摩擦試驗機樣機設計【優(yōu)秀課程畢業(yè)設計+含5張CAD圖紙+帶任務書+中期檢查表+答辯ppt+29頁加正文1.14萬字】-jxsj26

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摘  要

本論文分析了摩擦試驗機的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，詳細介紹了摩擦實驗機的工作原理以及在我國材料工程發(fā)展中的重要意義。

本次設計的摩擦試驗機是模擬高速鐵路運行時輪軌摩擦磨損的試驗機。它是對環(huán)塊式摩擦試驗機的改進，主要有正壓力加載系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分組成。本文將著重介紹其中的傳動系統(tǒng)和壓力加載系統(tǒng)。主機除了保留環(huán)塊摩擦試驗機的優(yōu)點外，采用了更為穩(wěn)定可靠的液壓系統(tǒng)來進行正壓力的加載，通過電動機帶動主軸上的車輪旋轉(zhuǎn)。壓力是由液壓系統(tǒng)通過液體工作介質(zhì)驅(qū)動液壓缸對試樣加載壓力。

該試驗機能夠在不同壓力，不同速度情況下對摩擦材料的摩擦磨損性能進行試驗。因此它將會是一些企業(yè)和科研機構(gòu)對材料性能進行測試、產(chǎn)品性能檢驗的重要實驗工具。

關(guān)鍵詞：摩擦試驗機；液壓加載；加載系統(tǒng)；傳動系統(tǒng)

ABSTRACT

This paper analyzes the present situation and the developing direction of friction testing machine, friction testing machine was introduced in detail the working principle and important significance in the development of materials engineering in our country.

 The friction tester of this design is a test machine that simulates the friction wear of high-speed railway. It is an improvement of the ring friction test machine, which mainly consists of three parts of the positive pressure loading system, transmission system and control system. This article focuses on the transmission system and the pressure loading system. Host in addition to the advantages of retaining ring piece of friction testing machine, have adopted a more stable and reliable hydraulic system for positive pressure load, through the motor drives the wheels on the spindle rotation. The pressure is driven by the hydraulic system through the liquid working medium and the hydraulic cylinder is applied to the sample loading pressure.

The test machine can test the friction wear properties of the friction material under different pressure and speed. Therefore, it will be an important laboratory tool for the testing and testing of material performance by some enterprises and scientific institutions. 

keywords：Friction tester; Hydraulic loading; loading system; transmission system

目  錄

1 緒論 1

1.1 選題背景及意義 1

1.2 摩擦試驗機及其分類 1

1.3 摩擦試驗機發(fā)展現(xiàn)狀 2

1.4 本論文主要研究內(nèi)容 3

2 總體方案的設計 4

2.1 設計要求 4

2.2 主要設計參數(shù) 4

2.3 摩擦試驗機的總體方案的設計 5

3 試驗機主要系統(tǒng)的設計 5

3.1 傳動系統(tǒng)的設計 5

3.2 傳動系統(tǒng)的確定 6

3.3 加載系統(tǒng)的設計 6

3.4 加載系統(tǒng)的確定 7

4 摩擦試驗機的設計計算 7

4.1 傳動系統(tǒng) 7

4.1.1 工作壓力的計算 7

4.1.2 試驗機電機選擇 9

4.1.3 主軸設計，校核以及聯(lián)軸器選擇 11

4.2 液壓系統(tǒng)的設計 15

4.2.1 液壓缸的設計 15

4.2.2 液壓泵 19

4.2.3 液壓控制元件 20

4.2.4 液壓輔助元件 20

4.2.5 液壓工作介質(zhì)的選擇 21

4.2.6 夾具 22

總結(jié) 23

致謝 24

參考文獻 25

大學畢業(yè)論文 (設計 ) 題 目 : 摩擦試驗機樣機設計 指導老師 : 祁文軍 學生姓名： 潘鵬 所屬院系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械工程（礦山機電） 班 級 ： 機械 13 完成日期 ： 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 聲 明 本人鄭重聲明 ，畢業(yè)設計論文 —— 《摩擦試驗機樣機設計》系本人在老師指導下獨立完成，沒有抄襲、剽竊他 人成果，由此造成的一切后果由本人負責。 聲明人 ： 年 月 日 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 新 疆 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 班 級： 機械 13 姓 名： 潘 鵬 論文（設計）題目： 摩擦試驗機樣機設計 專 題： 論文（設計）來源： 應用研究 要求完成的內(nèi)容： 獻檢索不低于 15 篇 制原理圖草圖） 械結(jié)構(gòu)、執(zhí)行元件） 發(fā)題日期： 2016 年 12月 30日 完成日期： 2017 年 5 月 28 日 實習實訓單位： 中國一拖 地點： 洛陽 論文頁數(shù)： 頁； 圖紙張數(shù)： 指 導教 師： 祁文軍 教研室主任： 伊力哈木 院 長 ： 孫文磊 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） I 摘 要 本論文分析 了摩擦試驗機的現(xiàn)狀和發(fā)展 方向，詳細介紹了摩擦實驗機的工作原理以及在我國材料工程發(fā)展中 的重要意義。 本次設計的摩擦試驗機是模擬高速鐵路運行時輪軌摩擦磨損的試驗機。它是對環(huán)塊式摩擦試驗機的改進， 主要有正壓力加載系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三部分組成。本文將著重介紹其中的傳動系統(tǒng)和壓力加載系統(tǒng)。主機除了保留環(huán)塊摩擦試驗機的優(yōu)點外，采用了更為穩(wěn)定可靠的液壓系統(tǒng)來進行正壓力的加載，通過電動機帶動主軸上的車輪旋轉(zhuǎn)。壓力是由液壓 系統(tǒng)通過液體工作介質(zhì)驅(qū)動液壓缸對試樣加載壓力。 該試驗機能夠在不同壓力，不同 速度情況下對摩擦材料的摩擦磨損性能進行試驗 。 因此它將會是一些企業(yè)和 科研 機構(gòu)對 材料性能 進行 測試、產(chǎn)品性能檢驗的重要實驗工具。 關(guān)鍵詞 ： 摩擦試驗機 ； 液壓加載 ； 加載系統(tǒng) ； 傳動系統(tǒng) 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） of in in of in of is a of It is an of of of on in to of of a on is by is to of it be an of by 疆大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 錄 1 緒論 .................................................................. 1 題背景及意義 ................................................. 1 擦試驗機及其分類 .............................................. 1 擦試驗機發(fā)展現(xiàn)狀 .............................................. 2 論文主要研究內(nèi)容 .............................................. 3 2 總體方案的設計 ........................................................ 4 計要求 ....................................................... 4 要設計參數(shù) ................................................... 4 擦試驗機的總體方案的設計 ...................................... 5 3 試驗機主要系統(tǒng)的設計 .................................................. 5 動系統(tǒng)的設計 ................................................. 5 動系統(tǒng)的確定 ................................................. 6 載系統(tǒng)的設計 ................................................. 6 載系統(tǒng)的確定 ................................................. 7 4 摩擦試驗機的設計計算 .................................................. 7 動系統(tǒng) ....................................................... 7 作壓力的計算 ........................................... 7 驗機電機選擇 ........................................... 9 軸設計，校核以及聯(lián)軸器選擇 ............................ 11 壓系統(tǒng)的設計 ................................................ 15 壓缸的設計 ............................................ 15 壓泵 .................................................. 19 壓控制元件 ............................................ 20 壓輔助元件 ............................................ 20 壓工作介質(zhì)的選擇 ...................................... 21 具 .................................................... 22 總結(jié) ................................................................... 23 致謝 ................................................................... 24 參考文獻 ............................................................... 25 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 1 1 緒論 題背景及意義 世界第一條鐵路在英國開通，鐵路運輸業(yè)發(fā)展迅猛，取得了較大的社會效益和經(jīng)濟效益，高速鐵路運行過程中，車輪和軌道接觸伴隨著摩擦磨損，隨著科學技術(shù)的進步，高速列車不斷提速，類型不斷增多，軸重類型不一，鐵路運輸對科學研究有了更高的要求，高速鐵路愈來愈注重其輪軌作為高速鐵路中重要的一部分，列車運行伴隨著滾動摩擦，由摩擦磨產(chǎn)生的安全問題和成本效率問題愈來愈嚴重，會造成一系列經(jīng)濟損失，研究其摩擦磨損性能顯得尤為重要，所以需要摩擦試驗機來模擬輪軌的運行，研究其在不同速度和壓力下的運行性能狀況，分析其材料的摩擦性能。不僅高速 鐵路輪軌摩擦的研究，機械設備是生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，現(xiàn)階段機械產(chǎn)品正在向速度越快、精度越高、產(chǎn)量越大、自動化程度越高的方向發(fā)展。 物體通過接觸 ， 并且相互運動就會產(chǎn)生摩擦 ， 在一起接觸的兩個物體或介質(zhì)之間會在外力的作用 ，會發(fā)生相對運動或者產(chǎn)生運動的趨勢，在運動的過程中物體接觸表面上所產(chǎn)生的阻礙作用稱為摩擦力，這種阻礙相對運動的力稱為摩擦力。摩擦力的方向就是物體接觸面的切線方向，力的方向和物體的運動方向正好相反 [1]。 由摩擦引起的材料磨損 以及對其潤滑和能源浪費，甚至還有安全問題等很多摩擦學問題廣泛存在，對社會的進步 、經(jīng)濟的發(fā)展有比較大影響。對于機械產(chǎn)品和應用中，按其摩擦副的形式有兩種，分為滑動摩擦和滾動摩擦，由于摩擦力的存在，使得機械效率降低，造成資源浪費，甚至有些機構(gòu)磨損嚴重而失效，直接造成經(jīng)濟損失。如不考慮摩擦、磨損，就不可能生產(chǎn)出符合標準的產(chǎn)品，產(chǎn)生材料上的浪費，會造成經(jīng)濟上的浪費，甚至由于材料的摩擦性能不合格，出現(xiàn)重大的安全事故。因此在設計階段就要考慮其摩擦性能， 為了了解 摩擦、磨損的原理和摩擦 、 磨損的結(jié)果，尋找各種磨損類型不同情況下的復雜關(guān)系，需要對 材料 表面的磨損的過程和結(jié)果進行 分析和記錄，對材料的摩擦磨損性 能進行研究，所需的試驗設備是摩擦磨損試驗機，利用摩擦試驗機進行摩擦實驗，選取合適的材料，這種試驗機是最簡單有效測試材料性能的方法。 擦試驗機及其分類 摩擦試驗機 ， 又稱之為摩擦磨損試驗機 ，可以用于評定材料的耐磨性能和材料的摩擦系數(shù)，摩擦磨損試驗機主要用來試驗材料在不相同速度、載荷壓力以及還有溫度條件下各種材料性能，還有在添加潤滑之后對其摩擦的改變，也可以用于對其磨損形式和磨損形狀的研究。 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 2 摩擦試驗機可以通過摩擦副運動形式劃分，其劃分形式有滑動摩擦，滾動摩擦，滾動摩擦和滑動摩擦都存在的，按其接觸形式分 為點接觸形式，面接觸形式，線接觸形式。按其形態(tài)分為固體與固體之間的摩擦，固體與顆粒與固體之間的摩擦 [2]。很多摩擦試驗機的試件都是旋轉(zhuǎn)運動的，也有的試件是來回循環(huán)往復運動的。 按完成不同試驗的需求，試驗機可以分為快速磨損試驗機、潤滑材料性能試驗機、高低溫摩擦磨損試驗機、高低速試驗機 [3]。 比較常用的摩擦磨損試驗機的摩擦副的接觸形式在圖 1. 1 中列出，圖中 (a)所示的是四球試驗機簡易的摩擦副接觸類型。圖中 (b)所示的是 驗機的摩擦副接觸類型。 (c)圖所示的是往復式試驗機的摩擦副接觸類型。圖中（ b） 所示的是端面試驗機的摩擦副接觸形式。圖中（ e）所示的是滾子式摩擦磨損試驗機摩擦副接觸類型。 擦試驗機發(fā)展現(xiàn)狀 我國的摩擦試驗機的研究制造較晚，濟南試驗機廠是較早從事摩擦試驗機研制的廠家，該廠于在 965年制作了第一臺摩擦試驗機 3]。該廠在國內(nèi)最先模仿制造了美國 典 國 些產(chǎn)品對我國摩擦學研究中產(chǎn)生了重要的作用。在我國現(xiàn)在還有一些小規(guī)模的廠也生產(chǎn)摩擦試驗機，因為其生產(chǎn)規(guī)模較小，摩擦試驗機種類也相對比較少。 (1)銷一盤式磨損試驗機 : 此類試驗機的機構(gòu)是由由一個固定的圓柱銷壓緊在一個旋轉(zhuǎn)的圓盤上進行摩擦運動，其中銷是被測試驗件，銷的底部可以做成平面、半球形等形狀，我國生產(chǎn)的該類型的摩擦試驗機主要是 。 (2)滾子式磨損試驗機 : 圖 擦副接觸及運動方式 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 3 該試驗機是由兩個母線相互接觸的圓盤相互摩擦， 其中兩個圓盤的轉(zhuǎn)速是不一樣的，該類機型有純滑動、純滾動、滾動和滑動并存等運動形式?？蓪Σ目七M行摩擦及磨損性能試驗，可用于做材料疲勞磨損的實驗，我國生產(chǎn)該類型的摩擦試驗機主要是 ，在國外生產(chǎn)該類型的主要是有阿姆斯勒 (型。 (3)環(huán)一塊型試驗機 : 美國 被測材料制做成符合要求的方塊來充當試樣進行試驗，并且其試環(huán)的硬度很大，在與其它材料特別是塑料復合材料等做磨損實驗時，可認為其材料不被磨損。所以可以直接測量試塊在摩擦磨損實驗過程中被磨 掉的體積和形狀。據(jù)此判定磨損量的相對大小。該種摩擦試驗機主要是通過實驗用來快速選擇合適的材料，試驗中可以通過測量摩擦力來計算摩擦系數(shù)。 (4)四球式試驗機 : 四球式摩擦試驗機，顧名思義，其試驗機中有四個標準的球，其中一個上試驗球安裝在上面，并且是可以按不同速度要求下轉(zhuǎn)動，在下面 3 個試驗球固定，可從分別從上面或下面施加載荷，其作用是用來判定潤滑劑承載能力，也可用于測定材料疲勞磨損壽命，我國生產(chǎn)此類機型主要是有 國外生產(chǎn)機型主要是殼牌四球機。 (5)端面摩擦磨損試驗機 : 端面摩擦磨損試驗機其摩擦副是面與面接觸的，在我國摩擦學研究所制作的 邊試件固定不動，可以分別在潤滑和無潤滑的情況下，檢測試樣的摩擦磨損性能，端面試驗機主要特點是檢測潤滑軸承材料、復合材料、固體潤滑材料的摩擦磨損特性和其使用性能。端面摩擦試驗機在實際使用過程中，可以進行不同負載、速度、時間、溫度以及摩擦副材料、硬度等參數(shù)條件下的試驗檢測，評定試驗材料在不同因素作用下的摩擦磨損性能，對于在不同試驗條件下試驗參數(shù)的變化和所得試樣表面的磨損狀況來了解在有無潤滑情 況下試樣材料的摩擦特性和使用性能。 論文主要研究內(nèi)容 論文主要設計一種能夠模擬高速鐵路運行時輪軌摩擦磨損的試驗機 ，包括總體方案的設計，主傳動部分設計，加載系統(tǒng)設計，并 完成其機構(gòu)的設計計算 。 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 4 2 總體方案的設計 計要求 本設計要求模擬高鐵輪軌轉(zhuǎn)動磨損，通過軸帶動輪子轉(zhuǎn)動實現(xiàn)變頻調(diào)速，輪子對軌道的作用力是可以調(diào)節(jié)的。 要設計參數(shù) （ 1）、輪子最高轉(zhuǎn)速 1882r/ 2）、正壓力測試范圍： 1080N~1420N （ 3）、摩擦試樣的 尺寸 長 ×寬 ×高 =40×20×20 擦試樣 （ 4）、輪子尺寸輪子尺寸 直徑 D=60寬度 B=20孔直徑 d=40圖 擦車輪 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 5 擦試驗機的總體方案的設計 摩擦試驗機的組成主要由傳動系統(tǒng)，加載系統(tǒng)，控制系統(tǒng)組成。 （ 1）傳動系統(tǒng)：電動機帶動主軸上輪子轉(zhuǎn)動模擬車輪轉(zhuǎn)速，選擇的電動機需要調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，因此，選擇變頻調(diào)速三相異步電動機。 （ 2）加載系統(tǒng)：加載系統(tǒng)需要對試樣提供一定的壓力，使得夾在夾具上的摩擦試樣壓在輪子上，壓力的大小模擬車輪所承受的軸重。 （ 3） 控制系統(tǒng)：用單片機對摩擦試驗機進行控制，用單片機控制電機的轉(zhuǎn)動帶動輪子轉(zhuǎn)動，和控制液壓缸給其施加正壓力，以及壓力傳感器、速度傳感器來采集相應的數(shù)據(jù)。 3 試驗機主要系統(tǒng)的設計 動系統(tǒng)的設計 傳動部分是由電動機通過傳動部分帶動摩擦主軸旋轉(zhuǎn)，控制摩擦主軸的轉(zhuǎn)速來控制試樣的端面滾動摩擦速度，初步擬定如下方案： 方案一：電機輸出軸通過機械調(diào)速機構(gòu)（如普通 V 帶輪無級調(diào)速機構(gòu)）與摩擦主軸連接，工作過程中，通過手工調(diào)節(jié)無級調(diào)速機構(gòu)的傳動比進而實現(xiàn)摩擦速度的變換。 方案二，電機通過聯(lián)軸器帶動摩擦主軸，傳動性能穩(wěn)定，傳動精確，不需要潤滑的特點。由于現(xiàn)在電機系統(tǒng)有較高的性能 , 調(diào)速比可以達到較好的調(diào)節(jié)范圍。利用這種系統(tǒng)既可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)其頻率而達到轉(zhuǎn)速的無級控制。且可在圖 體方案簡圖 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 6 摩擦軸上加裝轉(zhuǎn)速傳感器，將信號反饋到到變頻系統(tǒng)中，進而實現(xiàn)摩擦軸轉(zhuǎn)速的控制，這樣子便可隨著試樣負荷的變換而實時調(diào)整，保證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。 動系統(tǒng)的確定 綜合考慮上述因素選擇方案二如下圖所示 圖 動系統(tǒng)簡圖 載系統(tǒng)的設計 加載系統(tǒng)需要對試樣提供一定的壓力，用來模擬車輪所承受的軸重，摩擦試驗機加載方式可分為機械式、液壓式、電磁式三種，其中電磁式在摩擦試驗機中運用較少，他們有自己的優(yōu)勢和劣勢，以及不同的適應范圍。 方案一；機械的加載方法有杠桿加載、彈簧加載和重物直接加載等，還有是它們的組合形式，，杠桿加載和重物直接加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，操作起來比較便利，應用最為廣泛，但是其運作程度小，當運動副運動不穩(wěn)定時卻會引起沖擊和振動，導致加載精度不高，并且其提供壓力的大小范圍較小。 方案二；液壓加載是通過液壓執(zhí)行元件提供壓力。液壓加載比 較容易控制載荷，收集數(shù)據(jù)等比較容易，但其缺點是控制部分的成本比較大，彈簧加載和液壓加載時由振動產(chǎn)生的影響甚微，但是彈簧壓縮量的控制上不夠精確從而影響調(diào)節(jié)載荷的精度，因此彈簧加載負荷的穩(wěn)定性較差。 液壓系統(tǒng)加載有如下優(yōu)點：通過液壓缸輸出力作用實現(xiàn)加載，液壓傳動能在運行中進行無級變速。在同等功率的條件下，液壓傳動裝置的所占體積相對小，而在同等體積的情況下，液壓系統(tǒng)比電氣裝置能夠產(chǎn)生更多的動能， 質(zhì)量較小、結(jié)構(gòu) 能傳遞較大的力和力矩。 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 7 載系統(tǒng)的確定 綜合考慮以上各種因素，應該考慮加載精度問題，決定最終方案為采用液壓系統(tǒng)提供正壓力，由活塞桿的推動實現(xiàn)加載，這樣的加載方式可以實現(xiàn)從輪子下方加載，滿足了試驗要求。因此，在本試驗機中使用液壓系統(tǒng)通過液壓缸的輸出力來提供正壓力的加栽。 液壓系統(tǒng)包括液壓執(zhí)行元件 （液壓缸），液壓泵，液壓輔助元件，液壓閥。 （ 1）液壓缸 液壓缸是液壓系統(tǒng)的輸出部分，是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，必須滿足機器設備的運動性能，和安裝上的要求。液壓缸通過活塞桿輸出力推動夾具，提供壓力，需計算其缸筒內(nèi)徑和壁厚，活塞桿直徑，及其工作行程。 （ 2）液壓輔助元件 液壓輔助元件包括蓄能器 、 過濾器 、油箱、管路。 蓄能器主要是存儲油液的壓力能，能在短時間內(nèi)供應大量壓力油液，能夠維持系統(tǒng)壓力。設計計算其有效工作容積。 （ 3）過濾器 過濾器用于濾除混在液壓油液中的雜質(zhì)，降低進入系統(tǒng)中油液的污染度。過濾器按其過濾精度選擇。 （ 4）液壓泵 液壓泵是把驅(qū)動電機的機械能轉(zhuǎn)換成壓力能 ，設計計算其最大工作壓力和液壓泵的流量 (5)液壓閥 液壓閥可以調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中液體工作介質(zhì)的流動方向并且能夠調(diào)節(jié)其壓力和流量。本液壓系統(tǒng)需要方向控制閥閥和和壓力控制閥。 (6)夾具 摩擦試驗 機中的夾具主要用來夾持摩擦試樣。根據(jù)試樣的尺寸確定其夾具結(jié)構(gòu)和大小 4 摩擦試驗機的設計計算 動系統(tǒng) 作壓力的計算 電機通過聯(lián)軸器與主軸連接，帶動輪子轉(zhuǎn)動，輪子轉(zhuǎn)速模擬車輪轉(zhuǎn)速，高速列車最高時速 300KM/h。并且可以不斷改變其速度，所以電動機要選擇可以變頻調(diào)速的電動機。 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 8 加載系統(tǒng)模擬高鐵軸重，列車軸重最高 17t，可用赫茲模擬準則模擬輪軌接觸應力 [3]，查得其實驗室載荷和現(xiàn)場軸重之間的關(guān)系公式為： 12（ 1111 ???????? = 12( 1????1+ 1????2+ 1????1+ 1????2) （ 4 ????1 ,????2為車輪曲面的兩個曲率半徑 ， ????1 ， ????2為輪軌曲面的兩個曲率半徑； 圖 輪的曲率半徑 ????????為實驗室輪軌的當量幾何半徑 ????????????為現(xiàn)場輪軌的當量幾何半徑 高鐵車輪直徑為 860頂圓弧半徑為 600試驗中輪子直徑為????1 = 80輪橫向圓弧半徑為 ????2 = ∞， ????1 = ∞， ????2 = ∞ A??????=12×（ 1600+ 1430） = ???????????= ???? ×（ 130 + 1576） = ???????? = (????????????????????)2 ×???????????? ×（ ?? +1） （ 4 K 為動載系數(shù)，取 ???????? = （ 2×8500×（ ） = 142???? 加載系統(tǒng)模擬正壓力大小為 1420N。 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 9 表 4車軸重與模擬實驗載荷的關(guān)系 軸重 /t 載荷 /7 142 16 5 4 3 試驗機電機選擇 (1) 選擇電機功率 電機功率是由輪子輪子功率確定，而輪子所需功率 工作阻力和摩擦系數(shù)計算確定。由最大正壓力 為 1420N；轉(zhuǎn)速 為 1882r/輪 的最大直徑： ? 60 故 所需功率： 9550.w （ 4 T — 電機的 轉(zhuǎn)矩 ； n — 車輪轉(zhuǎn)速； 常見材料摩擦副的動摩擦系數(shù) ? 在 間，取常用值 ? = 由古典摩擦公式： f = ? ×N （ 4 f = ? × N =1420 =568 N N— 車輪承受的正壓力； ? — 摩擦系數(shù)； 則加載于電機上的扭矩 T 最大值為： T = f × R （ 4 = 568× ?m f— 車輪 所產(chǎn)生的 摩擦力； R— 車輪半徑； 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 10 (2)電機的輸出功率 ???? 則電機所需功率為：9550.w = 3)確定電機的額定功率 ?????? 聯(lián)軸器的傳動效率 η取 電機額定功率 : ??（ 4 (4) 選擇電機轉(zhuǎn)速 電動機需要調(diào)速，一般情況下要求電動機的同步轉(zhuǎn)速 n 能夠滿足整個調(diào)速范圍，并且其最高工作轉(zhuǎn)速不超過電機允許的最大轉(zhuǎn)速，由此選取同步轉(zhuǎn)速為2920r/電機可滿足調(diào)速要求 , (5) 選擇電機型號 根據(jù)電機類型，結(jié)構(gòu)形式，功率和轉(zhuǎn)速，選取 流伺服電動機。 它具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等特點，有良好的起動和運行性能，性能指標高、體積小、噪音低。 表 4動機參數(shù) 型號 標稱 功率 (功率因數(shù) 轉(zhuǎn)速 (r/額定電流 /A 額定轉(zhuǎn)矩 /000 疆大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 11 軸設計，校核以及聯(lián)軸器選擇 (1) 主軸材料選擇 由于試驗機的尺寸較小，軸材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。 由 《機械設計手冊》查得其材料的力學 性能數(shù)據(jù)如 表 4 表 4料的 力學 性能 材料牌號 熱處理 硬度/拉強度 ???? 屈服強度 ???? 彎曲疲勞極限1?? 剪切疲勞極限1?? 許用彎曲應力[ 1?? ] 5 正火 170~217 590 295 255 140 55 回火 162~217 570 285 245 135 調(diào)質(zhì) 217~255 540 355 275 155 60 (2) 估算軸徑和選擇聯(lián)軸器 ①初步估算軸徑 由于材料為 45 鋼，則軸最小直徑為： 3?（ 4 由《機械設計手冊》查得軸常用材料的 A 值如下表 4 表 4常用材料 軸的材料 0 0 45 40 149~126 135~112 126~103 112~97 其中 A 取值為 115 3 ? ? mm n— 轉(zhuǎn)速； P— 電機的輸出功率； 因軸上有鍵槽和聯(lián)軸器相連，且徑向力較大，需要將軸徑增加 6%，則取 d = 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 12 ②聯(lián)軸器的選擇 考慮到試驗機啟動時動載荷和運轉(zhuǎn)過程中可能出現(xiàn)的過載情況，所以應當按軸上的最大轉(zhuǎn)矩作為聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，考慮到試驗機轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷中等，工況系數(shù) 則其計算轉(zhuǎn)矩為： k ? T （ 4 = ?m 式中 ； T— 公稱轉(zhuǎn)矩， N?m K— 工作情況系數(shù) 由于主軸和電機是水平安裝，考慮其對中性，和轉(zhuǎn)矩，故在選取連軸器時應考慮其上因素，選擇 緣聯(lián)軸器。凸緣聯(lián)軸器剛性比較好，并且傳遞轉(zhuǎn)矩較大，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維護起來方便，結(jié)構(gòu)緊湊，裝配方便，用于兩軸對中精度良好的軸系轉(zhuǎn)動。根據(jù)主軸轉(zhuǎn)矩以及電機的尺寸選擇聯(lián)軸器型號為： 3 24×38 24×38 半聯(lián)軸器的孔徑 4第①段軸徑 24軸配合長度 38 4）軸的結(jié)構(gòu)設計 根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 ① 由選取的聯(lián)軸器可知與軸配合的長度 8輸入 軸直徑 4② 初步選擇滾動軸承 因軸承主要受到徑向力，故選角接觸軸承 ， 根據(jù) 4軸承產(chǎn)品初步選擇角接觸軸承 7007C d×D×B=3524 安裝軸承軸段直徑d2=5右端滾動軸承采用軸肩軸向定位，查得 7007C 型軸承的定位軸肩高度 h=3此取 軸承定位軸段直徑 1 ③取安裝輪子處的軸段直徑 0子與左軸承之間采用套筒定位，已知輪子寬度為 20了使套筒端面可靠的壓緊輪子，此軸段應略短，故取8子右端采用軸肩定位，軸肩高度 h=(2～ 3)R，由軸徑 d=40得R，得 R=取 h=5軸環(huán)處的 直徑 0環(huán)寬度 b≥0 軸承座的寬度為 20據(jù)軸承添加潤滑脂的要求，取軸承座的外端面與聯(lián)軸器后端面的距離 L=22取 4 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 13 ④取輪子與右端軸承座之間距 為 22 軸肩寬度為 10得22輪子與左端軸承距離為 244+20+2=46 （ 5）軸的校核 ①計算輪子受力 輪子徑向力 是液壓缸加載的最大正壓力為 ????2 =1420N ????2 = μ?????2 （ 4 ????2 = 420 = 568?? ????2— 輪子圓周力 ； ? — 摩擦系數(shù)； ????2— 最大正壓力； T = ????2 ? ??2 （ 4 T = m T — 轉(zhuǎn)矩 ； ????2— 圓周力； d— 車輪直徑； ②計算支反力 ?????? = ?????? = ????22 = 284?? （ 4 ??????— 水平面支反力 ； ?????? = ?????? = ????22 = 710?? （ 4 ??????— 垂直面支反力 ； ③ 彎矩 ?????? = ??????.?? （ 4 = 284× ??? ??????— 水平面彎矩 ； L — 軸的支承跨距； ?????? = ??????.?? （ 4 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 14 = 710× ??? ??????— 垂直面彎矩； L — 軸的支承跨距； M = √??????2 +??????2 （ 4 M = m M— 總彎矩 ； （ 4）校核軸的強度 已知軸的彎矩和扭矩后，以彎矩合成強度校核計算。按第三強度理論計算應力： 22 4 ??? ?? （ 4 對于直徑為 曲應力為,扭轉(zhuǎn) 切應力??? ，考慮啟動、停車等的影響，彎矩在軸截面上所引起的應力可視為脈動循環(huán) 變 應力，取 折合系數(shù) 。 則軸的彎扭合成強度條件為 : )2(4)(13222222????????????????（ 4 — 軸的計算應力， M— 軸所受的彎矩， T— 軸所受的扭矩， W— 軸的抗彎截面系數(shù)， ????3； 軸的抗扭截面系數(shù)， ????3； 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 15 ][ 1?? — 軸的許用彎曲應力， 所以軸滿足強度要求。 （ 6）鍵的選用 該試驗機所用到的兩根鍵都為平鍵，為實現(xiàn)兩旋轉(zhuǎn)體之間的正常連接，鍵的尺寸通過它要連接的軸的軸徑來選擇，選用標準件，而鍵的長度則由軸段長度來確定，故輪子上鍵選用鍵 b×h×L=12×8×14半聯(lián)軸器上的鍵選用鍵b×h×L= 8×7×28 壓系統(tǒng)的設計 壓缸的設計 此液壓缸采用 45 號鋼的無縫鋼管調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì)處理是為了保證強度高，加工性能好 . 而液壓缸的型號采用法蘭式液壓缸。 圖 4壓缸簡圖 2211m ???? （ 4 式中： 21 4/ ? — 無桿活塞桿有效作用面積（ 2； )(4/ 222 ? ? — 有桿活塞桿有效作用面積（ 2； 1P — 液壓缸工作腔壓力（ 2P — 背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時可參照表 4處選取背壓 ?2p 0。 D — 油缸內(nèi)徑（ ； d — 活塞桿直徑（ 。 D 652,7742設計） 16 表 4統(tǒng)背壓力 系統(tǒng)類型 背壓力 /單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng) 油路設置有背壓閥的系統(tǒng) 補油泵的閉式回路 油路較復雜的工程機械 3 回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計 由上式可推出無桿腔液壓缸內(nèi)徑 ?? ≥ √ 4???????? （ 4 按載荷選取工作壓力，考慮夾具質(zhì)量、自重、阻力的影響， F 取值偏大 1500500N，則工作壓力小于 1選取工作壓力為 液壓缸的機械效率 η為 （ 1）計算可得 D≥ 圓整得 63據(jù)常用液壓缸內(nèi)徑如下表所示， D=63 4（ 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 （ 2） 用桿徑比 式 φ = d/D， 其比值可按下表選取 ： 表 4工作壓力選取 d/D 工作壓力 /d/D 據(jù)桿徑比公式 φ = d/D， φ在 現(xiàn)取 D=3=圓整 36據(jù)常用活塞桿直徑如下表所示， d=36 3）活塞寬度一般為 (1)D,B=38 表 4用 活塞桿 內(nèi)徑 d（ 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 （ 4） 根據(jù)實際需要查液壓缸活塞行程系列 ，活塞行程 S=100 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 17 表 4（ 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 （ 5） 液壓缸的最小導向長度 H ≥ ??20 + ??2 (4H ≥ 6） 缸筒壁厚 δ ? ??????2[??] (4 D— 缸筒內(nèi)徑； ????— 試驗壓力，當缸的額定壓力 ???? ? 16 取 ???? = ??； [σ]— 缸筒材料的許用應力， [σ]=????/n, ????為材料抗拉強度， 般取 n=5， 查表取缸筒材料的抗拉強度 ???? = 500?????? 。 δ ? 3取 5筒外徑 73 （ 7） 活塞桿直徑的校核 d ≥ √ 4????[??] (4d ≥ — 液壓缸的最大推力； [??]— 活塞桿材料的許用應力； [σ]=????/4 因此選取的活塞桿直徑 36足要求。 （ 8）活塞桿的穩(wěn)定性校核 活塞桿受軸向壓縮負載時，它所承受的軸向力 F 不能超過使它保持穩(wěn)定工作允許的臨界負載免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)?；钊麠U穩(wěn)定性的校核依下式（穩(wěn)定條件）進行 F?式中 安全系數(shù)，一般取。此處取。 活塞桿的柔性系數(shù) 1? ，其值查表 4得 1? =85 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 18 表 4 ? 、 1? 的值 材料 f / 1? 鑄鐵 560 11600 80 鍛鋼 250 19000 110 低碳鋼 340 17500 90 中碳鋼 490 15000 85 由液壓缸支撐方式?jīng)Q定的末端系數(shù) 2? ，查表 4? =41表 4端系數(shù) 2? 的值 支撐說明 一端自由一端 固定 兩端鉸接 一端鉸接一端 固定 兩端固定 末端系數(shù) 14 1 2 4 安裝長度 l ,由于活塞桿的行程為 100裝初取 l =150塞桿橫截面慣性矩 J =644d? = 4124 1064 3614.3 m???（ 4 = 0?6??4 活塞桿的橫截面積 A， A= 22??????d? =62 1018 m??? =1017? 2610 m? （ 4 d— 活塞桿直徑； 活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑J =90 （ 4 活塞桿的細長比為0150=1 ??=85?41 =疆大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 19 所以1 ??，且 20<21 ??=20，所以21 ?????????（ 4 式中 f —— 有材料強度決定的實驗值， 查表可 取 f =4.9 ? 810 ? —— 為系數(shù)， 查表可得 ? =50001所以 21 ?????????=??? ?=為 F=以活塞桿 桿滿足穩(wěn)定性要求。 壓泵 （ 1）液壓泵工作壓力的確定 液壓泵的最大工作壓力 ????????必須大于或等于液壓執(zhí)行元件最大工作壓力 ??和進油路上總壓力損失 ???之和 。 ???????? ≥ ?? +??? (4對于管路簡單，流速不大的 ???取值 ???取 ???????? ≥ 1?????? 液壓缸最大總流量 Q = ????24 = 62????/?? (4V— 活塞桿運動速度 A— 活塞面積 （ 2）液壓泵流量的確定 ???????? ≥ ???? （ 4 ???????? ≥ ??/?? K— 系統(tǒng)泄露系數(shù)；一般取 處選取 此可選取壓力大小為 速為 960r/葉片泵。 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 20 壓控制元件 選定液壓控制閥時 ， 要考慮的因素有壓力 、流量 、 工作方式 、 連接方式 、 穩(wěn)定性 ，但價格 、 壽命 、 維修性也要考慮。 G） 溢流閥 6 該溢流閥是先導型溢流閥 . 額定流量； 200L/壓范圍； 7裝方式；管式 質(zhì)量； 4.5/2)換向閥 通徑： 15定流量 ： 80L/定壓力： 20許背壓： 液壓輔助元件 ①蓄能器的選擇 蓄能器在液壓系統(tǒng)中是用來保存、釋放能量的，其主要作用有 :可作為輔助液壓源較短時間內(nèi)提供一定數(shù)量的壓力油，滿足系統(tǒng)對速度，壓力的要求，可實現(xiàn)支路液壓缸的增速、保壓、緩沖、吸收、液壓沖擊。蓄能器選擇應考慮工作壓力及耐壓。 蓄能器的種類主要有重錘式、充氣式和彈簧式三種類型。 重錘式蓄能器是利用重物的位置變化來儲存和釋放能量的。這中蓄能器結(jié)構(gòu)簡單，壓力穩(wěn)定，但容量小、體積大、反應不夠靈活、容易產(chǎn)生泄漏。 彈簧式蓄能器是利用彈簧的伸縮來儲存和釋放能量的。一般用于低壓、小容量的系統(tǒng)，承壓較低。 沖氣式蓄能器是利用氣體的膨 脹來儲存和釋放能量的。常用的有活塞式和氣囊式良種。而活塞式蓄能器由于造價高、易泄漏、放映靈敏度差等缺陷不使用于本系統(tǒng)。 因此，在本系統(tǒng)中使用氣囊式蓄能器，它慣性好，反應靈活，結(jié)構(gòu)尺寸小、重量安裝方便。 蓄能器有效工作容積 ?V = （ 4 ?V = 0?5??3 A— 液壓缸的有效作用面積； 大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 21 L— 液壓缸的工作行程； K— 油液泄露系數(shù)，一般取 K=管路的選擇 d = √4?????? （ 4 d =q— 通過管內(nèi)的流量 v— 管內(nèi)允許速度，推薦流速 間； m/s ③確定油箱容量 按經(jīng)驗公式確定油箱容量 V= （ 4 V=18×10?3??3 q— 液壓泵每分鐘排除壓力油的容積 a— 經(jīng)驗系數(shù)，低壓系統(tǒng)取值 2到 4之間，取值為 3 ④過濾器的選擇 過濾器主要是清除液壓系統(tǒng)工作介質(zhì)中的固體雜質(zhì)，保持工 作介質(zhì)清潔，延長器件的使用壽命、保證液壓元件工作性能可靠。因此過濾器對液壓系統(tǒng)來說是不可或缺的輔件。因此選擇過濾器要考慮以下幾點： 1）根據(jù)選擇的過濾器類型來選擇安裝位置過濾器安裝形式。 2）過濾器應滿足清潔度要求。 3）使用的過濾器的濾芯，應滿足工作介質(zhì)的要求，并具有足夠的強度。 4）過濾器的強度和壓力損失是一個需要重點關(guān)注的因素選擇，安裝過濾系統(tǒng)會引起局部壓力下降或反壓后時需要考慮的。 5）該系統(tǒng)應考慮選擇適當?shù)倪^濾保護配件。 6）結(jié)構(gòu)應簡單，緊湊，合理的安裝形式。 該液壓系統(tǒng)涉及液壓泵 ， 液壓閥等 ， 其過濾精度要求在 10 ～ 20μ m 之間。 壓工作介質(zhì)的選擇 工作介質(zhì)有液壓油和液壓液兩類。在此選擇液壓油作為工作介質(zhì)。 對液壓油的主要要求有： （ 1）、粘度合適，溫度對其影響較小。工作介質(zhì)的粘度是根據(jù)液壓系統(tǒng)中特別的液壓元件的油膜承載能力來選擇的的，因此應保證承載能力的條件下，選擇大學機械工程學院本科畢業(yè)論文 （設計） 22 合適的介質(zhì)粘度。 （ 2）、潤滑性能好。工作介質(zhì)對液壓系統(tǒng)中各運動部件起潤滑作用，以降低摩擦和減少磨損，能夠保證系統(tǒng)長時間的正常工作。 （ 3）、抗氧化。工作介質(zhì)和氧氣接觸會產(chǎn)生氧化作用，高溫、高壓和某些物質(zhì)會加速氧化過程。 （ 5）、防銹和不腐蝕金屬。液壓系統(tǒng)中許多金屬零件長期和工作介質(zhì)接觸，其表面在溶解于介質(zhì)中的水分和空