MMW-1碳棒磨损机设计.doc

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1、本科论文目 录摘 要IAbstractII引 言11碳棒磨损机21.1 本课题研究的目的和意义21.2 研究现状及国内外研究概况31.3 发展趋势51.4 研究内容52 碳棒磨损的评定方法及分类62.1 碳棒磨损的评定方法62.2 碳棒磨损评定方法的分类83总体方案设计103.1 设计原则103.2 工作原理113.3 试验方法124 结构设计144.1 电机选择144.2 传动装置设计154.2.1 联轴器的设计154.2.2 轴的设计与校核174.2.3 轴承的选用与校核234.2.4 键的选用与校核244.3 加载装置设计254.3.1 称重传感器254.3.2 弹簧264.3.3 杠杆

2、314.3.4 丝杠螺母副324.4夹具设计335 三维建模355.1加载装置的建模355.2 支架的设计355.3 支撑板的设计365.4 三维整体装配37结 论38参考文献39致 谢41本科论文摘 要为了更好的测量在一定压力下碳棒的磨损量，提高碳棒磨损量的测量精度，本文设计了一种MMW-1碳棒磨损机，该碳棒磨损机属于柱盘式摩擦磨损试验机的一种。该机器主要用于做和碳棒有关的摩擦磨损试验，可以更准确的获得相关的参数。本次设计的设备主要应用在摩擦学领域，对摩擦学来说，试验是必不可少的一个环节。本文所设计的MMW-1碳棒磨损机，是在分析摩擦学原理的基础上，依据摩擦磨损试验机的工作原理设计的。该试验

3、机设有扭矩测量工具，包括支架、扭矩传感器、伺服电机、摩擦轮、加载试验、加载装置等，加载装置设有缓冲装置，采用手动加载，加载力用测力传感器测量。该机可进行多种摩擦试验例如滑动和滚动，试验所用的碳棒形状可以为方形也可以为圆柱形，所以它做试验是非常方便的。本文设计的摩擦磨损试验机，可以有效的测量出碳棒在试验中的摩擦力、冲击力、温度等工作参数，方便信息的收集。该试验机的试验范围比较窄，只适用于测量碳棒的参数，因此不能广泛应用。关键词：碳棒；磨损机；设计；摩擦学 AbstractIn order to better measure the wear of carbon rod under a certa

4、in pressure and improve the measurement accuracy of the wear of carbon rod, an mmw-1 carbon rod wear machine is designed in this paper, which belongs to the pin shaft type friction wear tester. The machine is mainly used for friction and wear test related to carbon rod, and can obtain relevant param

5、eters more accurately. The designed equipment is mainly used in the field of tribology. For tribology, the test is an essential link. The mmw-1 carbon rod wear machine designed in this paper is based on the analysis of the tribological principle and the working principle of the friction wear tester.

6、 The tester is equipped with torque measuring tools, including bracket, torque sensor, servo motor, friction wheel, loading test, loading device, etc. the loading device is equipped with buffer device, which adopts manual loading, and the loading force is measured by force measuring sensor. This mac

7、hine can carry out many kinds of friction tests, such as sliding and rolling. The shape of carbon rod can be square or cylindrical, so it is very convenient to do the test. The friction and wear tester designed in this paper can effectively measure the friction, impact force, temperature and other w

8、orking parameters of carbon rod in the test, which is convenient for information collection. The testing range of this testing machine is narrow, it is only suitable for measuring the parameters of carbon rod, so it can not be widely used.Key words: carbon rod; wear parts; design; Tribology引 言进入21世纪

9、以来，越来越多的人开始研究摩擦的机理以及摩擦带来的危害，为了更好的研究摩擦，人们开始进一步研究摩擦学。对于摩擦学来说，最好的研究方法是做摩擦磨损试验，而做摩擦磨损试验就必须要用到摩擦磨损试验机，因此本文设计了一种MMW-1碳棒磨损机。MMW-1碳棒磨损机是摩擦磨损试验机的一种，它主要应用在摩擦磨损试验中，用来测量碳棒的各种参数。该试验机设有扭矩测量工具，包括支架、扭矩传感器、伺服电机、摩擦轮、加载试验、加载装置等，加载装置设有缓冲装置，采用手动加载，加载力用测力传感器测量。该试验机的应用范围较窄，只适用于测量碳棒的各个参数，但它可以测量方形的和圆柱形的碳棒。随着当今社会的高速发展，碳棒磨损机也

10、得到了突飞猛进的发展，无论是国内还是国外，越来越多的人开始注意到它的重要性。因此，当我们研究碳棒的磨损机理时，用碳棒磨损机可以更好的确定出各因素对碳棒性能的影响，例如温度，载荷等，以便于更好的评价碳棒磨损性能。故MMW-1碳棒磨损机可以测得碳棒的磨损量，进而研究其摩擦特性。1碳棒磨损机1.1 本课题研究的目的和意义随着当今社会的高速发展，越来越多的学者发现摩擦带来的危害，因此摩擦学这一学科得到了飞速的发展。对于摩擦学来说，它所涉及的领域是非常广泛的，无论是在机械、化工还是材料领域，它都扮演着非常重要的角色。故摩擦问题是我国发展新型工业化，推动我国工业高质量发展必须面对的一个问题1。本课题研究的

11、目的是为了更好的做碳棒摩擦磨损试验，方便对碳棒摩擦磨损现象和摩擦磨损的本质进行研究，并准确的测得影响摩擦磨损性能的各个参数，最后从参数中选择符合条件的最优参数。对于碳棒的摩擦磨损现象来说，它是相当复杂的，应用到的实验装置和试验方法都是非常多的，所以要想准确的得到碳棒摩擦磨损过程中的各个参数是相当重要的。因此，本次毕业设计设计了MMW-1碳棒磨损机，常见的MMW-1碳棒磨损机如图1.1所示2。图1.1 摩擦磨损试验机对摩擦磨损实验来说，它可以分成两种，一种是现场实物摩擦磨损试验，另一种是在实验室进行的摩擦磨损模拟试验。对第一类来说，它主要是在有条件进行实物试验的情况下进行的，这种方式最大的优点是

12、可靠，最大缺点是得到实验结果需要的时间比较长，造成这一缺点的原因是机器正常工作时，碳棒磨损的比较慢，并且磨损量测量困难，还有一点是机器工作时，它的操作条件不一定一直相同，所以取得的数据有一定的误差，并且摩擦磨损试验的试验结果具有一定的偶然性和特殊性的。对第二类试验来说，与第一类试验相比，它的操作较为简单，只需要对机器中的零部件进行模拟实验。再对零部件进行模拟试验时，通过改变不同的参数，来确定不同参数对碳棒摩擦磨损的影响，并且通过模拟得到的参数的精确度是非常高的。通过模拟试验，得到试验结果的时间是比较短的，也便于分析各个参数，也可以减少做试验的花费。但是此类试验最大的缺点是试验结果不能直接使用，

13、需要多做几次试验，得到精度更高的参数才能使用。 本课题的意义是设计一种用于测量在一定压力下碳棒的磨损量的机器，该机器可以更准确的测定碳棒的各个参数，方便进行摩擦磨损试验。MMW-1碳棒磨损机设有扭矩测量工具，包括支架、扭矩传感器、伺服电机、摩擦轮、加载试验、加载装置等，加载装置设有缓冲装置，采用手动加载，加载力用测力传感器测量。碳棒磨损机的主要作用是研究碳棒在不同条件（载荷、速度）的各种性能，当碳棒磨损时，可以用碳棒磨损机研究碳棒磨损时的机理性能。对碳棒来说，它相对碳棒试验机的相对运动有滚动、纯滑动等。点、线、面接触是碳棒在碳棒试验机常见的接触形式，三者的接触压力是不同的，点接触的单位面积压力

14、最大为，面接触的单位面积压力最小为，线接触处于二者之间为。线接触适用于接触疲劳磨损试验，点接触适用于接触压力高的试验，面接触适用于磨粒磨损试验。碳棒磨损机属于摩擦磨损试验机的一种。1.2 研究现状及国内外研究概况目前，碳棒磨损机研究还是非常先进的，碳棒磨损机是摩擦磨损机中的一类。现阶段的摩擦磨损试验机有销一盘式磨损试验机、滚子式磨损试验机、环一块型试验机、四球式试验机、端面摩擦磨损试验机等。由于摩擦存在于生活的角角落落，所以由摩擦引起的机械设备失效，引起了越来越多的人的关注，推动了碳棒磨损机的发展。现阶段碳棒磨损机约占全国GDP的1%3%，同发达国家相比，我国的碳棒磨损机生产水平还是比较低的，

15、即以占GDP2%计，我国每年因生产碳棒磨损机挽回的损失约为450多亿人民币，通过上述数据可以看出，现阶段我国对碳棒磨损机的研究是相当有意义的3-5。现阶段，对我国来说碳棒磨损机的起步是比较晚的，是在摩擦学这一学科提出后开始的，我国第一台摩擦试验机是1965年在济南发明的，型号为MQ-12属于四球式的摩擦试验机。在该试验机被发明后，济南试验机厂参考国外先进技术，仿制了美国Timken公司的摩擦试验机，该试验机大大推动了我国试验机领域的发展。除此之外，我国还有许多小公司，开始研发新型的试验机，其中MD-240定速摩擦试验机是最常见的如图1.2所示。图1.2 MD-240定速摩擦试验机对国外来说，它

16、们的摩擦磨损试验机发展，要比中国早几十年，不得不承认，它们产品的性能要比我们高许多，并且从种类上来讲，也比我国多得多。国外最有代表性的试验机为瑞士CSM公司的摩擦磨损试验机，如图1.3所示。图1.3 CSM公司的摩擦磨损试验机1.3 发展趋势随着当今社会的飞速发展，碳棒磨损机的发展不在单一，正朝着以下几个方向发展：（1） 用性能好的电机代替传统的机械变速系统：它最大的好处是可以使调速比增高，实现多种运动方式，简化设计结构，可以更高程度的减少碳棒磨损机的摩擦损耗，延长使用寿命；（2） 扩大夹具适用范围：选用特制的夹具，该夹具可以夹的零件比较多，这样可以测量多种形状的碳棒，扩大了适用范围；（3）

17、采用气压加载：用气压加载代替传统的手动加载，这样可以更好的控制加载力，不仅扩宽了加载的范围，也提高了测量精度；（4） 多方位进给：让试验机可以进行轴向、径向的加载。完成轴径向加载，可以更准确的测量轴径加载的试样；（5） 提高稳定性：提升碳棒磨损机的稳定性，减少磨损试验中出现的偶然性和特殊性。1.4 研究内容本次设计的MMW-1碳棒磨损机，与传统的试验机相比采用的加载方式不同，传统的为杠杆式加载，本次设计的为弹簧加载，与杠杆式加载相比，它的精度更高，稳定性更好，调速范围可以实现无级调速。本次设计的试验机，加载装置处设有缓冲装置，并且优化了电动机，使碳棒磨损机可以更准确的测得碳棒的各项参数，使测量

18、结果稳定可靠。采用的研究方法是从碳棒磨损机的工作原理出发，按照磨损机的性能要求，完成相关的设计计算，并设计碳棒磨损机的机械结构。2 碳棒磨损的评定方法及分类当在不同的环境下进行碳棒磨损试验时，它们的试验原理都是相同的。当用不同的试验方法测定碳棒磨损试验的参数时，一般会出现差异，但差异结果不是很大。为了使碳棒磨损试验测得的数据更加准确，一般在做试验时，都将模拟它的实际使用环境6。2.1 碳棒磨损的评定方法(1)磨损和摩擦是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种现象：之所以出现磨损，是由于存在摩擦导致的，摩擦必然会导致磨损。磨损不是单一作用出现的，它是在多种因素的作用下出现的，磨损的结果是使零件表面

19、出现损坏，严重的会导致零件失效。(2)分类 ：按介质和环境分为湿、干以及流体磨损；按表面接触性质分为金属金属、金属流体和金属磨料磨损；根据磨损的失效机制又可分为五种，五种磨损为磨粒、腐蚀、粘着、接触疲劳、微动磨损。(3)磨损性质：当碳棒做磨损试验时，碳棒表面会发生多种状态变化，例如力学、化学和物料。当碳棒发生塑形变形时，碳棒表面应力状态的变化；当碳棒做磨损试验时，因为表面摩擦会产生热，因此材料会发生相变、淬火、回火以及回复再结晶等；因与外部介质相互作用而产生的吸附作用。上述三种磨损性能可能会改变材料的耐磨性和抗腐蚀性等。故在做碳棒磨损试验时，必须要考虑磨损性质带来的影响。 正常来说，上述的磨损

20、性质基本不能独立出现，一般都是交替发生。但是由于磨损条件会出现变化，所以组合方式一般不同。磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性的情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。所谓外部条件主要指摩擦类型(滚动或是滑动)、摩擦表面的相对滑动速度和接触压力的大小。(4)碳棒耐磨性的定义及评定方法：碳棒在一定条件下抵抗碳棒磨损的能力，被称作为碳棒的耐磨性，一般来说是磨损率的倒数，即7： （2-1）式中： 材料耐磨性； 磨损率；对于磨损量来说，常用的表示方法有：线磨损：磨损面法向的尺寸变化值（）；质量磨损：磨损面质量的变化（）；体积磨损：磨损面体积的变化量（）；磨损率

21、：单位时间磨损量（）、单位行程磨损量（）、单位转速的磨损量（）；比磨率：载荷和摩擦距离的成积与磨损量比值的倒数，单位表示为；相对耐磨性：在相同条件下，被用于摩擦的碳棒和没进行任何处理的碳棒之比，即： （2-2）式中：相对耐磨性； 、试验试样和标准试样耐磨性； 、试验试样和标准试样磨损率。对于上文磨损量的评定来说，碳棒表面损失的形式有线磨损、体积磨损等。对碳棒磨损有影响的因素有碳棒的形状尺寸、所受的载荷等。因此磨损量的表达方式通常是绝对值。对磨损率来说，必须要考虑它的磨损长度和磨损时间。对碳棒的耐磨性来说，一般需要根据相对耐磨性来评定碳棒的耐磨性。当使用相对耐磨性来测定碳棒的耐磨性时，一般需要取

22、一个与碳棒性能相同的材料，在相同的工作环境下进行试验，这种方法可以很大程度上减少测得的误差。该方法可以很大程度上的提高对碳棒参数测得的精度。除此之外，该方法还有一些优点，例如操作简单，可以有效的避免测量误差。2.2 碳棒磨损评定方法的分类当进行碳材料相关的研究时，一般需要对碳棒的耐磨性和润滑条件进行测定。碳棒磨损试验一般分为两种，一种是实际试验，另一种是实验室试验，两种方法各有优缺点8。(1)实际试验：与实验室试验相比，实际试验的准确度更高，测量结果更精确，比实验室试验更有效。然而，该种试验也有一定的缺点，对于一些试验不可以实现。它的缺点如下：试验周期长；作试验时，它的实验结果具有一定的偶然性

23、和特殊性，分散度比较大；影响试验的因素比较多，不容易确定单个因素对试验的影响，并且磨损结果测量往往比较困难，精度不高。花费大量的人力物力。综上所述，一般不用实际试验的方法来测定碳棒的耐磨性和其他影响碳棒磨损量的参数。(2)实验室试验实验室试验分为台架试验和试样试验。台架试验对台架试验来说，它一般用的是真实的零件进行模拟试验，在特殊情况下也会用整台设备进行试验。这种试验的真实性比较高，可以排除偶然性和特殊性。但它最大的缺点是费用高。试样试验对试样试验来说，它是把碳棒作成简单的试件，然后把它放在碳棒磨损机上进行试验。这是对碳棒进行耐磨性试验最常用的方法。该方法最大的优点是可以轻易的得出碳棒的磨损规

24、律，进而减少偶然性和特殊性，适用于研究各因素对碳棒的影响。该试验方式，它的费用低以及周期不长。试样试验又可分为两种，一种是一般性的试样试验，另一种是模拟性的试样试验。对一般性的试样试验来说，它对模拟环境的要求不是非常高，碳件形状简单，主要用于碳棒摩擦机理的研究以及碳棒耐磨性的研究等。该种试验是理想化的物理模型，所以试验结果存在一定的误差。对模拟性试样试验来说，它主要是用来模拟零件的工况，故它对零件的分析更准确。对模拟性实验来说，它有两种方法：一种是根据磨损类型模拟，即试验机摩擦副与实际工作时的类型相同；另一种是根据摩擦条件模拟，即试验机的摩擦副与实际工作时的摩擦条件接近。这两种模拟即是对立的，

25、也是相互联系的。按照设计要求，本次设计的碳棒磨损机，主要用于测得碳棒在不同速度和载荷下的摩擦磨损机理。一般用于实验室里的试样实验，对碳棒磨损机的要求不高。(3)常用的几种磨损试验机：MM-200型摩擦磨损试验机；ML-10型固定磨料磨损试验机；MD-240型定速摩擦试验机；环块式摩擦磨损试验机。3总体方案设计3.1 设计原则几年来，虽然碳棒磨损机的类型越来越多，但是它并没有标准化。对于不同的碳棒磨损试验来说，应根据它的试验目的和要求来设计相应的试验机。当设计碳棒磨损机时，不仅需要考虑它的性能，还需要考虑各个零件的经济性，应在能满足性能要求的前提下，使制造费用最少。现阶段虽然有许多碳棒磨损机实现

26、了标准化，但该设备还不是非常成熟，一般在设计磨损机时，必须要遵守以下的设计原则9：(1)原则1在进行碳棒磨损试验时，碳棒的接触形式以及它的运动形式需要和碳棒在实际工作时的条件一致。(2)原则2对工作零件来说，它工作时可能出现的运动形式有许多种，例如滚动、冲击、滑动等。最常见的运动形式有往复和连续两种，往复运动又包括大小振幅运动。接触形式包括点、线、面接触三种，而面接触又包括一个设计表面（受液体冲击的零件）和两个设计表面两种。对碳棒磨损试验来说，接触形式的不同，对试验结果产生的影响也不同，本次设计采用的接触形式为点接触，示意图如图3.1所示。图3.1 点接触示意图(3)原则3 对碳棒磨损机来说，

27、必需使它保证足够的精度，这样可以使磨损试验获得的参数更加准确。由于摩擦是无处不在的，所以碳棒磨损机内部也会有摩擦，这个摩擦经常会导致测量结果不准确，因此在测量摩擦系数时，必须要保证碳棒磨损机具有一定的机械稳定性。碳棒磨损机的精度越高，测量的参数越准确；碳棒磨损机寿命长，可以保证试验的长久性；如果碳棒磨损机出现振动，那么它的误差是非常大的。除此之外，为了提高试验结果的正确性，最好的方式是用传感器来测定摩擦试验中的各参数。传感器的结构示意图如图3.2所示。图3.2 传感器的结构示意图(4)原则4碳棒磨损机在做摩擦试验时，应该使试验机能模拟实际的工作环境。对摩擦磨损性能来说，摩擦副的润滑条件对它的影

28、响是非常显著的，如果不能有效的模拟实际的工作状况，那么得到的试验结果是不准确的。所以当温度、载荷等发生变化时，它的模拟结果可能也发生变化。(5)原则5碳棒磨损机应使试验精度高，并且易于调整维修，使实验结果分散度小。3.2 工作原理碳棒磨损机原理选用可调速电动机，经联轴器带动主轴旋转，从而驱动摩擦盘转动，碳棒安装在夹具上，并随主轴一起回转，碳棒和摩擦盘相摩擦。载荷由弹簧添加到加载盘中，由传感器直接测的摩擦副所受的正压力，摩擦力由另一传感器经计算后得出。在做试验时，碳棒表面的润滑状态可以为边界润滑，也可以为干润滑。碳棒磨损机原理图如图3.3所示10-11。图3.3 碳棒磨损机原理图3.3 试验方法

29、(1)试验条件载荷：10-50kg；主轴转速：750r/min；试件直径：30-50；厚度：10；载荷固定在摩擦圆盘上，摩擦圆盘由主轴带动旋转。(2)影响因素碳棒的表面性质：包括碳棒的形状、碳棒的含碳量、碳棒表面光洁度等，这些因素都会影响到碳棒的磨损；碳棒的形状和尺寸：碳棒的形状会影响到碳棒和摩擦盘的接触形式，点线面不同的接触形式，对磨损的影响是不同的。碳棒的形状还会影响到润滑剂的状态和磨损量等。对于一些碳棒磨损机来说，它们只能用来做特定形状碳棒的磨损试验；摩擦状态：做碳棒磨损试验时，要注意碳棒的装配，在固体润滑时，不能采用倒装；运动形式：碳棒相对运动时，它有多种摩擦形式例如滚动和滑动，并且相

30、对运动会对润滑状态产生一定的影响；速度：对速度来说，它对摩擦的影响是复杂的，因为当速度发生变化时，摩擦系数也会发生变化；当速度过高时，会使碳棒发生变形，温度也有可能升高，因此可能会改变润滑的状态；温度：温度和其它因素相比，是影响摩擦试验最重要的一个参数。对碳棒来说，当温度升高时，碳棒表面的性质会发上变化，当碳棒性质变化时，摩擦系数也会变化，故导致摩擦副的工作条件发生变化。温度对磨损量的影响是复杂的，当温度很高时，材料的磨损量会发生变化，粘度也会发生变化，故粘度下降，严重时会改变润滑的状态；压力：当压力发生变化时，润滑状态也有可能发生变化，进而影响碳棒的磨损量；周围环境介质：周围环境中的介质发生

31、变化时，对碳棒和润滑剂都会产生一定的影响。并且如果不控制好周围环境的介质，会导致碳棒表面被污染，进而影响到碳棒的安装精度；润滑方式：润滑方式对摩擦副的直接影响主要体现在润滑条件和给油方式上，并且不同种类的润滑油有不同的影响；试验时间：对碳棒磨损试验来说，要想确定试验时间，需要了解碳棒的磨损阶段，不能为了缩短试验时间而缩短时间，要根据磨损阶段来确定，不然可能会导致碳棒被破坏。4 结构设计4.1 电机选择查找碳棒磨损机的相关资料，结合设计要求，确定出碳棒磨损机的性能指标如下12：载荷：10-50kg；主轴转速：750r/min；试件直径：30-50；厚度：10；载荷固定在摩擦圆盘上，摩擦圆盘由主轴

32、带动旋转。(1)驱动部分选择原理：对电动机来说，它是一个标准件，需要根据工作参数来选择合适的电动机。现阶段来说电动机的种类是非常多的，有直流、交流、步进等几种电机。前两者的价格高，经常用在一些特殊的场合；而后者主要用在数控设备中。对于交流异步电机来说，它最大的优点是价格低，方便维修和安装，并且交流电在机械设备中应用是非常多的，所以容易获得。除此之外，在工程上还有一种常用的电动机，为三相异步交流电动机，它的电压为380伏，不能应用在易燃易爆的场合，主要应用在没有特殊要求的机械设备上，并且适合应用在大转矩的机械上，如压缩机。电动机主要应用在机械，电气等领域，在各个领域中，异步电动机的应用都是广泛的

33、。具体计算：根据电动机的工作条件和经济性，来选择合适的电动机功率。对于电动机的功率来说，选的太小，可能会导致机械设备不能正常工作；选的太大，可能会导致电动机不能充分发挥它的作用，并且它的成本比较高，由于电动机不能再满载下运行，所以它的工作效率比较低，造成了严重的浪费13。由交流可调速电动机实现无级变速转动，选择电动机：已知:，；承受最大扭矩的公式为： （4-1）设承受最大扭矩为：根据电机的额定功率计算公式： （4-2）所以电机的额定功率为：所以选择YE-71M1-2三项异步电机，其基本外形尺寸与安装尺寸如图4.1所示，YE-71M1-2三项异步电机安装尺寸表如表4.1所示。表4.1 YE-71

34、M1-2三项异步电机安装尺寸表机座号极数安装尺寸外形尺寸AA/2BCDEFGHKABACADHDL802、412562.5100501940615.58010165175150175290图4.1 YE-71M1-2三项异步电机安装示意图4.2 传动装置设计4.2.1 联轴器的设计(1)传动部分选择原则：本次设计的碳棒磨损机的传动部分为主轴带动联轴器转动。联轴器的选取原则为：在满足设计要求的前提下，使联轴器具有足够的精度。因为它是依据载荷和转速设计的，所以在设计传动部分时还应考虑以下几点14：转矩的大小和缓冲吸振。联轴器有许多种类，当运行的功率过大的时候，选用的联轴器为齿式联轴器。对冲击载荷大

35、的传动，常用的联轴器为轮胎式联轴器。工作转速和离心力。当工作转速高时，一般选择精度高的联轴器，而不选用精度低的联轴器。常见的有膜片联轴器。两轴相对位移的大小和方向。当联轴器和轴连接时，由于加工误差，或者工作时相对位移大，可能会导致两轴不能严格对中，针对这种情况常用的联轴器为扰性联轴器。对联轴器和轴的相对位移来说，又可分为径向位移和轴向位移，当径向位移大的时候，用的联轴器为滑块联轴器，也可用万向联轴器等。可靠性和工作环境。对联轴器来说，可靠性是非常重要的。比较可靠的联轴器一般是由金属制成的，并且不需要润滑。对需要润滑的联轴器来说，润滑的好坏严重影响联轴器的性能，并且它的润滑剂容易被污染。还有一些

36、含有非金属零件的联轴器，它对温度比较敏感，容易老化。联轴器的制造、安装和维护。联轴器的设计应在满足使用性能的前提下，是它的成本尽量的低，并且当机器出现故障时，应便于安装和修理。例如刚性联轴器，它就完全满足上述的要求。(2)具体选用：对联轴器来说，它的选择需根据轴的直径和转速以及电动机的型号来决定，根据设计参数查阅机械设计手册，可选择4050弹性柱销联轴器。在碳棒磨损机工作时，联轴器和轴是不能分开的，只有当碳棒磨损机停止工作或拆卸时，二者才是可以分开的。对于柱销联轴器来说，它的柱销容易松动，影响轴和联轴器的连接，所以一般在半联轴器上用螺钉连接一个挡板。柱销联轴器有许多好处，例如装拆方便、结构简单

37、、寿命长、耐磨性好等。有优点就会有缺点，它最大的缺点是稳定性不好。它主要应用在载荷波动小，不需考虑缓冲的轴系，它一般的工作温度为。联轴器的结构示意图如图4.2所示。图4.2 联轴器的结构示意图4.2.2 轴的设计与校核(1)设计原理对于轴的结构设计来说，在设计时不仅需要考虑轴的强度，还需要考虑轴的刚度。除此之外，轴上零件的轴向定位也是非常重要的，因此为了保证轴的工艺性，一般把轴设计成阶梯状。轴的设计一般分两部进行，第一部拟定一个轴径，第二部根据设计要求画出整根轴的结构。轴的结构确定后，计算轴的弯矩和转矩，最后根据弯矩和转矩进行强度校核15。轴径可按下式初定： （4-3）式中：许用扭转切应力，单

38、位为，查机械设计手册取；轴上传递功率，；轴的转速，。轴的径向尺寸设计：当轴上零件装拆困难时，往往需要根据改变轴直径的大小来实现，相邻两端轴的轴颈变化是不大的，但是仍然会产生应力集中，为了减少应力集中一般取相邻轴颈的差为；当轴上零件的轴向固定很难实现时，最好的方法就是改变轴的直径，为了更好的承受轴向载荷，轴径的变化应该是比较大的，一般取相邻轴颈的差为；轴的轴向尺寸设计：为了更好的确定阶梯轴各个变断面的位置，故需要对轴的轴向尺寸进行设计。 为了更好的固定轴上的零件，需要对轴的变断面进行设计，应使轮毂端面与变断面的位置平齐。常用的轴向定位零件是轴套，当轴颈发生变化时，轴套和轴之间应有一定的间隙，可以

39、保证零件的安装精度。轴上常用于周向固定的零件是平键，对于平键来说，它的长度一般要比轮毂短。平键安装时需要注意，为了便于对中，键槽应该距离轮毂装入端近一些，通常取。当轴上安装不只一个平键的时候，应保正各键在一条中心线上，以保证安装精度。(2)轴上零件的定位当轴上零件受力发生相对运动时，会严重影响到碳棒磨损机的工作效率，所以除了有要求空转的零件外，都应避免出现相对运动的现象，将使它的位置精度更准确。零件的轴向定位：为了防止轴上零件工作时上下跳动，最好的方法就是对轴上的零件进行轴向定位。轴向定位的方法有许多种，例如圆螺母和轴肩等。零件的周向定位为了有效的防止轴上零件沿轴向发生相对运动，最好的方法是进

40、行轴向定位。周向定位的方法也有许多中，例如键、销和过盈配合等，其中键连接需要根据转矩的大小来选择键的种类。(3)轴的失效形式及设计准则 对于轴来说，最常见的失效形式为疲劳断裂，造成这一现象的原因是轴会产生变应力，所谓变应力就是轴在弯矩和扭矩的共同作用下产生的力。因此，在轴的设计过程中，完成疲劳强度校核是必不可少的。 当瞬时过载非常大时，它的应力和静应力的性质比较接近，会导致塑性变形，此时应进行静强度校核。 对于机床的主轴来说，它除了对强度有要求外，对刚度也有一定的要求，必须进行刚度的计算。 对汽车的主轴来说，它的转速是非常高的，并且受到的载荷是按一定规律变化的，该种轴可能会产生共振，还需要进行

41、振动稳定性计算。对轴的设计来说，它必须要满足以下几个方面的要求：具有足够的强度和刚度、便于装拆、结构稳定简单。一般来说，轴的设计需要完成轴的结构设计和强度设计。(4)轴的计算按扭转强度初步估计轴的最小直径，常用公式为： （4-4）因为键槽会对轴产生一定的影响，所以取轴的直径为，轴的材料选45号钢（根据表4.2选择），轴还需进行正火处理。表4.2 轴的常用材料及其主要力学性能材料牌号热处理毛坯直径/硬度/HBS抗拉强度屈服强度极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限许用弯曲应力备注Q235-A热轧或锻后空冷100400-42022517010540用于不重要 轴100-250375-39021545正火回火

42、调质100100-300100170-217162-217217-2555905706402952853552552452751401351555560应用最广泛40Cr调质100100-300241-28673568554049035533520018570载荷较大40CrNi调质100100-300270-300240-27090078573557043037026021075很重要的轴38SiMnMo调质100100-300229-286217-26973568559054036534521019570很重要的轴38CrMoA1A调质6060-100100-160293-321277-3

43、02241-27793083578578568559044041037528027022075高耐磨性，高强度20Cr渗碳淬火回火60渗碳52-62HRC64039030516060强度及韧性均较高轴3Cr13调质10024183563539523075腐蚀下的轴1Cr18Ni9Ti淬火100100-20019253049019519018011511045高、低温及腐蚀下的轴QT600-3190-270600370215185制造复杂外形轴QT800-2245-335800480290250轴的计算简图如图4.3所示。轴上零件的受力可以分解为径向力和圆周力，根据零件所受的载荷，可以把两个受力

44、都转画到轴上。根据轴所受的力，校核轴强度。图4.3 轴的计算简图轴上载荷：跨距 ，计算齿轮处的弯矩。圆周力的计算公式为： （4-5）故圆周力为；径向力的计算公式为： （4-6）故径向力为；两个支撑的支反力为：；经计算可得出：；合成弯矩的公式为： （4-7）故合成弯矩为；扭矩的计算公式为： （4-8）故扭矩的大小为；考虑弯矩和转矩所产生的应力的循环特性不同而引入修正系数。查阅资料可知，。轴的相当弯矩公式为： （4-9）轴的相当弯矩为；按弯矩合成应力校核轴的强度，核算轴上受最大弯矩处剖面强度。最大弯矩处剖面强度的计算公式为： （4-10）故最大弯矩处剖面强度的计算公式为：；校核结果：为轴的许用弯曲应力，根据轴的材料可以选择的值为。校核结果的可能性如下：当是，合格；当时，不合格。根据上述的计算可知：；故该轴的设计是合格的。(5)提高轴的强度常用方式为合理布置轴上零件以减小轴的载荷；改进轴上零件的结构以减小轴的载荷；改进轴的结构以减小应力集中的影响；改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度。(6)轴的结构工艺性对于轴的工艺性来说，它主要指的是轴上零件是否便于装拆以及轴生产率的高低等。正常来说，光轴的工艺性最好，因为它的结构比较简