0052-一臺(tái)陶瓷單色自動(dòng)畫(huà)線機(jī)【全套21張CAD圖】
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摘 要
本次設(shè)計(jì)的任務(wù)的是設(shè)計(jì)一臺(tái)陶瓷單色自動(dòng)畫(huà)線機(jī)。其主要功能是在一個(gè)陶瓷器件上畫(huà)出一條粗細(xì)均勻的線。這個(gè)工作代替了手工畫(huà)線，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
本文主要討論了設(shè)計(jì)的必要性。通過(guò)系統(tǒng)的功能分解、功能合成、方案設(shè)計(jì)等方面的分析，提出了新的設(shè)計(jì)方案，這一點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品的成敗起決定性作用。本文還包括了進(jìn)行設(shè)計(jì)所需的一些必要計(jì)算，且安排一些與設(shè)計(jì)有關(guān)的重要數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)程序等。另外，本文還包括對(duì)一些典型零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)工藝性分析，闡明如何操作的說(shuō)明書(shū)、設(shè)計(jì)總結(jié)等等。
在本次設(shè)計(jì)中，我認(rèn)真完成老師安排的任務(wù)，并且根據(jù)自己設(shè)計(jì)的特點(diǎn)做了些ADAMS仿真的工作。由于時(shí)間有限且經(jīng)驗(yàn)尚淺，設(shè)計(jì)中還有很多的不足，懇請(qǐng)老師批評(píng)指正。
Abstract
目錄
前 言
陶瓷是無(wú)機(jī)材料之母，從家庭至宇宙對(duì)陶瓷的渴求量愈來(lái)愈大，其許多優(yōu)越、潛在特性不斷被發(fā)現(xiàn)，近20年來(lái)各國(guó)非常重視陶瓷的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，各國(guó)將先后進(jìn)入陶瓷世界。
陶瓷一般指陶器和瓷器的合稱(chēng)，“陶”為燒成之意，“瓷”是指硬而之謎的器物。陶瓷是我國(guó)歷史悠久的古老文化之一，也是文明的象征。我國(guó)陶瓷的出現(xiàn)可上溯到距今一萬(wàn)年左右，距今3000年前的殷周時(shí)代，有了以高嶺土為原料的白陶，已懂得用釉的方法。原始瓷器是以鐵為著色劑的青釉器，是青瓷的前身。晉朝出現(xiàn)“瓷”字，說(shuō)明當(dāng)時(shí)人們已認(rèn)識(shí)到陶和瓷的區(qū)別。
畫(huà)線機(jī)是用滾輪等再日用陶瓷、玻璃制品的圓形或橢圓形器皿上，畫(huà)一條或多條彩色、彩帶的機(jī)械。這種機(jī)器的出現(xiàn)，大大減輕了工人手工勞動(dòng)量，提高了生產(chǎn)率，而且在一定程度上也提高了產(chǎn)品質(zhì)量?？梢哉f(shuō)，陶瓷畫(huà)線機(jī)的出現(xiàn)將陶瓷產(chǎn)業(yè)在工業(yè)化進(jìn)程上又推進(jìn)了一大步?？梢苑譃閱紊珯C(jī)畫(huà)線機(jī)和多色畫(huà)線機(jī)。本次設(shè)計(jì)主要是研究設(shè)計(jì)單色畫(huà)線機(jī)，即單線畫(huà)線機(jī)。
在本次設(shè)計(jì)中，陶瓷器件是通過(guò)吸氣式吸盤(pán)固定工位的，并于主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)。這種吸氣式吸盤(pán)實(shí)屬工業(yè)機(jī)械手的范疇。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)中一種比較新的技術(shù)裝備。它是一種模仿人體上肢的部分功能安裝預(yù)定要求輸出工件或者握持工件進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。這種新穎工具的出現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化起重要作用，因而有著強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。
第一章 總體方案
陶瓷是無(wú)機(jī)材料之母，從家庭至宇宙對(duì)陶瓷的渴求量愈來(lái)愈大，其許多優(yōu)越、潛在特性不斷被發(fā)現(xiàn)，近20年來(lái)各國(guó)非常重視陶瓷的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，各國(guó)將先后進(jìn)入陶瓷世界。
陶瓷一般指陶器和瓷器的合稱(chēng)，“陶”為燒成之意，“瓷”是指硬而之謎的器物。陶瓷是我國(guó)歷史悠久的古老文化之一，也是文明的象征。我國(guó)陶瓷的出現(xiàn)可上溯到距今一萬(wàn)年左右，距今3000年前的殷周時(shí)代，有了以高嶺土為原料的白陶，已懂得用釉的方法。原始瓷器是以鐵為著色劑的青釉器，是青瓷的前身。晉朝出現(xiàn)“瓷”字，說(shuō)明當(dāng)時(shí)人們已認(rèn)識(shí)到陶和瓷的區(qū)別。
畫(huà)線機(jī)是用滾輪等再日用陶瓷、玻璃制品的圓形或橢圓形器皿上，畫(huà)一條或多條彩色、彩帶的機(jī)械。這種機(jī)器的出現(xiàn)，大大減輕了工人手工勞動(dòng)量，提高了生產(chǎn)率，而且在一定程度上也提高了產(chǎn)品質(zhì)量?？梢哉f(shuō)，陶瓷畫(huà)線機(jī)的出現(xiàn)將陶瓷產(chǎn)業(yè)在工業(yè)化進(jìn)程上又推進(jìn)了一大步?？梢苑譃閱紊珯C(jī)畫(huà)線機(jī)和多色畫(huà)線機(jī)。本次設(shè)計(jì)主要是研究設(shè)計(jì)單色畫(huà)線機(jī)，即單線畫(huà)線機(jī)。
在本次設(shè)計(jì)中，陶瓷器件是通過(guò)吸氣式吸盤(pán)固定工位的，并于主軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)。這種吸氣式吸盤(pán)實(shí)屬工業(yè)機(jī)械手的范疇。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)中一種比較新的技術(shù)裝備。它是一種模仿人體上肢的部分功能安裝預(yù)定要求輸出工件或者握持工件進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。這種新穎工具的出現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化起重要作用，因而有著強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化水平。
1.1產(chǎn)品的用途及使用范圍
單線自動(dòng)畫(huà)線機(jī)的用途是在陶瓷制品上畫(huà)出裝飾線條或圖案，以達(dá)到美化陶瓷質(zhì)樸那的目的。這種機(jī)械代替了手工畫(huà)線工作，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率以及精度，可以畫(huà)出粗細(xì)均勻的線條，克服了手工作業(yè)的缺點(diǎn)與不足，滿(mǎn)足了廣大消費(fèi)者的審美要求并提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。我國(guó)地域遼闊，該機(jī)不受地形氣候等外界因素影響和限制，并且易于維修，工作可靠，適用于相關(guān)陶瓷生產(chǎn)部門(mén)。
1.2單線自動(dòng)畫(huà)線機(jī)的功能設(shè)置及系統(tǒng)組成
單線自動(dòng)畫(huà)線機(jī)主要由主機(jī)架、工作臺(tái)、施彩器組件、真空泵、氣動(dòng)系統(tǒng)、電器部分組成.其主要功能包括：驅(qū)動(dòng)功能、畫(huà)線功能、自動(dòng)裝卸功能、輔助功能、測(cè)控功能、安全保護(hù)功能。功能分解如圖1：
圖1.1 單線畫(huà)線機(jī)功能分解圖
依據(jù)這些功能，系統(tǒng)組成為：動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)。各主要系統(tǒng)概述如下：
①動(dòng)力系統(tǒng)：為操作部件提供動(dòng)力，如機(jī)械手的仰俯、旋轉(zhuǎn)、單線機(jī)的移動(dòng)畫(huà)線。本設(shè)計(jì)中動(dòng)力裝置為電動(dòng)機(jī)和氣壓系統(tǒng)。
②傳動(dòng)系統(tǒng)：是將動(dòng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)或執(zhí)行構(gòu)件的中間裝置。主要有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。在本設(shè)計(jì)中，由電動(dòng)機(jī)到施釉輪之間的傳動(dòng)是通過(guò)帶傳動(dòng)來(lái)完成的。
③執(zhí)行機(jī)構(gòu)：能直接完成預(yù)期工作任務(wù)的機(jī)構(gòu)和部件，為完成對(duì)陶瓷制品的畫(huà)線功能所需的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部件主要是機(jī)械手、施釉輪及帶釉輪。
④測(cè)控系統(tǒng)：是控制畫(huà)線機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定程序和要求，以一定順序和規(guī)律運(yùn)動(dòng)完成畫(huà)線機(jī)，具體測(cè)控有機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度、升降角度、單線機(jī)的位移量、放氣時(shí)間等。
⑤輔助系統(tǒng)：為完成畫(huà)線功能，以上各功能還需要一些輔助系統(tǒng)支持，如支承、下料、送料等輔助系統(tǒng)。
1.3主要工作原理
通過(guò)帶傳動(dòng)的裝置，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給了施釉輪與帶釉輪，兩輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)主從摩擦輪接觸，帶動(dòng)陶瓷旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理的技術(shù)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)上述的畫(huà)線速度要求，施釉輪開(kāi)始在瓷器上畫(huà)線。在每個(gè)陶瓷畫(huà)線的開(kāi)始與結(jié)束，為了便于裝卸陶瓷，支承施釉頭組件的桿件必須能夠?qū)崿F(xiàn)擺動(dòng)，以使施釉頭組件準(zhǔn)確靠近、離開(kāi)瓷器。經(jīng)多方面的比較，我們最終選擇氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)。另外，在被加工定位的這一環(huán)節(jié)也有講究。由于陶瓷制品易碎這一特點(diǎn)，使得我們必須摒棄普通機(jī)床夾具而選擇其它的定位夾緊方法?；诒P(pán)狀陶瓷表面光潔的特點(diǎn)，我們想到了可以利用真空吸附夾緊方式定位，及手部為真空吸盤(pán)
經(jīng)各種常用系統(tǒng)的計(jì)算比較得出，當(dāng)施釉輪與被加工陶瓷盤(pán)間實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)，且滾動(dòng)畫(huà)線速度在0.4m/s時(shí),畫(huà)線效果最佳，故單線畫(huà)線機(jī)的一切設(shè)計(jì)要以此為宗旨。
1.4總體布局
為了保證準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)單線畫(huà)線機(jī)的畫(huà)線功能，在總體布局方面我們要注意以下幾點(diǎn)：
①. 機(jī)構(gòu)的布局應(yīng)合理，相互之間保證不干涉、不阻擋。
②. 總體布局應(yīng)使工人操作方便、節(jié)省空間。
③. 吸盤(pán)吸、放氣時(shí)要考慮工人操作時(shí)間地合理性。
④. 機(jī)器的電動(dòng)，氣動(dòng)部分都需外殼罩住，已加工與未加工的工件放置要整齊，物料配送線路要清晰、合理。
⑤. 本機(jī)分四部分安裝，各部分安裝好后再連接在一起構(gòu)成一個(gè)整體，這樣能夠提高效率，保證質(zhì)量且運(yùn)輸時(shí)也方便。
1.5關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)
對(duì)于單線自動(dòng)畫(huà)線機(jī)，最重要的是能夠畫(huà)出均勻清晰的線條，以滿(mǎn)足廣大消費(fèi)者的審美要求，因此對(duì)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度要求較高。畫(huà)線機(jī)的運(yùn)動(dòng) 精度和定位精度主要包括以下幾個(gè)方面：
①. 施彩頭組件擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)與機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)需協(xié)調(diào)一致，即與裝、卸料工作要配合。
②. 為了保證施釉輪與制品之間的接觸精度，單線機(jī)的前進(jìn)與后退要有較高的定位精度
③. 機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度是否精確，關(guān)系到安放工件時(shí)的中心線能否與吸盤(pán)中心重合。
由于這些精度將直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，建議采取開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。
1.6設(shè)計(jì)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化要求
考慮到標(biāo)準(zhǔn)化和互換性，建議滿(mǎn)足以下要求：
①. 電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、各連接件、緊固件等使用標(biāo)準(zhǔn)件和通用件
②. 真空吸盤(pán)機(jī)械手的設(shè)計(jì)在具體尺寸及運(yùn)動(dòng)形式上應(yīng)該貫徹國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：
GB/T 12643-90 工業(yè)機(jī)器人術(shù)語(yǔ)和圖形符號(hào)
GB/T 12644-90 工業(yè)機(jī)器人特性表示
GB/T 12645-90 工業(yè)機(jī)器人性能測(cè)試方法
GB/T 12649-90 工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范
1.7國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的對(duì)比
國(guó)外很多國(guó)家重視裝飾機(jī)械的研制與開(kāi)發(fā)，特別時(shí)在畫(huà)線機(jī)、印花機(jī)方面的發(fā)展時(shí)十分迅速的，與國(guó)外產(chǎn)品比起來(lái)，該產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低且柔性化程度不高；但在國(guó)內(nèi)，由于這一方面起步較晚，發(fā)展較慢，所以該產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的水平。
1.8與外部協(xié)調(diào)所需的約束條件
①. 能源動(dòng)力條件：采用電動(dòng)與其壓傳動(dòng)。
②. 安裝：本機(jī)分三個(gè)部分安裝，分別為主機(jī)部分、電機(jī)部分、真空吸盤(pán)機(jī)械手部分，再連接到一起構(gòu)成整體，這樣可以方便運(yùn)輸及安裝，且效率高。
③. 色彩條件：由于陶瓷制品是人們使用或珍藏的，建議使用較淡的顏色。
第二章 單線畫(huà)線機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，是機(jī)械設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)。正確、合理的機(jī)械系統(tǒng)的方案，對(duì)于提高機(jī)械的性能、質(zhì)量、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益等都是至關(guān)重要的。
單線畫(huà)線機(jī)
制成品M’
陶瓷器件M
指令S
信息顯示S’
能量E
輸出E’
圖2 單線畫(huà)線機(jī)黑箱圖
2.1執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
包括執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的形式設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)以及執(zhí)行系統(tǒng)的方案評(píng)價(jià)。
2.1.1 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
包括執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的形式設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)以及執(zhí)行系統(tǒng)的方案評(píng)價(jià)。
2.1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
包括選擇合理的傳動(dòng)裝置的類(lèi)型、確定傳動(dòng)路線的方案以及合理分配傳動(dòng)系統(tǒng)。
2.1.3 原動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇
包括原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型、轉(zhuǎn)速、以及原動(dòng)機(jī)容量的選擇。
2.1.4 操縱控制系統(tǒng)的選擇
包括機(jī)電控制系統(tǒng)、機(jī)液控制系統(tǒng)、電業(yè)控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及微機(jī)控制系統(tǒng)。
2.2由設(shè)定功能選擇恰當(dāng)?shù)牧悴考?
單線畫(huà)線機(jī)主要有施彩器傳動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電器系統(tǒng)四部分。其中零件要首先選擇標(biāo)準(zhǔn)件,若標(biāo)準(zhǔn)件中沒(méi)有合適的零件可自行進(jìn)行設(shè)計(jì)。在本機(jī)的設(shè)計(jì)中,我們需要設(shè)計(jì)選擇電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、減速器、阻尼裝置等。
表1 形態(tài)學(xué)矩陣
分功能
解 法
1
2
3
4
5
6
A動(dòng)力源
B位移傳動(dòng)
C位移
D取物傳動(dòng)
E取物
電動(dòng)機(jī)
齒輪傳動(dòng)
軌道及車(chē)輪
拉桿
挖斗
汽油機(jī)
蝸輪蝸桿
傳動(dòng)
輪胎
繩傳動(dòng)
抓斗
柴油機(jī)
帶傳動(dòng)
履帶
汽缸傳動(dòng)
鉗式斗
蒸氣透平
鏈傳動(dòng)
氣墊
液壓缸傳動(dòng)
機(jī)械手
液動(dòng)機(jī)
液力耦合器
氣動(dòng)馬達(dá)
2.2.1 氣動(dòng)系統(tǒng)的選擇
2.2.1.1特點(diǎn):
① 元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于制造,且不污染環(huán)境.可集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送,便于管理.
② 易于實(shí)現(xiàn)快速的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),擺動(dòng)的高速轉(zhuǎn)動(dòng).輸出力和運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)很方便,且能實(shí)現(xiàn)過(guò)載自動(dòng)保護(hù).
③ 工作環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng).
④ 由于壓縮空氣的工作壓力不高,一般在0.4-0.6MPa,故輸出力和力矩不高,且傳動(dòng)效率也較低,一般用于輸出力不大的傳動(dòng)裝置.采用擴(kuò)力機(jī)械或氣液增壓裝置,可提高輸出力.
⑤ 由于空氣有壓縮性,故運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性較差,較難實(shí)現(xiàn)精密控制.采用氣液聯(lián)動(dòng)方式,可提高運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性.
⑥ 由于氣信號(hào)的傳遞速度比電信號(hào)慢得多,故不宜用于遙控及復(fù)雜得控制系統(tǒng).
2.2.1.2組成
起源部分、執(zhí)行部分、控制部分、輔助部分.
2.2.2減速器的選擇
本機(jī)可選擇常用的阿基米德圓柱蝸桿減速器,這種減速器適用于蝸桿轉(zhuǎn)速不超過(guò)1500r/min,環(huán)境溫度為-40-+40°C的場(chǎng)合,可以正反兩向運(yùn)轉(zhuǎn).在選用減速器時(shí),首先根據(jù)工作要求確定傳動(dòng)比i,再按蝸輪軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩查蝸輪軸額定轉(zhuǎn)矩表,確定減速器的中心距.然后按機(jī)器布置,潤(rùn)滑等要求選擇減速器的裝配形式.必要時(shí)要進(jìn)行散熱計(jì)算.
2.2.3 電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)施機(jī)械系統(tǒng)中最常用的動(dòng)力機(jī),與其他動(dòng)力機(jī)相比,它具有較高的驅(qū)動(dòng)效率,且其種類(lèi)和型號(hào)較多,與工作機(jī)械連接方便,具有良好的調(diào)速、啟動(dòng)、制動(dòng)和反向控制性能.易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)控制,工作時(shí)無(wú)環(huán)境污染,可滿(mǎn)足大多數(shù)機(jī)械的工作要求.
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
開(kāi)題報(bào)告
學(xué)生姓名：邊旭
學(xué) 號(hào)：14020931
班 級(jí)：140209班
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化
指導(dǎo)教師：李風(fēng)
開(kāi) 題 報(bào) 告
1 課題介紹
1.1課題名稱(chēng)：
單線畫(huà)線機(jī)
1.2課題背景
畫(huà)線機(jī)是用滾輪等再日用陶瓷、玻璃制品的圓形或橢圓形器皿上，畫(huà)一條或多條彩色、彩帶的機(jī)械?？梢苑譃閱紊珯C(jī)畫(huà)線機(jī)和多色畫(huà)線機(jī)。本次設(shè)計(jì)主要是研究設(shè)計(jì)單色畫(huà)線機(jī)，即單線畫(huà)線機(jī)。
陶瓷是無(wú)機(jī)材料之母，從家庭至宇宙對(duì)陶瓷的渴求量愈來(lái)愈大，其許多優(yōu)越、潛在特性不斷被發(fā)現(xiàn)，近20年來(lái)各國(guó)非常重視陶瓷的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，各國(guó)將先后進(jìn)入陶瓷世界。
陶瓷一般指陶器和瓷器的合稱(chēng)，“陶”為燒成之意，“瓷”是指硬而之謎的器物。陶瓷是我國(guó)歷史悠久的古老文化之一，也是文明的象征。我國(guó)陶瓷的出現(xiàn)可上溯到距今一萬(wàn)年左右，距今3000年前的殷周時(shí)代，有了以高嶺土為原料的白陶，已懂得用釉的方法。原始瓷器是以鐵為著色劑的青釉器，是青瓷的前身。晉朝出現(xiàn)“瓷”字，說(shuō)明當(dāng)時(shí)人們已認(rèn)識(shí)到陶和瓷的區(qū)別。
陶瓷是一種與我們?nèi)粘Ｉ钜约霸诟鞣N工程項(xiàng)目能夠經(jīng)常接觸到的材料。隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在某些科學(xué)領(lǐng)域陶瓷已形成其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。例如，工程陶瓷，由工程陶瓷的制成的零件具有耐磨、耐熱、耐摩擦、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今世界高技術(shù)含量的產(chǎn)品。在國(guó)外已越來(lái)越多地應(yīng)用工程陶瓷取代金屬零件，使產(chǎn)品地壽命、穩(wěn)定性等大大提高。在如，低溫?zé)Y(jié)陶瓷（LTCC）大家一定還都記得在手機(jī)行業(yè)剛剛起步時(shí)的代表作——大哥大，它又笨又重，攜帶不方便，而現(xiàn)在的手機(jī)就越來(lái)越袖珍了，這里的關(guān)鍵就是LTCC技術(shù)的發(fā)展。;LTCC技術(shù)是把很多東西整合在一起，其全稱(chēng)為“低溫共燒陶瓷”技術(shù)，，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是一種整合、小型化地技術(shù)將各種被動(dòng)組件整合在一起，縮小到陶瓷式電路板上，如果沒(méi)有它，手機(jī)是無(wú)法達(dá)到輕薄短小地效果地?？傊?，陶瓷已經(jīng)成為與我們密不可分地伙伴了。
我國(guó)陶瓷生產(chǎn)歷史悠久，日用陶瓷一直暢銷(xiāo)國(guó)內(nèi)外。在我們的生活中，能夠給人們留下直觀印象的是日用陶瓷。這里不乏一些工藝美術(shù)品。因此，對(duì)于陶瓷制品，我們不僅要求其本身質(zhì)量要好、使用方便，同時(shí)還要對(duì)其表面進(jìn)行一定程度的美化處理，繪制出各種線條精美的圖案，增加美感及藝術(shù)感。然而，傳統(tǒng)的陶瓷畫(huà)線主要是由手工完成的，畫(huà)出的線條寬窄不一，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量，與其是在畫(huà)寬度3mm以上的線條時(shí)，用手工的方法根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此生產(chǎn)陶瓷的廠家不得不將線條印成畫(huà)紙，將畫(huà)紙貼在陶瓷制品上進(jìn)行彩烤，而這又大大提高了成本。陶瓷生產(chǎn)廠家一直都無(wú)法解決這一問(wèn)題。隨著機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，研制新型高效的畫(huà)線機(jī)以代替手工作業(yè)已成為迫切需要。目前，世界各國(guó)對(duì)裝飾機(jī)械的研制十分迅速，不斷推陳出新。其中以畫(huà)線機(jī)和印花機(jī)發(fā)展最為迅速。我國(guó)在這方面發(fā)展比較晚，目前用于生產(chǎn)陶瓷機(jī)械數(shù)量較小，品種較單一，因此有必要投入人力物力財(cái)力設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，引進(jìn)設(shè)備，消化技術(shù)。
1.3 工作內(nèi)容和要求
1.3.1 畫(huà)線機(jī)總體參數(shù)的確定
主要技術(shù)指標(biāo)及重要技術(shù)參數(shù)
①主要技術(shù)指標(biāo)
畫(huà)線色種: 單色
公稱(chēng)生產(chǎn)能力：6-12件/分
彩色寬度： 0.25-6mm
制品最大直徑：406mm
制品最大高度：230mm
總功率消耗： 3kw
整機(jī)重要： 約100kg
外型尺寸： 約1.4m×0.8m×1.6m
②重要技術(shù)參數(shù)
電動(dòng)機(jī)的變速范圍：1000-3000rpm
最短畫(huà)線時(shí)間： ＝1.22s
最長(zhǎng)畫(huà)線時(shí)間： ＝4.14s
畫(huà)線輔助時(shí)間： t＝3s
1.3.2 單線畫(huà)線機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
單線自動(dòng)畫(huà)線機(jī)主要由主機(jī)架、工作臺(tái)、施彩器組件、真空泵、氣動(dòng)系統(tǒng)、電器部分組成.其主要功能包括：驅(qū)動(dòng)功能、畫(huà)線功能、自動(dòng)裝卸功能、輔助功能、測(cè)控功能、安全保護(hù)功能。功能分解如下圖：
單
線
畫(huà)
線
機(jī)
驅(qū)動(dòng)
施彩頭電機(jī)驅(qū)動(dòng)
吸盤(pán)主電機(jī)驅(qū)動(dòng)
單線畫(huà)線機(jī)
前伸
后仰
吸 盤(pán)
吸氣
放氣
輔 助
支撐
導(dǎo)向
測(cè)控—單線畫(huà)線機(jī)畫(huà)線
安全保護(hù)
漏電保護(hù)
過(guò)載保護(hù)
圖1 單線畫(huà)線機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖
依據(jù)這些功能，系統(tǒng)組成為：動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)。各主要系統(tǒng)概述如下：
動(dòng)力系統(tǒng)：為操作部件提供動(dòng)力，如機(jī)械手的仰俯、旋轉(zhuǎn)、單線機(jī)的移動(dòng)畫(huà)線。本設(shè)計(jì)中動(dòng)力裝置為電動(dòng)機(jī)和氣壓系統(tǒng)。
傳動(dòng)系統(tǒng)：是將動(dòng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)或執(zhí)行構(gòu)件的中間裝置。主要有帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。在本設(shè)計(jì)中，由電動(dòng)機(jī)到施釉輪之間的傳動(dòng)是通過(guò)帶傳動(dòng)來(lái)完成的。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)：能直接完成預(yù)期工作任務(wù)的機(jī)構(gòu)和部件，為完成對(duì)陶瓷制品的畫(huà)線功能所需的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部件主要是機(jī)械手、施釉輪及帶釉輪。
測(cè)控系統(tǒng)：是控制畫(huà)線機(jī)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定程序和要求，以一定順序和規(guī)律運(yùn)動(dòng)完成畫(huà)線機(jī)，具體測(cè)控有機(jī)械手旋轉(zhuǎn)角度、升降角度、單線機(jī)的位移量、放氣時(shí)間等。
輔助系統(tǒng)：為完成畫(huà)線功能，以上各功能還需要一些輔助系統(tǒng)支持，如支承、下料、送料等輔助系統(tǒng)。
為了保證準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)畫(huà)線機(jī)地畫(huà)線功能，實(shí)現(xiàn)畫(huà)線自動(dòng)化，需滿(mǎn)足以下條件：
① 機(jī)構(gòu)地布局應(yīng)合理，相互之間保證不干涉，不阻擋。
② 總體布局應(yīng)使工人操作安全方便，節(jié)省空間。
③ 吸盤(pán)吸、放氣時(shí)要考慮工人操作時(shí)間地合理性。
④ 機(jī)器的電動(dòng)、氣動(dòng)部分都需外殼罩住，已加工與未加工的工件放置要整齊，物料陪送線路要清晰、合理。
⑤ 本機(jī)分四部分安裝，各部分安裝好后再連接在一起構(gòu)成一個(gè)整體，這樣能夠提高效率，保證質(zhì)量且運(yùn)輸時(shí)也方便。
1.3.3 相關(guān)部件、零件設(shè)計(jì)
單線畫(huà)線機(jī)主要有施彩器傳動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電器系統(tǒng)四部分.其中零件要首先選擇標(biāo)準(zhǔn)件,若標(biāo)準(zhǔn)件中沒(méi)有合適的零件可自行進(jìn)行設(shè)計(jì).在本機(jī)的設(shè)計(jì)中,我們需要設(shè)計(jì)選擇電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、減速器、阻尼裝置等.
表1 形態(tài)學(xué)矩陣
分功能
解 法
1
2
3
4
5
6
A動(dòng)力源
B位移傳動(dòng)
C位移
D取物傳動(dòng)
E取物
電動(dòng)機(jī)
齒輪傳動(dòng)
軌道及車(chē)
輪
拉桿
挖斗
汽油機(jī)
蝸輪蝸桿
傳動(dòng)
輪胎
繩傳動(dòng)
抓斗
柴油機(jī)
帶傳動(dòng)
履帶
汽缸傳動(dòng)
鉗式斗
蒸氣透平
鏈傳動(dòng)
氣墊
液壓缸傳
動(dòng)
機(jī)械手
液動(dòng)機(jī)
液力耦合器
氣動(dòng)馬達(dá)
1.3.3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)施機(jī)械系統(tǒng)中最常用的動(dòng)力機(jī),與其他動(dòng)力機(jī)相比,它具有較高的驅(qū)動(dòng)效率,且其種類(lèi)和型號(hào)較多,與工作機(jī)械連接方便,具有良好的調(diào)速、啟動(dòng)、制動(dòng)和反向控制性能.易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)控制,工作時(shí)無(wú)環(huán)境污染,可滿(mǎn)足大多數(shù)機(jī)械的工作要求.
1.3.3.2 氣動(dòng)系統(tǒng)的選擇
特點(diǎn):
① 元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、易于制造,且不污染環(huán)境.可集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送,便于管理.
② 易于實(shí)現(xiàn)快速的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),擺動(dòng)的高速轉(zhuǎn)動(dòng).輸出力和運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)很方便,且能實(shí)現(xiàn)過(guò)載自動(dòng)保護(hù).
③ 工作環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng).
④ 由于壓縮空氣的工作壓力不高,一般在0.4-0.6MPa,故輸出力和力矩不高,且傳動(dòng)效率也較低,一般用于輸出力不大的傳動(dòng)裝置.采用擴(kuò)力機(jī)械或氣液增壓裝置,可提高輸出力.
⑤ 由于空氣有壓縮性,故運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性較差,較難實(shí)現(xiàn)精密控制.采用氣液聯(lián)動(dòng)方式,可提高運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定性.
⑥ 由于氣信號(hào)的傳遞速度比電信號(hào)慢得多,故不宜用于遙控及復(fù)雜得控制系統(tǒng).
組成:
起源部分、執(zhí)行部分、控制部分、輔助部分.
1.3.3.3減速器的選用
本機(jī)可選擇常用的阿基米德圓柱蝸桿減速器,這種減速器適用于蝸桿轉(zhuǎn)速不超過(guò)1500r/min,環(huán)境溫度為-40-+40°C的場(chǎng)合,可以正反兩向運(yùn)轉(zhuǎn).在選用減速器時(shí),首先根據(jù)工作要求確定傳動(dòng)比i,再按蝸輪軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩查蝸輪軸額定轉(zhuǎn)矩表,確定減速器的中心距.然后按機(jī)器布置,潤(rùn)滑等要求選擇減速器的裝配形式.必要時(shí)要進(jìn)行散熱計(jì)算.
1.4 課題的重點(diǎn)和難點(diǎn)
1.4.1 單線畫(huà)線機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)
單線自動(dòng)畫(huà)線機(jī)的用途是在陶瓷制品上畫(huà)出裝飾線條或圖案，以達(dá)到美化陶瓷質(zhì)樸那的目的。這種機(jī)械代替了手工畫(huà)線工作，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率以及精度，可以畫(huà)出粗細(xì)均勻的線條，克服了手工作業(yè)的缺點(diǎn)與不足，滿(mǎn)足了廣大消費(fèi)者的審美要求并提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。我國(guó)地域遼闊，該機(jī)不受地形氣候等外界因素影響和限制，并且易于維修，工作可靠，適用于相關(guān)陶瓷生產(chǎn)部門(mén)。
經(jīng)各種常用系統(tǒng)的計(jì)算比較得出，當(dāng)施釉輪與被加工陶瓷盤(pán)間實(shí)現(xiàn)純滾動(dòng)，且滾動(dòng)畫(huà)線速度在0.4m/s時(shí),畫(huà)線效果最佳，故單線畫(huà)線機(jī)的一切設(shè)計(jì)要以此為宗旨。
通過(guò)帶傳動(dòng)的裝置，電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給了施釉輪與帶釉輪，兩輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)主從摩擦輪接觸，帶動(dòng)陶瓷旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)合理的技術(shù)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)上述的畫(huà)線速度要求，畫(huà)線機(jī)開(kāi)始畫(huà)線。在每個(gè)陶瓷畫(huà)線的開(kāi)始與結(jié)束，為了便與裝卸陶瓷，支承施釉頭組件的桿件必須能夠?qū)崿F(xiàn)擺動(dòng)，以使施釉頭組件準(zhǔn)確靠近、離開(kāi)瓷器。經(jīng)多方面的比較，我們最終選擇氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)。另外，在被加工定位的這一環(huán)節(jié)也有講究。由于陶瓷制品易碎這一特點(diǎn)，使得我們必須摒棄普通機(jī)床夾具而選擇其它的定位夾緊方法?；诒P(pán)狀陶瓷表面光潔的特點(diǎn)，我們想到了可以利用真空吸附夾緊方式定位，及手部為真空吸盤(pán)。
1.4.2單線畫(huà)線機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)
對(duì)于單線自動(dòng)畫(huà)線機(jī)，最重要的是能夠畫(huà)出均勻清晰的線條，以滿(mǎn)足廣大消費(fèi)者的審美要求，因此對(duì)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度要求較高。畫(huà)線機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度和定位精度主要包括以下幾個(gè)方面：
①施彩頭組件擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)與機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)需協(xié)調(diào)一致，即與裝、卸料工作要配合。
②為了保證施釉輪與制品之間的接觸精度，單線機(jī)的前進(jìn)與后退要有較高的定位精度。
③機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)角度是否精確，關(guān)系到安放工件時(shí)的中心線能否與吸盤(pán)中心重合。
由于這些精度將直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，建議采取開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。
1.5 單線畫(huà)線機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
機(jī)械系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，是機(jī)械設(shè)計(jì)中極其重要的一環(huán)。正確、合理的機(jī)械系統(tǒng)的方案，對(duì)于提高機(jī)械的性能、質(zhì)量、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益等都是至關(guān)重要的。
單線畫(huà)線機(jī)
制成品M’
瓷器M
指令S
信息顯示S’
能量E
輸出E’
圖2 單線畫(huà)線機(jī)黑箱圖
1.5.1 執(zhí)行系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
包括執(zhí)行系統(tǒng)的功能原理設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的形式設(shè)計(jì)，執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)以及執(zhí)行系統(tǒng)的方案評(píng)價(jià)。
1.5.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
包括選擇合理的傳動(dòng)裝置的類(lèi)型、確定傳動(dòng)路線的方案以及合理分配傳動(dòng)系統(tǒng)。
1.5.3 原動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇
包括原動(dòng)機(jī)的類(lèi)型、轉(zhuǎn)速、以及原動(dòng)機(jī)容量的選擇。
1.5.4 操縱控制系統(tǒng)的選擇
包括機(jī)電控制系統(tǒng)、機(jī)液控制系統(tǒng)、電業(yè)控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)以及微機(jī)控制系統(tǒng)。
1.6 國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的對(duì)比
國(guó)外很多國(guó)家重視裝飾機(jī)械的研制與開(kāi)發(fā)，特別時(shí)在畫(huà)線機(jī)、印花機(jī)方面的發(fā)展時(shí)十分迅速的，與國(guó)外產(chǎn)品比起來(lái)，該產(chǎn)品的生產(chǎn)效率低且柔性化程度不高；但在國(guó)內(nèi)，由于這一方面起步較晚，發(fā)展較慢，所以該產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的水平。
1.7關(guān)于用戶(hù)的需求和企業(yè)發(fā)展計(jì)劃的介紹
對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，他們希望用更好的陶瓷制品，外表美觀大方，且物美價(jià)廉，這就是用戶(hù)所追求的方向。因此，企業(yè)的發(fā)展應(yīng)以此為導(dǎo)向，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。這樣的企業(yè)才能有所創(chuàng)造，有所發(fā)展。
1.8 可能用到的知識(shí)和技能
理論知識(shí)：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)等
應(yīng)用軟件：AutoCAD、CATIA、ADAMS、Office word等。
1.9 需要自學(xué)的知識(shí)和技能
由于在本科的學(xué)習(xí)階段，我們主要學(xué)習(xí)了一些專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)而過(guò)少解除各科知識(shí)在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們應(yīng)注重在實(shí)際應(yīng)用方面豐富自己的頭腦。針對(duì)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我應(yīng)多多學(xué)習(xí)關(guān)于陶瓷加工機(jī)械方面的知識(shí)，爭(zhēng)取創(chuàng)造條件實(shí)際觀察陶瓷的單線畫(huà)線機(jī)的工作過(guò)程，了解其原理。另外，在三維造型方面，目前市面流行的工程軟件很多，除了CATIA，我們還可以考慮用其他的軟件。若有條件，我會(huì)考慮學(xué)習(xí)另外的軟件來(lái)進(jìn)行三維造型。
2 工作計(jì)劃
表2 進(jìn)度計(jì)劃表
2006.2-2006.3
調(diào)研、譯文、參考文獻(xiàn)
2006.4.1-2006.4.15
總體布置、草圖、開(kāi)題報(bào)告
2006.4.15-2006.5.1
總體設(shè)計(jì)、總裝圖
2006.5.1-2006.5.15
部件設(shè)計(jì)、相關(guān)計(jì)算
2006.5.15-2006.6.1
零件、部件、設(shè)計(jì)、論文
2006.6.1-2006.6.20
修改、完善、圖紙論文、答辯
參考文獻(xiàn)
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翻譯資料
中文題目：發(fā)展中的新一代輪軸流動(dòng)性：第一部分—測(cè)量輪軸齒輪潤(rùn)滑油耐久力和溫度減少量裝置的試驗(yàn)方法
英文題目：Developing Next Generation Axle Fluids :Part 1—Text Methodology to Measure Durability and Temperature Reduction Properties of Axle Gear Oils
發(fā)展中的新一代輪軸流動(dòng)性：第一部分—測(cè)量輪軸齒輪潤(rùn)滑油耐久力和溫度減少量裝置的試驗(yàn)方法
摘要：
近幾年來(lái)，輕型卡車(chē)和運(yùn)動(dòng)實(shí)用車(chē)輛（SUV`s）美國(guó)是異常地流行，但是這種轉(zhuǎn)變給大型客車(chē)的齒輪潤(rùn)滑油提出了新的要求。在美國(guó)北部，汽車(chē)制造商所面對(duì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在保證汽車(chē)一定耐久力的前提下，滿(mǎn)足政府的燃料節(jié)約要求。齒輪潤(rùn)滑油必須能夠提供長(zhǎng)時(shí)間的耐久力，并且能夠?qū)囟冗M(jìn)行操控，以便在惡劣的條件下，既能保持燃料效率又能增加設(shè)備的使用壽命。
這篇論文描述了在整個(gè)范圍內(nèi)輕型承載輪軸的發(fā)展。它模擬了多種不同的駕駛條件，以便根據(jù)齒輪潤(rùn)滑油公式來(lái)測(cè)量溫度的減少。這里介紹的工作略述了一種試驗(yàn)方法論，既在考慮由于磨損和試驗(yàn)條件不同的情況下，對(duì)幾種齒輪潤(rùn)滑油公式進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果是從多種不同的輪軸結(jié)構(gòu)和裝載條件下獲得的。這種試驗(yàn)方法論表明：當(dāng)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，如果遇到惡劣的條件，考慮輪軸變化的重要性。
介紹：
過(guò)去的幾年里，在北美的社會(huì)生活中，再次興起了提高輕型卡車(chē)和使用運(yùn)動(dòng)車(chē)（SUV`s）燃油節(jié)約效率的要求。汽車(chē)制造商們也把提高燃油效率作為他們改革汽車(chē)的一個(gè)戰(zhàn)略性目標(biāo)。基于這一點(diǎn)，廠家們生產(chǎn)齒輪潤(rùn)滑油時(shí)的目的就是希望能夠幫助應(yīng)用其潤(rùn)滑油的設(shè)備改善燃油節(jié)約的狀況。
這項(xiàng)任務(wù)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際并不是這樣。除了節(jié)約燃油外，人們還需要齒輪潤(rùn)滑油能夠在不同的壓力條件下保護(hù)輪軸構(gòu)件。這些不同條件包括高速磨傷、低速重載磨損、腐蝕和氧化。在輕型卡車(chē)和賽車(chē)中，齒輪潤(rùn)滑油必須能夠提供常時(shí)間的耐久力，并能夠在極端的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制，例如拖車(chē)的牽引支架或超高速的行駛。但是為了延長(zhǎng)周期而使溫度升高，相反也會(huì)影響裝置材料并且減少了薄膜厚度的流動(dòng)性。這些都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早失效。以我們的觀點(diǎn)，溫度的控制是耐久力的一個(gè)重要的指標(biāo)。
然而，現(xiàn)在節(jié)約燃料已經(jīng)成為了新一代潤(rùn)滑油的一個(gè)新的驅(qū)動(dòng)力。任何燃料節(jié)約方面的改善都不可以犧牲輪軸耐久力或性能，這一點(diǎn)已經(jīng)越來(lái)越明顯。
提高燃料節(jié)約率可以通過(guò)U.S. EPA 55/45操縱循環(huán)來(lái)測(cè)量。汽車(chē)制造商通過(guò)這種試驗(yàn)來(lái)保證汽車(chē)的節(jié)能性能。這種試驗(yàn)同樣也可以用于檢驗(yàn)齒輪潤(rùn)滑油的節(jié)能效果。
許多制造商都感覺(jué)到在合適的可控的條件下，穩(wěn)定工作溫度在是不同的條件下潤(rùn)滑油耐久力性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在估計(jì)工作溫度的條件下，是沒(méi)有試驗(yàn)方法或方法論的。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室里應(yīng)用時(shí)，可以通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)同規(guī)格的輪軸的強(qiáng)度來(lái)評(píng)估許多種潤(rùn)滑油，這是一個(gè)典型的試驗(yàn)。
在惡劣的條件下，每次用在輪軸上的給定參考潤(rùn)滑油的穩(wěn)定工作溫度都會(huì)降低。隨著輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，給定潤(rùn)滑油的穩(wěn)定工作溫度都會(huì)有所降低。這在評(píng)估候選潤(rùn)滑油時(shí)又造成了新的問(wèn)題。伴隨著這個(gè)變化的目標(biāo)，怎樣才能精確地評(píng)估潤(rùn)滑油的指標(biāo)呢？
這篇論文描述了一種實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試方法。這種方法考慮了各種試驗(yàn)間相互影響對(duì)輪軸造成的改變，并且給出了精確的比較試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的潤(rùn)滑油公式。另外，論文也對(duì)這種方法的一些共同的缺陷和操作指導(dǎo)方針做出了解釋。
這篇論文被分為四部分。第一部分，描述了這種試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展及應(yīng)用的程序；第二部分，詳細(xì)討論了試驗(yàn)方法論；第三部分，通過(guò)運(yùn)用這種試驗(yàn)方法得出結(jié)論；最后，第四部分總結(jié)了論文的發(fā)現(xiàn)并且給出了一些結(jié)論。
第一部分—輪軸實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)
研究人員設(shè)計(jì)了能夠測(cè)量整體范圍的輪軸功率計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并且建立了用于模擬多種操縱的條件。圖1是這種實(shí)驗(yàn)臺(tái)的示意圖。這個(gè)圖表闡明了輪軸的索具設(shè)備和它的主要組成部分。實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖見(jiàn)圖2。
圖1 輪軸實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖
圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片
實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置—?jiǎng)恿κ峭ㄟ^(guò)以汽油為燃料的7.4升V8引擎提供給輪軸的。引擎能夠承受重載，有4種速度的自動(dòng)變速傳動(dòng)。這就可以通過(guò)獲得的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行速度的自動(dòng)轉(zhuǎn)換并且來(lái)控制（DAC）系統(tǒng)。用于評(píng)估潤(rùn)滑油性能的輪軸是嚴(yán)格地被固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的。驅(qū)動(dòng)輪軸的能量是被兩個(gè)空氣旋渦流功率計(jì)吸收的。在輪軸的末端和功率計(jì)之間放置了一個(gè)加速器，這樣可以獲得較高的輸出速度，來(lái)代替輸入功率計(jì)的較低速度。目前，習(xí)慣上用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)是柔性的，并且配有一個(gè)能夠迅速變化的扭矩測(cè)量?jī)x。或者說(shuō)從小型客車(chē)輪軸到大型高速公路運(yùn)貨車(chē)輪軸，輪軸工具夾可以適應(yīng)很大范圍的輪軸型號(hào)。
扭矩測(cè)量?jī)x—連在驅(qū)動(dòng)軸上的單線整體式扭矩測(cè)量?jī)x能夠測(cè)量由小齒輪輸入輪軸的扭矩。利用兩個(gè)扭矩測(cè)量?jī)x可以測(cè)量由輪軸輸出到功率計(jì)的扭矩。在輪軸軸端和速度加速器之間也放置了一個(gè)輸出扭矩測(cè)量?jī)x。
另外，常用的扭矩測(cè)量?jī)x是提高了精確度的直流操縱模型。這樣可以提高并保持一個(gè)高的精度等級(jí)，還可重復(fù)精度性。為了保證測(cè)量的精準(zhǔn)程度，這些扭矩測(cè)量?jī)x是需要周期性校準(zhǔn)的。
輪軸冷卻及溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)—我們?cè)谳嗇S的后面放置了一個(gè)風(fēng)扇，并向輪軸吹進(jìn)空氣流，用以模擬在實(shí)際曠地工作臺(tái)上從輪軸測(cè)得數(shù)據(jù)相匹配。
另外，在輪軸的周?chē)€放置兩個(gè)噴霧水管，他們可起到兩個(gè)作用。第一，當(dāng)輪軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噴霧水管可以控制潤(rùn)滑油的溫度。第二，它們對(duì)輪軸潤(rùn)滑油的高溫可起到保護(hù)作用。根據(jù)潤(rùn)滑油的評(píng)估結(jié)果，這個(gè)試驗(yàn)程序具有承受較高輪軸潤(rùn)滑油的溫度的能力。為了保護(hù)輪軸，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)邊都標(biāo)有最高溫度的極限。
另一個(gè)主要問(wèn)題是對(duì)周?chē)諝庖约拜嗇S潤(rùn)滑油溫度的測(cè)量。因此，我們必須注意熱電偶的放置位置。輪軸潤(rùn)滑油溫度是通過(guò)直接放置在輪軸環(huán)狀齒輪邊的一個(gè)熱電偶來(lái)測(cè)量的。熱電偶是通過(guò)臨時(shí)改造的輪軸蓋子放在那里。在由風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣流中，周?chē)鷾囟仁峭ㄟ^(guò)放置在那里的熱電偶測(cè)得的，為了保證精確的溫度測(cè)量結(jié)果，兩個(gè)熱電偶都需要進(jìn)行周期性的校準(zhǔn)。
獲得數(shù)據(jù)及控制系統(tǒng)—ADAPT/MRTP數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)用于操控實(shí)驗(yàn)臺(tái)并且通過(guò)試驗(yàn)獲得結(jié)果。除了周?chē)h(huán)境和潤(rùn)滑油的溫度，這套系統(tǒng)還可以監(jiān)控并記錄其它試驗(yàn)結(jié)果，如溫度（發(fā)動(dòng)機(jī)油、傳動(dòng)機(jī)油、齒輪箱、燃料及冷卻劑溫度等），扭矩（一個(gè)輸入及兩個(gè)輸出扭矩），速度（發(fā)動(dòng)機(jī)、小齒輪、輪軸桿）以及輪軸效率（輸出扭矩與輸入扭矩比）。這些數(shù)據(jù)都是需要研究人員周期性記錄的。
這個(gè)系統(tǒng)是通過(guò)5個(gè)控制回路來(lái)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的。
用兩個(gè)控制回路來(lái)維持小齒輪所需要的速度。通過(guò)調(diào)整功率計(jì)的電流來(lái)達(dá)到每個(gè)小齒輪所需轉(zhuǎn)速。
通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)維持加在小齒輪上的負(fù)載。
第四個(gè)控制回路用來(lái)控制輪軸在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的輪軸潤(rùn)滑油溫度。在評(píng)估潤(rùn)滑油時(shí)，還可以用這個(gè)回路防止高溫?fù)p壞輪軸。
最后，第五個(gè)控制回路可以保證自動(dòng)傳輸裝置通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上每一個(gè)合適的齒輪。
自動(dòng)傳動(dòng)裝置要能恰當(dāng)能夠地控制的小齒輪，這一點(diǎn)是非常重要的。在此試驗(yàn)的某些階段，運(yùn)行處于重載狀態(tài)。在給定的試驗(yàn)階段中，如果傳動(dòng)沒(méi)有控制在合適的小齒輪上，就會(huì)產(chǎn)生早期失效。
第二部分—試驗(yàn)方法
一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于潤(rùn)滑油耐久力的評(píng)估是通過(guò)對(duì)確定其穩(wěn)定工作溫度和輪軸效率來(lái)評(píng)定的。這些評(píng)定是在一些不連續(xù)的速度扭矩條件下進(jìn)行的。參考機(jī)油----相關(guān)機(jī)油是這個(gè)試驗(yàn)方法論的關(guān)鍵。在這個(gè)試驗(yàn)程序的編制以及對(duì)潤(rùn)滑油的評(píng)估中，應(yīng)用了兩種相關(guān)機(jī)油。其參數(shù)如下：
優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑油：人造SAE75W-140
劣質(zhì)潤(rùn)滑油：人造SAE75W-90
這種優(yōu)良的參考機(jī)油在多種惡劣的使用條件下已經(jīng)顯示出了顯著的工作性能。在惡劣環(huán)境條件的試驗(yàn)中，這種機(jī)油在降低溫度方面的功能十分突出，它用于輪軸的暫停運(yùn)轉(zhuǎn)條下，并且在一給定的輪軸上進(jìn)行周期性地試驗(yàn)，以次來(lái)追蹤在穩(wěn)定工作溫度方面發(fā)生的任何改變。
低質(zhì)潤(rùn)滑油同樣可以用于野外試驗(yàn)，但與優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑油相比，它不能提供相同水平的耐久力，在惡劣條件下減少溫度升高的能力也不如優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑油。然而，試驗(yàn)表明，這種潤(rùn)滑油在節(jié)約燃料方面的貢獻(xiàn)卻更突出。這種參考機(jī)油用于核實(shí)區(qū)分在野外提供不同性能的機(jī)油的試驗(yàn)程序。
輪軸斷裂—輪軸在用于評(píng)估潤(rùn)滑油之前要進(jìn)行一個(gè)斷裂試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)在一系列被控制的負(fù)載和速度條件下進(jìn)行的。通過(guò)斷裂試驗(yàn)程序（這里敘用溫度不得超過(guò)250°F，即121°C），可以確定輪軸潤(rùn)滑油溫度。優(yōu)質(zhì)參考機(jī)油可以用于斷裂試驗(yàn)。
試驗(yàn)階段—在斷裂試驗(yàn)之后，可以通過(guò)確定穩(wěn)定工作溫度及在五種不同速度和負(fù)載的組合下來(lái)評(píng)估備選潤(rùn)滑油的性能。
表1五種試驗(yàn)條件
試驗(yàn)階段
通常條件
相關(guān)條件
1
高轉(zhuǎn)矩/低轉(zhuǎn)速
重載-加速
2
中等轉(zhuǎn)矩/高轉(zhuǎn)速
高速-平整路面
3
中等轉(zhuǎn)矩/中等偏高轉(zhuǎn)速
重載-平整路面
4
中等偏高轉(zhuǎn)矩/中等轉(zhuǎn)速
重載-中級(jí)
5
高轉(zhuǎn)矩/中等偏下轉(zhuǎn)速
重載-高級(jí)
每一負(fù)載試驗(yàn)階段都要進(jìn)行潤(rùn)滑油的穩(wěn)定工作溫度點(diǎn)為止。這一般喲啊進(jìn)行1.5到2.5個(gè)小時(shí)。一旦達(dá)到了穩(wěn)定工作溫度，下一階段試驗(yàn)便開(kāi)始了。直到評(píng)估了所有試驗(yàn)階段，這個(gè)循環(huán)才能停止。在每個(gè)試驗(yàn)階段結(jié)束時(shí)，記錄周?chē)諝鉁囟?，穩(wěn)定的潤(rùn)滑油溫度以及穩(wěn)定的輪軸效率。
周?chē)諝鉁囟日{(diào)整裝置----周?chē)諝鉁囟鹊淖兓瘯?huì)影響輪軸潤(rùn)滑油的穩(wěn)定工作溫度，這一點(diǎn)已經(jīng)可以觀察到。由于這種試驗(yàn)方法是在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行的，這里周?chē)諝鉁囟瓤赡軙?huì)發(fā)生變化，所以必須考慮周?chē)諝鉁囟鹊淖兓⑤嗇S潤(rùn)滑油的溫度作適當(dāng)調(diào)整以適應(yīng)周?chē)諝獾淖兓前聪率龅仁竭M(jìn)行的：
這里，----由于周?chē)諝舛拚臐?rùn)滑油溫度（°F）
----測(cè)得的潤(rùn)滑油溫度（°F）
----測(cè)得周?chē)諝獾臏囟龋ā鉌）
在應(yīng)用下述方法論之前，要根據(jù)周?chē)諝鉁囟鹊牟煌瑏?lái)調(diào)整輪軸潤(rùn)滑油的溫度。
相關(guān)溫度變化—隨著在輪軸上的試驗(yàn)數(shù)目的增加，對(duì)于給定的任意單一油源的負(fù)載條件下，穩(wěn)定工作溫度會(huì)有所降低。這一實(shí)際情況給備選潤(rùn)滑油有提出了新的難題。
過(guò)去為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以周期性地測(cè)試參考機(jī)油，并將備選機(jī)油的試驗(yàn)結(jié)果與參考機(jī)油的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。然而，如果每次試驗(yàn)后，和上次參考結(jié)果相比都有所降低，那么實(shí)際上，備選機(jī)油比參考機(jī)油更好。
圖3表明了在輪軸上測(cè)試優(yōu)質(zhì)機(jī)油時(shí)，在五種不同階段條件下穩(wěn)定工作溫度的變化。對(duì)于這個(gè)試驗(yàn)程序，這種趨勢(shì)會(huì)發(fā)生在所有五種試驗(yàn)階段。
圖3試驗(yàn)輪軸的優(yōu)質(zhì)參考既有在五種不同試驗(yàn)階段條件下的穩(wěn)定工作溫度
參考目標(biāo)溫度—為了能夠在參考機(jī)油與備選集中有之間做出較正確的比較，用于比較的參考機(jī)油的穩(wěn)定工作溫度需要按照輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的參考機(jī)油溫度或稱(chēng)為“參考目標(biāo)溫度”可以與備選機(jī)油穩(wěn)定工作溫度進(jìn)行比較。
基于參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮隨著在輪軸上的測(cè)試轉(zhuǎn)速的增加而使參考穩(wěn)定工作溫度的減少量，可獲得每一試驗(yàn)階段的等式。對(duì)于每一根被測(cè)試的輪軸都需要做這樣的工作。一旦生成恰當(dāng)?shù)墓?，備選機(jī)油結(jié)果能夠與參考機(jī)油性能進(jìn)行精確的比較。圖4是優(yōu)質(zhì)參考機(jī)油的穩(wěn)定工作溫度在五種不同試驗(yàn)條件階段的曲線。
圖4 優(yōu)質(zhì)參考機(jī)油在第5種試驗(yàn)條件下的穩(wěn)定工作溫度曲線
從圖4中的等式可以看出，在每一試驗(yàn)階段中，輪軸每次運(yùn)轉(zhuǎn)后，參考目標(biāo)溫度都可以計(jì)算出來(lái)?，F(xiàn)在，備選試驗(yàn)結(jié)果就可以參考試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行精確的比較了。
另外，既然我們的比較與參考機(jī)油有關(guān)，可以通過(guò)這個(gè)方法中的公式與更多不同輪軸上的試驗(yàn)獲得的結(jié)果進(jìn)行精確的比較。
輪軸效率變化—隨著穩(wěn)定工作溫度的變化，在試驗(yàn)輪軸上同樣的作喲功能也會(huì)產(chǎn)生在輪軸功率的測(cè)量上。輪軸效率會(huì)隨著在輪軸上進(jìn)行試驗(yàn)次數(shù)的增加而逐漸增加的。圖5試驗(yàn)結(jié)果表明了輪軸效率的變化以及參考目標(biāo)效率等式。
圖5在第二階段條件時(shí)試驗(yàn)輪軸的壽命條件下對(duì)優(yōu)質(zhì)參考機(jī)油穩(wěn)定輪軸效率的評(píng)估
在試驗(yàn)的每一階段，穩(wěn)定輪軸效率與穩(wěn)定工作溫度都是成反比的。這一點(diǎn)在我們的試驗(yàn)程序中已經(jīng)得到了證明。效率越高，工作溫度就越低。因此，這篇論文中闡述的方法論是可以應(yīng)用與兩者的。
重復(fù)試驗(yàn)的估計(jì)—我們可以從在每個(gè)輪軸上的參考試驗(yàn)結(jié)果來(lái)估計(jì)試驗(yàn)的重復(fù)性。這是通過(guò)比較給定試驗(yàn)階段的輪軸的每個(gè)參考試驗(yàn)中實(shí)際穩(wěn)定工作溫度與計(jì)算參考目標(biāo)溫度的不同來(lái)完成的。例如，在圖4中，第五階段條件計(jì)算出的試驗(yàn)重復(fù)性是5.9°F。而根據(jù)在實(shí)驗(yàn)階段運(yùn)行中，對(duì)輪軸和潤(rùn)滑油的測(cè)試中，我們估計(jì)這個(gè)重復(fù)性是在0.5到8.0°F范圍內(nèi)。
任何給定輪軸的試驗(yàn)重復(fù)性都受到試驗(yàn)備選機(jī)油質(zhì)量很大影響。若在試驗(yàn)中采用質(zhì)量差的機(jī)油，將對(duì)試驗(yàn)輪軸的結(jié)果產(chǎn)生影響。這里額外介紹了實(shí)驗(yàn)臺(tái)之中的可變性。因此，為了達(dá)到最小的變化程度，在運(yùn)行中采用高質(zhì)量的機(jī)油是十分重要的。
第三部分—試驗(yàn)結(jié)果
這篇論文所呈現(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果主要論證了這種試驗(yàn)程序的有效性。這個(gè)試驗(yàn)程序是作為惡劣的工作條件下，檢驗(yàn)潤(rùn)滑油減少溫度升高的能力。這部分主要分成三個(gè)小部分來(lái)闡述。
野外試驗(yàn)相關(guān)性—試驗(yàn)階段的數(shù)據(jù)是要比野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)早些得到。為了模擬車(chē)輛實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境我們?cè)O(shè)計(jì)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。我們將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上獲得的結(jié)果與野外工作獲得結(jié)果進(jìn)行比較，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上輪軸氣流系統(tǒng)進(jìn)行修改直到輸出結(jié)果與野外試驗(yàn)結(jié)果一致。對(duì)在野外試驗(yàn)車(chē)輛和實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的已知機(jī)油進(jìn)行比較。在這個(gè)試驗(yàn)里，我們將優(yōu)質(zhì)機(jī)油和劣質(zhì)機(jī)油都進(jìn)行了這方面的比較測(cè)試。
比較方法差異—從上述等式看出，每次試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果的參考目標(biāo)溫度都可以計(jì)算出來(lái)。圖6表明了參考目標(biāo)方法在機(jī)油評(píng)估方面的改進(jìn)，以及兩種等式方法之間的比較。
兩種方法比較了在單次試驗(yàn)階段中優(yōu)質(zhì)機(jī)油的備選試驗(yàn)結(jié)果。
方法1是將備選的機(jī)油的穩(wěn)定潤(rùn)滑溫度與上一個(gè)參考機(jī)油穩(wěn)定溫度結(jié)果進(jìn)行比較。
方法2是將備選機(jī)油穩(wěn)定潤(rùn)滑溫度與經(jīng)備選輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)所得的目標(biāo)溫度進(jìn)行比較。
圖6兩種數(shù)據(jù)等式方法的比較
第四部分—概要
關(guān)于這篇論文中描述的試驗(yàn)方法論的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了在惡劣條件下，對(duì)齒輪潤(rùn)滑油更多精確的評(píng)估。當(dāng)遇到惡劣的工作狀況時(shí)，應(yīng)用這些技術(shù)需要首先介紹能夠提供一定耐久力性能的高質(zhì)量潤(rùn)滑油。
試驗(yàn)結(jié)果表明在評(píng)估潤(rùn)滑油質(zhì)量時(shí)這種試驗(yàn)方法的可行性。就像由U.S. EPA 55/45所測(cè)得的駕駛循環(huán)在惡劣的工作環(huán)境也提供一定的耐久力一樣，我們希望這種試驗(yàn)程序在發(fā)展燃料推進(jìn)潤(rùn)滑方面也可以發(fā)揮作用。
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