一種高頻微動摩擦磨損試驗設備結構設計

[13]電機速度可調(diào)且保證穩(wěn)定精確，無復雜應力及扭矩變化。因此選擇電機的過程中，應當根據(jù)以上特點選擇一款適用的電機。在經(jīng)過綜合比較后，選擇了KZ-165-100伺服電機，主要參數(shù)見表2.1.表2.1伺服電機的型號型號/額定拖動電流（A）轉速（r/min）功率（W）頻率（HZ）KZ-165-1007.610007500~100電機扭矩的大小計算如下T=9.55P式中T——電機輸出扭矩，N?mP——電機功率，Wn——電機轉速，r/min安裝一個伺服電機驅(qū)動器，該電機頻率最高100HZ，且電機速度可調(diào)，可滿足對不同摩擦藝術材料的試驗要求。2.3往復運動機構的設計2.3.1往復運動機構的選擇目前實現(xiàn)往復運動的常用機構大概有三種，分別是曲柄滑塊機構、齒輪機構和凸輪機構。曲柄滑塊機構雖然結構簡單成本低，但其行程過大不能滿足微動工況；齒輪機構要求較高的制造和安裝精度，成本較高；而凸輪連桿機構行程不大正好可以滿足微動工況，且結構簡單設計方便可實現(xiàn)任意復雜的預期運動規(guī)律，綜合考慮后決定采用凸輪連桿機構。具體設計方案如下圖：圖2.1往復結構示意當電機啟動后，偏心輪通過鍵與電機主軸連接，隨著主軸做旋轉運動，隨后偏心輪帶動連桿進行上下運動，連接塊與其相連的試驗平臺在連桿的帶動下沿著導軌實現(xiàn)直線往復運動，如此就實現(xiàn)了回轉運動到往復運動的轉化。2.3.2凸輪的設計本設計要求往復運動距離不能過大，且可以調(diào)整，決定采用可調(diào)偏心輪，經(jīng)設計偏心輪的偏心距為10-25mm，偏心輪上的凹槽即為調(diào)節(jié)偏心距所設計的，偏心輪中心處與電機主軸通過鍵相連接，因本設計主軸轉速相對穩(wěn)定不會特別高，所以對鍵的要求并不高，決定采用常見的2*2*16mm的平滑圓頭鍵連接。偏心輪的材質(zhì)選擇45號鋼，具體設計如下圖：圖2.2偏心輪結構示意圖圖2.3偏心輪結構三維示意圖2.3.3位移縮小機構的設計本實驗為高頻微動摩擦磨損實驗，故而需要微位移機構來縮小試樣之間產(chǎn)生相互摩擦的位移，現(xiàn)對目前常見的幾類微位移機構進行優(yōu)缺點分析：（1）機械傳動微位移機構雖然在機械行業(yè)中得到普遍運用，但不適合用在高精度的微位移系統(tǒng)。（2）電熱式微位移機構成本要求不高，制作方便，操作方式簡單可靠，但由于高溫的存在導致其位移精度的不穩(wěn)定，并不適合用作高速位移系統(tǒng)。（3）彈性變形微位移機構雖然能夠獲得很大的位移縮小比例，但它的不能得到穩(wěn)定的定位精度，因其特別容易受到其他因素的影響。（4）磁致伸縮微位移機構應用并不廣泛，因為其結構在磁場力和溫度的作用下容易發(fā)生變形。（5）電磁鐵驅(qū)動的微位移機構不能在工作時有效的進行散熱，最終會導致溫度過高而影響到試驗的精度。（6）壓電陶瓷微位移機構存在著諸多優(yōu)點，它的結構非常精致，這也意味著其具有高精度的特點，并且噪音小，缺點是成本不低。綜合以上各機構的優(yōu)缺點考慮后，再與經(jīng)濟成本的要求相結合，本試驗設備決定采用機械傳動微位移機構——三角形位移縮小機構，如下圖所示的連桿機構：圖2.4位移縮小結構示意初步設計連桿長度為121mm、64mm、64mm，因為偏心輪偏心距為10-25mm，所以經(jīng)過計算得到的往復移動距離縮小為4-13mm。三角形位移縮小機構的一端固定，另一端通過連接塊與導軌相連接，從而進行往復運動，如上圖2.1所示。各連桿設計如下圖所示：圖2.5連桿1結構示意圖2.6連桿1結構三維示意圖2.7連桿2、3結構示意圖2.8連桿2、3結構三維示意2.4平面試樣夾具設計本實驗的材料為45號鋼，其試樣具體尺寸為長64mm、寬25mm、高5mm，所以根據(jù)實驗材料設計出一種如下圖2.9所示的平面試件夾具，先將平面試樣的頂塊放入夾具中用來支撐試驗所需的平面試件，從而可以使平面試件不產(chǎn)生彎曲變形，再將平面試件放在試件頂塊上，隨后通過夾具蓋板對試件進行加緊固定，防止試件在實驗時發(fā)生位移，對實驗產(chǎn)生影響。圖2.9平面試件夾具示意圖2.10平面試件夾具三維示意圖2.11平面試件蓋板三維示意2.5球試樣夾具設計本實驗球試樣的直徑為15毫米的45滾珠軸承鋼，故設計球試件夾具為螺紋加緊裝置，使用圓螺母加緊試件來進行實驗摩擦，如下圖所示：圖2.12球試件夾具示意上圖中的球試件夾具和夾緊裝置是螺紋連接的，球試件夾具一對緊定螺釘與上方的彈性梁相連接，將球試件通過球試件夾具中的螺紋旋轉進去固定，隨后用圓螺母加緊試件，防止其在實驗時發(fā)生滑動，通過調(diào)整雙頭螺柱上的夾具柄的上下高度，以此來調(diào)整球試件和平面試件的垂直距離。球試件夾具三維示意如圖：圖2.13球試件夾具三維示意2.6摩擦磨損測試組件部分2.6.1彈性梁的設計實驗中所得到的摩擦力值，是加載砝碼作用于兩個試件間所產(chǎn)生的摩擦力使得彈性梁產(chǎn)生變形，隨后通過對變形量測定而間接得來的，彈性梁是摩擦力測試系統(tǒng)的主要部件，故對于彈性梁之設計非常的重要。本設計為了盡量降低彈性梁在摩擦力作用下產(chǎn)生的彈性變形，改良了彈性梁的結構，提高了試驗機的可靠性和精度，其試驗要求基本可以滿足。因此在綜合以上要求，對試驗數(shù)據(jù)的可靠性等各種問題仔細考慮后，決定采用鉸鏈式結構彈性梁。具體結構如下圖所示：圖2.14彈性梁架構示意圖2.15彈性梁三維示意2.6.2砝碼加載部分的設計為了滿足實驗條件的要求，本試驗機采用加載砝碼實現(xiàn)法相載荷的加載，不但加載方便，且結構簡單、成本較低，其結構如下圖所示：圖2.16砝碼加載機構示意如上圖2.16所示，試驗開始前，首先使用調(diào)平砝碼調(diào)整彈性梁的平衡，隨后通過加載砝碼使法相載荷從零開始依次遞增。2.6.3支撐軸和軸承支座的設計為了防止彈性梁在實驗過程中產(chǎn)生滑移，軸向壓力過大導致實驗結果不準確，本試驗機設計如圖2.17的階梯軸來對彈性梁進行支撐工作，利用高低不同的軸肩來避免彈性梁產(chǎn)生滑移，兩者間采用了過盈配合的方式。圖2.17支撐軸示意圖2.18支撐軸三維示意支撐軸在其兩端分別用一個深溝球軸承連接到軸承支座上，軸承支座如圖2.19所示。本設計由于彈性梁與支座連為一體，在摩擦力作用下支座同樣會發(fā)生形變，因此當軸承支座的彈性形變過大時，應對其進行非常精細的控制，這樣就可在彈性梁受力部位被施加加載力時，減少其所發(fā)生的大部分位移，進而提高試驗設備的可靠性。圖2.19軸承支座示意圖2.20軸承支座三維示意2.7摩擦磨損量的計算將直徑15mm的鋼球固定在球試件夾具上，再將平面試樣固定在平面試件夾具上，實驗開始時，首先使用調(diào)平砝碼對彈性梁的平衡進行調(diào)節(jié)，然后通過加載砝碼加載實驗所需的法向加載力，最后啟動電機，開始計算電動機的轉速，達到預定的實驗轉速后，停機，卸下平面試件，用放大鏡測量下它的磨痕長度和寬度，按規(guī)定程序反復試驗，最終確定出平均的磨損量。2.8本章小結本章主要對試驗機的設計要求進行了描述，根據(jù)試驗機所需的具體要求，選擇出了適用的電機的，對往復式機構進行了尺寸設計，并設計了位移縮小機構實現(xiàn)小幅位移值的輸出。之后，針對本試驗機所需要的球—面摩擦副，設計了平面試件夾具和球試件夾具，并對摩擦磨損測試組件部分進行了設計。

3摩擦力監(jiān)測系統(tǒng)3.1摩擦力的測量該試驗機主要是以球-面摩擦副來模擬工程中的摩擦磨損現(xiàn)象的，摩擦球通過夾具夾持在彈性梁上，通過與夾在導軌上的摩擦平面進行摩擦，產(chǎn)生的摩擦力使彈性梁變形，從而測出彈性梁的變形量，求出摩擦力的大小。原理如下圖所示圖3.1摩擦力測量示意假設球試件和平面試件之間的摩擦力系數(shù)是μ，而加載砝碼對球試件的法向加載力是Fn，它是由加載砝碼的重力產(chǎn)生的，所以是固定值，摩擦副由兩試件相互運動產(chǎn)生，其之間具有的摩擦力是Ft，則有：μ=FnFt因此，只需事先確定負載重量，然后測量傳感器上的受力，就可以求出摩擦因數(shù)μ。3.2測力傳感器的選擇和設計3.2.1測力傳感器的選擇測力傳感器的準確度和分辨率對試驗機進行摩擦磨損試驗測量摩擦力的影響是非常大的，是決定測試設備性能優(yōu)劣的關鍵，并且通常是以測力方法為原理所制造出來的。目前常見的測力方法大致有五種，分別有光學反射法，力平衡法，壓電法，應變片法，位移法。然而，力平衡法的準確度比較低，并不適用于微摩擦測試。光學法擁有最高的準確度，但是它的成本太高。壓電式測量法的不足之處在于，它只適合在動態(tài)力的測量中使用。電阻應變片法的測試電路比較簡單，結構緊湊，工作穩(wěn)定，它的實際應用也比較成熟，盡管它的分辨率比不上光學法，但已經(jīng)可以滿足測試系統(tǒng)的精度要求。綜合以上考慮分析，本試驗機通過電阻應變片來間接測量摩擦力。3.2.2測力傳感器的設計（1）本實驗設計將四個電阻應變片貼在彈性梁薄壁處，如下圖所示：圖3.2測力傳感器示意（2）本試驗機采用全橋電路來測量摩擦力，采用全橋式電路，不僅可以在電阻應變片測力時提高傳感器的反應速度，還能提高傳感器的精確度，使其能夠克服溫度效應。如下圖：圖3.3全橋電路示意3.3箱體的設計本設計決定在箱體表面附帶線路控制板，以滿足對試驗機的控制，隨后設計出區(qū)域用于安裝選用的電機和設計的試驗裝置，本試驗機為降低測試過程中震動對實驗數(shù)據(jù)的影響，故而設計的機座質(zhì)量較大，具體設計如圖：圖3.4箱體示意3.4本章小結本章主要說明了摩擦力測量的具體方法，選擇和設計了測力傳感器和箱體，根據(jù)設計要求設計滿足試驗需要的測力傳感器，采用全橋電路來測量摩擦力，同時在確定各部件參數(shù)的情況下設計出用于安裝電動機，承載試驗裝置以及在其表面附帶線路控制板的箱體。

4總結本文所設計的是一種高頻微動摩擦磨損試驗設備結構，最終主體設計分別有摩擦磨損試驗機和摩擦力監(jiān)測系統(tǒng)兩個部分，摩擦磨損試驗機部分包括電機的選用、往復運動機構的設計、位移縮小機構、平面試件夾具裝置、球試件夾具裝置、摩擦磨損測試組件部分，而摩擦力監(jiān)測系統(tǒng)則對摩擦力的測量方法進行了說明，對測力傳感器的選擇和設計及箱體的設計進行了具體說明。在選擇了合適的電機后，根據(jù)電機的主軸尺寸參數(shù)，就可以進行相應的往復式運動機構的設計。使用盤型凸輪連桿機構作為往復運動結構，凸輪連桿機構通過連接件與導軌上的試件夾具體相連，帶動試件做直線往復運動。設計合理的三角形位移縮小機構，通過連桿與固定件相連來限制往復移動距離，從而實現(xiàn)微位移。平面試件上方是固定不動的球試件，兩者通過點接觸來進行摩擦實驗。根據(jù)本實驗機的設計要求，選擇合適的彈性梁。彈性梁與支撐軸間采用過盈配合，避免實驗中產(chǎn)生滑移。當實驗開始時，通過彈性梁后端的調(diào)平螺母調(diào)整彈性梁的平衡，隨后彈性梁前端的球試件和平面試件在砝碼重力的作用下，會形成一對高頻微動摩擦副，摩擦副之間會形成摩擦力，當摩擦力對彈性梁產(chǎn)生作用時，彈性梁就會發(fā)生彈性變形，在變形量較少的情況下，變形量和摩擦力相互之間同向按比例增減，隨后測力傳感器將其進行分析，通過計算來得到摩擦力。本次設計的一種高頻微動摩擦磨損試驗設備可以適用不同硬度的材料在高頻微動工況中進行實驗，其整體結構示意圖與模型圖如下圖4.1和4.2所示。圖4.1試驗機整體結構圖圖4.2試驗機整體模型圖

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