一種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【說明書+CAD】

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南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯 原 文 題 目：A Development Of Multi Purpose Testing Machine For Friction,Wear And Rolling Contact Fatigue 原 文 來 源：Advanced Materials Development and Performance(AMDP2011) Internation Journal of Modern Physics:Conference Series Vo1.6(2012)534-539 World Scientific Publishing Company 學(xué) 生 姓 名： 管磊鑫 學(xué) 號(hào)： 231120414 所在院(系)部： 工業(yè)中心 專 業(yè) 名 稱： 機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化 先進(jìn)材料的開發(fā)與性能（AMDP2011） 現(xiàn)代物理學(xué)國(guó)際期刊：系列會(huì)議 第 6 卷（2012 年）534 頁 – 539 頁 世界科技圖書出版公司 數(shù)位物件識(shí)別號(hào)（DOI）10.1142/S201019451200373X 摩擦、磨損和滾動(dòng)接觸疲勞用多用途試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展 GAB-SU CHOI 韓國(guó)忠清道省牙山市忠清南道，鮮文大學(xué)機(jī)械工程系，336-708 engineer008@naver.com YOUNG-SIK PYUN、JUN-HYOUNG KIM、HAK-DOO KIM、YASUTOSHI TOMINAGA、SHIRMENDAGWA DARISUREN 韓國(guó)忠清道省牙山市忠清南道，鮮文大學(xué)機(jī)械工程系，336-708 pyoun@sunmoon.ac.kr； mit026@naver.com； gamedooly@naver.com； t_yasutoshi_3_22@hotmail.co.jp； shirmee20@yahoo.com 文獻(xiàn)摘要 本文介紹了一種新型的摩擦試驗(yàn)機(jī)。這款摩擦試驗(yàn)機(jī)是根據(jù) ASTM G99 標(biāo)準(zhǔn)搭建的，在 實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行了球盤式、銷盤式、小型推力軸承的摩擦磨損試驗(yàn)，這些試驗(yàn)是依照 ASTM G99 的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的。我們將這些摩擦和磨損試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)韓國(guó)（KOLAS）和 CSM 實(shí)驗(yàn) 儀器批準(zhǔn)的摩擦結(jié)果進(jìn)行了相互對(duì)比。對(duì)比的結(jié)果顯示，摩擦特性和三種不同的摩擦儀的 動(dòng)態(tài)彼此之間是相類似的。本文主要的目的就是對(duì)新開發(fā)的摩擦儀器的能力進(jìn)行演示。結(jié) 果表明，這種新開發(fā)的摩擦儀器完全能夠使用球盤式、銷盤式、小型推力軸承配置執(zhí)行摩 擦實(shí)驗(yàn)。 關(guān)鍵字 摩擦實(shí)驗(yàn)；磨損試驗(yàn)；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)；點(diǎn)對(duì)面實(shí)驗(yàn)；摩擦系數(shù) 1、 文章簡(jiǎn)介 我們知道，在減少二氧化碳排放的舉措中，其中最為重要的一個(gè)步驟就是要降低相對(duì)運(yùn) 動(dòng)中的摩擦系數(shù)以及相互作用表面的磨損程度。尤其是在一些可變的環(huán)境之中，物體表面和 材料特性的要求對(duì)于各行各業(yè)而言正在變得格外嚴(yán)格，比如說汽車、飛機(jī)以及高速鐵路等方 面。所以，我們將使用最新開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器來對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的試樣和滑動(dòng)/推力軸承分別進(jìn)行 摩擦測(cè)試，該測(cè)試儀器是依照 ASTM G99 的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行構(gòu)建的。 本文對(duì)于三種不同的多功能測(cè)試儀（MPT）的發(fā)展進(jìn)行了描述，而這三種不同的多功能 測(cè)試儀都有能力使用附屬在單一直立架上的可交換零件來進(jìn)行不同類型的摩擦實(shí)驗(yàn)、小型的 滑動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)以及球型/滾動(dòng)軸承實(shí)驗(yàn)。這些測(cè)試儀分別能夠承受 500 牛、2000 牛和 10000 牛的負(fù)載。這種分類方法主要是以稱重傳感器的范圍作為基礎(chǔ)，在小型的多功能測(cè)試儀（MPT） 中獲得了點(diǎn)對(duì)面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后再將點(diǎn)對(duì)面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和從 CSM 客戶機(jī)組織的摩擦儀中獲 得的數(shù)據(jù)結(jié)果和從韓國(guó)的測(cè)試認(rèn)證機(jī)構(gòu) KOLAS 中獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果來進(jìn)行相互的對(duì)比。我們也 進(jìn)行了必要的準(zhǔn)備工作，來確保這三種多功能測(cè)試儀的實(shí)驗(yàn)是在完全相同的條件下進(jìn)行的。 同樣，推力滾珠軸承的測(cè)試是在小型的多功能測(cè)試儀（MPT）中進(jìn)行的，測(cè)試所獲得的實(shí)驗(yàn) 結(jié)果可以和之前使用相同的滾珠軸承獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來進(jìn)行相互對(duì)比。不同的面對(duì)面測(cè)試、 滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)接觸摩擦（RCF）實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙策€都在進(jìn)行之中。 2、 多用途摩擦和磨損測(cè)試儀的設(shè)計(jì) 2.1 摩擦和磨損條件的要求 多功能測(cè)試儀（MPT）暗指是被設(shè)計(jì)出來用于進(jìn)行多種不同的摩擦和磨損實(shí)驗(yàn)的測(cè)試儀 器，如果依照 ASTM G99 的標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行點(diǎn)對(duì)面、面對(duì)面，球?qū)γ婧?RCF 測(cè)試，以及推力軸 承的測(cè)試，如圖表 1 所示。表 1 中為部分設(shè)計(jì)條件以及新開發(fā)的多功能測(cè)試儀（MPT）的一 些技術(shù)參數(shù)。 表 1：多功能摩擦和磨損測(cè)試儀的類型 項(xiàng)目 小型測(cè)試儀 中型測(cè)試儀 大型測(cè)試儀 最大負(fù)載能力 500 牛 2000 牛 10000 牛 最小負(fù)載能力 0.5 牛 2 牛 10 牛 稱重傳感器誤差 ±0.03 牛 ±0.3 牛 ±3 牛 旋轉(zhuǎn)速度 1~3000 轉(zhuǎn) 1~3000 轉(zhuǎn) 1~3000 轉(zhuǎn) 臨時(shí)傳感器 RT ~ 150 ℃ RT ~ 150 ℃ RT ~ 150 ℃ 振動(dòng)傳感器 0.5~50Gpeak 0.5~50Gpeak 0.5~50Gpeak 球盤式（ISO7148） 銷盤式（ASTM G99） 盤對(duì)盤（ASTM D3702-94） RCF（ASTM G182） 推力軸承（ASTM D3702） 圓錐滾柱軸承（F2591） 圖 1：不同的摩擦和磨損測(cè)試類型 2.2 多用途測(cè)試機(jī)的硬件設(shè)計(jì) 圖 2 之中分別為設(shè)計(jì)用于開發(fā) 500 牛負(fù)載以及 2000 牛負(fù)載的小型測(cè)試機(jī)和中型測(cè)試機(jī)。 大型的負(fù)載為 10000 牛的大型測(cè)試機(jī)結(jié)構(gòu)目前還尚在開發(fā)建設(shè)之中。為了便于從一種測(cè)試類 型向另外一種測(cè)試類型進(jìn)行切換，每一種試驗(yàn)的介質(zhì)（球型接觸、點(diǎn)接觸等）都被封裝在了 可交換的單元之內(nèi)（比如測(cè)試頭），這樣就可以很容易的將試樣放置到夾持單元之中并且進(jìn) 行機(jī)械固定。試驗(yàn)臺(tái)的主要目的在于受力和扭轉(zhuǎn)載荷元件、加載交互的裝備以及樣本夾等。 動(dòng)力裝置 測(cè)試頭和夾持裝置 試驗(yàn)臺(tái) 負(fù)載 圖 2（a）：小型（左側(cè)）和中型（右側(cè)）的多功能測(cè)試機(jī) 夾持裝置 測(cè)試頭 負(fù)載元件 樣本夾具 測(cè)試頭和夾持裝置 （a）球形對(duì)面的接觸 （b）RCF （c）推力滾珠軸承 （d）滾柱軸承 圖 3：測(cè)試頭的類型 圖 3 中為摩擦實(shí)驗(yàn)的面樣本以及標(biāo)準(zhǔn)推力軸承。 （a）面樣本 （b）推力軸承（51306） 圖 4：樣本 2.3 基于控制系統(tǒng)的人機(jī)界面（HMI） 最初的時(shí)候，我們所選擇的是可編程邏輯控制器（PLC）來作為控制系統(tǒng)?？墒墙?jīng)過實(shí)驗(yàn)， 我們發(fā)現(xiàn)可編程邏輯控制器（PLC）無法獲得實(shí)時(shí)情況下的可靠結(jié)果，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)析取之中 會(huì)出現(xiàn)一定的延遲現(xiàn)象。因此，我們決定改用配備有人機(jī)界面的電腦來進(jìn)行實(shí)時(shí)控制并且可 以讀取實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)，如圖 5 所示。 （a）人機(jī)界面的設(shè)計(jì)觸控面板 （b）主操作員控制面板 圖 5：摩擦和磨損試驗(yàn)機(jī)操作端的人機(jī)界面控制系統(tǒng) 人們開發(fā)出了單獨(dú)短暫并且固定不變的顯示器用來提取相對(duì)可靠的摩擦和磨損的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)，如圖 4 中所示。而這種人機(jī)界面能夠顯示更為可靠的有關(guān)負(fù)載、旋轉(zhuǎn)速度、摩擦力矩、 測(cè)試距離、溫度和振動(dòng)方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這種控制系統(tǒng)能夠同時(shí)處理不同的多功能測(cè)試儀 （MPT），如圖 5 所示。 圖 6：人機(jī)界面控制系統(tǒng)的兼容性 3. 多功能試驗(yàn)機(jī)的校準(zhǔn)和測(cè)試 3.1 推力軸承的測(cè)試 我們使用了多功能測(cè)試儀（MPT）來對(duì)未經(jīng)過處理的和已經(jīng)經(jīng)過 UNSM 處理的推力滾珠軸 承分別進(jìn)行了摩擦實(shí)驗(yàn)。而摩擦實(shí)驗(yàn)的結(jié)果告訴我們，摩擦系數(shù)減小了。趨勢(shì)對(duì)比的結(jié)果表 明，使用多功能測(cè)試儀（MPT）在推力軸承上面進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)是完全可以進(jìn)行的。 圖 7：推力軸承測(cè)試（1000 牛） 3.2 通過點(diǎn)對(duì)面的測(cè)試進(jìn)行校準(zhǔn) 是可以歸因于不同的摩擦儀之間的精確度所造成的差異。 我們發(fā)現(xiàn)，使用從 CSM 實(shí)驗(yàn)儀器和 R&D 接收到的摩擦數(shù)據(jù)來進(jìn)行多功能測(cè)試儀（MPT）的 校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)條件是完全可以重復(fù)再現(xiàn)的。摩擦測(cè)試的初始條件我們?cè)O(shè)置為在旋轉(zhuǎn)速度為 100rpm 和 50 牛的負(fù)載條件下讀取的 100 個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，另外一種實(shí)驗(yàn)條件我們?cè)O(shè)置為在旋轉(zhuǎn) 速度為 60rpm 和負(fù)載在 10 牛的條件下讀取的 100 個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。兩個(gè)摩擦結(jié)果的差異被認(rèn)為 （a）R&D 點(diǎn)對(duì)面的測(cè)試數(shù)據(jù) （b）CSM 的對(duì)照 圖 8：多功能試驗(yàn)機(jī)的點(diǎn)對(duì)面測(cè)試的數(shù)據(jù) 圖 7（a）中為多功能測(cè)試儀（MPT）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與從 CSM 實(shí)驗(yàn)儀器和 R&D 中獲得的實(shí)驗(yàn) 結(jié)果來進(jìn)行相互的比較，其中，該摩擦系數(shù)是時(shí)間的函數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)條件之 下，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)的平均差異為 5%。圖 7（b）是從 CSM 實(shí)驗(yàn)儀器和多功能測(cè)試儀（MPT） 中獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的摩擦系數(shù)的相互對(duì)比，而該摩擦系數(shù)是距離的函數(shù)，這兩種摩擦實(shí) 驗(yàn)都是采用了油潤(rùn)滑的方法。從 CSM 實(shí)驗(yàn)儀器中獲得的摩擦系數(shù)結(jié)果約為 0.11，而從多功能 測(cè)試儀（MPT）中獲得的摩擦系數(shù)結(jié)果約為 0.13。 4、實(shí)驗(yàn)結(jié)論 多功能測(cè)試儀（MPT）被設(shè)計(jì)用于使用具有通用部件的單一框架測(cè)量和評(píng)估不同的測(cè)試類 型的摩擦和磨損。小型的多功能測(cè)試儀（MPT）通過對(duì)兩種不同的測(cè)試類型，點(diǎn)對(duì)面的測(cè)試 以及推力軸承的測(cè)試來分別進(jìn)行檢查。其中，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)面的測(cè)試主要是出于校準(zhǔn)的目的。與 距離成函數(shù)關(guān)系的摩擦系數(shù)的數(shù)值是通過客戶組織的 CSM 實(shí)驗(yàn)儀器來確定的，與時(shí)間成函數(shù) 關(guān)系的摩擦系數(shù)的數(shù)值是通過 KOLAS 來確定的。而進(jìn)行推力軸承測(cè)試的目的是使用之前對(duì)于 UNSM 的研究作為對(duì)照的基礎(chǔ)來核實(shí) MPT 實(shí)驗(yàn)儀器的性能。所有的摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果在誤差范圍內(nèi) 都表現(xiàn)出了相對(duì)的穩(wěn)定性。這一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果支持了小型 MPT 實(shí)驗(yàn)儀器可以成功用于進(jìn)行摩擦 測(cè)試和磨損測(cè)試的研究結(jié)論。目前 MPT 實(shí)驗(yàn)儀器的專利還懸而未決，而中型和大型版本的研 究工作還尚在開發(fā)建設(shè)當(dāng)中。 參考文獻(xiàn) 1. G.S. CHOI、Y.S. PYUN、S.K. HAN、J. H. Park，2010 年“摩擦和磨損測(cè)試的發(fā) 展”；韓國(guó)機(jī)床工程協(xié)會(huì)，第 53 頁。 2. Nachman, G.，1999 年“噴丸加工的回顧、現(xiàn)狀和前景”； ASTM 物料編號(hào)：MNL56， 第 7 屆噴丸加工內(nèi)部會(huì)議，第 1 – 4 頁。 3. Kenneth G. Budinski，2007 年“摩擦、磨損和腐蝕測(cè)試指引”，不同磨損類型的 識(shí)別，第 1 – 15 頁。 4. Y.S.PYUN，2005 年“CAE S/W 機(jī)械設(shè)計(jì)”。 5. ISO（2004），“精細(xì)陶瓷（先進(jìn)陶瓷、先進(jìn)技術(shù)陶瓷） - 使用球形對(duì)面的方法進(jìn) 行單片陶瓷的摩擦和磨損特性測(cè)試：208008”。 6. ASTM (2005)，“使用點(diǎn)對(duì)面裝置進(jìn)行摩擦測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法：G99-05”。 7. ASTM(2009)，“使用止推墊圈試驗(yàn)機(jī)測(cè)試自潤(rùn)滑摩擦接觸點(diǎn)中磨損速率和材料摩擦 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法：D3702-94"。 8. ASTM (1997)，“使用通用試驗(yàn)機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的計(jì)算機(jī)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)評(píng)估的 標(biāo)準(zhǔn)指引：E1856-97。