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

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南京工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(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： 231120414 所在院(系)部： 工業(yè)中心 專 業(yè) 名 稱： 機(jī)械設(shè)計及其自動化 先進(jìn)材料的開發(fā)與性能（AMDP2011） 現(xiàn)代物理學(xué)國際期刊：系列會議 第 6 卷（2012 年）534 頁 – 539 頁 世界科技圖書出版公司 數(shù)位物件識別號（DOI）10.1142/S201019451200373X 摩擦、磨損和滾動接觸疲勞用多用途試驗機(jī)的發(fā)展 GAB-SU CHOI 韓國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機(jī)。這款摩擦試驗機(jī)是根據(jù) ASTM G99 標(biāo)準(zhǔn)搭建的，在 實驗機(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，這些試驗是依照 ASTM G99 的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的。我們將這些摩擦和磨損試驗的實驗結(jié)果與經(jīng)韓國（KOLAS）和 CSM 實驗 儀器批準(zhǔn)的摩擦結(jié)果進(jìn)行了相互對比。對比的結(jié)果顯示，摩擦特性和三種不同的摩擦儀的 動態(tài)彼此之間是相類似的。本文主要的目的就是對新開發(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 擦實驗。 關(guān)鍵字 摩擦實驗；磨損試驗；點對點實驗；點對面實驗；摩擦系數(shù) 1、 文章簡介 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步驟就是要降低相對運(yùn) 動中的摩擦系數(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)測試儀器來對標(biāo)準(zhǔn)的試樣和滑動/推力軸承分別進(jìn)行 摩擦測試，該測試儀器是依照 ASTM G99 的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行構(gòu)建的。 本文對于三種不同的多功能測試儀（MPT）的發(fā)展進(jìn)行了描述，而這三種不同的多功能 測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驗、小型的 滑動軸承實驗以及球型/滾動軸承實驗。這些測試儀分別能夠承受 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)，在小型的多功能測試儀（MPT） 中獲得了點對面的實驗結(jié)果，然后再將點對面的實驗結(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)果和從韓國的測試認(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試儀的實驗是在完全相同的條件下進(jìn)行的。 同樣，推力滾珠軸承的測試是在小型的多功能測試儀（MPT）中進(jìn)行的，測試所獲得的實驗 結(jié)果可以和之前使用相同的滾珠軸承獲得的實驗結(jié)果來進(jìn)行相互對比。不同的面對面測試、 滑動軸承和滾動接觸摩擦（RCF）實驗?zāi)壳耙策€都在進(jìn)行之中。 2、 多用途摩擦和磨損測試儀的設(shè)計 2.1 摩擦和磨損條件的要求 多功能測試儀（MPT）暗指是被設(shè)計出來用于進(jìn)行多種不同的摩擦和磨損實驗的測試儀 器，如果依照 ASTM G99 的標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行點對面、面對面，球?qū)γ婧?RCF 測試，以及推力軸 承的測試，如圖表 1 所示。表 1 中為部分設(shè)計條件以及新開發(fā)的多功能測試儀（MPT）的一 些技術(shù)參數(shù)。 表 1：多功能摩擦和磨損測試儀的類型 項目 小型測試儀 中型測試儀 大型測試儀 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) 臨時傳感器 RT ~ 150 ℃ RT ~ 150 ℃ RT ~ 150 ℃ 振動傳感器 0.5~50Gpeak 0.5~50Gpeak 0.5~50Gpeak 球盤式（ISO7148） 銷盤式（ASTM G99） 盤對盤（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試類型 2.2 多用途測試機(jī)的硬件設(shè)計 圖 2 之中分別為設(shè)計用于開發(fā) 500 牛負(fù)載以及 2000 牛負(fù)載的小型測試機(jī)和中型測試機(jī)。 大型的負(fù)載為 10000 牛的大型測試機(jī)結(jié)構(gòu)目前還尚在開發(fā)建設(shè)之中。為了便于從一種測試類 型向另外一種測試類型進(jìn)行切換，每一種試驗的介質(zhì)（球型接觸、點接觸等）都被封裝在了 可交換的單元之內(nèi)（比如測試頭），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。試驗臺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。 動力裝置 測試頭和夾持裝置 試驗臺 負(fù)載 圖 2（a）：小型（左側(cè)）和中型（右側(cè)）的多功能測試機(jī) 夾持裝置 測試頭 負(fù)載元件 樣本夾具 測試頭和夾持裝置 （a）球形對面的接觸 （b）RCF （c）推力滾珠軸承 （d）滾柱軸承 圖 3：測試頭的類型 圖 3 中為摩擦實驗的面樣本以及標(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)。可是經(jīng)過實驗， 我們發(fā)現(xiàn)可編程邏輯控制器（PLC）無法獲得實時情況下的可靠結(jié)果，因為在數(shù)據(jù)析取之中 會出現(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)行實時控制并且可 以讀取實驗的狀態(tài)，如圖 5 所示。 （a）人機(jī)界面的設(shè)計觸控面板 （b）主操作員控制面板 圖 5：摩擦和磨損試驗機(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可靠的摩擦和磨損的實驗數(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、 測試距離、溫度和振動方面的實驗數(shù)據(jù)。這種控制系統(tǒng)能夠同時處理不同的多功能測試儀 （MPT），如圖 5 所示。 圖 6：人機(jī)界面控制系統(tǒng)的兼容性 3. 多功能試驗機(jī)的校準(zhǔn)和測試 3.1 推力軸承的測試 我們使用了多功能測試儀（MPT）來對未經(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)行了摩擦實驗。而摩擦實驗的結(jié)果告訴我們，摩擦系數(shù)減小了。趨勢對比的結(jié)果表 明，使用多功能測試儀（MPT）在推力軸承上面進(jìn)行摩擦實驗是完全可以進(jìn)行的。 圖 7：推力軸承測試（1000 牛） 3.2 通過點對面的測試進(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 實驗儀器和 R&D 接收到的摩擦數(shù)據(jù)來進(jìn)行多功能測試儀（MPT）的 校準(zhǔn)，實驗條件是完全可以重復(fù)再現(xiàn)的。摩擦測試的初始條件我們設(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 個實驗數(shù)據(jù)，另外一種實驗條件我們設(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 個實驗數(shù)據(jù)。兩個摩擦結(jié)果的差異被認(rèn)為 （a）R&D 點對面的測試數(shù)據(jù) （b）CSM 的對照 圖 8：多功能試驗機(jī)的點對面測試的數(shù)據(jù) 圖 7（a）中為多功能測試儀（MPT）的實驗結(jié)果與從 CSM 實驗儀器和 R&D 中獲得的實驗 結(jié)果來進(jìn)行相互的比較，其中，該摩擦系數(shù)是時間的函數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定的實驗條件之 下，兩個實驗結(jié)果出現(xiàn)的平均差異為 5%。圖 7（b）是從 CSM 實驗儀器和多功能測試儀（MPT） 中獲得的實驗結(jié)果之間的摩擦系數(shù)的相互對比，而該摩擦系數(shù)是距離的函數(shù)，這兩種摩擦實 驗都是采用了油潤滑的方法。從 CSM 實驗儀器中獲得的摩擦系數(shù)結(jié)果約為 0.11，而從多功能 測試儀（MPT）中獲得的摩擦系數(shù)結(jié)果約為 0.13。 4、實驗結(jié)論 多功能測試儀（MPT）被設(shè)計用于使用具有通用部件的單一框架測量和評估不同的測試類 型的摩擦和磨損。小型的多功能測試儀（MPT）通過對兩種不同的測試類型，點對面的測試 以及推力軸承的測試來分別進(jìn)行檢查。其中，進(jìn)行點對面的測試主要是出于校準(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 實驗儀器來確定的，與時間成函數(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)行推力軸承測試的目的是使用之前對于 UNSM 的研究作為對照的基礎(chǔ)來核實 MPT 實驗儀器的性能。所有的摩擦實驗結(jié)果在誤差范圍內(nèi) 都表現(xiàn)出了相對的穩(wěn)定性。這一實驗的結(jié)果支持了小型 MPT 實驗儀器可以成功用于進(jìn)行摩擦 測試和磨損測試的研究結(jié)論。目前 MPT 實驗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“摩擦和磨損測試的發(fā) 展”；韓國機(jī)床工程協(xié)會，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：MNL56， 第 7 屆噴丸加工內(nèi)部會議，第 1 – 4 頁。 3. Kenneth G. Budinski，2007 年“摩擦、磨損和腐蝕測試指引”，不同磨損類型的 識別，第 1 – 15 頁。 4. Y.S.PYUN，2005 年“CAE S/W 機(jī)械設(shè)計”。 5. ISO（2004），“精細(xì)陶瓷（先進(jìn)陶瓷、先進(jìn)技術(shù)陶瓷） - 使用球形對面的方法進(jìn) 行單片陶瓷的摩擦和磨損特性測試：208008”。 6. ASTM (2005)，“使用點對面裝置進(jìn)行摩擦測試的標(biāo)準(zhǔn)測試方法：G99-05”。 7. ASTM(2009)，“使用止推墊圈試驗機(jī)測試自潤滑摩擦接觸點中磨損速率和材料摩擦 系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法：D3702-94"。 8. ASTM (1997)，“使用通用試驗機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的計算機(jī)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)評估的 標(biāo)準(zhǔn)指引：E1856-97。