УСТРОЙСТВО НАГРУЖЕНИЯ К МАШИНЕ ТРЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к области испытаний материалов на трение и износ, в частности может быть использовано в машинах трения, работающих по схеме вал-втулка, вал-колодка.

Известно устройство нагружения к машине трения, содержащее электромагнит с сердечником, взаимодействующий с держателем образца, измерительный преобразователь положения оси сердечника и регистратор линейных перемещений (а. с. N 1033924, G 01 N 3/56).

Известно также нагружающее устройство, используемое в установке для испытаний пар трения (а. св. N 1114840, G 01 N 3/56), которое также как и предыдущее выполнено на базе постоянного электромагнита. При помощи осевого нагружающего устройства неподвижный элемент с необходимым усилием прижимается к подвижному элементу. Постоянное радиальное нагружение пары трения создается радиальным нагружающим устройством. Электромагнитная система нагружения испытуемой пары осевыми и радиальными колебаниями состоит из цилиндрического постоянного магнита, установленного внутри цилиндрической части вращающегося держателя (подвижного) и сердечника с обмоткой возбуждения, смонтированного в цилиндрическом стакане неподвижного держателя. При пропускании по обмотке возбуждения электрического тока сердечник электромагнита притягивается к постоянному магниту, установленному на вращающемся держателе. При циклической подаче тока на катушку соответственно периодически изменяется сила взаимодействия, что ведет к генерированию осевых колебаний в паре трения. В этом нагружающем устройстве отсутствуют средства для создания разной по величине нагрузки, действующей на испытуемый образец с противоположных сторон, а также средства для создания усилия, противоположно направленного прилагаемой нагрузке. При динамических испытаниях возможно создание нагрузки лишь ограниченной величины и формы, т.к. генератор колебаний выполнен на базе постоянного электромагнита.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство нагружения, используемое в машине трения для испытания сопряжений типа вал-втулка (а. с. N 1224668, G 01 N 3/56). Это устройство осуществляет независимое нагружение каждого из образцов и выполнено в виде гидроцилиндра, взаимодействующего с держателями через систему шарнирно соединенных рычагов. Однако отсутствие в узле нагружения средств для реализации усилия противоположно направленного прилагаемой нагрузке на каждый образец, а также средство для реализации динамического нагружения ограничивает диапазон условий задания нагрузки на пару трения.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности испытаний и достоверности результатов за счет приближения условий к реальным условиям работы пар трения.

Поставленная задача решается тем, что устройство нагружения к машине трения содержит двухплунжерный гидроцилиндр, взаимодействующий с двумя оппозитно установленными держателями образцов, расположенными в камере, заполненной рабочей средой, регуляторы уровня давления, установленные с торцов гидроцилиндра и полости регуляторов совмещены с соответствующими торцевыми полостями гидроцилиндра, образуя две крайние полости, и каждая из трех полостей (крайняя и межплунжерная гидроцилиндра) соединены через соответствующий регулируемый дроссель с одним из трех устройств аналоговой сервотехники, управляемых ЭВМ. В плунжерах выполнены сферические отверстия и в них размещены по одному концу каждого из держателя, другие концы которых шарнирно закреплены в корпусе рабочей камеры. Кроме того, полости могут быть заполнены рабочими жидкостями различной вязкости и сжимаемости.

Заявляемое решение отличается от прототипа тем, что оно снабжено:
двумя регуляторами давления, установленными с торцов гидроцилиндра и торцовые полости его совмещены с соответствующими поршневыми полостями регуляторов уровня давления;
тремя гидроаккумуляторами, каждый из которых подключен через соответствующий регулируемый дроссель с одной из трех полостей двух крайних и средней, образованной в гидроцилиндре между его плунжерами;
тремя устройствами аналоговой сервотехники, каждая из которых подключена аналогично гидроаккумуляторам.

Кроме этого еще отличается тем, что гидроцилиндр имеет два соосно установленных плунжера со сферическими пазами, в которых размещены свободные концы каждого из держателей образцов; полости заполнения рабочими жидкостями разной вязкости и сжимаемости.

Наличие в гидроцилиндре трех полостей, которые соединены через регулируемые дроссели с устройствами аналоговой сервотехники, управляемыми ЭВМ и с гидроаккумуляторами позволяет реализовать гидравлический принцип создания постоянной или переменной нагрузки, кроме этого наличие двух регуляторов уровня давлений позволяет создать при стационарных испытаниях различный уровень нагрузки, а подключение через регулирующие дроссели гидроаккумуляторов к вышеуказанным полостям создает стабилизацию уровня задаваемых нагрузок. Взаимодействие гидроцилиндра с держателями через сферические отверстия в плунжерах, в которых размещены по одному концу каждого из держателей, плавно передает давление в полостях через плунжер держателю, т.к. сферический паз создает точечный контакт плунжера и держателя. Гидравлический принцип создания нагрузки с использованием гидравлических аккумуляторов при динамических испытаниях расширяет диапазон условий и форм задания нагрузки. Изменение давления зарядки аккумуляторов позволяет изменять модуль объемной упругости (соответственно податливость) каждой из трех полостей, к которым они подсоединены. Варьирование податливости этих полостей обеспечивает изменение характера нагрузки, действующей на пару трения по законам, которые не воспроизводятся известными нагружающими устройствами.

Кроме того, варьирование податливостью полостей можно осуществлять за счет заполнения их разными по сжимаемости и вязкости рабочими жидкостями.

Нагружение пары трения предлагаемого устройства можно осуществить несколькими способами: первый только со стороны правого или левого держателя; второй со стороны правого и левого держателя одновременно.

При этом переменный гидравлический сигнал можно подавать следующим образом:
в межплунжерную полость при одинаковых или разных по абсолютному значению уровнях давлений в крайних полостях;
в крайние полости при постоянном давлении в межплунжерной полости;
во все полости одновременно.

Таким образом, в заявляемом устройстве возможно воспроизведение любого закона нагружения пары трения.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства нагружения, на фиг.2 кинематическая схема устройства, включающая схему связи параметров устройства, где
P₁, P₂, P_o давление рабочей жидкости соответственно в полостях П₁, П₂, П_o;
F_p1, F_p2, F_p3 силы давления на торцевые поверхности плунжеров гидроцилиндра;
F_N1, F_N2 нормальные составляющие сил нагрузки;
F_тр1, F_тр2 силы трения;
ω угловая скорость кольца.

Устройство нагружения содержит гидроцилиндр 1, в корпусе которого установлены соосно два плунжера 2, 3. Плунжеры имеют сферические пазы 4, 5, в которых установлены верхние концы держателей 6, 7 испытуемых образцов 8, 9. Нижние концы держателей шарнирно закреплены в корпусе рабочей камеры 10. Образцы выполнены в виде сегментных втулок и установлены в держателях шарнирно с помощью фиксаторов 11, 12 и взаимодействуют с установленными на валу 13 кольцом 4, образуя пару трения вал-втулка. Держатели с образцами размещены в рабочей камере 10, заполненной рабочей средой. Торцы гидроцилиндра открытые и к ним присоединены регуляторы уровня давления 15, каждый из которых состоит из корпуса 16, поршня 17, втулки 18, стопорной крышки 19 и ручки 20. Поршневые полости регуляторов и торцевые гидроцилиндра совмещены и образуют две крайние полости 21, 22 (П₁, П₂). Между плунжерами расположена полость 23 (По) межплунжерная. Устройства аналоговой сервотехники выполнены в виде сервоклапанов 24, 25, 26, которые создают переменные гидравлические сигналы. Сервоклапаны соединены через регулируемые дроссели 27, 28, 29 с соответствующими полостями 22, 23, 21, которые через регулируемые дроссели 30, 31, 32 соединены с соответствующими гидравлическими аккумуляторами 33, 343, 35. Устройство снабжено приборами для измерения давления статического приборы 36, 37, 38 и динамического 39, 40, 41. Сервоклапаны питаются от источника гидравлической энергии (на чертеже не показан). Формирование закона нагружения сервоклапана производится с помощью ЭВМ 42.

Устройство работает следующим образом: образцы 8, 9, выполненные в виде сегментных втулок, устанавливаются в посадочные места фиксаторов 11, 12 держателей 6, 7, после чего с помощью давления Ро, создаваемого в полости По, держатели разводятся в разные стороны, и вал 13 с установленным на нем кольцом 14 свободно вставляются между образцами. Давление сбрасывается (Ро), а за счет создаваемого давления в полостях П₁, П₂ образцы поджимаются, вступая в контакт с кольцом, который фиксируется датчиком момента трения, после чего узел нагрузки готов к работе. Вращение вала с кольцом обеспечивается гидромотором двухстороннего действия, а измерение момента трения в образцах соответственно и силы трения (F_тр1, F_тр2) и других трибопараметров специальными датчиками (на чертеже не показано). Гидравлические сигналы, создаваемые в сервоклапанах 24, 25, 26 или запасенные в гидроаккумуляторах 33, 34, 35, подаются в полости 21, 22, 23. Под действием давлений P₁, P₂, P_o, возникающих в этих полостях на торцевых поверхностях плунжеров, формуются силы давления, которые передаются через держатели 6, 7 на образцы 8, 9, которые совместно с кольцом 11 имитируют нагружение в паре трения.

Во время статистических испытаний нагружение пары трения может производиться двумя путями:
если давление в межплунжерной полости П_o равно нулю, тогда нагружение происходит за счет создания одинаковых (Р₁ P₂) или разных (P₁≠P₂) давлений в полостях П₁ и П₂. При этом каждый плунжер подвергается давлению только с одного торца.

если давление в межплунжерной полости не равно нулю, тогда нагружение происходит за счет фиксированных перепадов давлений в полостях (P₁-P_o) и (P₂-P_o), и плунжеры при этом подвергаются давлению с обоих торцов.

Давление P₁ и P₂ в полостях П₁ и П₂ создаются регуляторами уровня давления 15 при помощи вращения ручек 20, которые приводят в движение поршень 17. За счет объемной упругости применяемых жидкостей возникают давления в полостях П₁ и П₂. Давления P₁, P₂, P_o в полостях П₁, П₂, П_o формируют силы на плунжеры 2, 3, которые через держатели 6, 7 передаются на образцы 8, 9, радиально нагружая их силами F_N1, F_N2. Значения нагрузки фиксируется приборами. Задание нагрузки на испытуемые образцы за счет разности давлений в полостях обеспечивает более точный закон нагружения испытуемых образцов в зоне граничного трения. При длительных стационарных испытаниях на трение и износ через дроссели 30, 31, 32 подключаются гидроаккумуляторы 33, 34, 35, которые за счет запасенной энергии поддерживают постоянными в полостях П₁, П₂, П_o давления P₁, P₂, P_o, а следовательно и нагрузку на образцы при посадке держателей соответственно и плунжеров из-за износа образца, повышая тем самым достоверность испытаний.

При динамических испытаниях первоначально на ЭВМ формируется программа, моделирующая закон необходимой формы нагружения. По командам программы, заложенной в памяти машины, электрические сигналы передаются на электрогидравлические преобразователи сервоустройств управления, которые преобразуются в гидравлические сигналы по давлению и передаются в полости П₁, П₂, П_o. Давления P₁, P₂, P_o формируют силы на торцевые поверхности плунжеров F_p1, F_p2, F_po, которые через держатели передаются на испытуемые образцы по нормали в виде сил F_N1, F_N2.

Величина и форма заданного нагружения контролируется и отслеживается с помощью датчиков динамического давления и ЭВМ.

Использование: в испытании материалов на трение и износ, в машинах трения, работающих по схеме вал - втулка, вал - колодка. Сущность изобретения: устройство нагружения к машине трения содержит камеру с рабочей средой, размещенные в ней два держателя для образцов и взаимодействующий с держателями гидроцилиндр, который выполнен с открытыми полостями на торцах. Плунжеры установлены соосно с образованием полости и выполнены со сферическими пазами, в которых размещены держатели образцов. Устройство содержит также регуляторы уровней давления, полостями сообщенные с полостями гидроцилиндра, три гидравлических аккумулятора и три устройства аналоговой сервотехники и ЭВМ. Полости предназначены для заполнения рабочими жидкостями различной сжимаемости и вязкости. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство нагружения к машине трения, содержащее камеру, заполненную рабочей средой, оппозитно размещенные в камере и шарнирно закрепленные два держателя для образцов и предназначенный для взаимодействия с держателями гидроцилиндр, отличающееся тем, что гидроцилиндр выполнен с открытыми полостями на торцах, плунжеры установлены соосно с образованием полости между ними, в плунжерах выполнены сферические пазы, держатели образцов размещены в последних, а устройство снабжено регуляторами уровней давления, рабочие полости которых сообщены с соответствующими торцевыми полостями гидроцилиндра, тремя гидравлическими аккумуляторами, каждый из которых соединен с соответствующей полостью посредством регулируемого дросселя, тремя устройствами аналоговой сервотехники и предназначенной для управления последними ЭВМ, при этом каждое из устройств аналоговой сервотехники также связано с соответствующей полостью посредством регулируемого дросселя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полости предназначены для заполнения рабочими жидкостями различной сжимаемости и вязкости.