一種銷—盤式摩擦試驗機的結構設計

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。本設計針對的是以滑動摩擦為工作方式的銷盤式試驗機，當中是用電機帶動摩擦盤旋轉，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構設計。

關鍵詞：試驗機 銷 盤 摩擦

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：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運動導致銷與盤表面的相對以實現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的過程，可以科學地以試驗的方式實現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。如何實現速度、載荷和溫度的可控，在確定試驗機設計方案時應予以關注。此外，試驗機進行結構設計時，材料的選擇以及最優方案的確定應多角度進行考慮。對于較高的載荷，應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定；同樣的，試驗過程中若溫度較高，則應對機構的材料做出特殊的調整?？梢娭乜紤]速度、載荷和溫度的影響對本設計至關重要，當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、測量參數和試驗時間等。

1 試驗機原理設計及方案比較

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地使電動機的產熱影響到實驗精度，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，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時的精度，又可以保證其整體性，對于例如三角形硬質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勢。電機控制連續加載系統準確，誤差較小。左邊T型導軌和橫梁是可以相對滑動的，使系統穩定性好，測量結果較精確，結構簡單，而且工作效率比較高，見圖2。

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

2 試驗機主要結構計算

首先根據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，該電機的主要參數為：重量1.7kg，長度65mm，軸徑23mm，轉速700r/min，功率3.5kW。接下來是帶輪的相關計算，包括有關系數的查找（見表1）。

通過計算出小帶輪與大帶輪的直徑與中心距，以及后面帶的根數的計算，最終確定帶輪的結構。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，調制處理。

摩擦盤的傳動設計完成之后，再設計摩擦銷的傳動機構，這里選用的是絲杠螺母副來帶動銷上下移動，同樣由相關要求確定好功率從而選擇電機，其型號為Y112M-6，主要參數為：額定功率p=2.2kW，轉速n=940r/min，效率為80.5，軸徑為28mm，轉矩T=2，重45kg，長度60mm。這里需要將電機與絲杠螺母副相連，根據電機與絲杠螺母副的軸徑選擇合適的聯軸器型號，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構，軸向力幾乎全部由深溝球軸承承受，根據前面設定的摩擦盤所受最大正壓力為200N，故設承受軸向力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查設計手冊可知：C=14000，Co=7800；F/Co=0.0256，查設計手冊可知其介于0.014～0.028，對應的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定的旋轉，另一帶動絲杠螺母的直線往復運動。采用精度較高的電機去實現摩擦銷的直線往復運動，因為運動加載的重要性直接會影響到最后對試驗結果的分析情況。

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

參考文獻

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