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1、 本科生毕业设计本科生毕业设计 论文论文 轴承径向载荷与摩擦力矩的实验研究轴承径向载荷与摩擦力矩的实验研究 学 院 机电与信息工程学院 专业班级 机械工程及自动化 2012 3 班 学号 1210430321 姓 名 杨云骐 指导教师 林福严 2016 年 6 月 China University of Mining friction torque radial load LabVIEW 目目 录录 1 1 绪论绪论 1010 1 1 课题背景 10 1 2 国内外研究现状 10 1 2 1 国外研究现状 10 1 2 2 国内研究现状 2 1 3 研究的内容及意义 13 1 3 1 研究的内
2、容 13 1 3 2 研究的意义 14 1 4 小结 15 2 2 轴承游隙与摩擦力矩轴承游隙与摩擦力矩 1616 2 1 轴承的结构 16 2 2 轴承游隙 17 2 3 轴承摩擦力矩 19 3 3 轴承径向载荷与应变轴承径向载荷与应变 2121 3 1 过盈配合的必要性 21 3 2 圆环应力与应变 21 3 2 1 单个圆环的应变关系 21 3 2 2 过盈配合的两圆环之间的应变关系 23 3 3 径向载荷施加装置 25 3 3 1 开口圆环理论分析 25 3 3 2 装置设计 26 4 4 实验仪器与软件应用实验仪器与软件应用 3131 4 1 实验仪器 31 4 1 1 拉力压传感器
3、 31 4 1 2 非接触式电涡流位移传感器 31 4 1 3 车床 CA6140A 型 32 4 2 软件介绍 32 4 2 1 LabVIEW 软件简介 32 4 2 2 LabVIEW 程序调零与标定 33 5 5 试验数据采集与分析试验数据采集与分析 3535 5 1 实验装置及方法 35 5 2 轴承游隙 36 5 2 1 理论分析 36 5 2 2 轴承游隙实验与分析 37 5 3 轴承摩擦力矩 39 5 4 分析与结论 42 参考文献参考文献 4444 致致 谢谢 4545 附录附录 1 1 径向加载装置图纸径向加载装置图纸 4646 中国矿业大学 北京 2016 届本科毕业设计
4、论文 1 1 绪论绪论 1 1课题背景课题背景 摩擦普遍存在于人类的日常生活和生产活动中 相互接触并作相对运动或有相对运动 趋势时的物体之间均会发生摩擦 实际上 摩擦从某种程度上说 存在于任何两个相接触 并有相对运动趋势的部件之间 而摩擦这个词 本身就意味着 两个或两个以上部件的阻 止相对运动趋势 摩擦在人们的日常生活中的作用分为两个方面 首先 它是生活中不可 或缺的重要因素 如人的行走 机车的牵引都要依靠摩擦才能实现相关的运动 机械工程 中广泛运用到带传动 制动器 离合器和摩擦焊等 都是利用摩擦来完成相关功能 其次 除了这些有益的作用外 摩擦也给人类生活带来诸多的消极影响 如摩擦使相当一部分
5、能 量不能转化成有用的功而被消耗掉 摩擦引起磨损 使劳动工具 机械零件受到损伤 在一个机器中 有些运动部件的摩擦是有害的 因为它降低了机械对能量的充分利用 由它引起的热能是一种浪费的能量 因为不能用它做任何事情 还有 它还需要更大的动 力来克服这种不断增大的摩擦 热能是有破坏性的 以此为了降低机械运动中的摩擦问题 轴承的产生与应用就变成了必然 轴承是用于支承轴并承受由轴传来的里的一种机械零 件 由于轴承在工作中各零件间存在相互运动和相互作用 如滚动体和内外滚道间存在滚 动 且在外载荷作用下相互接触 因此轴承中也存在着摩擦学问题 1 2国内外研究现状国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状国外研
6、究现状 摩擦学 Tribology 是国际摩擦学会主席约斯特 H P Jost 在 1966 年一份调查报 告中起用的新名词 其词根来源于希腊语 定义为研究相运动 相互作用表面的科学 技 术和有关实践 具体地讲涉及到摩擦 磨损 润滑三方面的问题 随着全球资源 能源 环境问题的日益严峻 美 英等国已开始重视摩擦学战略的研 讨 2003 年 美国 STLE 的 Technical Agenda 项目立项的目的就是要分析和确定可转化到 摩擦学领域的各种前沿工艺和技术领域 英国物理学会在 2004 年的一次会议上专门对摩 中国矿业大学 北京 2016 届本科毕业设计论文 擦学研究面临的挑战进行了研讨论
7、 2006 年在美国召开的摩擦学 Gorden 会议的主题就是 科学与技术进步的机遇 在摩擦学被单独作为一个学科开始得到重视开始 之后近二十年的研究在摩擦机理上 取得了不小的成果 加之好多问题上摩擦情况过于复杂 难以量化 近年来国外研究者大 都转向了其他方向 最为突出的应该算是生态环境摩擦学方向了 美国正在研究的自行乳化的生物润滑剂 以及金属切削液中的生物添加剂都是最新的前沿科技 其与德国合作的项目 金属切削 液环境 冷却系统 中悬浮于空气中的颗粒 微生物和内霉素的研究也是备受关注 同时 英国也在致力于研究符合新的欧洲生态标记技术标准的新的环境友好型添加剂 在 2015 年在美国召开的第三届世
8、界摩擦学大会上 研究前沿涉及到了生态环境摩擦学的两个热 点 一 超滑 涉及超低摩擦和近零摩擦的碳膜 银纳米膜和添加了的石墨以及吸附单 层膜 二 表面结构 除此之外 摩擦学在其他方面也有不小的发展 例如生物人体摩擦 学 磁存贮摩擦学 纳米摩擦学 地质摩擦学 考古摩擦学等等 此外 美国 NIST 的徐明炯在摩擦学前沿国际研讨会 2005 5 8 29 日本 神户 上 所做的 摩擦学研究的未来 这篇报告中指出摩擦学的主要挑战是 能够设计出可达到预 期寿命的自修复 自保护的摩擦学系统和具有特定概率寿命的不用维护的摩擦学系统 1 2 2 国内研究现状国内研究现状 由于多方面的原因 我国摩擦学的发展起步较
9、晚 虽然在 20 世纪 50 年代 为数不多 的学者进行过磨损和润滑研究 但是作为一门独立的学科从事摩擦学研究和教育工作是在 20 世纪 80 年代以后才逐步开展起来 1979 年中国机械工程学会摩擦学分会成立 经过多 年来各方面的共同努力 我国摩擦学学科也取得了突飞猛进的发展 流体润滑与滑动轴承研究 基于流体润滑理论的低副机构 面接触 摩擦副如滑动轴 承密封装置等的润滑设计是现代机械设计的重要问题 主要研究内容有 在计及热效应和 冷热变形影响的静态 承载量 流量 摩擦功耗 动态 动力学参数 刚度系数 阻尼 系数 性能计算 分析静 动态性能与结构参数 工况参数的相关性 另外以精密机床主 轴为应
10、用背景的静压轴承研究取得进展 提出了浅腔静动压复合轴承的设计 获得比常规 中国矿业大学 北京 2016 届本科毕业设计论文 结构优越的润滑性能 将静压轴承用于改造磨床主轴支撑以提高回转精度得到较大规模推 应用 弹流润滑及其应用研究 高副机构 点 线接触 摩擦副诸如齿轮蜗杆传动 滚动轴 承等的润滑设计的基础是弹性流体动力润滑 简称弹流润滑 理论 在此领域取得一系列 重大成就 针对工程实际影响因素 相继发展了考虑热效应的热弹流 考虑润滑剂非牛顿 特性的流变弹流 考虑变工况运行的非稳态弹流等理论 在此基础上 通过推导并求解普 适性最高的润滑方程组 从而建立了可同时考虑各实际因素综合影响的工程模型的弹
11、流润 滑理论 对于工程实际中长期关注的润滑膜失效问题 进行了一些有价值的基础研究 例 如 在粗糙峰微观弹流润滑研究的基础上 实现了真实粗糙表面接触的混合润滑求解 在 流变弹流润滑研究中 针对粘塑性流变模型 揭示出润滑膜滑移 屈服进而丧失承载能力 的机理 表明润滑油极限剪应力对润滑失效的重要作用 微观摩擦学研究 以超精密机械和微机电系统 MEMS 为应用目标的微观摩擦学研 究在我国起步较早 成绩显著 对于纳米量级膜厚为特征的薄膜润滑研究作出开创性的重 要贡献 通过系统的试验研究 考察了表面效应对于薄膜润滑行为的相关性 提出纳米膜 含吸附膜 有序液体膜和粘性液体膜的物理模型 建立薄膜润滑向边界润滑
12、和弹流润滑状 态转化关系 研究了介于纳米间隙中约束流体的流变特性 包括壁面效应 固化和相变等 采用多种微流体模型对薄膜润滑性能进行了探索性的数值分析 为建立考虑润滑膜内部微 结构的润滑理论提供依据 应用薄膜润滑概念初步研制成功自密封自润滑滑动轴承 在不 补充润滑剂条件下实现高速运行 金属材料磨损研究 关于金属材料的磨损研究 我国在磨粒磨损 微动磨损和腐蚀磨 损等领域取得重要成果 我国学者对微动磨损的机理与防护作了系统的贡献 包括 提出 表征微动过程的微动图 将微动区域划分为滑移区 部分滑移区和混合区 揭示出微动损 伤机理中裂纹萌生和扩展方式 微动磨损与微动疲劳的关系 考察了材料表面强化和润滑
13、对微动损伤的防护等 应用这些理论对高空电缆和斜拉桥钢索的微动损伤失效分析和防护 都取得显著效果 非金属材料摩擦学研究 除了陶瓷材料 金属塑料复合弹性材料水轮机轴瓦等研究以 中国矿业大学 北京 2016 届本科毕业设计论文 外 我国非金属材料摩擦学研究的主要成果有橡胶磨损研究和水润滑非金属轴承的研发及 其产业化 橡胶作为特殊的摩擦学材料在车辆 石油工业中获得广泛应用 然而 迄今有 关橡胶摩擦学研究报告尚不多见 我国学者针对橡胶磨损中的磨粒磨损和侵蚀磨损进行了 系统的研究 分别考察了干磨粒 油性磨粒和湿磨粒三种磨粒磨损形成特征 研究橡胶侵 蚀磨损机理 提出磨粒侵蚀磨损模型 并对天然橡胶 丁晴橡胶
14、氟橡胶和聚氨酷等磨粒 侵蚀中的表面力化学效应进行了分析 除此之外 在表面工程及其应用研究 润滑材料研究 铁谱技术与磨损状态监测研究 上我国都取得了不错的进展 1 3研究的内容及意义研究的内容及意义 1 3 1 研究的内容研究的内容 轴承是在机械传动过程中起固定和减小摩擦载荷系数的部件 因此 在机械工程中 当其它机件在轴上彼此产生相对运动时 轴承就用来降低动力传动过程中的摩擦系数以及 保持轴中心位置 可以说 在机械传动中 轴承起到了不可或缺的作用 轴承在传动过程中 虽然降低了摩擦系数 并把某些机械零件的摩擦转化为自身的内 摩擦 但作为一个机械零件 本身也存在摩擦磨损的问题 减少其它机件的摩擦系数
15、的同 时 轴承内圈 外圈 滚动体之间都是存在摩擦磨损问题的 甚至在轴承安装运作时一些 细小的变动都会改变轴承自身的摩擦情况 为了使充分发挥轴承的作用和性能 轴与内圈 的配合以及轴承座与外圈的配合以及轴承座与外圈的配合必须恰当如果运行时配合部位 存在间隙 可能会导致轴与内圈之间 或外圈与轴承座之间 的错位 一定发生蠕变 很 难制止 这样将会导致一个配合面的明显磨损 并对轴承 轴和轴承座造成损坏 因此轴 承与轴承座的配合一般选择较紧的配合 但是过紧的配合是不利的 这时可能因内圈的弹 性膨胀和外圈的收缩而使轴承内部的游隙减小 甚至完全消失 也有可能由于配合的轴和 轴承座孔表面的不规则形状或不均匀的刚
16、性而导致轴承内外圈不规则的变形 影响轴承正 常工作 此时滚动体也会在内圈 外圈不均匀变形挤压下变形 轴承外圈与滚动体间 轴 承内圈与滚动体间 甚至在滚动体和保持架间 滚动摩擦力和滑动摩擦力都会变化 因此 中国矿业大学 北京 2016 届本科毕业设计论文 轴承自身的摩擦力矩必然会发生变化 那么轴承摩擦力矩如何变化就可以成为选择轴承与 轴承座配合状况的重要参考因素 1 3 2 研究的意义研究的意义 当前对机械工业产品性能要求的特点是 高效率 自动化 高速 大负载 高精度 可靠性高 节能 机械产品中有大量的摩擦副 摩擦学对机械产品的精度保持性 寿命 可靠性 工作精度 节能和维修工作量关系很大 尤其是近代计算机辅助工程 CAE 的 发展 对机械可靠性要求甚高 因此摩擦学有着举足轻重的的作用 除此之外 英国乔斯 特 Jost 在 1965 年发表了一个调查报告 用数据说明了英国在重视摩擦学研究工作后得 到的巨大节约潜力 表表1 11 1摩擦学节约项目摩擦学节约项目 节约项目节约项目 节约数节约数 注注 维修和更换费用的节约 230 减少损坏的节约 115 通过降低磨损而减少的能量消耗 28 通过
