一種銷—盤式摩擦試驗機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

胡曉旭++陳威

摘 要：摩擦磨損試驗機作為研究材料摩擦磨損性能的工具，根據(jù)摩擦副可分為球盤摩擦磨損試驗機、銷盤摩擦磨損試驗機、盤盤摩擦磨損試驗機、四球摩擦磨損試驗機等。本設(shè)計針對的是以滑動摩擦為工作方式的銷盤式試驗機，當(dāng)中是用電機帶動摩擦盤旋轉(zhuǎn)，中間選擇用帶輪連接；另外利用絲杠螺母的傳動來帶動摩擦銷的進給加載運動，通過銷頭相對于式樣盤的移動距離對絲桿螺母副進行了較為精確的計算，從而確定了絲杠螺母副的基本尺寸以及與其配套的聯(lián)軸器和電機的選擇，使得摩擦盤和摩擦銷進行摩擦；中間還設(shè)計了專用的式樣盤和式樣銷的夾持器、主軸的支架以及箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：試驗機 銷 盤 摩擦

中圖分類號：TH122 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0088-02

一般情況下將磨損分為五個基本類型：粘著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損、微動磨損。銷-盤式的摩擦磨損試驗機是以旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致銷與盤表面的相對以實現(xiàn)不同材料的摩擦磨損，可擬合刀具切削過程或軸承配副運轉(zhuǎn)的過程，可以科學(xué)地以試驗的方式實現(xiàn)多配副方式的摩擦磨損性能研究。

在摩擦試驗過程中，速度、載荷和溫度均對配副的摩擦磨損性能造成較為顯著的影響。如何實現(xiàn)速度、載荷和溫度的可控，在確定試驗機設(shè)計方案時應(yīng)予以關(guān)注。此外，試驗機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，材料的選擇以及最優(yōu)方案的確定應(yīng)多角度進行考慮。對于較高的載荷，應(yīng)考慮選用液壓加載比較合理，而對于較低加載，則選用砝碼加載就能滿足要求；如果是高速的摩擦運動，就會選用帶式傳動使試驗過程更加穩(wěn)定；同樣的，試驗過程中若溫度較高，則應(yīng)對機構(gòu)的材料做出特殊的調(diào)整?？梢娭乜紤]速度、載荷和溫度的影響對本設(shè)計至關(guān)重要，當(dāng)然這只是三個比較重要的影響因素，另外還有許多因素會影響到試驗過程，例如運動形式、測量參數(shù)和試驗時間等。

1 試驗機原理設(shè)計及方案比較

方案一采用齒輪，可以保證傳動比，制造安裝精度要求不是很嚴格，并且可以防止過載時對電機的損壞。但是齒輪傳動噪聲大，震動劇烈，況且由于齒輪的金屬質(zhì)地使電動機的產(chǎn)熱影響到實驗精度，見圖1。

方案二電機通過V帶傳動，可以緩和載荷沖擊而且運行平穩(wěn)，無噪聲，制造安裝精度要求不是很嚴格，并且可以防止過載時對電機的損壞。主軸和電機之間的熱影響很小。專用的摩擦盤夾持器保證了摩擦盤旋轉(zhuǎn)時的精度，又可以保證其整體性，對于例如三角形硬質(zhì)合金可專位車刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等的試件的夾持又有很大的優(yōu)勢。電機控制連續(xù)加載系統(tǒng)準(zhǔn)確，誤差較小。左邊T型導(dǎo)軌和橫梁是可以相對滑動的，使系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測量結(jié)果較精確，結(jié)構(gòu)簡單，而且工作效率比較高，見圖2。

針對以上兩種設(shè)計方案的優(yōu)缺點的分析比較，可以得出結(jié)論：方案三是這三種設(shè)計方案中比較合理的一種方案，該方案既可以滿足設(shè)計精度的要求，又具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單等特點。

2 試驗機主要結(jié)構(gòu)計算

首先根據(jù)摩擦盤出的摩擦力與相對摩擦速度計算出所需的功率，然后選擇出電機的型號為進電機86BH2A65-408，該電機的主要參數(shù)為：重量1.7kg，長度65mm，軸徑23mm，轉(zhuǎn)速700r/min，功率3.5kW。接下來是帶輪的相關(guān)計算，包括有關(guān)系數(shù)的查找（見表1）。

通過計算出小帶輪與大帶輪的直徑與中心距，以及后面帶的根數(shù)的計算，最終確定帶輪的結(jié)構(gòu)。與帶相連的是主軸，最小軸徑一段由于要與帶輪配合，故確定其長度為46mm，軸徑定為20mm，然后根據(jù)后面的軸承與摩擦盤的配合一次確定各段軸的長度和軸徑，包括確定軸的材料定為40Cr，調(diào)制處理。

摩擦盤的傳動設(shè)計完成之后，再設(shè)計摩擦銷的傳動機構(gòu)，這里選用的是絲杠螺母副來帶動銷上下移動，同樣由相關(guān)要求確定好功率從而選擇電機，其型號為Y112M-6，主要參數(shù)為：額定功率p=2.2kW，轉(zhuǎn)速n=940r/min，效率為80.5，軸徑為28mm，轉(zhuǎn)矩T=2，重45kg，長度60mm。這里需要將電機與絲杠螺母副相連，根據(jù)電機與絲杠螺母副的軸徑選擇合適的聯(lián)軸器型號，型號定為YL4（GB/T5843-1986），詳細尺寸信息為YL4（GB/T5843-1986）。另外還有軸承的校核，下面是校核過程：由于主軸處兩軸承采用的是雙固定結(jié)構(gòu)，軸向力幾乎全部由深溝球軸承承受，根據(jù)前面設(shè)定的摩擦盤所受最大正壓力為200N，故設(shè)承受軸向力Fa=200N；而徑向力主要來源于帶傳動過程中造成的輕微振動，受力很小，定最大為Fr=20N，所以主要是由深溝球軸承承受載荷，此處只需校核6205深溝球軸承。

由型號6205查設(shè)計手冊可知：C=14000，Co=7800；F/Co=0.0256，查設(shè)計手冊可知其介于0.014～0.028，對應(yīng)的e介于0.19～0.22。

因Fa/Fr的值遠大于e，故X=0.56，Y介于2.30～1.99，由線性插值可得：

（1）

載荷有輕微振動，查設(shè)計手冊取fp=1.2，則：

P=fp（XFr+YFa）=1.2（0.56×20+2.172×200）=534.7N （2）

然后驗算軸承壽命：

已知n1=700r/min，P=534.7N，C=14000，可得：

>15000 （3）

故，所選軸承可滿足壽命要求。

3 結(jié)語

通過前期大量的查找資料，試驗機選用兩個電機：一用于帶動摩擦盤穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，另一帶動絲杠螺母的直線往復(fù)運動。采用精度較高的電機去實現(xiàn)摩擦銷的直線往復(fù)運動，因為運動加載的重要性直接會影響到最后對試驗結(jié)果的分析情況。

總的來說，在保證相對高的精度的同時也使得整個機構(gòu)設(shè)計較為簡單，便于裝卸和保養(yǎng)，里面的關(guān)于摩擦核心部分的設(shè)計都比較靈活，它可以實現(xiàn)不同摩擦副之間的摩擦研究，互換性能較優(yōu)。里面的機構(gòu)設(shè)計計算、重要零件的校核，包括主軸、軸承等，都體現(xiàn)了設(shè)計的嚴謹性以及保證它的正常穩(wěn)定工作的基本性能。

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