1、 延 边 大 学题 目：微振磨损试验机设计姓 名：王洪宇学 院：工学院专 业：机械设计制造及其自动化班 级：2008 级指导老师：任靖日 教授二一二年 六月学校代码： 10184学 号： 2084020020本科毕业设计说明书本 科 毕 业 设 计延边大学本科毕业设计1摘 要微振摩擦发生在两接触表面之间有极小振幅运动的情况下。微振摩擦不仅可以导致接触表面间的摩擦磨损，而且会加速裂纹的产生和扩展，最终使得构件的疲劳寿命大大降低。目前，工业领域中因微振摩擦而造成的损伤相当普遍。因此，深入开展微振摩擦学的研究，对预防和控制工业微动损伤有重要的指导意义，且具有广阔的工程应用前景。而且在机械工程及其相关
2、领域不断发展的形势下，摩擦学的研究领域正由宏观转向微观发展，所以对微振磨损试验机的设计和深入研究有利于在实际的工程生产中正确的选择材料，避免了一些不必要的浪费。本文概述了微振摩擦磨损试验机的发展概况、分类、特点等，并简要分析了验机的要求明细表、功能结构图。该试验机性能稳定，测试系统准确可靠,且试验数据充分。关键词：微振摩擦；位移缩小机构；弹性梁；试验机延边大学本科毕业设计2AbstractFretting occurs on the contact surface between two components which are placed in a small amplitude vibr
3、ation circumstance. Fretting wear is one of the most important phenomena for inducing a dramatic reduction of fatigue strength. The damage induced by fretting is very common in industry and possible catastrophic consequence occurs. Thus, studies on fretting wear not only have science significance of
4、 exploring the unknown, but also show a broad prospect of engineering application in many fields, which have important guidance to palliate fretting damages in industry. And with the development of mechanical engineering and the related fields, the tribology research is turning macroscopic developme
5、nt to microscopic development. So the design and researches on fretting testing machine are useful for choosing the right materials in the actual engineering production that avoids some unnecessary waste.The paper mainly introduces the development situation, classification, and characteristics of fr
6、etting testing machine and briefly analyzes its request in details and function structure chart. The apparatus has stable performance, accurate and reliable testing system and the testing data is sufficient.Keywords: fretting wear, displacement narrow institutions, elastic beam, testing machine延边大学本
7、科毕业设计3目录摘 要 .1Abstract.2目录 .3引 言 .5第一章 绪论 .61.1 论文的研究背景 .61.2 微振摩擦磨损试验机的研究现状 .7第二章 微振摩擦磨损试验机简介 .92.1 主要用途与适用范围 .92.2 主要技术规格、技术参数和技术指标 .92.3 工作条件 .102.4 试验机结构及工作原理 .102.4.1 试验机结构 .102.4.2 工作原理：（参看图 1：工作原理图） .102.4.3 主轴及往复运动系统 .112.4.4 位移缩小机构系统 .112.4.5 摩擦副及摩擦力测量系统 .122.4.6 测力传感器的选择 .132.4.7 测力传感器的设计
8、.14第三章 摩擦磨损实验机设计准则 .153.1 实验机的材料性能 .153.2 实验机性能 .153.2.1 试件接触形式和运动状态 .153.2.2 调节试件的能力 .163.3 实验机的设计和选择原则 .163.3.1 首先确定磨损类型 .173.3.2 磨损试件的接触条件和运动形式要与实际零件工作情况相同 .173.4 经济性 .17第四章 试验条件因素 .18第五章 微振摩擦磨损实验机的主体结构设计 .195.1 驱动部分 .195.2 传动部分 .205.3 摩擦磨损测试组件部分 .225.3.1 弹性梁的设计 .225.3.2 弹性梁夹具设计 .235.4 试件夹具的设计 .2
9、45.4.1 平面试件的夹具 .245.4.2 球试件的夹具 .25延边大学本科毕业设计45.5 箱体设计 .265.5.1 设计方法 .265.5.2 箱体主要结构参数的选择 .265.6 实验参数的选择 .265.6.1 实验时间 .275.6.2 实验载荷和偏心轮的转速 .275.6.3 实验次数 .275.6.4 控制试件摩擦表面所处的状态 .275.7 摩擦磨损的计算方法 .275.7.1 磨损量的计算 .275.7.2 摩擦系数的计算 .285.8 试验机整体结构 .28第六章 结论 .29参考文献 .30谢 辞 .31延边大学本科毕业设计5引 言随着科学技术的发展，现代金属材料的
10、应用范围日益宽广，使用条件日益苛刻，不仅要求宏观上的性能指标，而且对微观上的要求也十分严格， ，因而本设计就是研究材料在微动工况下的摩擦磨损的性能，来方便工程人员合理的选材，避免造成不必要的浪费。所以微动摩擦磨损试验机就能够检测出在微动情况下材料抵抗摩擦磨损的能力。本设计旨在综合已有研究成果的基础上，设计一种使用方法简单、结构合理，并且符合标准试验法要求的微动摩擦磨损试验机，以便在某些特殊情况下自行设计、制造及改装使用。在设计和研制过程中，遵循了试验机设计和选择原则，并严格按照机械设计的设计步骤进行设计，突出体现了简捷、精确的特点。在学习、体会、忙碌与运用中，我的毕业设计结束了，我的学生生涯也
11、要随之逝去。我已经做了自己最大努力去完成设计，但我知道仍然还有许多不足之处，希望各位老师批评并指正。延边大学本科毕业设计6第一章 绪论1.1 论文的研究背景微动是指在一个振动环境下，发生在近似紧配合的接触表面之间的微米量级振幅的运动。微动现象由于没有宏观的相对运动，因此从设计到失效分析几乎未引起相关学者的重视。但是，微动摩擦不仅可以造成接触表面间的摩擦磨损，引起构件咬合、松动或形成污染源等等，而且可以加速裂纹的萌生、扩展，使构件的疲劳寿命大大降低。在许多工业重要部门，微动已成为一些配合零部件失效的主要原因之一。微动摩擦研究中，存在着许多形式不一和研究对象不一的微动试验设备，从获得微动位移幅度和
12、交变应力的动力源的角度看，目前微动摩擦磨损试验机可以分为以下三类：机械式、电磁式和电液伺服式。采用以上3种驱动方式的微动试验机在实际应用中均存在不利因素，例如，机械式：自动化程度低、精度差；电磁式：振幅不高、激振力小；电液伺服式：体积大、成本高等。在机械工程及其相关领域不断发展的形势下，摩擦学的研究领域正由宏观转向微观，其试验也向着微观领域和动态测试方面发展。由于现有微动摩擦磨损试验机均存在自身的不利因素，使得微动摩擦学的研究受到了一定限制。因此，以微动摩擦磨损试验的目的和基本方法为基础，结合现代驱动技术、计算机技术、自动化技术和智能控制技术等设计开发新型微动摩擦磨损试验机，对深入开展微动摩擦
13、磨损试验机及试验技术的研究有着重要意义。摩擦学是由多学科组成的综合研究领域，研究以机械学、表面科学与技术、摩擦学材料、摩擦化学为主，同时也涉及流体力学、固体力学、非线性动力学、工程热物理、流变学、应用数学、物理学、化学、材料科学、信息理论等一系到学术领域。摩擦学研究的任务是从机械学、材料科学与表面科学的角度出发，不断吸取相关学科的知识和最新研究成果，在更深的层次上揭示摩擦与润滑的实质，探索新原理、新功能，推动摩擦学设计和减摩抗磨损技术的发展，并努力在实际中应用，以达到节省能量、提高磨损寿命和机械工作性能、解决极端工况条件下的摩擦、磨损、润滑问题的目的。延边大学本科毕业设计71.2 微振摩擦磨损
14、试验机的研究现状自1911年Eden首次报道微动这一现象以来，微振摩擦学的发展经历了90年，大致可分为4个阶段 1)微振摩擦学的建立(1911年40 年代)1911年Eden等发现微动现象后，一直到1927年才又引起重视，Tomlinson 首次专门设计设备对微动的过程进行研究，由于在他的试件上出现了红色a-Fc203氧化磨屑，因此他创造了“微动腐蚀”一词。此后，随研究的增多，人们又发现了微动疲劳现象，并注意到微动可以加速疲劳破坏，而且经常出现的微动和疲劳的联合作用才更危险，甚至可以使强度降低因子增至25或更大。2)微振摩擦学早期理论的建立(40年代末60年代末和70年代初)1949年Mind
15、lin提出了在一定条件下微动接触区存在滑移区和粘着区，并最早计算了接触应力分布，这标志着微动摩擦学的研究进入了一个新阶段。随战后现代工业的发展，微动损伤的危害日益突出，相关研究迅速增加。50年代初在美国Philadelphia召开了首届微动摩擦学会议并出版了第一本文集，这一时期Feng和Rightmire，tnaigh等提出了不同的微动磨损理论。1969年Nishioka 等提出了一种早期的微动疲劳模型，1970年Hurriek在他的一篇综述论文中将微动分为3个过程，1972年Waterhouse发表了首部有关微动的专著FrettingCorrosion)。3)微振摩擦学的重要发展阶段(70年
16、代80年代)进入70年代以后，新学科之间的相互交叉和科学技术的迅速发展，微动摩擦学也得到了迅猛的发展。新的学术思想不断地引入微动摩擦学的研究，例如，Hoeppncr，Endo和Goto等将断裂力学方法引入微动疲劳的研究， Waterhouse等人将Suh的大位移滑动磨损的剥层理论引入微动磨损的研究。随着分析方法和测试技术的不断发展，一些新的理论模型被先后提出，如80年代末Berthier、Vincent和Godet提出了微动运动调节理论，Godet提出了微动的三体理论等。4)微振摩擦学的崭新发展阶段(上世纪90年代以来)上世纪90年代以来，微动摩擦学的研究日趋活跃，研究论文迅猛增加，国际交流频
17、繁，在新材料、复合材料、表面工程、润滑、新型接触方式、计算机模拟、高新技术领域的应用等方面都取得了显著进展。Zhou 和Vincent 提出的二类微动图理论，揭示了微动运行机制和损伤机制之间的内在规律，为微动摩擦学的研究提供了有效工具，是近十年来微动摩擦学的重要进展之一。延边大学本科毕业设计8根据文献研究可知，近二十年来微动摩擦学学科的发展状况和未来趋势主要可以概括为6个方面：(1)基础研究 从简单的工业微动破坏现象观察、单一试验参数影响、平移微动模式分别走向破坏机理试验分析、综合机械与材料，如位移、压力、频率、往复次数、材料组织结构和力学性能等参数的影响、其它如径向、滚动、扭动、冲击等微动模
18、式的微动特性研究。Zhou和Vincent 在大量不同参数和材料的试验基础上，建立的二类微动图理论是最具代表性的进展。(2)理论分析一理论分析不再局限于Hertz弹性接触理论，借助于大型计算机、弹塑性力学、断裂力学、有限元法和能量分析等研究手段，模拟微动的运行和破坏过程已成为微动摩擦学理论研究的重要特型31。例如，Hill等和Dang van等在微动疲劳力学计算方面对裂纹的起源和扩展等进行了大量研究；Fouvry 、Kapsa 和Vmcent等发展了一种利用耗散能方法分析微动滑动的过程口。(3)新材料 过去的研究主要集中在金属材料，尤其是各种钢和铝合金，现在已有不少研究者开始致力于各种新材料，
19、如高分子材料、金属基复合材料、高分子基复合材料、连续纤维复合材料、先进陶瓷材料、粉末冶金材料、机械合金化材料、金属间化合物等几乎所有热门的材料研究领域的微动损伤规律的研究，而且研究数量呈迅速增加的趋势。(4)环境影响 由于现代科技发展的需要，工程构件的工况条件越来越苛刻，微动的研究不再局限于普通工况，除在传统的高温、真空和腐蚀气氛等环境下进行研究之外，诸如流动空气、水蒸气介质、生物性腐蚀介质、超低温和强磁场等特殊环境下的微动破坏机理的研究也得到积极开展。(5)防护措施 对微动破坏机理的研究正在向机理与抗微动破坏研究并重的阶段发展，各种减缓技术如表面处理、润滑和机械结构设计改进等均有很大的进展，
20、尤其是表面工程技术和润滑的研究受到了广泛的关注，并与工业应用密切结合。(6)工业应用 早期微动破坏的研究主要集中在航空部门，其实微动同样存在于许多重要的工业部门。近年来，核电站i高空电缆、钢丝绳索、大型轴、人工植入、电接触等工业领域的微动损伤已日益成为研究热点。延边大学本科毕业设计9第二章 微振摩擦磨损试验机简介2.1 主要用途与适用范围该机主要是以机械式微动摩擦磨损试验机进行设计的，利用该试验机进行了微动摩擦磨损试验，分析了位移幅值、法向载荷、运动频率等基本参数对微动摩擦副间摩擦系数的影响；通过金相显微镜，考察了不同试验条件下试件表面的磨斑形貌，研究了切向微动的运行和损伤机理。试验结果表明，试验数据和理论分析结果基本符。2.2 主要技术规格、技术参数和技术指标 序号 项 目 名 称1 模拟运动 微振磨损2 摩擦副形式 球面摩擦3 运动形式 往复运动4 试验力 20120N5 行程 4mm13mm6 主轴转速范围（无级可调） 01000r/min7 主轴转速误差 5 r/min 8 摩擦副温度控制范围 室温25 C9 摩擦副温度控制误差 2 C10 试验时间控制范围 1 秒99 小时11 介面介质 无液体介质12 外型尺寸 459mm301mm331mm13 净重 约 30kg14 试验用钢球 15mm
