一种摩擦磨损试验机的机械机构设计（全套含CAD图纸）
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I毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要在涉及到摩擦学及相关领域的产品研发方面，摩擦磨损试验机的应用越发普遍。目前，世界上只有几个少数国家像美国、英国、日本等拥有专业的企业来生产摩擦磨损试验机，有很多资料表明目前世界上大部分的摩擦磨损试验机的式样都以滑块和圆盘为主，在一定的范围之内可以控制载荷、温度、速度、润滑量等因素的变化。本次课题是一种摩擦磨损试验机的机械机构设计，采用的实验方法是在相同的模拟工况下，进行对比实验，对摩擦材料副、润滑油的摩擦性能等进行实验。这款试验机的结构简单、工作可靠、制作费用低廉还具有一定的灵活性。主要用来测定摩擦力、摩擦系数和摩擦力矩等参数的大小。关键词摩擦磨损实验机结构设计摩擦系数II毕业设计说明书（论文）英文摘要TITLEMECHANISMDESIGNOFAFRICTIONANDWEARTESTINGMACHINEABSTRACTINTHERESEARCHANDDEVELOPMENTOFPRODUCTSRELATEDTOTRIBOLOGY,FRICTIONANDWEARTESTINGMACHINEAREWILDLYAPPLIEDCURRENTLY,ONLYAFEWCOUNTRIESLIKETHEUNITEDSTATES,BRITAIN,JAPANANDOTHERPROFESSIONALENTERPRISECANPRODUCETHEWORLDSWEARTESTER,ALOTOFDATAINDICATETHATNOWMOSTOFTHEFRICTIONANDWEARTESTERINTHEWORLDAREINTHESTYLESLIDERANDDISCMAINLYWITHINACERTAINRANGEOFVARIATIONCANBECONTROLLEDLOAD,TEMPERATURE,SPEED,AMOUNTOFLUBRICATIONANDOTHERFACTORSINTHISPAPER,AFRICTIONANDWEARTESTMACHINEWASDESIGNEDTESTMETHODUSEDISTHESAMESIMULATIONCONDITIONS,COMPARATIVETESTSOFFRICTIONPERFORMANCELUBRICANTEXPERIMENTTHISTESTINGMACHINEHASSIMPLESTRUCTURE,HIGHRELIABILITYANDLOWPRODUCTIONCOSTSWITHSOMEFLEXIBILITYPRIMARILYUSEDTODETERMINETHESIZEOFTHEFRICTIONCOEFFICIENTOFFRICTIONANDFRICTIONTORQUEANDOTHERPARAMETERSKEYWORDSFRICTIONANDWEAR；TESTINGMACHINE；STRUCTURALDESIGN；FRICTIONCOEFFICIENT南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）III目录前言1第一章绪论211摩擦的应用2111摩擦力在生活中应用的必要性2112摩擦力在生活中应用的合理性312摩擦磨损试验机的功能与特点413摩擦磨损试验机的发展趋势514国内外摩擦磨损试验机的典型6141四球摩擦磨损试验机6142端面摩擦磨损试验机7143往复式摩擦磨损试验机8144环块摩擦磨损试验机8145微动摩擦磨损试验机915摩擦磨损试验机在发展中存在的问题9第二章总体方案设计1121摩擦磨损试验机的设计及要求1122摩擦磨损试验机的结构及组成11221加载组件11222测力组件1323摩擦磨损试验机的工作原理13第三章零部件设计1531电机的选取1532油箱设计1533传动轴设计1634模块与摩擦环块的选择17第四章摩擦磨损试验机的参数计算1841正压力计算1842摩擦力计算18421弹簧的拉伸长度计算18422摩擦力与摆角关系2043摩擦系数计算21南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）IV44转动轴的受力分析2145电机功率的选取22第五章摩擦磨损试验机技术经济分析2351技术经济分析的目的与意义2352成本材料分析23521非标准件23522标准件2453课题技术经济成本计算依据25531成本计算依据2554课题技术经济成本计算26第六章结论28致谢30参考文献31南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）1前言摩擦力对我们生活的影响是不可忽视的，然而这种影响在工业生产中却尤为明显。在工业生产中，机械零部件主要的三种失效形式之一便是摩擦产生的磨损，由其导致的经济损失极为庞大。每一年，由于各种原因的磨损致使约有百分之八十的机械零部件失效。从本质上来说，减少摩擦磨损的目的是节省能量消耗和提高材料的利用率。摩擦磨损试验机的出现对于摩擦学来说是一个巨大的进步，现在越来越多的摩擦磨损试验机用来评定润滑油的极压特性、抗磨损性能并且计算摩擦系数从而运用于工业生产中。机械设备中各个零部件之间的摩擦磨损和零部件的材质、工况环境（压力、冲击、温度和润滑）等因素密切相关。机械零部件通过摩擦引发的一系列摩擦学的问题，诸如磨损、润滑、材料和能源的消耗，这些普遍存在的问题极大地影响了社会经济的发展。特别是随着社会环境的进步和工业技术的现代化发展，机械设备的开发应用普遍趋于高速、重载、高效率化，在机械系统中，机械构件的运行是最基本也是最重要的功能。机械构件之间的相对运动和接触作用大都是通过摩擦来实现的，同时也在摩擦副的表面产生摩擦、磨损和润滑等物理现象。机械中任何一个摩擦出现问题，都会导致机械的相关部件或全部功能的失效。现代机械类技术人员尤为关注的问题便是如何控制和改善机械的摩擦磨损状态，提高机械的使用寿命和工作可靠性，这也是促使人们研究进步的不竭动力。伴随着材料科学的不断发展与完善，虽然摩擦磨损试验机的研发在近些年得到迅猛发展，但是人们也越来越提高了对摩擦磨损试验机的要求，今后的摩擦磨损试验机的应用范围和实验要求也会逐渐提高。开始向着高性能、高精度、高转速等方面发展，相信今后的摩擦磨损试验机的机械机构自动化程度更高，运行更加稳定，模拟环境更为真实，处理速度也会更快。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）2第一章绪论11摩擦的应用在物理学中，摩擦力是任意两个相互接触的物体发生相对运动时，在它们的接触面上出现的一种互相阻碍的力。摩擦学就是针对摩擦力的研究。1966年,一篇著名有关摩擦学的学术著作润滑摩擦学、教育和研究得以发表。这份著作得到了人们普遍的关注，它清晰的解释了“摩擦学”的定义及它在社会经济学中的重大影响。而此时的摩擦学已然发展成为对国民经济有重要影响的科学1。在人们平时生活中摩擦是一种很普遍的现象，应用在生活中的例子也有很多，比如鞋子就是鞋底和路面产生摩擦；吃饭喝水就是手跟碗盘、水杯的摩擦；而穿衣就是人体和衣物的摩擦等等，这些都是有利的一面2。但任何事都应该从正反两面来看，摩擦力在我们生活中也不都是有利的，它同样也有它自己的弊端，比如鞋底跟地面的摩擦会造成鞋底的磨损；机械的运行也需要摩擦，但同时摩擦也会造成内部零件的磨损、机械的发热，也会消耗不少动力，缩短机械内部零部件的使用寿命等。据资料表明，通过各种途径消耗在摩擦上的能源大约占全世界的二分之一。工业生产里面，如果要大量减少能源消耗，就必须根据摩擦学知识采取正确的措施。所以我们在利用摩擦来为我们生活服务的同时，也要尽可能的选用正确的方法来减少摩擦给我们带来的损害，合理的利用摩擦力。111摩擦力在生活中应用的必要性有摩擦才可以安全出行。人类在几千年前，就已经发明了鞋子，细心的人们会发现，不管什么鞋子，在它的底面都会有很多条纹，这些条纹均匀地分布在鞋底，它们的存在可不仅仅是为了美化鞋子，而是含有一定的物理知识的，那就是用来增大鞋底和地面之间的摩擦力。正是靠着鞋底和地面的摩擦力，人们才能在地面上奔跑、先走、跳跃，而鞋底一旦过度磨损或地面过于光滑就会减少两者之间的摩擦，就会容易跌倒，所以如果没有摩擦，人们将“寸步难行”；还有我们大多数人用过的交通工具自行车，如果没有摩擦力的存在，自行车就不会出现，也谈不上为人类服务，利用轮胎和地面的摩擦人们才可以在南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）3路面上安全行驶。没有摩擦汽车无法正常开动，飞机无法正常启动，这将严重影响人们的生活。有摩擦才可以拿放东西。生活中刷牙洗脸，人类大多通过手与其他物品接触。日常生活中人们拿放餐具，如果没有摩擦，餐具将一次次从手中滑落，人类将无法吃饭补充营养；生产劳动时人们拿放工具，如果没有摩擦，工具将一次次从手中滑落，人们将无法正常的完成工作。有摩擦才可以做运动。跑步是校内体育活动中深受学生喜爱的一项集体运动。跑步时穿上钉子鞋，可加大鞋底与地面的阻力,防止鞋掌与地面多余的摩擦，减少做功才有可能赢得比赛；像篮球、足球、排球、乒乓球等运动，都需要物体和人体相应部位之间的摩擦，没有摩擦这些运动将无法进行，同学们也享受不到运动的乐趣。图11步行图12骑行112摩擦力在生活中应用的合理性通过一些实际例子，我们知道不管事在日常生活中还是在工作中，我们都离不开摩擦力，没有摩擦力的生活简直难以想象。人们在利用其为人类服务的同时，也在尽可能的减少其所带来的损害。例如人们在设计自行车时合理的给前轴、中轴、后轴加上滚珠，或者给自行车加润滑油来减小摩擦，保证链条正常运转，以免带来不必要的麻烦。在机械的运行过程中，工人师傅会在转带和机械滑轮之间、机械的各个零部件之间抹上润滑油来尽可能减少磨损，同时也有着冷却的作用，将机械的发热程度降到最低，维持机械的正常运行，这样也可以延长机械的使用寿命。摩擦力在人们的生活中起着举足轻重的作用。而如何增大或减小摩擦力使其更好地服务于人类呢这就需要运用相关的物理知识。若想增大摩擦，则需增大压力和加大接触面的粗糙程度；而减小摩擦则需要减小正压力、减小接触面的粗糙程度、用滚动代替滑动，使接触面分开等。只有了解这些相关的物理南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）4知识，才能在日常生活工作中更好的利用摩擦力为人们服务。12摩擦磨损试验机的功能与特点开展摩擦磨损试验是为了知晓摩擦磨损现象和它的本质，正确评估影响摩擦磨损性能的各类客观因素，从而抉择出符合要求的摩擦副元件最优参数。摩擦磨损试验可以用来测量摩擦、磨损性能，评定不同介质润滑油的作用3。由于摩擦磨损实验环境的多样化，对摩擦磨损试验机的要求也逐步提高。摩擦磨损试验数据受诸多因素的制约，往往难以进行权衡比较，不过随着人们的不断研究，很快就有人提出通过建立标准化的摩擦磨损试验来规范摩擦磨损试验的方法。最近几年，越来越多的国家开始实现摩擦磨损试验方法的规范化和标准化。机械零部件摩擦磨损性能是影响实验结果的关键因素，为了获得准确的试验结论，必须严格规范试验的过程，控制试验的环境。当前摩擦磨损试验机采用的试验方法可以概括为两类1实验室试件试验2模拟性台架试验世界上第一台磨擦磨损试验机于1910年问世，由此摩擦磨损试验机拉开了序幕。而在1975年，美国润华工程学会ALSE在其编写的摩擦磨损装置一书中就已经公布了上百种不同类型的摩擦磨损试验机。由此可见，摩擦磨损试验机和试验方法在短短的几十年里迅猛发展，不过生产成本较高依旧是困扰人们的一个重要问题。早在80年代初期，就有人开始高温磨损试验机的研究，这些人一共研发了三台高温磨擦磨损试验机，并且利用该试验机研究了纯铝和纯铜在400的固定室温范围内，在空气中的摩擦磨损的性能。到了80年代末期，德国FISCHERA等人在归纳总结以往人们对试验机研究的基础上，发明了一台可以操控温度变化的试验机高温三体磨损试验机。它可以控制气温变化，并且严格保证了温度、磨料、载荷等因素的固定。但是它仍然存在一些问题,如容易发生粘着磨损、缺乏冷却系统、设备精度低等。90年代，西安交通大学的邢建东教授等人研制的高温磨损试验机在电阻炉内的磨损室内置一水平端放的砂轮，砂轮上装有些许松散磨料。在试样夹上，同样材料的三种试品在受到载荷的情况下则会作用于表面铺有松散磨料的砂轮南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）5上，试样和砂轮以及松散磨料之间的相对运动会产生两体和三体混合磨料磨损。该款摩擦磨损实验机可以进行有效的控制温度，并且一次三个试样则可以减少重复试验的次数。不过它并不是完美的，一个是试样总是在同一个相同轨迹上反复磨损，磨损屑料会掉入砂轮的间隙中，致使砂轮研磨能力逐渐下降；二是气温不容易控制；三是这种混合磨损与实际的工矿相差较远。我国西安交大的几位教授在原有的高温氧化磨损试验机的基础上，研制出一种高温氧化三体磨损试验机。该试验机机主要的优点为一是摩擦学系统设计合理；二是温度可控；三是关键零部件处设有冷却系统。主要不足之处是一是密封还存在一些问题；二是虽然有冷却系统不够完善；三是不能定量测定气温的成分。北方交通大学的李霞教授研究制造了高速摩擦磨损试验机。它最大滑动速度可达70M/S，可以测量高速状态下的摩擦学参数；可以模拟高速列车制动；可以实现多个测试数掘的显示和同步纪录。另外，我国的宋宝玉教授等人一同研究制造出一款真空摩擦磨损试验机，该试验机可提供410PA的压力环境，可以在02800R/MIN的范围内调节速度，并且可以进行自动数据采集和处理。此外，该试验机机可以在等多种条件下测量材料的磨擦性能，诸如真空、不同气体环境、加热及冷却等。现在，越来越多的摩擦磨损试验机开始运用在工业生产中，以期评定润滑油的极压特性、抗磨损性能以及计算摩擦系数。在一定的接触压力下，摩擦磨损试验机可以通过模拟滑动、滚动或者两者的复合运动，来完成点、线、面的摩擦模拟试验。由此可以用来评定润滑剂（润滑油、润滑脂）、塑料、涂层、陶瓷等材料的摩擦磨损性能。并且实验人员可以按照不同的工况或者实验要求来选择不同的机型继续进行摩擦模拟实验。13摩擦磨损试验机的发展趋势摩擦磨损试验机依据摩擦的运动方式、摩擦副、载荷范围等不同的分类方式，据统计目前最少有两百多种分类方式。美国的润滑工程师协会把摩擦磨损试验机分为12类基于摩擦副的几何形状，前苏联学者克拉盖尔斯基基于模拟摩擦面的破坏形式的分类方法，把摩擦磨损试验机分为8类。而在我国，合肥工业大学的教授桂长林等提出了把摩擦磨损试验机根据试验机的内部结构和运动副的相对运动形分为五类。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）6较早时候，摩擦磨损试验机是由纯粹的机械组成的结构。它为了测试被测材料以及润滑脂的性能,通过依靠电机来带动运动副的反复运动。但是这类摩擦磨损试验机还存在一些缺点，它不能进行较为复杂的加载，并且实验温度和电机扭矩参数变化幅度较大，很不稳定。因此在和实际情况进行比对参考时存在一定难度。而在90年代以后，随着摩擦磨损试验机的应用不断推广，试验机本身的结构趋于完美。不仅如此，还从国外引入进来一些测控系统来完善试验机。可是即使这样，这些试验机还是只能控制单一的参数，且仍需要通过人工来处理大量数据和运算结果，因此这些试验机在性能的检测方面以及自动化程度方面依旧存在着不足，而这些不足已经不再适应经济时代发展的需求。目前有很多摩擦磨损试验机开始利用虚拟仪器开发平台LABVIEW来进行开发。利用LABVIEW开发的多功能摩擦磨损试验机智能测控系统以工控机为核心，集数据采集、数据处理、波形显示和试验环境控制等功能为一体，实现了温度、速度、压力、力矩和摩擦系数的实时检测。利用LABVIEW内嵌的C语言子程序可以提高系统的数据处理能力，使其更为强大和灵活。随着社会的发展，现在的摩擦磨损试验机相较以前已经有了很大发展，不过还没有达到完美无缺的程度，在很多方面仍然有着发展的空间。比如在某些真空状态下、极限的超高温度下或者是超高转速的高强度工作负荷下，这些恶劣的环境都比较难模拟，所以很难进行摩擦磨损实验，不过也不是毫无建树，目前我们国家也研制出了一些专门针对特殊环境下的特种摩擦磨损试验机，不过这些试验机由于新近研发，仍有许多问题，无法形成经济价值。14国内外摩擦磨损试验机的典型在这里我们简单介绍几个国内外常用的摩擦磨损试验机的结构及工作原理。141四球摩擦磨损试验机四球摩擦磨损试验机由一个与之压紧的旋转球和三个固定球组成的运动副，该试验机可以研究在滑动情况下和转动情况下润滑油的润滑性能。被测润滑油的性能则是通过实验之后产生的磨损痕迹大小或者胶合时载荷的大小来评定。我国最早研制和生产四球摩擦试验机的厂家是济南试验机厂，它根据我国在石油和材料工业的需求，研发了一款四球摩擦试验机。不过该试验机的体积南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）7较为庞大、没有良好的稳定性。MRS10G杠杆式四球摩擦试验机是该公司最新研发的一款试验机，它的加载载荷最大可达到5000N，并且可以实现无级变速，室温在0100内试验油的温度可以进行调节，该试验机在我国石油化工行业算是较为先进的检测设备，有较高程度的自动化、能够进行较为精密的测量。大多数国家使用的FALEX四球摩擦试验机是由美国一家名为FALEX的公司研制的，它的加载系统较其他试验机比较精密，此款试验机分为两种可变驱动四球试验机和标准四球试验机。此外，此款实验机最多可以将室温自动加热至232左右。现在很多国家已经把四球试验机定为标准试验机。图13四球摩擦试验机摩擦学系统构成142端面摩擦磨损试验机模拟和检测面接触的运动副可以通过端面摩擦磨损试验机来进行，端面摩擦磨损试验机为了实现试样间的相对转动，通过旋转运动装置带动上试样，用加载盘来保持上、下试样间的压力，如果需要获得在相应工况下摩擦副之间的摩擦系数，可以将通过试验测得到的正压力、摩擦扭矩、端面摩擦副外径和内径代入公式进行计算求得摩擦系数。济南一家试验机厂研究制造的MMU2型高速端面摩擦试验机，有着灵活的控制方式、极广的调速范围、高程度的自动化等优点，因此被很多国内的科研院校列为首选对象。而国外只有缺少专门的端面摩擦磨损试验机，因此进行端面摩擦磨损试验大多数都使用多功能的摩擦磨损试验机来替代。旋转球锥形体固定球轴南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）81试样一2试样二3支架图14端面摩擦磨损试验机摩擦学系统构成143往复式摩擦磨损试验机往复式摩擦磨损试验机分为几类，主要是运用于往复运动的零件材料的实验研究。WMJ1500型试验机是一款国产的高速往复试验机。该试验机的在连杆带动下作往复运动，具备微机控制和全平衡式等特点。日本的一款往复摩擦试验机通过齿轮齿条机构来进行往复运动，转速高，行程大4。主要用于试验各种平板类材料或者涂层表面的实验，另外还可以避免一些因操作者失误时而产生的误差，不过这需要操作者用摩擦磨损解析软件运算平均动摩擦来完成。1固定块2磨块3摩擦块4动力源图15往复式摩擦磨损试验机结构示意图144环块摩擦磨损试验机在测量线接触摩擦副方面，环块摩擦磨损试验机就是典型的测量机构。通过转动的标准圆环和受压紧的矩形块两个方面，组成了这个机构的摩擦副，在这个试验机里面，加载结构和横杆是要连接在一起的，这样才可以进行摩擦系数的测量。当矩形块受到载荷时，在矩形块的上方会出现高低不平的条形摩痕宽度，同样，摩擦副之间受到载荷会改变摩擦力和摩擦系数，通过这两个方面的测量，摩擦系数的改变就会一目了然，这也是判断润滑剂承受载荷的能力和判断摩擦副材料的摩擦磨损性能是否良好的一个检测方法5。最早的一款环块实验机叫做TIMKEN，通过加载机构、冷却润滑系统以及一台可以工作需求可调整的变速马达等一系列结构组成了这个试验机，主轴转速南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）9最高可达到3400转每分钟，并且可以承受500N的附加载荷。这个试验机是通过ASTM测试的标准试验机。图16环块摩擦磨损试验机图17TIMKEN试验机标准测试环145微动摩擦磨损试验机用于研究摩擦副接触面间产生的微小振幅，而在进行相对滑动时摩擦副材料或者润滑材料的摩擦学性能的是微动摩擦磨损试验机。该款试验机可以从获得微动位移幅度以及交变应力的动力源角度进行分类，一共分为电磁、机械以及电液伺服三种驱动方式。WWM1型微动摩擦试验机由济南某家厂家生产。该类试验机可以评定材料的微动磨损特性，拥有两种不同控制方式手动及自动。有着操作便捷，自动化程度高等优点。图18微动摩擦磨损试验机15摩擦磨损试验机在发展中存在的问题随着社会的发展，虽然现在的摩擦磨损试验机相较以前已经有了很大发展，载荷块润滑油试件南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）10不过还没有达到完美无缺的程度，在很多方面仍然有着发展的空间。比如在某些真空状态下、极限的超高温度下或者是超高转速的高强度工作负荷下，这些恶劣的环境都比较难模拟，所以很难进行摩擦磨损实验，不过也不是毫无建树，目前我们国家也研制出了一些专门针对特殊环境下的特种摩擦磨损试验机，不过这些试验机由于新近研发，仍有许多问题，无法形成经济价值。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）11第二章总体方案设计21摩擦磨损试验机的设计及要求大学四年，悄然逝去。这四年里，不仅是学习的过程，也是一段提高期，学到了很多，可毕竟只是书本上的理论知识，和实际的仍然有很大的差别，通过此次毕业设计，我可以更好的总结所学的理论知识并进行实践，从而锻炼自己，也是为以后的职业生涯积累经验。设计也是教育的一个重要组成部分，在这次毕业设计中，我需要灵活运用所学的知识体系，提高自己的分析能力，养成解决问题的认真态度和严谨的风格，在老师的指导下，更快更好的完成并且完善自己的摩擦磨损试验机。同时也要学习更快更好的查阅文献资料和所需文档，学会参考资料，收集和比较有价值的数据，尽可能吸收其他试验机的优点，在原有基础上进行创新，并且因为条件有限，所以设计的试验机需要结构简单，工作稳定可靠，制作费用低廉，具有更好的使用价值和良好的经济效益。在润滑油的摩擦磨损性能试验中，需要测定摩擦力、摩擦系数、摩擦力矩、磨损量及磨损率等具体参数。通常的试验方法有两种一种是按试验规范或者标准进行，如润滑剂承载能力测定法（如四球法）；一种是在相同的模拟工作条件下，进行对比试验。前一种方法试验规范、得到的数据较为可靠。但对实验条件要求高，而且标准设备价格昂贵；后一种方法试验在设计方面就比较灵活，试验的环境和设备的选择有一定的自主性，可以根据具体实验要求，模拟不同的工作条件，自己研制仪器设备6。因为考虑到成本等问题，所有选取第二种实验方法，要求设计出来的摩擦磨损试验机结构简单，工作可靠，制作费用低廉，能够测出材料副相对运动的摩擦力大小，从而计算出摩擦系数和摩擦力矩。22摩擦磨损试验机的结构及组成该试验机主要测试组件由油箱、动力系统、磨损测试组件及摩擦组成。其中，摩擦组件的两部分构成分别是加载组件以及测力组件，其结构原理如图21所示。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）12221加载组件加载组件是实现试验机加载的部分，由于摩擦力是在一定压力下产生的，所以加载组件是必不可少的。摩擦磨损试验机的重要参数之一是载荷，载荷在试验过程中需要保证一定的稳定性。试验机对于载荷的精度要求较高，国内试验机载荷数值的相对误差在正负001之间。在摩擦磨损试验机上减小加载系统的摩擦阻力可以满足载荷的精度要求。目前机械式、液压式和电磁式是摩擦磨损试验机常用的三种加载方式。其中，机械式加载又分为四种加载形式弹簧加载、杠杆加载和重物直接加载以及以上三种加载方式的组合形式7。其中，杠杆加载以及重物直接加载系统的结构都相较简单，加载精度高，但是在遇到摩擦副运动不稳定的情况下却会引发振动和冲击；弹簧加载产生的振动相对较小，但是，弹簧加载的精度不高，难以实现载荷的精确调整。动压加载和静压加载是液压式加载的两种形式，但液压加载很难维持载荷的稳定性。电磁加载相对来说容易实现负荷的自动控制，但它的弱点是控制部分的成本较高，并且在先有的摩擦磨损试验机上应用的较少。加载组件的基本要求1加载系统要可以稳定地施加压力并且为了保证试验过程的需要，应该便于操作和控制。便于操作包括可以较为简单地施加载荷并且保证施加载荷能够控制在一定范围内，卸载时同样应该方便。2加载组件的压力应该便于控制和测量，只有压力便于控制，才能保证试验测量的数据和结果的精确性和稳定性。因为考虑到设计的是较为简单的摩擦磨损试验机，对于精度要求不高，所以最终我选择了通过螺母拧紧，推动弹簧加载的方式，这样设计的优点是弹簧加载产生的振动比较小，而且结构简单，便于操作，成本经济实惠。缺点是加载的精度不高。在本次设计中，加载组件是由调节套、拧紧螺母、端板3部分组成。调节套套在螺母上，调节套上攻有外螺纹和端板中心孔的内螺纹组成螺旋副，进行力的传递。在使用该加载组件在试验机内部进行加载时，采用人工手动加载，力的大小未知。可以根据胡克定律来计算摩擦力的大小。设计参考如图1所示，用两根圆钢杆穿过固定块3，一端固定在滚动轴承5上，另一端焊接在端板上，端板上攻有内螺纹，使得拧紧螺母1可以拧进拧出。拧紧螺母1拧紧，由于螺旋副的作用，螺母同时在做直线运动，把力传给压缩弹簧2南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）13推动固定块3，固定块将磨块压紧在摩擦环块4上，两者就产生摩擦。通过测量压缩弹簧的压缩长度，根据胡克定律NKX，可以求出正压力N，其中K为弹性系数，X为压缩长度。222测力组件测力组件主要是通过观察刻度盘来直观的了解摩擦力的大小，它是由刻度盘、指示力臂和拉伸弹簧组成的。如图1所示，指示力臂固定连接在滚动轴承5上，由于摩擦力的影响，指示力臂发生转动，克服拉伸弹簧的弹力直至平衡8。23摩擦磨损试验机的工作原理该机构的受力简图如下图21受力简图如图21所示，主要有如下零件组成1拧紧螺母2端板3压缩弹簧4固定块5磨块6摩擦环块7导向杆8放油螺钉9轴承10拉伸弹簧11指示力臂12刻度盘13油箱14液位计这是油箱内部机构的一个受力简图。这里简单介绍一下试验机的工作原理及各零部件的作用1拧紧螺母是用来调节弹簧的压缩量，是加载组件的关键部件，产生正压力。2端板主要用来和拧紧螺母通过螺纹副连接，采用两边对称的形式，保证两边通孔相对称。两边通孔用来安装导向杆。3压缩弹簧受到正压力作用产生弹簧力推动固定块4固定块主要是固定磨块，受到弹簧力会推南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）14动磨块运动。固定块通过两边的导向杆导向，顺着导向杆做往复运动。5磨块用来和摩擦环块接触产生摩擦。6摩擦环块逆时针转动与磨块接触产生向下的摩擦力。7导向杆一端固定在端板上，另一端与指示力臂一同固定在固定套上，可以绕着连接环块的轴转动。8放油螺钉，通过拧开放油螺钉实现放油。9选用深沟球轴承进行滚动，因为深沟球轴承主要受一个径向力，它在理论上不受轴向力的作用或者只受轻微轴向力作用。此外它还具有一定的调心作用。10拉伸弹簧与指示力臂连接，施加一个拉力保证受力平衡。11指示力臂固定在固定套上，当摩擦环块与磨块形成摩擦，产生向下的摩擦力时，指示力臂受摩擦力影响发生偏转。12刻度盘查看指示力臂偏转的角度。13油箱用来安装其他零部件和润滑油，油箱上端设有进油口和观察口，底部设有放油螺钉，可以根据实验需要自行加油和放油。14液位计用来观察油箱内油液高度，并且带有温度计可以测量油液温度。工作原理如图21所示，首先启动电动机，电动机通过联轴器与传动轴连接，从而带动传动轴开始转动，传动轴上安装一个摩擦环块并且通过键连接固定。摩擦环块绕传动轴做逆时针转动。我们通过拧紧螺母来压缩弹簧产生正压力，弹簧受到外力作用变形，从而产生弹簧力，弹簧力推动固定块沿着导向杆向前运动。磨块固定在固定块上，一起向前运动，与摩擦环块相接触，产生正压力，当摩擦环块逆时针转动时，产生一个向下的摩擦力。导向杆和指示力臂一同固定在固定套上，可以绕着传动轴中心转动，指示力臂与拉伸弹簧连接。当受到向下的摩擦力作用时，指示力臂向左偏转拉动拉伸弹簧伸长，直至摩擦力矩与拉伸弹簧对固定套产生的力矩达到平衡。这里正压力等于拧紧压缩弹簧产生的弹簧力，我们可以通过胡可定律FKX可以计算出压缩弹簧的弹簧力也就是正压力以及拉伸弹簧的拉力，在求得正压力和拉力的情况下通过力矩平衡公式又可以计算出摩擦力的大小，相应地再通过摩擦力计算公式FN以及摩擦力矩的计算公式TFR，还可以得到相应的摩擦系数及摩擦力矩。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）15第三章零部件设计31电机的选取动力系统是摩擦磨损试验机的重要组成部分之一，而摩擦磨损试验机的性能价格比在很大程度上要取决于驱动方法以及驱动装置的选择。根据驱动装置的不同,摩擦磨损试验机的驱动机构可以大致分为四大类液压驱动、气动驱动、电机驱动和机械驱动。而本次设计我们根据性能要求和经济实用等方面选用电动机来驱动摩擦磨损试验机，这样设计的试验机有着结构简单、机构紧凑、重量轻、工作稳定和控制方便等优点。因此，本次摩擦磨损试验机选取电机驱动的驱动方式进行设计。电动机是一种标准部件，可以进行批量生产，主要通过结构、类型、功率和转速来选择电动机。根据电源，工作条件和载荷特点来选择电动机类型和结构型式。电动机选用变频电机，可以实现调节变速，可以进行不同的转速对摩擦力影响的实验。电机主要承受的负载为摩擦环块产生的摩擦力，而传动轴上滚动轴承、固定套的摩擦力由于油脂润滑，可以忽略不计。电机的输出扭矩要大于磨块与摩擦环块之间的摩擦力产生的扭矩，这里根据需要选择了SEW的电机，型号为DFT80S的伺服电机，能够将电能转换为机械能，转速通过脉冲频率控制最高为1360R/MIN的电动机。图31电机32油箱设计油箱的设计尺寸为600300400MM，油箱的顶部部分采取封闭设计，这样是为了避免油液飞溅，同时可以起到固定拉伸弹簧和刻度板以及作为加力杠杆南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）16的支点的作用。在油箱的顶部设计有一个观察口，通过这个观察口我们可以随时观察油箱内部的摩擦磨损现象，而在油箱顶部左下角还设计有一个空气过滤器，是作为加油口存在的，主要是起到一个加油排放空气的作用。在油箱底部，有四个支架，支撑着油箱，另外在底部还有一个放油螺钉，通过球阀的拧开与拧紧控制，起到放油的作用。通过放油螺钉，可以进行对比实验，例如在相同的材料及转速下，不同介质的润滑油对于摩擦力的影响，也可以对比在相同的环境下，有无润滑油对于摩擦力的影响9。1油箱2刻度盘3观察板4进油口5放油口图32油箱33传动轴设计传动轴主要是用来连接电动机并且装配一些零部件，因为在传动轴中间需要固定摩擦环块并保证位置精度，所以设有一个小台阶并且通过键连接固定摩擦环块，而传动轴和变频电动机主要是通过联轴器连接，电动机通过电机支架南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）17固定在油箱上，传动轴两端需要安装滚动轴承。先将轴承座、滚动轴承和固定套组装在一起，滚动轴承这里选用的是深沟球轴承，因为它主要受一个径向力，理论上不受轴向力的作用或者只受轻微的轴向力作用，并且由于深沟球轴承还具有一定的调心作用，所以在传动轴受摩擦力影响发生一定倾斜的情况下仍可以正常工作。深沟球轴承采用过盈配合。在传动轴和轴承座之间还设计了一个旋转油封，而其所起到的作用是密封。传动轴时靠油箱左右两端的深沟球轴承支撑。将轴承座，滚动轴承，固定套，传动轴，摩擦环块以及定位套先组装在一起，从靠近电机的一侧的油箱通孔内装入，在传动轴的另一端，同样将轴承座、滚动轴承和固定套三者组装，安装在传动轴另一端，采用螺栓固定。油箱两端安装传动轴的孔采用一次性加工，这样可以更好的保证轴的定位精度，传动轴采用45号钢，进行调质处理。图33传动轴34模块与摩擦环块的选择本次设计采用的磨块是可拆卸的，标准磨块和摩擦环块都是选用材料为45钢，并且都进行调质和表面淬火处理。由于磨块是可拆卸的，所以可以通过更换不同材料的磨块进行摩擦实验，对比不同材料对于摩擦力和摩擦系数的影响。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）18第四章摩擦磨损试验机的参数计算41正压力计算拧紧压缩弹簧产生的弹簧力为F磨块和摩擦环块之间产生的正压力为NNF由胡克定律可得弹簧产生的力41LK这里是压缩弹簧的压缩长度，LK是弹簧常数,其中42NCDDGK348G材料的弹性模量材料是65MN时,G8000N/MM2D弹簧线径,MM81DD弹簧中径D14MMNC弹簧的有效圈数NC75圈故NCDDGK348M5042摩擦力计算421弹簧的拉伸长度计算已知拉伸弹簧的初始长度LO平衡重力后的弹簧长度为L1试验机在静止状态下的受力分析如图41所示南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）19图41受力图已知零件序号1、2、3、4、5的重量和其对应的相对位置可计算出上述5个零件的重心位置。通过力矩平衡方程可得43FLG1COS2COSR其中GMM543020660662802452GF为弹簧平衡重力时，弹簧的弹簧力和为力与力臂的夹角12由此可求得弹簧力的大小F由公式41LK01可得拉伸弹簧的伸长量L故拉伸弹簧的总长度01L南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）20422摩擦力与摆角关系图42摩擦力与摆角关系如图42所示,当摩擦环块转动时,可计算出弹簧的伸长量12COS180180222LRLLL摩擦环和磨块之间的摩擦力为F摩擦力的力臂为R60MM弹簧的拉力为T,弹簧力的力臂为2COSR根据力矩平衡原理可得2COSRTRF故R由根据胡可定律LKT2其中为拉伸弹簧的弹性常数2K拉伸弹簧和指针连接的交点到回转中心的距离为R250MM故可得南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）2144RRTF2COSRRLK2COS2当较小时01故式44可简化为45RRKF1802这两个式子表达了摩擦力和指示力臂转过角度的换算关系。当较小时,反应了摩擦力F和指针的摆角之间成线性关系。所以在实验时,当读20取到的数据小于20后,根据式45可以得出F的大小。而当20时,为提高数据精度，需根据式45计算10。本次设计中R60MMR250MM。43摩擦系数计算根据摩擦力的计算公式46NF可得故求得摩擦力后可计算出磨块和摩擦环块之间的摩擦系数。44转动轴的受力分析轴的弯曲应力轴的受力简图和弯矩图如图43所示由平衡方程得QAABNQAQB故QA2N故最大力矩为LQAM4南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）22根据弯曲应力计算公式WMM弯矩W抗弯截面系数许用弯曲应力60MPA估算传动轴直径D25MM，正压力N20N1804NL1532DMPA6所传动轴直径选用25MM图43传动轴受力45电机功率的选取根据电机功率与转速和扭矩的关系公式NPM9501可得P950其中M1为电机的扭矩,M1M，摩擦力矩MFR这里选用电机型号为DFT80S，P075KW，N1360R/MIN，M147NM南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）23第五章摩擦磨损试验机技术经济分析51技术经济分析的目的与意义技术经济学是一门研究技术与经济的相互结合，相互推动的学科。它通过技术比较、经济分析和效果评价，寻求技术与经济的最佳结合，确定技术先进与经济合理的最优经济状态。这门学科虽然跨越了技术科学和经济科学两个不同的领域，但它们相互之间也有着密切的联系，如果说一个国家经济快速发展的重要条件和手段是技术的进步，那么经济发展就是推动国家技术进步强有力的动力。技术经济的产生和西方的管理科学、工程经济以及苏联的技术经济分析的发展都有着密切的联系。二十世纪30年代以来，在西方发达国家先后产生了一些对工程项目和生产经营决策进行分析计算的方法。技术经济学研究的不仅仅是单纯的技术或者单纯的经济，而是两者结合的关系，即把技术与经济结合起来进行研究，从长远的角度来选择最佳技术方案。技术经济的关键就是利用成本核算和其他相关资料，来分析成本的水平与构成的变化情况。用系统的观点，系统的方法对各种技术经济问题进行研究。成本管理最重要的部分就成本分析，而成本分析就是分析企业成本计划的执行结构是否正确，企业通过专业的的技术经济分析来了解产品的前期投入是否有回报，研究该产品能否产生效益，为公司盈利。所以合理的成本分析可以客观地评价一家企业成本计划的执行结果是否正确，同时成本分析也会影响到成本的升降变动，为企业高层制定经营决策计划提供了重要的依据。作为一名合格的设计人员，不仅需要考虑这样进行设计是否可以节约成本，还要考虑这样的设计是否可以给公司盈利，带来足够的经济效益。52成本材料分析521非标准件表51是装配图设计中所有非标准件的统计。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）24表51非标准件统计序号名称材料数量净重（KG）1导向杆452022端板Q235A10663调节套Q235A1024磨块451025固定块Q235A1286固定套Q235A2227轴承座Q235A1348隔套Q235A10219摩擦环45109510轴45113511轴承座Q235A13212联轴器4510513电机支架焊接件19814指针SUS30410215弹簧座焊接件10616刻度盘SUS3041117油箱SUS30415045钢总净重G132KG，Q235A钢板总净重G224KG，不锈钢总净重G3502KG。目前45钢的价格2200元/吨，钢板价格2000元/吨，不锈钢价格18000元/吨。522标准件如表52所示，该表是所有标准件购买所需费用统计。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）25表52标准件主要件外购费用序号名称数量总价（元）1压缩弹簧1102轴承62122403轴承62042364O型圈118X3552505键A6X252106旋转密封20X34X71807电机DFT80S120008液位计YWZ761509球阀1/212510空气过滤器EF125112011拉伸弹簧11012电器控制控制总成15000标准件主要购买所需总费用为7411元。53课题技术经济成本计算依据531成本计算依据根据零件的总数量，再求出加工费用，就可以求得课题设计的总成本。依据计算公式零件成本材料费用加工工时费用材料费用材料的单价材料的毛坯重量毛坯的重量净重/材料的利用率材料的利用率45钢为0607，Q235A钢板为0607，不锈钢为0607，工时费主要件（油箱、轴承座、轴等）材料费8一般件材料费（45）1材料费的计算由计算公式可得45钢毛坯重量32/0655KGQ235A钢板24/06537KG不锈钢502/065773KG南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）262工时费的计算主要的零件主要的工时费用808640元一般的零件一般的工时费用3934517685元（1）热处理工时的费用热处理零件统计如表53所示表53热处理零件统计序号名称材料表面处理要求净重（KG）1导向杆45发蓝022端板Q235A发蓝0663调节套Q235A发蓝024磨块45调质025固定块Q235A发蓝286固定套Q235A发蓝227轴承座Q235A发蓝348隔套Q235A发蓝0219摩擦环45调质09510轴45调质13511轴承座Q235A发蓝3212联轴器45发蓝0513电机支架焊接件涂灰色油漆9814指针SUS304酸洗磷化0215弹簧座焊接件涂灰色油漆0616刻度盘SUS304酸洗磷化117油箱SUS304表面涂漆，涂灰色油漆50热处理的价格如下表54所示。表54目前热处理的价格序号名称单价（元/KG）1涂油漆152发蓝153调制154酸洗磷化1554课题技术经济成本计算课题总的成本材料费用（45钢Q235A钢板不锈钢SUS304）工时费用（一般零件主要零件）零件表面处理的费用外购件的费用南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）2714764816851167411882025元通过以上的技术经济成本分析，我们可以更好的选择零部件，由于零件的材料、热处理、加工工艺等因素的不同，所以要进行的成本计算也都不同，需要我们去正确选择合适的零件材料和适当的热处理方式来降低成本，提高试验机的性价比。衡量一家企业管理水平的高低，主要的标准就是合理的成本计算，它影响着企业的成本决策和经营决择，合理的成本分析不但可以节约资金，减少不必要的支出，还能为企业带来更高的经济效益。南京工程学院工业中心毕业设计说明书（论文）28第六章结论这次的摩擦磨损试验机选用的的零部件和材料都是较为常见，没有液压件，试验机内部加载组件结构紧凑，加载稳定。而测力组件需要的零件较少，摩擦力方面的测量简单直接，这样设计主要是减少了中间环节的误差，更好的保证了精度。试验机的设计成本较低，制作加工简单，操作可靠，且设计具有一定的灵活性。诸如通过更换不同的摩擦副、不同弹性系数的弹簧等用来进行不同的载荷范围及更多种类的摩擦形式的摩擦磨损实验。还可以通过放油螺钉进行相同条件下不同介质的润滑油对摩擦力影响以及在相同条件下有润滑油和没有润滑油对摩擦力的影响等对比实验。所以，个人认为这款摩擦磨损试验机的设计具有一定的使用性和启发性。毕业设计是对某门学科或者某门专业所学知识与能力的综合检测和运用，是每一个合格的大学生的必须经历的道路，也是一个极为重要的实践性教学环节。这次的毕业设计，我经过了几个月的努力，在指导老师和同学的帮助下才得以完成。从最开始查找各类有关本次课题内容的资料到确定总体的设计方案，试验机各零部件的选型，到最后的撰写毕业论文这一系列的行为不仅仅是一个整体的学习过程，而是理论结合实际，一个学习和进步的过程。在四年的大学生活学习中，我接触并且学习了大量的机械类知识，通过这次的毕业设计，让我能够在回顾总结以往所学知识的基础上，将书本上的理论知识运用到实际操作中去。我想这次毕业
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