МАШИНА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ТРЕНИЕ И ИЗНОС Российский патент 1997 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к оборудованию для исследования триботехнических характеристик конструкционных и смазочных материалов.

Известна конструкция машины трения для испытания материалов на трение и износ (2070 СМТ-1), содержащая основание, установленную на нем камеру для смазочного материала, размещенный в ней цилиндрический контробразец, привод вращения, кинематически соединенный с контробразцом, узел нагружения, соединенный с ним держатель образца, измеритель момента сил трения, смазочного материала [1]
Недостатками известной конструкции являются сложность конструкции, большая металлоемкость машины, трудоемкость машины, трудоемкость монтажа наладки, проведения испытаний в связи с необходимостью вскрытия испытательной камеры.

Известно устройство для испытания материалов на трение и износ [2] содержащее станину, установленные на ней держатель дискового контробразца, привод его вращения, держатель образца, механизм его прижима к дисковому контробразцу и радиального перемещения относительно дискового контробразца и систему для записи температуры, механизм радиального перемещения держателя стержневого образца относительно дискового контробразца выполнен в виде барабана с винтовой канавкой на его боковой поверхности с изменяющимся вдоль оси барабана радиусом навивки и расположенного в канавке троса, закрепленного свободным концом на держателе стержневого образца.

Недостатком известной конструкции является сложность устройства.

Машина рассчитана для исследования триботехнических свойств металлополимерных узлов трения в ограниченных условиях работы пар трения типа ползун длинномерная направляющая, требуемого специального закона изменения скорости относительно скорости образца по контробразцу. Образец прижимается к вращающемуся дисковому контробразцу, закрепленному на держателе, перемещается в радиальном направлении по направляющим с помощью троса, который наматывается на профилированный барабан. Таким образом, путь трения, а следовательно, время испытания ограничены, а производительность испытания низкая.

Известна [1] конструкция машины "Тимкен" (фирма "Баронд" США) для определения смазочных свойств буровых растворов, выбранная в качестве прототипа, содержащая станину, установленные в ней держатель кольцевого контробразца, привод его вращения, держатель плоского бруско-образца, механизма нагружения образца, систему измерения силы нагружения образца, систему измерения силы тока электродвигателя, пропорционального коэффициенту трения, чашу с испытательной средой, в которую помещают пары трения.

Контробразец, представляющий из себя кольцо диаметром 40 мм и шириной 5 мм, установлен на нижнем конце вала шпинделя. Приводится во вращение вал с контробразцом от электродвигателя через клиноременную передачу.

В качестве образца взят стальной брусок размером 8•8•15 мм. Схема испытания принята "кольцо плоская поверхность". При вращении кольца брусок своей плоской гранью прижимается к образующей поверхности кольца с помощью рычага. Силу прижатия создают винтом, соединяющим конец рычага со станиной. Сила прижатия измеряется динамометром по деформации рычага. Коэффициент трения оценивают по силе тока электродвигателя с помощью амперметра.

Недостатком известной конструкции является то, что в процессе испытания по мере износа образцов площадь контактов увеличивается, поэтому воспроизводимость результатов испытаний плохая, особенно по коэффициенту трения.

На машине отсутствует датчик измерения силы трения, а определяется она косвенно по силе тока электродвигателя.

На машине отсутствует датчик износа образцов, а весовой метод измерения износа образцов и смена образцов, производимых при каждом опыте, требуют значительного времени.

Машина имеет ограниченное функциональное назначение, а именно предназначена для оценки коэффициента трения и нагрузки задира (критической нагрузки трения) в буровых растворах, т.е. определяют два триботехнических параметра. Методика испытаний здесь основана на изменении силы тока электродвигателя, пропорционального моменту трения, до появления задира в контакте трения, то есть до нарушения поверхности контакта бруска образца.

Машина предназначена для оценки смазочных свойств только буровых растворов с использованием стандартных образцов пар трения.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет триботехнической оценки не только буровых растворов, но и смазочных конструкционных материалов.

Указанная цель достигается тем, что машина, содержащая станину, установленные на ней держатель контробразца, кинематически связанный с ним привод вращения, чашу с испытательной средой, держатель образца, соединенный с механизмом нагружения, выполненный в виде рычага с подвешенными грузами на конце, снабженный датчиком силы трения, где датчик выполнен в виде стальной пластинки, которая одним концом жестко закреплена к держателю образца, а другим к рычагу механизма нагружения, сам механизм нагружения снабжен датчиком линейного износа образцов, а образец выполнен в виде стержня, сохраняющего по мере износа форму и площадь контакта трения.

Сопоставимый анализ с прототипом (машина "Тимкен") позволяет сделать вывод, что заявляемая машина трения отличается от известной тем, что образец принят в виде стержня диаметром 3.5 мм, сохраняющего по мере износа форму и площадь контакта неизменной; на рычаге установлен датчик линейного износа образцов, что позволяет в процессе испытаний оценивать величину износа в любое время. Следовательно, принятая форма образца и датчика износа позволяют испытывать любые материалы на износ, т.е. измерять дополнительно третий триботехнический параметр, тем самым расширяется информативность и функциональная возможность машины.

Далее машина отличается тем, что держатель стержневого образца установлен на вертикальной оси, позволяющей передавать силу трения пластинчатому датчику. Сила трения оценивается по величине деформации (прогибу) стальной платины. (В машине "Тимкен" момент трения оценивается по изменению силы тока двигателя). Установка держателя на вертикальной оси (пальце) при подготовке машины к испытанию (при наладке) позволяет перемещать стержень вверх или вниз относительно контробразца, тем самым менять положение контакта на поверхности контробразца во избежание желобообразования.

Машина отличается тем, что при вращении кольца стержень прижимается к образующей поверхности кольца с помощью рычага (взамен винта), что позволяет ускорить испытания при различных нагрузках и стандартизировать режим нагружения.

Таким образом, предлагаемая машина трения соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о состоянии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана схема узла трения "стержень-кольцо"; на фиг.2 изображена схема машина трения; на фиг.3 кинематическая схема машины.

Узел трения машины содержит стержень (образец) 1 диаметром 3.5 мм и кольцо (контробразец) 2 диаметром 40 мм и шириной 9.12 мм.

Машина (фиг.2) состоит из станины 3, на которой расположен привод, включающий двигатель 4 со шкивом 5 с клиноременной передачей 6.

С передней стороны станины расположены держатель 7 контробразца 2 в виде вала шпинделя 8, держатель 9 стержня 1, рычаг 10 с подвеской грузов 11 для нагружения стержня 1, упругая пластина 12 с индикатором 13, индикатор 14 с датчиком линейного износа образца 15, чашка с испытываемой жидкостью 17.

Машина работает следующим образом. Устанавливают в держателе 9 стержень 1 исследуемого или стандартного материала по центру контробразца 2. В чашку наливают испытываемую или стандартную жидкость 17, в которую погружают пару трения "стержень-кольцо". Создают с помощью грузов 11 и рычага 10 необходимую нагрузку Р для прижатия стержня 1 к кольцу 2 и включают двигатель 4.

Если машина работает плавно, то производят притирку образцов в течение 0,5.1,0 мин до стабильности коэффициента трения. Затем машину останавливают, подключают датчик 14, устанавливают его на нуль.

Первый опыт продолжается 1 мин, затем опыт повторяют два четыре раза. Если величина износа образца менее 0,5 мм, продолжительность каждого опыта увеличивается до появления значимого износа.

Для измерения силы трения подключают индикатор 13, устанавливают его шкалу на нуль, испытание проводят в течение 10 с, затем опыт повторяют три-четыре раза.

Опыты проводят при удельных нагрузках 10, 20, 30, 40, 50 МПа, в контакте пар трения до появления задира. Скорость скольжения (0,7; 1,0; 1,6 м/с) обеспечивается сменой шкивов 5,18 ременной передачи 6.

При вращении кольца 2 в контакте "стержень-кольцо" возникает сила трения, в процессе испытания пары трения изнашиваются.

Сущность изобретения: на станине 3 установлен держатель 7 контробразца 2, с которым кинематически связан привод вращения. На станине 3 установлены также держатель 9 образца 1, соединенный с механизмом нагружения 11 и емкость с испытательной средой 17 для погружения в нее образца 1 с контробразцом 2. Механизм нагружения выполнен в виде рычага 10. На одном конце рычаг 10 посредством упругой пластины 12, установленной с возможностью изгиба под действием силы трения и служащей датчиком измерения сил трения, закреплено цанговое устройство. На другом конце рычага 1, подвешен груз 11, а образец 1 выполнен в виде стержня диаметром 3-5 мм. 3 ил.

Машина для испытания материалов на трение и износ, содержащая станину, установленный на ней держатель контробразца, кинематически связанный с ним привод вращения, держатель образца, соединенный с механизмом нагружения, емкость с испытательной средой для погружения в нее образца с контробразцом, отличающаяся тем, что механизм нагружения образца выполнен в виде рычага, на одном конце которого держатель образца в виде цангового устройства закреплен упругой пластиной, установленной с возможностью изгиба под действием силы трения и служащей датчиком измерителя силы трения, на другом конце рычага подвешен груз, а образец выполнен в виде стержня диаметром 3 5 мм.