关节轴承摇摆试验机设计【说明书+CAD+SOLIDWORKS】
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关节轴承摇摆试验机设计说明书 摘 要关节轴承作为通用机械零件能满足重载荷、长寿命要求，且具有转动灵活、少维护、结构紧凑、易于装拆，在工作过程中可以免维修和无需添加润滑剂等优异特性，广泛应用于工程机械、载重汽车、水利设施、军工机械等方面。关节轴承的主要失效形式是磨损，磨损使轴承内部的游隙明显增大，从而引起轴承支承部位的振动和噪声增加，使机械的运行状态变差，导致轴承不能正常工作。因此研究关节轴承的摩擦磨损寿命性能是一项基础而又重要的工作。关节轴承摇摆试验机是针对关节轴承力学性能试验而开发的特殊试验机，该试验机采用成熟的偏心轮摆动技术，丝杠加载等技术，大大提高了系统的稳定性和可靠性。关节轴承摇摆试验机模拟关节轴承实际载荷谱、转速谱工况进行试验并考核其各种性能。对试样采用“两端支撑式”结构，通过对旋转轴承施加静态的径向力，试验轴承所受到的扭矩的疲劳寿命。旋转和径向力的加载均采用公司成熟的技术，能够自动记录并处理试验数据，在试验中出现故障能自动判别并停机。该机主要由主机、控制系统、夹具和其他必要的附件等组成。ABSTRACTThe design of hydraulic drive manipulator movements under theprovisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanksThis text introduce upper and lower material spend design process of manipulator , it include to whole job requirements and analysis of situation of system mainly, confirm the whole structural design systematic in hydraulic pressure through the working course of the system. Analyse whole cyclical process , confirm systematic operation principle picture , require the hydraulic pressure component of the standard for selection according to systematic parameter, finish the installation diagram systematic in hydraulic pressure. Hydraulic pressure integrate piece as now main part , hydraulic pressure of system , hydraulic pressure at present integrate pieces of application and development receive domestic and international hydraulic pressure extensive attention of circle, hydraulic pressure integrate research and development of CAD of piece already offer effective support for engineering design of the hydraulic pressure, while design the system integration one of hydraulic pressure of the manipulator, can combine with real processing technology . And CAD integrating one to the present hydraulic pressure has very good understanding.Keywords: manipulator ,Drive , Hydraulic manifold block , Elements 目录一、前言-31.1关节轴承的研究与发展-31.2 设计意义-4二、产品设计过程-74.1径向加载部分电机的设计计算-84.2 轴动加载部分电机的设计计算-84.3扭矩传感器的设计-9三、关节轴承摇摆试验机主机的三维建模-53.1 径向加载部分的三维建模-53.2 轴向加载部分的三维建模-63.3 夹具部分的三维建模-6四、设计总结-21参考文献-22致谢-23 前言 轴承的旋转摆动因幅度大而不同于微动，也不同于普通的单向直线和旋转运动，因此关节轴承在摆动运动下的摩擦磨损性能研究逐渐受到人们的关注。目前评价关节轴承摩擦学性能的试验机主要有2种：一种是以轴承为试验对象，把主轴设计成圆周方向旋转摆动，进行轴承旋转摩擦试验；另一种则是以轴承材料的标准试块为试验对象的直线往复式摩擦磨损试验机5。文献4，8研制了关节轴承随主轴做圆周方向旋转摆动的试验机，并能对一定尺寸的关节轴承做磨损试验。文献4研制了大中型关节轴承磨损寿命试验机，该试验机加载系统采用液压加载；摆动系统采用液压推动齿条，带动主轴齿轮摆动；测量系统采用测长传感器测量径向磨位移量，采用铂电阻通过显示仪表监测轴承外圈端面温度。该试验机的参数为：被试关节轴承内径50150mm，摆动角度+4040，摆动频率015次/min，最大加载值1000kN。向心关节轴承的运动形式一般是摆动，所受的载荷主要是径向载荷。文献6按关节轴承在径向载荷作用下做摆动运动来设计，研制了新型关节轴承寿命试验机，如图1所示。该试验机以整个关节轴承为试验对象，把关节轴承安装在主轴上，电动机通过皮带带动减速器，再由曲柄、连杆和摇杆机构实现主轴的摆动运动，并利用螺纹的自锁性实现无级加载。通过测量轴承外圈的径向位移和摩擦系数判断轴承是否失效，并监测轴承外圈的温度以了解轴承内部摩擦力的变化情况。该试验机的技术参数为：被试关节轴承内径为1550mm，径向载荷为098kN，摆动频率为025Hz，摆动角度为20100。图1新型关节轴承寿命试验机工作原理图文献7研制了E0612型自润滑杆端关节轴承试验机，该试验机采用曲柄摇杆机构驱动主轴摆动，主轴带动装配在主轴一侧的2个试验头在一定的空间范围内同步摆动。试验轴承采用悬挂式，杠杆加载装置施加的力通过轴承壳体螺纹部分传递到轴承内圈，以使轴承试验条件与实际使用状况相吻合的方法进行磨损试验。该试验机的技术参数为：试验轴承的内径尺寸为612mm，单套试验轴承的最大载荷为98kN，摆频2040次/min，摆幅040。文献8研制了可满足各种载荷的大、中、小关节轴承测试需求的磨损试验机。该轴承磨损试验机主要由主机、液压源、测量控制系统3部分组成，轴承径向载荷采用伺服油缸加载。利用电液伺服闭环控制原理，进行载荷和位移控制，扭转部分通过伺服电动机带动摆线针轮减速机输出扭矩，由扭矩传感器、光电编码器分别测量扭矩、扭角，并组成闭环系统进行控制。磨损测量采用差动压器式位移传感器，测量试验过程中外圈相对于内圈的径向位移。计算机可实时采集试验数据绘制曲线，并可存储试验数据进行后处理。该试验机的参数为：径向载荷最大试验力分别为00，300和100kN，摆动角度25，摆动频率为115次/min。与关节轴承绕单轴做圆周方向旋转摆不同，文献9研制了直升机自动倾斜器球铰自润滑关节轴承试验机，该试验机采用2套空间四杆机构实现了关节轴承在2个坐标轴方向的任意摆动；通过1套凸轮机构实现主轴的上、下往复运动。以运动分解的方式获得了关节轴承3个自由度的运动目标，采用可编程控制器及触摸屏实时控制关节轴承在试验过程中的摆动速度、频率和载荷的大小，可以监测、显示衬垫磨损量、摩擦力、温度和振动信号。该试验机的参数为：最大载荷8kN，最大频率3Hz，摆动角度9。此外，还有学者通过研制直线往复式摩擦磨损试验机来研究自润滑材料的性能，如文献10中的试验机能够通过六杆机构实现直线往复运动，并用液压机实现加载对自润滑材料进行试验，从而得出其摩擦、磨损性能。这为研制关节轴承试验机提供了参考。2关轴承磨损性能的影响因素关节轴承磨损性能受到载荷、温度、轴承摩擦副材料及自润滑材料等因素的影响。21载荷文献1113研究了关节轴承受重载情况下的磨损性能，为研究关节轴承磨损性能提供了重要参考。文献11采用上海市轴承技术研究所研制的ZMS1500磨损试验机对织物类衬垫铝合金自润滑关节轴承进行磨损试验，该试验对内径尺寸为110和130mm的关节轴承进行了摆角为25、摆频为10次/min、载荷为200600kN的摆动磨损试验。试验中采用测长法测量磨损量，即在试件内、外套圈相对摆动后，以径向尺寸发生的变化测定磨损量，并采用径向位移量与电测量相互转换的方法，对磨损量进行连续测量。试验结果表明：凡是内、外球面滚道接触良好者，其磨损性能优良；若磨痕区域呈黑褐色狭长状，则其磨损性能较差。所谓内、外球面滚道接触良好，即吻合度好，接触面积相对较大，因此，在相同载荷条件下单位面上的压强小，磨损均匀，故其磨损性能较好，反之磨损性能则差。文献12研究了PTFE编织复合材料重载关节轴承的旋转摩擦特性，采用自制的重载摩擦试验机，在转速为25r/min时测试了PTFE编织复合材料关节轴承承载能力与摩擦系数的关系，以及摩擦的时间效应。在承载为135MPa时，测试了轴承的磨损曲线、轴承的温升以及摩擦系数随连续摆动时间变化的关系曲线。试验结果表明，随着承载由25MPa增加到135MPa，干摩擦系数由0061降低到0038。通过扫描电镜分析了轴承失效机理，在摆动的过程中PTFE不断被挤出，轴承自润滑功能下降，导致编织基体材料发生磨损。文献13利用自制的高频重载关节轴承摩擦磨损试验机，研究了不同摆动频率和接触压强条件下PTFE/铜网复合材料衬关节轴承摩擦系数、线磨损量和摩擦温度变化规律。借助扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）分析了关节轴承衬垫的磨损表面并探讨了其磨损机理。结果表明：在接触应力476MPa时，摆动频率的升高对轴承的摩擦系数、磨损量和摩擦温度影响较小；在接触应力476MPa，随着摆动频率的变化，轴承的摩擦系数、磨损量波动范围较大，摩擦温度上升较快。由图2a可以看出，衬垫表层保存完好，基体材料铜尚未显露出，衬垫材料几乎没有遭到破坏，自润滑性能依然良好；随着摆动频率升高8Hz，摩擦过程产生的热应力以及摩擦面上的剪切拉引起聚合物表面龟裂，并且发生塑性变形，甚至出现了剥落说明此状态下衬垫材料发生剥落磨损（图2b）。当接触应力为952MPa，摆动频率为12Hz时，轴承衬垫表层材料磨损较为严重，衬垫表层材料已几乎被磨完，衬垫基体材料也遭到了破坏，剥落面积增大（图2c）；当摆动频率为8Hz时，衬垫表层材料已经磨完，表面有大量的附着颗粒（图2d）。载荷发生变化时会影响自润滑关节轴承的力学性能。在重载条件下，轴承内外圈摆动将在内、外圈接触面产生摩擦热，衬垫材料发生塑性变形、挤压变形和剥落，致关节轴承自润滑能力下降，进而发生粘着磨损和磨粒磨损，导致轴承失效。图2PTFE编织物磨损表面形貌SEM照片322温度当关节轴承应用于航空航天等领域时，温度对自润滑材料摩擦磨损特性的影响尤为明显，因而温度对关节轴承性能的响也受到了广泛的关注。文献14为研究低温环境下PTFE的摩擦磨损属性，进行了环境温度为77K热力学温度的盘销磨损试验，果表明，TFE在低温环境下的摩擦性能提高。这是由于在低温环境下PT-FE的硬度和机械强度提高。文献15研究了速度、载荷、温度对35%填充TFE复合材料摩擦磨损特性的响。试验结果表明，通过使轴承冷却，载荷和速度对磨损的影响减少。因此，可以通过降低关节轴承的工作温度来提高PTFE的磨损性能，进而提高关节轴承的磨损性能。23轴承材料和自润滑材料轴承材料的选择直接影响着关节轴承的使用性能和寿命，因此，为了得到关节轴承优良的使用性能，选择合理的轴承材料非常重要。文献16为了避免轴承钢关节轴承发生锈蚀卡死，采用洛阳轴承研究所研制的能同时监视轴承的摩擦、温度以及磨损情况的SPBTM型关节轴承试验机对UG20和UC20X进行了摩擦性能试验对比分析。试验结果表明：不锈钢关节轴承UC20X的寿命高于轴承钢关节轴承UG20，这是因为不锈钢材料的自适应性和耐磨性优于轴承钢的缘故。自润滑材料的性能直接影响关节轴承的磨损性能和使用寿命。陶瓷基复合材料是以陶瓷作为黏接剂的自润滑材料，这类材料具有高硬度、高强度、高刚度、低密度和优异的化学稳定特性，也具有良好的减摩耐磨特性。文献17指出，CaF2在高温下由脆性向塑性转变而具有润滑性。在摩擦过程中，CaF2中的氟与磨损表面所起的化学作用也是具有润滑性的重要原因。但是材料的力学、摩擦学性能并不一定随固体润滑剂含量的增加呈线性变化。文献18研究了通过热压成形工艺制的Al2O3TiC/CaF2自润滑陶瓷材料在室温下的摩擦磨损性能，结果表明：当CaF2含量为10%时，该材料具有较好的力学性能，其摩擦系数随aF2含量、载荷和速度的增加而降低。Al23TiC/CaF2材料在高速摩擦条件下能够在磨损表面形成一层固体润滑膜，正是由于这层膜的存在使得其在高速、高载荷下具有较低的摩擦系数；而低速下其磨损机理主要是磨粒磨损。二、产品设计过程2.1径向加载部分电机的设计计算由于径向加载部分的电机需要可调速的，则从电机的运动路线为定比传动，其总的传动比可利用自身携带的减速器来得到。 电机的转速不易太高，因为丝杆的移动能力并不是随转速增加而增加。当速度达到一定值以后，效率反而下降，因此电机的转速一般在200一400r/min比较适宜。在本机选用326r/min。 由传动比标准系列查B2表21初步取1.76 2.5 根据选用的电机和绞笼转速要求设计传动路线如下：2.1电机的选择N=4(KW)G丝杆的转动惯量，1000kg/hW切割1kg物料耗用能量，其值与孔眼直径有关，d小则w大，当d3mm，取w0.0030kw.h/kg。（查B5p） 传动效率，取0.75所以根据N4kw，n1500r/min，查B1表10-4-1选用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4电机的结构。 图4-1 Y112M-4电动机的外观图2.2轴向加载部分电机的设计计算由于轴向加载部分的电机需要可调速的，则从电机的运动路线为定比传动，其总的传动比可利用自身携带的减速器来得到。 电机的转速不易太高，因为丝杆的移动能力并不是随转速增加而增加。当速度达到一定值以后，效率反而下降，因此电机的转速一般在200一400r/min比较适宜。在本机选用326r/min。 由传动比标准系列查B2表21初步取1.76 2.5 根据选用的电机和绞笼转速要求设计传动路线如下：2.2电机的选择N=4(KW)G丝杆的转动惯量，1000kg/hW切割1kg物料耗用能量，其值与孔眼直径有关，d小则w大，当d3mm，取w0.0030kw.h/kg。（查B5p） 传动效率，取0.75所以根据N4kw，n1500r/min，查B1表10-4-1选用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4电机的结构。 2.3扭力传感器的选型计算弹簧机构扭矩测量传感器选型主要查找了力传感器和扭矩传感器力传感器有国内和国外两种传感器，均为压电式传感器，尺寸和安装方面比较合适（后面1，2）；扭矩传感器都比较大，没有找到合适安装的传感器（后面3，4）力测量方法接测量直接测量力需要将结构沿垂直力传递垂直分成两部分, 以便安装已校准的力传感器。这样会给试验结构带来一定的影响, 安装力传感器必须满足试验结构的强度和刚度要求。传感器测量范围必须大于被测量的过程力。这种安装方法的一个主要优点是不需考虑力作用点, 总是可以准确、线性完美地测量力。应用:试验室单分量与多分量力测量, 微小力测量, 绝对力测量适用的传感器类型:已校准的单分量或多分量力传感器。奇石乐力测量技术主要用于生产、车辆工程和生物力学。我们的实践经验、试验台以及与客户的紧密联系使得我们成为全球这一高要求的市场中理想的合作伙伴。除了传统应用领域, 奇石乐还在众多不同的挑战性的测力应用领域发挥着重要作用。无论很大的力还是微小力, 单向力或是多向力, 只要能够在不影响部件性能的前提下安装力传感器, 就可以使用奇石乐力传感器测量。压电式测量是唯一满足高固有频率要求的测量技术。几乎无限的使用寿命是选择奇石乐力传感器解决测量难题的另一个充分理由。间接测量如需测量很大的力或结构不能分解成两部分, 必须测量部分力。传感器安装在力的分流道中的合适位置, 并与测试结构坚固结合, 因此它只能测量部分力。部分力的大小取决于传感器安装的方式。这种安装方法的优点在于对已有结构的改动较小。只需要量程较小的传感器。一旦传感器安装后, 需要对力进行现场校准,三、关节轴承摇摆试验机主机的三维建模3.1径向加载部分的三维建模径向加载部分安装在主机横梁上部，加载装置中的减速电机带动传动丝杠通过杠杆、连接部件对安装在夹具内上的轴承进行径向加载，加载的径向力通过传感器测量。机构图如下：3.2轴向加载部分的三维建模3.3夹具部分的三维建模 设计总结本设计主要是基于国内关节轴承摇摆试验机的发展，节水和环境保护以及车业投资和成本控制的要求，设计具有一定经济和好实用性。本设计主要完成的工作包括以下几个方面：1、通过对关节轴承摇摆试验机现状分析，找到设计出发点，确定设计的方向。2、完成了关节轴承摇摆是样机的结构设计、系统设计，同时进行创新设计，突出质量的优势，实现自己动手洗车简洁化。通过三维软件对各部分零件建模，在建模期间一般应进行深入的特征分析，搞清零件是由那几个特征组成，明确各个特征的形状，他们之间的相对位置和表面连接关系，然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模。一个复杂的零件，可能是许多个简单特征经过相互之间的叠加、切除或相交组成。所以零件建模时，特征的生成顺序十分重要，不同的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的构型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用。尤其在二维图纸上，我们能看到的只是零件的平面图，而内部特征则以虚线给予表示，另外还有零件的相贯线，这表示了各个特征相交时出现线段。在零件的草图绘制过程中，必须要选好第一个草绘平面，这很关键，这个平面决定了往后建模的所用到的命令，简单的说，一个圆柱可以作一个圆形然后拉伸，也可以作一个长方体旋转，虽然他们的结果都一样，但所用的草绘平面和命令就截然不同。如果我们要的是一条轴，那我们就应该选择第二种方法为好了。致 谢时光飞逝，岁月如梭，转眼之间大学生活已经接近尾声，回首大一刚入学的场景依然历历在目，仿佛还是昨天的事情。再从头到尾看一看这篇毕业设计，每一个环节都离不开xxx老师的帮助，从题目的拟定，到结构框架，资料搜集，整理提炼，以及最后的反复斟酌。在具体的写作过程中，我遇到了许多这样或那样的预料之外的困难，让我感到困惑和焦虑，但最终在xxx老师的指导和帮助下，还是独立完成了单拐曲轴的机械加工工艺规程及夹具设计。论文的最终完成，是一波三折的过程，在不断完善和修改的过程中让我更加懂得“一分耕耘一分收获”的道理。除了要衷心的感谢我的指导老师以外，我还要感谢在校期间所有传授过我知识的老师们，他们孜孜不倦的教诲是我完成这篇论文的基础。作为一个机械工程及自动化专业的学生，在一些其他课程上遇到过许多问题，多亏老师们在百忙之中抽出时间为我答疑解难，给予我耐心的指点，让我少走了许多弯路。在此我对他们无私的爱心表示由衷的感谢。同时也感谢大学生活中与我朝夕相处的同学们，他们给我留下了最难忘的回忆。在一起走过的日子里，我们一同欢笑，一起悲伤，相互鼓励，共同进步。我要感谢在这漫长而短暂的四年里陪我一同走过的同学们，因为有了你们，我的生命中多了很多欢乐的瞬间和美好的回忆，愿我们的情义地久天长。最后感谢我的家人，是他们一直站在我身后，做我坚强的后盾，无论我成功与否，他们都默默地给予我支持与鼓励，让我感到我不是一个人在战斗。谢谢你们，我一定会更加努力，不辜负你们对我的期望。四年时光，说长不长说短不短，不知不觉中我们已经共同经历了许多，我们手拉着手一同走过了快乐与悲伤，收货了属于我们的成长与坚强。也许在今后的日子里还有更多的困难等待着我们，但是我不会害怕，我会勇敢的迎接挑战，我要用自己的努力搏一个美好的未来。最后我想说：毕业，是终点，亦是起点。 本文是在导师xx老师的悉心指导下完成的，字里行间都凝聚者导师的智慧和心血。半年来，导师不仅在学术上循循善诱，引导学生不断进取、精益求精，而且在思想方法上谆谆教诲，传授学生生活和做人的道理。导师
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