МАШИНА ТРЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01N3/56 G01N9/02 

Изобретение относится к области трибологических испытаний, а именно к устройствам для испытания материалов и смазочных сред при динамическом нагружении и реверсивном движении при малых скоростях относительного перемещения.

Известна машина трения (А.с. №624141, кл. МКИ² G 01 N 3/56, 1977, БИ №34, "Машина трения"), содержащая основание, на котором размещен держатель контробразца, подвижную каретку с закрепленным на ней держателем образца, нагружающее устройство и привод возвратно-поступательного движения каретки.

К недостаткам известной машины трения можно отнести: переменную скорость относительного движения образцов в одном цикле испытания, регулирование амплитуды возвратно-поступательного движения при помощи эксцентрикового привода движения, регулирование уровня нагружения образцов в пределах одного цикла путем применения системы сменных копиров, отсутствие системы непрерывного контроля нагрузки в ходе испытания. Соответственно, возникают существенные проблемы эксплуатации машины трения, связанные с постоянной переналадкой ее узлов и агрегатов.

Наиболее близкой по технической сущности является машина трения (А.с. №222157, кл. МКИ² G 01 N 3/56, 1966, БИ №22, "Стенд для испытания износостойкости обивочных материалов транспортных сидений"), содержащая основание, установленные на нем держатель контробразца, подвижную в горизонтальном направлении каретку и держатель испытуемого образца, совершающие движение от возвратно-поступательного привода, узел нагружения и привод нагружения.

Недостатком конструкции машины-прототипа является применение кривошипно-шатунного механизма для организации возвратно-поступательного движения, что исключает возможность регулирования амплитуды горизонтальных перемещений в ходе испытания и создает переменную (за один цикл) скорость относительного перемещения образцов. Отмеченные особенности ограничивают функциональные возможности машины трения и не позволяют реализовать более сложные алгоритмы управления параметрами движения образцов.

Недостатком конструкции машины-прототипа при регулировании нагружающей силы образцов является применение эксцентрикового механизма привода, что обеспечивает регулирование частоты приложения нагрузки в процессе испытания, но не позволяет регулировать ее величину (амплитуду) без остановки и перенастройки машины трения.

Недостатком конструкции машины-прототипа является низкая точность воспроизведения нагружающей силы от величины перемещения, что обусловлено наличием автономных систем управления приводами движения и нагружения.

Дополнительно с этим существенным недостатком машины трения является отсутствие системы измерения нагрузки, что не позволяет производить контроль нагружающей силы в ходе проведения испытания.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей машины трения, повышение точности и достоверности трибологических испытаний.

Поставленная задача решается тем, что машина трения, содержащая основание, установленные на нем держатель контробразца, каретку горизонтального перемещения и держатель испытуемого образца, совершающие движение от возвратно-поступательного привода, нагружающее устройство, привод нагружения, снабжена кареткой вертикального перемещения, установленной в направляющих на каретке горизонтального перемещения и обеспечивающей движение установленного на ней держателя образца в плоскости, перпендикулярной плоскости контробразца, уравновешивающим устройством, управляющим компьютером, согласующим устройством, блоком управления приводом возвратно-поступательного движения, блоком управления приводом нагружения, измерителем силы нагружения, усилителем аналогового сигнала и аналого-цифровым преобразователем.

Задача повышения точности измерения нагружающей силы за счет исключения влияния веса каретки вертикального перемещения и держателя с образцом на результаты измерения решается тем, что машина трения снабжена уравновешивающим устройством состоящем из противовеса, соединенного с кареткой вертикального перемещения при помощи гибкого элемента, проходящего через ролик, закрепленный на каретке горизонтального перемещения. Масса противовеса подобрана из условия превышения массы каретки вертикального перемещения и держателя с образцом. Действие противовеса обеспечивает предварительное поджатие нагружающей пружины и измерителя силы нагружения, для смещения нулевой точки отсчета измерителя из зоны значений, близких к нулю, что позволяет повысить точность регистрации силы нагружения в области малых значений.

Взаимодействие уравновешивающего устройства с кареткой вертикального перемещения создает условия, при которых эффективная работа привода нагружения и нагружающего устройства машины трения не зависит от толщины контробразца, что позволяет применять в качестве контробразцов поверхности реальных деталей.

Задача повышения достоверности испытаний путем регистрации мгновенных значений действующей силы нагружения достигается тем, что машина трения снабжена измерителем силы нагружения, выполненного в виде тензометрического датчика силы, жестко закрепленного на каретке вертикального перемещения, передающего сигнал, пропорциональный действующей силе на усилитель аналогового сигнала, с выхода которого поступает в аналого-цифровой преобразователь и далее в цифровом виде поступает через согласующее устройство на управляющий компьютер, который обрабатывает поступающие данные в соответствии с программой управления. Нагружение испытуемого образца производится приводом, установленным на каретке горизонтального перемещения и связанным с кареткой вертикального перемещения при помощи узла нагружения, выполненного в виде стакана и расположенной внутри пружины, одним концом упирающейся в дно стакана, а другим в измеритель силы нагружения.

Задача расширения функциональных возможностей путем реализации динамического управления параметрами движения и нагружения испытуемого образца решается тем, что машина трения снабжена управляющим компьютером, согласующим устройством, блоком управления приводом возвратно-поступательного движения, блоком управления приводом нагружения. Программа управления процессом испытания функционирует на управляющем компьютере и осуществляет управление приводами машины трения путем передачи импульсов управления через согласующее устройство (интерфейсную плату, установленную на системной шине компьютера) к блокам управления приводами движения и нагружения, которые управляют электродвигателями соответствующих приводов.

Применение в конструкции машины трения двух кареток, перемещающихся во взаимно перпендикулярных направлениях, горизонтальном и вертикальном, приводимых в движение независимыми приводами, а также использование единой системы управления приводами машины трения позволяет реализовать более сложные режимы проведения испытания образцов, позволяет избежать временного рассогласования приводов при длительных циклических испытаниях, обеспечивает динамическое регулирование параметров движения и нагружения (по амплитуде, по частоте, по времени, по количеству циклов движения или нагружения и т.д.).

На чертеже схематически представлена машина трения.

Машина трения содержит основание 1, держатель 2 плоского образца 3, каретку горизонтального перемещения 4, размещенную в линейных направляющих (на чертеже не показаны), установленных на основании 1, каретку вертикального перемещения 5 с держателем 6 образца 7, размещенную в линейных направляющих (на чертеже не показаны), установленных на каретке 4, уравновешивающее устройство, включающее гибкий элемент 8, ролик 9, закрепленный на оси 10 каретки 4, противовес 11; измеритель силы нагружения 12, выполненный в виде тензометрического датчика силы; нагружающее устройство, включающее стакан 13, внутри которого находится пружина 14, упирающаяся одним концом в дно стакана 13, а другим в измеритель силы нагружения 12; привод нагружения, размещенный на каретке горизонтального перемещения 4, включающий электродвигатель 15, ходовой винт 16, гайку 17, жестко связанную со стаканом 13 нагружающего устройства; привод возвратно-поступательного перемещения, установленный на основании 1, включающий электродвигатель 18, ходовой винт 19, гайку 20, жестко связанную с кареткой горизонтального перемещения 4; управляющий компьютер 21 (ПК), согласующее устройство 22 (СУ), аналого-цифровой преобразователь 23 (АЦП), усилитель аналогового сигнала 24 (У), блок управления 25 (БУ1) приводом возвратно-поступательного движения, блок управления 26 (БУ2) приводом нагружения.

Согласующее устройство 22 (СУ) обеспечивает необходимое количество каналов ввода-вывода для подключения внешних устройств и выполняет функции согласования уровней входных сигналов, поступающих в управляющий компьютер с АЦП, а также выходных сигналов, поступающих из управляющего компьютера на блоки управления приводами машины трения БУ1 и БУ2.

В нашем конкретном устройстве применили следующие компоненты: управляющий компьютер класса Pentium; согласующее устройство выполнено в виде интерфейсной платы, устанавливаемой на системной шине компьютера управления, построенной на микросхеме портов ввода-вывода КР580ВВ55А, имеющей 24 канала программного ввода вывода; для измерения нагрузки применили тензометрический датчик FSG 15N1 фирмы Honeywell, усилитель аналогового сигнала RL-4DA200 фирмы RealLab и АЦП типа Ф7077/1; в системе управления применили двигатели AEG S026/48 и модули управления Ml06 немецкой фирмы Kemo electronic.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом испытания машина трения находится в исходном состоянии.

Каретка горизонтального перемещения 4 находится в крайнем правом (или левом) положении держателя образца 2.

Гайка 17 привода нагружения отведена в крайнее верхнее положение, каретка вертикального перемещения 5 с установленным на ней держателем образца 6 под действием противовеса 11 максимально подняты над поверхностью держателя образца 2, обеспечивая свободный доступ для установки образцов.

Производится установка образцов 3 и 7 в соответствующих держателях 2 и 6.

Дальнейшая работа машины трения осуществляется в автоматическом режиме в соответствии с алгоритмом испытания, обеспечение которого возлагается на программу управления, функционирующую на компьютере 21.

Первым шагом алгоритма испытания является тарировка измерителя силы нагружения 12, которая производится перед каждым испытанием для исключения влияния веса образца 7 на результаты измерения и заключается в определении нулевой точки отсчета измерителя силы нагружения 12.

Вторым шагом алгоритма испытания является приведение образцов 3 и 7 в контакт и установка силы нагружения, для чего компьютер 21 формирует и передает через интерфейсную плату 22 сигналы управления модулю управления 26, обеспечивающему работу двигателя 15. Двигатель 15 вращает винт 16, передвигая гайку 17 и стакан 13 вниз, сжимает пружину 16, при этом каретка 5 движется вниз до контакта образцов 3 и 7.

Дальнейшее движение гайки 19 вниз будет приводить к сжатию пружины 14 и возрастанию силы нагружения приведенных в контакт образцов 3 и 7.

Изменение силы нагружения фиксируется тензометрическим измерителем силы 12, аналоговый сигнал с которого поступает на усилитель 24, преобразуется аналого-цифровым преобразователем 23 и поступает в цифровом виде через согласующее устройство 22 в управляющий компьютер 21, на котором функционирует программа управления экспериментом.

Далее программным путем осуществляется анализ достигнутого значения нагружающей силы и производится либо дальнейшее движение гайки 19 вниз для увеличения нагружающей силы либо вверх для уменьшения нагрузки.

Следующим шагом программы испытания является обеспечение возвратно-поступательного движения нагруженных образцов 3 и 7, для чего компьютер 21 формирует управляющие сигналы, передаваемые через согласующее устройство 22 для модуля 25, обеспечивающего работу двигателя 18, который вращает ходовой винт 19, приводя в движение гайку 20 и каретку горизонтального перемещения 4.

В дальнейшем в соответствии с алгоритмом испытания производится управление двигателями 18 и 15, соответственно производится регулирование параметров возвратно-поступательного движения и величины нагружающей силы.

После окончания программы испытания производится возврат рабочих органов машины трения в исходное состояние.

Изобретение относится к области трибологических испытаний, а именно к устройствам для испытания материалов и смазочных сред при динамическом управлении параметрами нагружения и реверсивного движения на малых скоростях относительного перемещения. Машина трения содержит основание, установленные на нем держатель контробразца, каретку горизонтального перемещения и держатель испытуемого образца, совершающие движение от возвратно-поступательного привода, нагружающее устройство и привод нагружения. Машина трения снабжена кареткой вертикального перемещения, установленной на каретке горизонтального перемещения, с закрепленным на ней держателем образца, уравновешивающим устройством, связанным с кареткой вертикального перемещения, управляющим компьютером, согласующим устройством, блоком управления приводом возвратно-поступательного движения, блоком управления приводом нагружения, измерителем силы нагружения, усилителем аналогового сигнала и аналого-цифровым преобразователем. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей машины трения, повышении точности и достоверности трибологических испытаний. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Машина трения, содержащая основание, установленные на нем держатель контробразца, каретку горизонтального перемещения и держатель испытуемого образца, совершающие движение от возвратно-поступательного привода, нагружающее устройство и привод нагружения, отличающаяся тем, что она снабжена кареткой вертикального перемещения, установленной на каретке горизонтального перемещения с закрепленным на ней держателем образца, уравновешивающим устройством, связанным с кареткой вертикального перемещения, управляющим компьютером, согласующим устройством, блоком управления приводом возвратно-поступательного движения, блоком управления приводом нагружения, измерителем силы нагружения, усилителем аналогового сигнала и аналого-цифровым преобразователем.2. Машина трения по п.1, отличающаяся тем, что уравновешивающее устройство выполнено в виде противовеса, соединенного с кареткой вертикального перемещения при помощи гибкого элемента, проходящего через ролик, закрепленный на каретке горизонтального перемещения.3. Машина трения по п.2, отличающаяся тем, что масса противовеса превышает вес каретки вертикального перемещения и держателя с образцом в 1,1-1,2 раза.