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1、目 录摘 要ABSTRACT第一章 绪 论.41.1本课题研究的学术背景及理论与实际意义41.2高温高速摩擦磨损试验机国内外研究现状51.3发展趋势71.3.1济南试金集团产品71.3.2 美国CETR公司产品81.3.3 瑞士CSM公司产品91.4本设计的主要内容12第二章 销盘式高温高速摩擦磨损试验机的方案设计、分析与比较132.1试验机的整体分析132.2不同设计方案的制定132.2.1设计方案一132.2.2设计方案二142.2.3设计方案三152.2.4设计方案四162.3上述四种方案的分析比较162.4设计方案的确定182.5本章小结18第三章 摩擦磨损试验机结构设计的相关计算19
2、3.1试验机的主要性能指标的确定193.2试验机的主传动系统的相关计算193.2.1电机功率的计算193.2.2同步带传动的计算203.2.3主轴强度校核223.2.4主轴上键的强度校核233.2.5横梁的强度校核：233.2.6丝杠螺母副的相关计算233.2.7轴承的校核243.3本章小结25第四章 摩擦磨损试验机的结构设计264.1磨损试验机的整体结构264.2摩擦球及其夹持器的设计274.3摩擦盘夹持器的设计274.4横梁的设计304.5支架的设计314.5.1与横梁相连接的支架314.5.2与丝杠相连的支架324.5.3与底板相连的支架344.6本章小结34第五章 结 论35参考文献3
3、6致 谢37科技文翻译及原文.38第一章 绪 论1.1本课题研究的学术背景及理论与实际意义摩擦学是由多学科组成的综合研究领域，研究以机械学、表面科学与技术、摩擦学材料、摩擦化学为主，同时也涉及流体力学、固体力学、非线性动力学、工程热物理、流变学、应用数学、物理学、化学材料科学、信息理论等一系列学术领域。摩擦学研究的任务是从机械学、材料科学与表面科学的角度出发，不断吸取相关学科的知识和最新研究成果，在更深的层次上揭示摩擦与润滑的实质，探探索新原理、新功能，推动摩擦学设计和减磨抗磨损技术的发展，并努力在实际中应用，以达到节省能量、提高磨损寿命和机械工作性能、解决极端工况条件下的摩擦、磨损、润滑问题
4、的目的。摩擦学的研究包括对机械动力学系统、润滑系统的数学物理的模型的建立、求解、实验与过程仿真：摩擦、磨损、润滑状态转化失效分析、混合润滑热分析及胶合系统动力学模拟研究：表面形貌与表面物理、表面化学特性对摩擦学过程影响的研究：为探索摩擦起源、解决分子尺度下的危机电系统的表面力学、润滑等基础理论所进行的分子动力学、固体表面粘着接触的微观力学和碳纳米管操纵的研究：以解决纳米工程中的摩擦问题为目标的有序分子膜、超滑技术、纳米级不薄膜润滑性能数值计算：与摩擦学、表面力学性能相关的微材料力学、功能材料力学性能研究、金刚石膜、类金刚石膜、Fe-N系膜制备及其性能研究：针对磁头磁盘性能进行的纳米颗粒材料.亚
5、纳米级抛光、磁头表面改性研究：针对材料表面改性、表面强化而进行的准晶态合金涂层评定方法研究：电流变液应用基础、金属/陶瓷摩擦副缝纫摩擦系数主动控制研究：摩擦化学理论。原理。设计，以及金属磨损力化学修复原理与技术研究：大型机械运行过程建模、失效分析与故障诊断与基于油液分析的状态监测研究：新型润滑理论和润滑技术研究、新型摩擦学材料和润滑介质的分析与研制。摩擦磨损试验机是摩擦学领域不可或缺的研究手段和工具，岁随着摩擦学研究的扩展，各种形式和不同工况的摩擦试验机也应运而生近年来，随着我国航天、军工及铁路提速等重大项目的启动，对材料在高温高速等极限条件下的耐磨性能提出了更高的要求，高温（800）高速（摩
6、擦线速度为100m/s）摩擦磨损试验机就是应河南省耐磨材料国家重点实验室的要求，开发研制的研究材料在高温高速条件下耐磨性能所必须的模拟评定测试设备。早在2001年，该项目的立项就已经通过了由中科院兰化所薛群基院士、西北工业大学傅恒志院士、党鸿辛院士以及清华大学、上海交通大学、西南交通大学、武汉材料保护研究所等单位摩擦学学者组成的专家组的审核。 对于高温高速摩擦磨损试验机来说，最重要的指标就是温度和速度，经过技术查新咨询，目前在国内，清华大学研制过最高温度500，摩擦线速度3.8m/s的GWMJ-1型高温摩擦磨损试验机；北方交通大学曾自制过简易高速摩擦磨损试验机，技术指标为：常温，转速：4500
7、r/min；宣化试验机厂开发的MG-2000型高温高速摩擦磨损试验机，控制温度最高也能达到800，但主轴转速最高3200r/min。 而本机的设计指标为：温度1000，主轴转速3000r/min。经技术查新咨询，国际上尚无此类试验机的文献资料。 该项目的研制成功，为摩擦学界提供了一种前所未有的实验手段，是当今试验机领域首创的高温高速模拟评定测试设备，是集机、电、液、微机控制于一体的高新技术产品，不仅能更进一步推动摩擦学科的发展，把材料学、摩擦学的研究带到一个新的高度，而且能产生巨大的经济效益，目前，沈阳金属研究所、中国科学院兰州化学物理研究所、中国科学院武汉材料保护研究所等单位均对该机表现了浓
8、厚的兴趣，该机推广应用的前景非常广阔。1.2高温高速摩擦磨损试验机国内外研究现状摩擦磨损试验机有多种分类方式，例如载荷范围、摩擦运动方式、摩擦副等。据统计大概有200多种，可以按不同方法进行分类。最具有代表性的是前苏联按模拟摩擦面的破坏形式将摩擦磨损试验机分类。早期的摩擦磨损试验机是通过纯粹的机械搭建起来的机器。它通过电机带动摩擦副往复运动来评定被测材料和油脂的特性。被测材料或油脂经过试验机的磨损后需要人为的取出然后做进一步的称重，表面纹理的观测等，再经过手动计算测出材料的特性。这种实验机仅仅能进行简单的静力加载，而且实验温度和电机扭矩等参量都没有一个准确的标准，很难与实际情况相适应。因为多少
9、材料在实际应用中的磨损所受的压力都为变力，如图1-1为往复式摩擦磨损试验机。 1变频电机；2曲柄盘；3连杆；4滑座；5试件；6磨头测温计；7配重砝码；8摩擦力传感器；9磨头；10支撑臂；11位移传感器；12支架；13加热装置；14计算机及电气控制系统；15转速计图1-1 往复式摩擦磨损试验机示意图进入上世纪90年代后，摩擦磨损试验机的构造逐渐完善，并且开始引入初级的测控系统。由于这些试验机在检测性能和自动化程度方面存在许多不足，有些试验机只能实现单参数控制，且大量数据处理和运算结果需要由人工来完成，已经不适应时代发展的要求。变频电机经曲柄滑块机构驱动托架往复运动，试件安装在托架上并随托架一起运
10、动，试件固定在活动基座上。工作载荷由砝码的重力产生，弹性支撑臂在摩擦力的作用下水平摆动，在小幅度情况下，位移与摩擦力成正比。支撑臂的另一端与位移传感器靠近，其垂直方向的位移量反映出试件磨损量的变化。工作时，托架导轨中必须加注润滑油。为使试验机的往复运动平稳、轻快，并具有较长的使用寿命，采用了精密直线导轨。这种试验机的缺点是它的负载不是连续加载的，而是通过砝码的重量来实时加载，这样试验所获得的数据并不是连续的变化量，对试验结果有一定影响，据测算误差高达25%。虽然该机器模拟了真实的工作情况，但是其测控系统仍然存在很多问题。比如在温度的测量上，它所测得的温度并不是摩擦面的真实温度，他测得摩擦头温度
11、与实际有一定误差，而且在加热装置中并不是闭环的控制系统，使得温度的控制也有一定的误差。要想模拟实际工况，需在试验中能对传动的速度，冲击的力量、频率，润滑的条件等方面实现自动控制，同时需对试验中摩擦力、冲击力、温度、载荷、速度、磨损率等工作参数或摩擦学特性参数等能实时进行数据采集。近十年来随着工程实际对材料性能的准确性要求越来越高，随着现代自动化测试技术和虚拟仪器迅速发展，以及计算机技术在控制、测量和数据分析等方面的应用，因此摩擦磨损试验机的测控系统得到了飞速发展。目前应用的摩擦磨损试验机已经实现的闭环自动化控制，可以按照给定程序自动进行连续的压力加载，同时通过各种传感器与调理电路直接及CUP的
12、运算直接直观的给出材料的各种性能，更加智能化。例如电磁加载、液压加载等技术配合相应软件的使用可以实现对样品的恒力模式、线性增量模式等任意动态模式加载。动态加载技术的应用不但可以实现对复杂工况更真实的模拟，而且可以消除高速运转下传统机械加载带来的误差。目前有许多摩擦磨损试验机利用LabVIEW平台来进行开发。利用虚拟仪器开发平台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I abVIEW 内嵌的C语言子程序使系统具有灵活而又强大的数据处理能力。1.3 发展趋势虽然目
13、前摩擦磨损试验机发展已经得到了很大发展，但是在某些领域仍然有待提高。例如在航空航天机械内部的摩擦是真空状态极限温度下的高负荷工作，如何能够贴近于现实的模拟这类恶劣的工作环境进行摩擦磨损试验仍然是一个难题。虽然目前国内对此也有一些特种摩擦磨损试验机的问世，但这些目前还无法形成商用，而且处于摸索阶段,以下是国内外公司的一些关于高温高压摩擦磨损试验机的产品。1.3.1济南试金集团产品图 1-2是济南试金集团的一种产品的图片。图 1-2 屏显式材料端面高温摩擦磨损试验机MM-U5G该试验机主要用途：该系列试验机是以滑动摩擦形式，在室温或高温以及改变润滑状态（无油润滑或浸油润滑）、负荷、速度、摩擦配偶材
14、料、摩擦副表面粗糙度、硬度等参数的各种情况下，对环状试样施加较高的端面试验力进行试验。主要用于评定工程塑料、粉末冶金、合金轴承等材料在不同条件下的摩擦性能，可应用于选择摩擦副配对材料及材料抗磨损性能的研究。表 1-1是该公司试验机的主要技术规格及参数：表 1-1 济南试金集团试验机的主要规格和技术参数主要技术参数MM-U5GMM-U10G力范围15 kN10 kN验力精度1%1%主轴转速范围102000 r/min3002800 r/min主轴转速测量精度 10 r/min 10 r/min最大摩擦力300 N500 N摩擦力精度2%3%温度测控范围室温600 室温600 温度测控精度2 时间设定1 s9999 min试验机外形尺寸 （长宽高）12008701700试验机净重850 kg试验机在下列条件下正常工作：(1) 在室温10 35 的范围内；(2) 相对湿度不大于80%的环境中；(3) 周围无震动，无腐蚀性和无强电磁干扰的环境中；(4) 电源电压的波动范围不应超过额定电压的10%；频率的波动不应超过额定频率的2%；(5) 地面安装，水平度为0.2/1000 1.3.2 美国CETR公司产品图 1-3是美国CETR公司的
