的，虽然结构简单，但横梁刚性较差，对结果误差有比较大的影响。立柱上是由步进电机带动丝杠螺母转动的，结构不仅复杂，成本又高，降低了整个系统的刚度，但对系统测量精度的作用不大。3.方案二电机同由连轴器直接和主轴相连和，结构不但简单且紧凑。但是减震性能不好，系统的震动又比较大。而且主轴和电机之间又有直接的热量传递，从而降低了系统的热稳定性。主轴外有冷却装置，但由于上述的热传递作用，使得其作用不太明显，由于空间比较小，对主轴的冷却又难以有效的进行，安装维修也不方便。摩擦盘通过中间的螺栓孔与主轴上端直接相连，难以易保证盘的整体性和运动的平稳性，并对尺寸不大的陶瓷等脆性材料，在摩擦盘的中间打孔难以实现，且盘的刚性在一定程度上大大降低了。弹簧加载虽然结构简单，却加载不精确，容易受到弹簧性能等外部因素的干扰，对实验结果影响比较大。手轮和分度盘控制销子只沿着盘的径向位移，结构虽然简单，却横梁刚性较差，于结果的误差有较大影响。立柱上是采用步进电机带动丝杠螺母，结构不仅复杂，且成本高，又降低了系统的刚度，于系统测量精度的作用不大。4.方案三电机通过V带传动，在一定程度上缓和载荷冲击而运行平稳，无噪音，且制造和安装精度要求并不是很严格，不但可以防止过载时对电机有所损坏。然而带传动有弹性滑动和打滑，效率低且不能保持准确的传动比，从而不能保持主轴以一定的速度转动。且主轴外没设冷却系统，使得在工作情况下，加热炉内的热量通过主轴连轴器直接传递给电机，主传动系统整体的温度较高，不易散热，对系统的刚度和寿命影响很大，且对测量结果有一定程度上会产生很大的误差。采用专用的摩擦盘的夹持器结构较为合理。弹簧加载结构虽然简单，却加载不精确，容易受到弹簧性能等外部因素的干扰，对实验结果影响大。手轮和分度盘控制销子的轴向位移，效率不仅低，且速度慢，结构又复杂。步进电机控制销子沿摩擦盘的轴向位移，结构复杂，成本较高，安装维修不方便。5. 方案四是采用电机通过同步带带动主轴，不仅可以缓和载荷冲击而且运行平稳，且无噪声，同步带传动无弹性滑动和打滑，效率又高且能保持准确的传动比，就是能保持主轴以某一速度的稳定地转动。主轴与电机之间的热影响是很小。专用的摩擦盘的夹持器就保证了摩擦盘旋转时的精度，又保证其整体性，于例如三角形硬质合金可专位车刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等试件的夹持有很大的优势。传统的砝码加载简单易行且加载准确，误差较小。左边立柱与横梁是相对固定，可以绕一个轴旋转一定的角度，使系统稳定性好，测量结果较精确，结构简单，且工作效率又比较高。手轮和分度盘控制横梁和立柱的整体位移来控制摩擦销沿着摩擦盘的径向位移，结构简单，成本低，维修方便，而且有足够高的精度。对上面对四种设计方案的优缺点的分析比较，可得出以下结论：方案四是这四种设计方案中比较合理的一种方案。该方案既可以满足设计精度的要求，又具有成本低，结构简单，安装维修方便等特点。4 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算4.1试验机的主要性能指标的确定参考第一章中的各种试验机的参数，结合设计要求，确定该试验机的主要性能指标如下：主轴转速范围：03000 r/min，无级调速；工作最高温度：1000 ；加载力的范围：020 N,采用砝码加载；摩擦球尺寸：3 mm6 mm；摩擦盘尺寸：最大直径 d=80 mm,最大厚度 h=10 mm 。4.2 试验机的主传动系统的相关计算由试验机的主轴转速范围和变速方式，可以选择变频调速三相异步交流电动机来实现。因此该试验机的主传动路线为：变频调速三相异步电动机同步带和带轮主轴摩擦盘夹持器摩擦盘。4.2.1电机选择取摩擦盘和摩擦销之间的动摩擦系数 f=fmax=1，则摩擦产生的最大功率 ： Pm=Fv=f2Rn/60 其中： Pm是摩擦产生的最大功率(Kw)； F是相互作用力(N)； v:是相对运动速度(m/s)；f是滑动摩擦系数； Fn是正压力（N）； R:是摩擦力作用电相对旋转轴的距离（m）；Pm2Rn/600.251 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 故0.2696 Kw为使电动机的功率留有余量，负荷率取：0.85PP出/0.850.261/0.850.317 Kw 根据参考资料可知，选择的电机型号为：YVF280M1-4(摘自JB/T 7118-2004，)。VF2系列变频调速专用三相异步电动机详细参数如下：机座号 80315 功率 0.55200kW 基准频率 50Hz 绝缘等级 F变频范围 ( 3 ) 5 100Hz 基准极数 4P适用于：冶金、化工、纺织、制药、印刷、包装、食品等行业的机械，风机、泵类、输送线自动化设备及机床（如数控机床、加工中心）等领域。特点：1. 无级调速、调速范围宽2.系统调速性能好、节能效果显著3.采用耐高频脉冲电压冲击的绝缘材料和工艺4.独立风机强制通风冷却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。结构图如图4.1、4.2所示图4.1 电机结构图图4.2 电机结构图机座号: 80M凸缘号: FF165安装尺寸及公差|A|基本尺寸: 125mm安装尺寸及公差|A/2|基本尺寸: 62.5mm安装尺寸及公差|A/2|极限偏差: 0.50mm安装尺寸及公差|B|基本尺寸: 100mm安装尺寸及公差|C|基本尺寸: 50mm安装尺寸及公差|C|极限偏差: 1.5mm安装尺寸及公差|D|基本尺寸: 19mm安装尺寸及公差|D|极限偏差: (+0.009,-0.004)mm安装尺寸及公差|E|基本尺寸: 40mm安装尺寸及公差|E|极限偏差: 0.310mm安装尺寸及公差|F|基本尺寸: 6mm安装尺寸及公差|F|极限偏差: (0,-0.030)mm安装尺寸及公差|G|基本尺寸: 5.5mm安装尺寸及公差|G|极限偏差: (0,-0.10)mm安装尺寸及公差|H|基本尺寸: 80mm安装尺寸及公差|H|极限偏差: (0,-0.5)mm安装尺寸及公差|K|基本尺寸: 10mm安装尺寸及公差|K|极限偏差: (+0.360,0)mm安装尺寸及公差|K|位置度公差: 1.0mm安装尺寸及公差|M: 165mm 安装尺寸及公差|N|基本尺寸: 130mm安装尺寸及公差|N|极限偏差: (+0.014,-0.011)mm安装尺寸及公差|P: 200mm安装尺寸及公差|R|基本尺寸: 0mm安装尺寸及公差|R|极限偏差: 1.5mm安装尺寸及公差|S|基本尺寸: 12mm安装尺寸及公差|S|极限偏差: (+0.430,0)mm安装尺寸及公差|S|位置度公差: 1.0mm安装尺寸及公差|T|基本尺寸: 3.5mm安装尺寸及公差|T|极限偏差: (0,-0.120)mm安装尺寸及公差|凸缘孔数: 4mm外形尺寸|AB: 165mm外形尺寸|AC: 175mm外形尺寸|AD: 145mm外形尺寸|HD: 220mm外形尺寸|L: 370mm4.2.2 同步带传动的计算1、计算功率：P P= 1.40.317=0.4438Kw式中：是同步带传动的工作情况系数，据机械设计手册（如下表）可取1.40 表4.1 工作情况系数查阅表2、选择带型和节距：根据计算功率Pd和n1,选择L型同步带。齿形如下图所示周节制其节距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4.3 齿形图3、小带轮齿数Z1：根据国标(GB/T 11362-1989)下表,查取=14 表4.2 小带轮最小齿数表 根据设计方案20；4、小带轮节圆直径：可以由公式= 计算，也可查询机械设计手册。根据（GB/T11361-1989）得小带轮直径为=60.64mm5、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、等，取206、大带轮节圆直径： 可由公式= 计算，也可查询机械设计手册。根据（GB/T11361-1989）得小带轮直径为=60.64mm7、带速计算： V= V= =4.76m/s通常L型，则v符合要求。8、初定轴间距：根据机械手册知0.7(+ ) a2(+) 即 80.896a，取a=180mm9、计算带长及齿数：带长：=2+(+)+ =2+180=642.6mm 查机械设计手册(GB/T11616-1989)得=64.77mm，齿数Z=68；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 轴间距不可调时 根据设计要求，轴间距可调则11、小带轮啮合齿数： 12、基本额定功率： 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： 啮合齿数系数，查机械设计手册 表4.3 , 系数表 5 4 1 0.8 0.6应按表4.4选取标准值，一般小于则式中： mm 按照以上设计要求要求确定公称带宽12.7mm，代号05014、作用在轴上的力： 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pa: pada/z(z带轮齿数)根圆直径df: dfda-2hg4.2.3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 说明： d-计算剖面处轴的直径（mm） P-轴传递的功率（Kw） n-轴的转速（r/min） T-轴传递的转矩，（N.mm） T=9.55 -轴材料的许用扭转切应力，MPa，查机械手册 A-按而定的系数，查机械手册 K-轴类别系数，实心轴K=1，空心轴K=-空心轴的内径与外径d之比，通常取=0.50.6主轴的材料选择为，查表3计算的轴段有键槽，则会削弱轴的强度，此时应将计算所得的直径适当增大，若有一个键槽，将dmin增大5，若同一剖面有两个键槽，则增大10则，取 即主轴上直径最小处： 3、轴的结构设计：（1）. 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（2）.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度：见图4.7 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，故选取角接触球轴承，初步选取角接触球轴承7006AC，其尺寸分别为:、，故 ，。）根据结构要求拟定，； ，； ，； ，。4.2.4 轴的强度校核1.按弯扭合成强度计算轴的直径 图a 轴的空间受力图b轴的水平面的弯矩图c 轴的垂直面的弯矩图d 轴的合成弯矩 图 e 轴的扭矩则转矩 Fr=93.24N L1=41.96mm L2=29.2mm L3=87.36mm =227.24N =134N =0N Fa=20N M=3912.4N.mm2.按第三强度理论计算当量弯矩： = 式中：为将扭矩折合为当量弯矩的折合系数，按扭切应力的循环特性取值:a) 扭切应力理论上为静应力时，取=0.3。b) 考虑到运转不均匀、振动、启动、停车等影响因素，假定为脉动循环应力，取 =0.59。 c）对于经常正、反转的轴，把扭剪应力视为对称循环应力，取 =1（因为在弯矩作用下，转轴产生的弯曲应力属于对称循环应力）。各轴的传递的P和n为已知，在轴9）校核危险断面的当量弯曲应力（计算应力）： = 式中：W为抗扭截面摸量（mm3），查表4.4。为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，查表4.1。经计算得：W=177.027 =24.143.按疲劳强度精确校核按当量弯矩计算轴的强度中没有考虑轴的应力集中、轴径尺寸和表面品质等因素对轴的疲劳强度的影响，因此，对于重要的轴，还需要进行轴危险截面处的疲劳安全系数的精确计算，评定轴的安全裕度。即建立轴在危险截面的安全系数的校核条件。 安全系数条件为： =S =S=S 式中：为计算安全系数； 、分别为受弯矩和扭矩作用时的安全系数； 、为对称循环应力时材料试件的弯曲和扭转疲劳极限； 、为弯曲和扭转时的有效应力集中系数， 、为弯曲和扭转时平均应力折合应力幅的等效系数； 、为弯曲和扭转的应力幅； 、为弯曲和扭转平均应力。 S为最小许用安全系数： 1.31.5用于材料均匀，载荷与应力计算精确时； 1.51.8用于材料不够均匀，载荷与应力计算精确度较低时； 1.82.5用于材料均匀性及载荷与应力计算精确度很低时或轴径200mm时。 4.按静强度条件进行校核静强度校核的目的在于评定轴对塑性变形的抵抗能力。这对那些瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的的轴是很有必要的。轴的静强度是根据轴上作用的最大瞬时载荷来校核的。 =静强度校核时的强度条件是：式中：危险截面静强度的计算安全系数； 按屈服强度的设计安全系数；1.21.4，用于高塑性材料（0.6）制成的钢轴；1.41.8，用于中等塑性材料（0.60.8）制成的钢轴；1.82，用于低塑性材料制成的钢轴；23，用于铸造轴；只考虑安全弯曲时的安全系数；只考虑安全扭转时的安全系数； = =式中：、材料的抗弯和抗扭屈服极限，MPa；其中(0.550.62)；Mmax、Tmax轴的危险截面上所受的最大弯矩和最大扭矩，N.mm；Famax轴的危险截面上所受的最大轴向力，N；A轴的危险截面的面积，；W、WT分别为危险截面的抗弯和抗扭截面系数N，。经计算上面均符合要求 轴的设计用表表4.1 轴的常用材料及其主要力学性能材料牌号热处理毛坯直径（mm）硬度(HBS)抗拉强度极限b屈服强度极限s弯曲疲劳极限-1剪切疲劳极限-1许用弯曲应力-1备注Q235A热轧或锻后空冷10040042022517010540用于不重要及受载荷不大的轴100250375390215 45正火回火1017021759029522514055应用最广泛100300 162217 570 285 245 135 调质 200 217255 640 355 275 155 60 40Cr调质10010030024128673568554049035535520018570用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴 40CrNi调质10010030027030024027090078573557043037026021075用于很重要的轴38SiMnMo调质10010030022928621726973568559054036534521019570用于重要的轴，性能近于40CrNi38CrMoAlA调质606010010016029332127730224127793083578578568559044041037528027022075用于要求高耐磨性，高强度且热处理（氮化）变形很小的轴20Cr渗碳淬火回火60渗碳5662HRC64039030516060用于要求强度及韧性均较高的轴3Cr13调质10024183563539523075用于腐蚀条件下的轴1Cr18Ni9Ti淬火10019253019519011545用于高低温及腐蚀条件下的轴180110100200490QT600-3 19027060