1MN電動缸型材料試驗機設計【含7張CAD圖紙】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 本科生畢業(yè)設計（論文） 翻譯資料 中文題目： 微動磨損試驗機 及實驗結(jié)果 英文題目： Prototype fretting-wear testing machine and some experimental results 學生姓名： 學 號： 班 級： 專 業(yè)： 指導教師： 微動磨損試驗機及實驗結(jié)果 摘要：一種新型微動磨損試驗機已經(jīng)被開發(fā)，并且其功能性已經(jīng)被評估。在該試驗機中，是由計算機控制裝置驅(qū)動壓電陶瓷半導體致動器控制球形試樣的振蕩。因此，一種任意輸入的波形，如正弦波、三角波等，可以容易地控制球狀試樣的振蕩。這就是該試驗機的特殊功能。例如，使用平板式的鋼試樣和一個軸承鋼球試樣進行微動實驗時，當壓電致動器輸入一個正弦波形，邊界有微動的幅度，超出該微動幅度，試樣的磨損質(zhì)量或體積將突然增大。 1 簡介 發(fā)生在往復運動滑動接觸面之間的小振幅微動持續(xù)很多的周期，在接觸區(qū)域內(nèi)的滑動幅度或微動振幅比接觸面積的區(qū)域和磨屑小，所以微動磨損現(xiàn)象比通常的磨損現(xiàn)象表面條件影響更為顯著?；旧弦郧拔幽p的研究主要通過接觸區(qū)域內(nèi)的應力分布了解其特點。為了證實實際應用中的各種工程材料的微動磨損特性進行了許多實驗，被測試的材料包括軟鋼，過共析鋼，軸承鋼，不銹鋼，鉻鉬鋼，鋁合金，鈦和鎳合金以及強化復合材料。同時也研究了等離子或激光處理對表面氧化，潤滑和表面完整性的影響。通過測量檢體的配置和試樣的擺動的方式，已經(jīng)證實了下面的趨勢。迄今使用的試樣類型是：球面型、柱面型以及面面型。在球面、圓柱面，平面上的試驗機上的球面，柱面和平面在某些情況下是振動的，試樣振動裝置是偏心凸輪機構(gòu)、液壓致動器和電磁裝置。以此一種檢測環(huán)境參數(shù)的試驗機也被構(gòu)造出來，在前人研究的基礎(chǔ)上，我們設計和構(gòu)造了一種新的原型微動磨損試驗機。我們的測試設備是價格便宜的，而且可以輕易地改變試驗條件。同時在這里我們也將得出鋼球平坦的表面上的一些實驗結(jié)果。 2 微動磨損試驗機 2.1 機械的構(gòu)造 微動磨損在兩個表面之間往復滑動幅度的范圍從幾微米到是十幾微米，微動磨損受到往復滑動振幅，法向力，往復運動的頻率，微動周期數(shù)，環(huán)境和物理材料的影響，因此，微動磨損試驗機的這些影響參數(shù)在很寬的范圍內(nèi)改變是容易的同時在實際的使用中是有利的。 在我們的原型微動試驗機中，鉛鋯鈦酸半導體（PZT）的致動器可以通過壓電產(chǎn)生一個小的往復位移，用來作為驅(qū)動元件往復運動的滑動試樣。PZT致動器是非常有優(yōu)勢的，因為往復滑動運動產(chǎn)生的各種波形可以容易地通過計算機控制的PZT執(zhí)行機構(gòu)的電壓來實現(xiàn)，PZT致動器的電動和機械性能位于表1中。 我們的試驗機采用的是球面和平面的試樣（球面型）的組合。 下文給出微動磨損試驗機的草圖。由于每臺機器組成部分具有彈性變形，因此試驗機必須具有剛性，以盡量減少由壓電陶瓷致動器引起的小的往復滑動。為了實現(xiàn)這一要求，球形試樣直接連接到驅(qū)動器的壓電陶瓷致動器部分。出于這個原因，使用由軸承鋼制成的直徑20毫米的球面試樣，因此，一個大小不同的球狀試樣可容易地在測試設備沒有經(jīng)過任何改變的的情況下在本試驗機中使用。為了使球形試樣方便夾持，將試樣夾持在兩個相同的平面標本之間。通過引入這樣的結(jié)構(gòu)，作用在球形試樣之間的摩擦力片刻可以被消除，并且可以將球面試樣很牢固地保持在適當?shù)奈恢?。試驗機的驅(qū)動器和球形試樣被布置在垂直的方向上，因此試驗機占用的空間較少。如圖2，運動元件被懸在兩套平行板簧之間。因此，壓電陶瓷致動器的移動方向平行于試樣之間的接觸表面。如圖1，靜負載加載在正常負載之上，因此在實驗過程中負載可以保持恒定。 表一：壓電陶瓷致動器的參數(shù) 相對介電常數(shù) 1800 損耗角正切 0.02 彈性模量 44GPa 居里點 230°C 制造者 日本電裝公司 尺寸大小 直徑 20mm 長度 120mm 規(guī)格 最大位移 100um 最大驅(qū)動力 2kN 最大工作頻率 100Hz 容許溫度上限 0-50°C 控制電壓 0-5 V 附一：損耗角正切（電容器的有功功率P與無功功率Q的比值稱做為該電容器的損耗角正切） 圖1 原型微動磨損試驗機 通過個人計算機可以對PZT致動器所產(chǎn)生的位移進行控制，個人計算機控制電壓為0-5V，通過放大器放大120倍，之后，壓電陶瓷致動器的驅(qū)動電壓范圍為0-600V。計算機控制的微動磨損試驗機可以通過任意波形來驅(qū)動的球形試樣。 兩個35平方毫米的平面試樣連接每一個階段，由于直線導軌可沿直線導軌移動。層次之間的線條通過滑輪進行延伸，在階段之間存在著靜負載的拉伸力。球形試樣在兩個完全相同的平面式樣之間懸浮，在試樣之間加上恒定的力。用來測量試樣間往復滑移運動的兩個板簧間的傳感器裝置安裝在階段上。在圖3中給出他們的結(jié)構(gòu)和尺寸。 通過個人計算機可以對PZT致動器所產(chǎn)生的位移進行控制，個人計算機控制電壓為0-5V，通過放大器放大120倍，之后，壓電陶瓷致動器的驅(qū)動電壓范圍為0-600V。計算機控制的微動磨損試驗機可以通過任意波形來驅(qū)動的球形試樣。 兩個35平方毫米的平面試樣連接每一個階段，由于直線導軌可沿直線導軌移動。層次之間的線條通過滑輪進行延伸，在階段之間存在著靜負載的拉伸力。球形試樣在兩個完全相同的平面式樣之間懸浮，在試樣之間加上恒定的力。用來測量試樣間往復滑移運動的兩個板簧間的傳感器裝置安裝在階段上。在圖3中給出他們的結(jié)構(gòu)和尺寸。 圖2 驅(qū)動機的式樣 圖3 鋼板彈簧傳感器來測量相對往復滑動 每個傳感器都包括板簧和貼片。所述傳感器的貼片上被固定在階梯面上。板簧的前端被布置在球面試樣的上方。粘貼在板簧兩側(cè)的應變儀測量壓電陶瓷致動器的變形或是球形，扁平試樣之間的相對往復滑動。為了降低噪聲，所有的導線都被安裝護套。兩個傳感器的校準測試結(jié)果附在表4中。應變儀的輸出電壓與相對性往復滑動被證明具有良好的線性關(guān)系。輸出的噪聲約是0.01 MY，這相應于0.5 FLM的往復滑動位移。因此，試樣之間的相對往復滑動可以由這些傳感器精確測量得到。 2.2 原型微動磨損試驗機的性能 通過不同的校準測試檢查原型微動磨損試驗機的性能。首先，圖5給出了一個微動幅度隨時間變化的示圖。在這個實驗中，壓電致動器的輸入電壓的波形是正弦的，振幅和頻率分別是360 V和10HZ。在該圖中，球形的軸承鋼試樣和中碳鋼扁平試樣的實驗結(jié)果示出在法向力的四個層次上。下文微動磨損實驗中使用這種材料組合，在最初的2000個微動周期內(nèi)，微動幅度迅速減小。微動振幅的遞減像正常力變大那樣顯著，在微動磨損實驗進行之前用甲基醋酸清洗磨損試驗的試樣表面使之脫脂。在初始階段微動振幅的迅速下降，可誘導的表面氧化膜或潤滑油膜略有變化。在這之后，微動振幅的變化被記錄，直到微動周期達到10^2。與微動振幅有關(guān)的法向力的大小幾乎是恒定的。圖6中示出力從3000到10^4內(nèi)的微動周期與微動振幅的關(guān)系。微動振幅隨著法向力的增加幾乎呈線性下降的趨勢，它們之間的關(guān)系可由（1）式確定： A=-0.24Fn + A0 （1） 式中：A是微動振幅（FLM），F(xiàn)n表示的法向力（N）。A0 是微動振幅，黨法鄉(xiāng)里為0時振幅為0。 當法向力增大時，微動幅度減小。因為試樣之間的摩擦作用力隨著法向力的增大而增大。因此，摩擦力可以由微動振幅的大小來計算。然后，圖7給出了平均微動幅度和輸入電壓的幅度之間的關(guān)系，恒定的輸入電壓的頻率為10HZ。在該圖中，其中給定的兩個級別的法向力0N和66 N。平均的微動振幅與輸入電壓的幅度呈線性變化，表示它們之間的關(guān)系線彼此平行。微動振幅的減少是由于摩擦力的效果不會受到輸入電壓幅度的影響。如圖7所示，當法向力為0時，平均微動幅度由式（2）表示。 A0 = 0.13Va - 15 （2） Va是PZT致動器的輸入電壓的幅度（V），由方程（1）和（2），微動振幅可以寫成如下： A = 0.13Va - 0.24Fn - 15 （3） 圖4 鋼板彈簧傳感器的校準結(jié)果 圖5 動循環(huán)次數(shù)在輸入電壓幅值360 V，頻 率為10 Hz時微動幅度的變化 最后，對輸入電壓頻率的進行研究。圖8示出在66 N的正常力的情況下，PZT致動器的輸入電壓為600 V。直到頻率為20HZ時，平均微動幅度幾乎是恒定的。高于這個頻率，微動振幅隨著輸入電壓的頻率增加而降低。從結(jié)果中，得出微動磨損試驗機的限制輸入電壓頻率大約是20赫茲。 圖 6 當輸入電壓為360 V，頻率為10 Hz 圖7 壓電致動器微動幅度在輸入電壓頻率時，法向力對微動幅度的影響 為10 Hz時輸入電壓幅值的變化 2.3 摩擦力的估算 微動磨損試驗機未裝配用來測量摩擦力傳感器，摩擦力的大小可以近似地用如下公式估算。如圖6所示，摩擦力用當法向力為0時的微動幅度A0和施加力時的微動振幅A的差值進行計算。如圖9所示為力的作用示意圖，如圖所示為球體試樣的滑動方向沿M方向，球體試樣上向下的摩擦力2Q，平面試樣上和階面向上的摩擦力Q。在這個方向上驅(qū)動元件的剛性系數(shù)被設定為Rd和階面上的摩擦系數(shù)Rs，由于摩擦力的變化影響微動幅度的變化ΔX可由下式計算： 2Q/Rd + Q/Rs =ΔX （4） 剛性系數(shù)由下式進行計算：驅(qū)動元件上所附的球體試樣的一部分由彈簧拉著，球體試樣的位移由千分表讀取，如圖10所示。由拉力和位移計算驅(qū)動元件的剛性系數(shù)Rd，通過相同的方法獲得階面上的剛性系數(shù)Rs，因此，驅(qū)動元件的剛性系數(shù)Rd=16.54N/um，階面的剛性系數(shù)Rs=8.7N/um，由方程（4）式得摩擦力計算公式，如下式： Q = 4.24 ΔX （ 5） 摩擦系數(shù)也可由力Fn除以摩擦力得到，如圖11，摩擦系數(shù)的變化可由這個過程計算。計算中，輸入電壓的頻率是10HZ，其電壓幅值為480V，施加的法向力為66 N。除了微動周期的初始階段，穩(wěn)定時期的摩擦系數(shù)可從圖中查得。 圖 8 微動振幅在法向力為66 N和輸入電壓為600V 時，對壓電致動器的輸入電壓頻率的影響 圖9 試樣上的摩擦力 圖10 驅(qū)動單元的剛度 圖11 法向力為66N，輸入電壓幅度480V，頻率為10 Hz的摩擦系數(shù)估算 2.4 磨損量的估算 圖12示出了軸承鋼的球體試樣和中碳鋼扁平試樣在以下情況下微動磨損的硬度。由表面粗糙度測試儀測得表面粗糙度，在這里，所施加的法向力是66 N，輸入電壓的頻率為20Hz，在微動振幅35 um和微動周期數(shù)是105。 表2 試樣的化學成分和維氏硬度 化學成分（%） 維氏硬度 C Si Mn Cu Ni Cr p S Hv 中碳鋼 0.55 0.23 0.75 0.05 0.15 0.12 0.02 0.02 235 軸承鋼 1.05 0.15 0.20 0.12 0.15 1.48 0.01 0.01 850 圖12 在法向力為66N時，微動頻率為20HZ，微動振幅位移 35 um，微動周期為105微動磨痕的測量 扁平試樣上的磨損痕跡具有圓錐形狀，它的半徑大約是600um，深度為約14 um。磨痕的中心有一個小的高坡，其半徑和深度約占磨損部分的三分之一。在這附近，沿著磨痕邊緣有一個2.5um高和100um寬的駝峰。另一方面，球體上試樣的磨痕是略小于扁平試樣的磨痕。它的半徑約為570um，類似于扁平式樣在中心的高坡上。除了中央的高坡，其他表面的磨痕幾乎是光滑的。許多文獻講述過的微動磨痕與其相似。通過微動磨損試驗機的觀察到的磨損現(xiàn)象被認為是微動磨損。由平均磨痕半徑r和瘢痕深度d計算出微動磨損的體積，這很容易由面粗糙度測試儀測出。假設該形狀可以被視為一個球體，磨損體積Vr可由下式計算： Vr= d/6（3r^3+d^3) （6） 在球體試樣表面粗糙度曲線上測得磨痕深度d是極其困難的。所以，磨痕表面的曲率半徑大約可視為球面試樣的半徑，磨痕深度可由公式（7）計算。球面試樣的磨損體積可由公式（6）、（7）計算： （7） 其中，R和r分別代表球體試樣半徑和的平均磨損傷痕半徑。 3 鋼試樣的實驗分析 用軸承鋼球試樣和中碳鋼扁平試樣進行微動磨損試驗，確定設備的有效性。試樣的化學成分和維氏硬度列于表2中，球形試樣的半徑為20mm，扁平試樣是一個正方形板，板厚10mm，長40毫米。微動磨損試驗的同時進行不同的一些參數(shù)影響的微動磨損特性。 3.1 微動循環(huán)次數(shù)的影響數(shù) 檢查周期數(shù)對微動的影響，不同的微動的循環(huán)數(shù)在103和106之間變化，恒定的法向力為66N，微動振幅的位移為35um，頻率為20HZ。圖13是試樣的實驗結(jié)果。球體試樣和扁平式樣的微動磨損率可以通過上文提到的磨損體積來轉(zhuǎn)換計算。微動磨損率定義為單位滑動磨損體積的微動位移和法向力的乘積。在不同的微動磨損的條件下定量比較磨損，磨損率的概念是很重要的。球形試樣和扁平試樣的磨損率的大小接近，在該圖中可以清楚地看出，與微動的循環(huán)數(shù)的增加，磨損率變小。磨損率與微動循環(huán)次數(shù)之間呈線性關(guān)系。關(guān)系如下： （8） 圖13 微動磨損率在法向力66N,頻率為20HZ，微動振幅為35um時的的影響 4 通過電子掃描顯微鏡觀察磨痕 在前面的討論中，在扁平式樣中有一個邊界振幅。通過電子顯微鏡觀察磨痕表面，微動磨損機理被認為與微動振幅上的應力有關(guān)系。 5 結(jié)論 本文評價了原型微動磨損試驗機的性能和構(gòu)造，其中一個球體試樣是由壓電陶瓷致動器驅(qū)動。此試驗機最有利的特征是試樣的往復滑動位移是由個人計算機控制的壓電陶瓷致動器驅(qū)動，該試驗機最有利的特征是往復滑動位移的正弦波，三角波或其他的可以容易的實現(xiàn)。壓電陶瓷致動器的性能可以由的實驗條件和微動振幅的關(guān)系進行詳細的闡述。利用這個關(guān)系，可以對試樣上的摩擦力或摩擦系數(shù)進行估計，本試驗機穩(wěn)定運行的最大輸入電壓的頻率為20 Hz。例如，進行球形軸承鋼試樣和中碳鋼扁平試樣的磨損測試，同時控制由正弦波控制的球形試樣。證實有一個邊界放大器使扁平式樣的微動磨損體積急劇增加。邊界幅度的變化誘導微動磨損機制變化，通過電子掃描顯微鏡觀察磨痕可以確定。在后續(xù)的研究中，我們計劃在微動磨損試驗機中研究各種先進工程材料試樣的微動磨損特性。 參考文獻 【1】 巴徹勒 《工程摩擦學》 1993 【2】 S. Faanes, Int. J. 《固體結(jié)構(gòu)學》 1996