УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДОВ ИЛИ КАБЕЛЕЙ НА ИСТИРАНИЕ Российский патент 2011 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств материалов, а более конкретно - к области исследования их трибологических свойств, и может быть использовано для количественного определения составляющих сил сухого и вязкого трения и трибодиагностики изоляции проводов, кабелей и токопроводящих жил кабеля при испытании на трение и изнашивание.

Известен скребковый прибор, состоящий из электродвигателя, его привода с редуктором и эксцентриком, скребка со стальной иглой на конце, набора грузов для создания соответствующей нагрузки на иглу, приспособленной для закрепления и поворота испытуемого образца в соответствующее положение, реле автоматического отключения двигателя при возникновении контакта между иглой и проволокой и счетчика числа двойных (возвратно-поступательных) ходов иглы. Этот прибор служит для испытания механической прочности изоляции обмоточных проводов круглого и прямоугольного сечений на истирание согласно ГОСТ 15634.2-70 (Провода обмоточные. Метод испытания механической прочности на истирание). Конец провода, на котором удалена изоляция, присоединяют к одному из полюсов источника постоянного тока, а иглу к другому полюсу. Иглу под нагрузкой осторожно опускают на образец провода и включают прибор. После автоматического отключения прибора в момент окончания истирания изоляции образца и возникновения контакта между иглой и проволокой определяют по счетчику число двойных ходов иглы вдоль оси образца и время. Испытания на данном приборе не отражают реальную картину процесса изнашивания образцов, не позволяют определить трибологичекие характеристики материалов и установить зависимость процесса изнашивания от параметров эксплуатации и трибологических характеристик в реальном режиме времени.

Известно устройство для определения коэффициента трения материалов, авторское свидетельство СССР №1821689, МПК G01N 19/02.

Устройство содержит основание, размещенный на основании ползун, на котором помещены держатели с пазами. В пазах установлены образец и взаимодействующий с ним контробразец. Устройство также содержит привод возвратно-поступательного движения ползуна, датчик перемещения образца, соединенный с регистрирующей аппаратурой и индикаторы перемещения образцов, а ползун снабжен регулятором его перемещения, при этом индикатор и датчик присоединены к держателям образцов. Благодаря держателям с пазами имеется возможность исследовать и твердые, и упругие материалы, в том числе провода и кабели.

Однако этим устройством невозможно сразу получить информацию о трибологических характеристиках материала, т.к. необходима дальнейшая обработка данных. На это требуется много времени, возможны погрешности при расчете этих характеристик. Кроме этого наличие дополнительных элементов, соединяющих держатели с датчиками, влияет на точность исследований.

По совокупности существенных признаков наиболее близким является устройство для испытания материалов на трение, патент РФ на изобретение №2244290, МПК G01N 19/02, опубл. 10.01.2005 г. Это устройство принято за прототип заявляемого.

Известное устройство содержит основание, установленную на основании платформу на катках с расположенным на ней держателями с пазами, в которых размещаются образец и контробразец. Устройство также содержит привод возвратно-поступательного перемещения, узел нагружения образцов, датчики регистрации усилий и перемещения, совмещенные с индикаторами и соединенные с держателями, компьютер в качестве регистрирующей аппаратуры, с которым связаны датчики. Каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, и соединен с компьютером через порт мыши.

Это устройство обладает большой точностью исследований и позволяет быстро исследовать трибологические характеристики материалов.

Однако это устройство не дает более полную информацию об изменении трибологических характеристик в зависимости от параметров эксперимента, изменение закона движения, а также не позволяет оценить точность измерения трибологических характеристик, к тому же этим устройством невозможно получить информацию о работоспособности элементов с изоляцией и установить зависимость изнашивание изоляции от задаваемых параметров, например токопроводящих жил элементов гибких кабелей, проводов.

Задача изобретения - расширить функциональные возможности устройства, исследовать трибологические характеристики электропроводящих элементов с изоляцией, определить их работоспособность и изнашивание при заданных трибологичеких характеристиках и условиях эксплуатации и повысить тем самым информативность исследований.

Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в повышении чувствительности датчиков на любые перемещения держателей и механизма нагружения и определении работоспособности материалов изоляции при заданных параметрах материалов и условиях эксплуатации на стадии проектирования таких изделий.

Задача решена следующим образом. Устройство для испытания механической прочности изоляции проводов или кабелей на истирание, как и прототип, содержит установленную на основании платформу на катках, на которой расположены держатели, выполненные с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения платформы с катками, механизм нагружения испытуемых образцов, установленный на тележке с катками, которая расположена на держателе контробразца, датчик регистрации усилий и датчик регистрации перемещения, установленные на основании и содержащие излучатель и приемник излучения, и компьютер.

Но в отличие от прототипа заявляемое устройство дополнительно содержит датчик регистрации изменения усилия, установленный напротив узла нагружения, блок управления, выход которого соединен с компьютером, а входы - через тахогенератор с электродвигателем и со всеми датчиками, низковольтный источник питания постоянного тока, один из полюсов которого соединен с одним из концов образца или контробразца, а другой - с блоком управления. При этом один из концов соответственно контробразца или образца тоже соединен с блоком управления. Датчик регистрации перемещения установлен напротив держателя образца, датчик регистрации усилий - напротив держателя контробразца. Все датчики выполнены оптическими, для этого каждый из них дополнительно содержит фокусирующие линзы, одна из которых установлена с возможностью фокусирования света от излучателя, а другая - с возможностью фокусирования отраженного света от соответствующей поверхности на приемник излучения. Приемник излучения выполнен в виде оптического сенсора, который соединен через блок управления с компьютером. Оптические сенсоры датчиков соединены с компьютером посредством проводной связи. Соединение оптических сенсоров датчиков с компьютером можно выполнить бесконтактным.

Узел нагружения выполнен в виде передачи винт-гайка и пружины, между верхним концом которой и гайкой установлена Г-образная пластина, при этом винт одним концом через гайку и полку указанной пластины упирается в пружину, а вторым соединен с реверсивным мотор-редуктором, причем датчик регистрации изменения усилия расположен напротив второй полки Г-образной пластины. Держатели образцов выполнены съемными. Платформа установлена на основании с возможностью фиксации ее катков.

В заявляемом устройстве, как и в прототипе, и механизм для размещения держателей образцов, и узел нагружения опирается катками, что дает возможность без влияния узла нагружения, т.е. исключая силы сопротивления движению, оценить силы, возникающие между образцами в паре трения, что влияет на точность измерений. Но в заявляемом изобретении датчики соединены оптически с держателями образцов и механизмом нагружения, и любые их перемещения меняют картину и отражение света, что влияет на точность измерений.

Поскольку датчики соединены непосредственно с блоком управления компьютера через порт мыши (проводная связь) или без нее (беспроводная), становится возможным быстро и точно исследовать трибологические характеристики материалов, т.е. решить поставленную задачу. В предложенном устройстве при износе изоляции замыкается электрическая сеть и электрический сигнал поступает в блок управления. Реальная картина износа изоляции мгновенно фиксируется и отражается на мониторе компьютера, что дает возможность контроля процессом изнашивания изделий.

Изобретение соответствует критерию «новизна», поскольку в известных информационных источниках не обнаружено устройства, совокупность существенных признаков которого была бы идентична всем существенным признакам заявляемого устройства.

Изобретение явным образом не следует из уровня техники. В уровне технике не обнаружены устройства, которые позволяют определять механическую прочность изоляции проводов или кабелей на истирание так, как заявляемое устройство. Известен ГОСТ 15634.2-70, который предусматривает испытания механической прочности изоляции на истирание с помощью скребкового прибора, которое описано выше (аналог). Во-первых, признаки, характеризующие техническую сущность этого известного прибора как устройства, совершенно отличны от заявляемого устройства. Во-вторых, путь решения и полученный результат у этих двух технических решений различный. В устройстве по ГОСТ 15634.2-70 в момент окончания истирания изоляции происходит автоматическое отключение прибора. В заявляемом устройстве - наоборот: в момент окончания истирания изоляции происходит автоматическое включение измерительной системы. К тому же все отличительные признаки заявляемого устройства в своей совокупности позволяют получить полную картину при истирании изоляции проводов или кабелей, что значительно повышает точность исследований, и в известных источниках информации для проводов и кабелей подобных испытаний не обнаружено.

На чертеже показана общая схема устройства.

Устройство состоит из механизмов привода платформы возвратно-поступательного перемещения образцов, узла нагружения, держателей образцов, измерительной системы, системы регистрации и блока управления.

На основании выполнены направляющие, на которых установлена платформа 1 с катками, на которой расположен держатель 2 образца 3. Сверху образца 3 установлен контробразец 4 со своим держателем 5. Образец 3 и контробразец 4 образуют пару трения. Держатели 2, 5 образцов 3, 4 выполнены съемными. Съемные держатели образцов расширяют диапазон испытуемых элементов конструкций и материалов. Тележка 1 снабжена четырьмя катками. Приводом возвратно-поступательного перемещения служит кривошипно-шатунный механизм, соединенный с реверсивным двигателем 6 через червячную передачу 7. Узел нагружения устройства состоит из передачи винт-гайка, винт 8 которой упирается одним концом через гайку 9 в пружину 10, а другим соединен реверсивным мотор-редуктором 11. Во втулке 12 выполнены направляющие (прорези по длине) для движения Г-образной пластины 13 и гайки 9 со штифтом по вертикали.

Пластина 13 установлена между верхним концом пружины 10 и гайкой 9 для регистрации деформации пружины 10. Нижний конец пружины 10 упирается в нагрузочную площадку 14 с направляющими, установленной на катках верхней тележки 15. Механизм нагружения присоединен к направляющим (стойкам) с возможностью регулировки по вертикали.

Катки верхней тележки 15 выполнены подобными каткам тележки 1.

Измерительная система устройства состоит из датчиков перемещения 16, регистрации усилий 17 и регистрации изменения усилий 18. Датчики 16, 17, 18 размещены на стойке, которая установлена на основании. Все датчики 16, 17, 18 выполнены оптическими. Каждый датчик содержит излучатель, приемник излучения и систему фокусирующих линз. Одна линза (а их может быть и больше в зависимости от вида исследования), установлена (установлены) так, чтобы свет от излучателя был сфокусирован на соответствующей поверхности (поверхности держателя 2, или держателя 5, или пластины 13). В качестве излучателя может быть применен светодиод, или фотодиод, или инфракрасный излучатель. Вторая линза (или линзы) оптического датчика сфокусирована (сфокусированы) на приемник излучения. Приемником излучения служит оптический сенсор.

В измерительную систему входит также регистрирующая аппаратура, роль которой выполняет компьютер 19. Датчики 16, 17, 18 соединены с компьютером 19. Выход блока управления (БУ) 20 через тахогенератор (ТГ) 21 соединен с электродвигателем 6. Один из концов образца 3 соединен с одним из полюсов низковольтного источника питания 22, а конец контробразца 4 - с блоком управления 20. Возможно и другое включение образцов: с источником питания соединен конец контробразца 4, а с блоком управления 20 - конец образца 3. Второй полюс источника питания 22 подключен к блоку управления.

Устройство работает следующим образом. От двигателя 6 и червячной передачи 7 движение передается через кривошипно-шатунный механизм к платформе 1, которая, в свою очередь, приводит в движение держатель образца 2 с образцом 3. Вертикальная нагрузка на образцы 3, 4 создается передачей винт - гайка, приводимой в движение реверсивным мотор-редуктором 11. Нагрузка передается через пружину 10, которая деформируется при нагружении. Деформацию пружины 10 регистрирует датчик 18. Так как нагрузочная площадка 14, размещена на тележке с катками 15, которая передает нагрузку на держатель 5 контробразца 4, и платформа 1, которая совершает возвратно-поступательное движение с держателем 2 образца 3, имеет аналогичные катки, то верхний держатель 5, как и в прототипе, имеет возможность двигаться за счет сил трения между образцами, и механизм нагружения не оказывает влияние на измерения.

В результате взаимодействия сил трения между образцами 3, 4 будет двигаться и верхний держатель 5 с тележкой 15. Измеряемые перемещения преобразуются в электрические импульсы в оптических датчиках 16, 17. Задаваемая величина усилия нагружения регистрируется датчиком 18. Информация от датчиков 16, 17, 18 вводится в компьютер 19. Концы медных проволок соединяют через провода с источником питания 22 и блоком управления 20.

Непосредственная связь датчиков 16, 17, 18 через блок управления с компьютером дает возможность, используя соответствующие программы, на мониторе получить диаграммы: усилие трения-перемещения-нагрузка; усилие-нагрузка, усилие-время и перемещение-время, а обрабатывая их с помощью математических программ - трибологические характеристики: коэффициенты сухого и вязкого трения, коэффициент демпфирования системы; логарифмический декремент; частоту свободных и затухающих колебаний и т.д.

При износе изоляции происходит замыкание образцов, которое приводит к образованию электрической цепи: блок управления 20 - контробразец 4 - образец 3 - источник питания 22 - блок управления 20. Напряжение через блок управления 20 поступает в компьютер 19, т.е. подает сигнал об отказе работы образцов. Компьютер, подключенный к системе, также фиксирует время работы образцов до отказа и автоматически выдает работоспособность элементов (число циклов до истирания оболочки до медных проволок) при заданных параметрах эксперимента (условиях эксплуатации). С помощью датчика 16 измеряют также частоту циклов перемещения образца 3 за единицу времени. Скорость перемещения образца задается и контролируется компьютером.

Устройство для испытания механической прочности изоляции проводов или кабелей на истирание предназначено для исследования трибологических свойств изоляции проводов, кабелей и токопроводящих жил кабелей. Технический результат - повышение чувствительности датчиков, определение работоспособности материала изоляции при заданных параметрах, фиксация момента истирания. Устройство содержит установленную на основании с возможностью возвратно-поступательного перемещения платформу на катках. На платформе расположен держатель испытуемого образца. Сверху образца установлен контробразец со своим держателем. На держателе контробразца, на тележке, установлен узел нагружения испытуемых образцов. Измерительная система включает оптические датчики (регистрации перемещения, усилия, изменения усилия), блок управления и компьютер. Каждый датчик содержит фокусирующие линзы. Одна линза установлена с возможностью фокусирования света от излучателя. Другая - с возможностью фокусирования отраженного света от соответствующей поверхности на приемник излучения, который выполнен в виде оптического сенсора и соединен через блок управления с компьютером. Устройство содержит низковольтный источник питания постоянного тока. С источником постоянного тока соединен конец одного из образцов, а конец другого образца - с блоком управления. При износе изоляции происходит замыкание образцов, образуется электрическая цепь, и сигнал через блок управления поступает в компьютер. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для испытания механической прочности изоляции проводов или кабелей на истирание, содержащее установленную на основании платформу на катках, на которой расположены держатели, выполненные с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения платформы с катками, механизм нагружения испытуемых образцов, установленный на тележке с катками, которая расположена на держателе контробразца, датчик регистрации усилий и датчик регистрации перемещения, размещенные на стойке, установленной на основании, и содержащие излучатель и приемник излучения, и компьютер, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик регистрации изменения усилия, установленный напротив узла нагружения, блок управления, выход которого соединен с компьютером, а входы - через тахогенератор с электродвигателем и со всеми датчиками, низковольтный источник питания постоянного тока, один из полюсов которого соединен с одним из концов образца или контробразца, а другой - с блоком управления; при этом один из концов соответственно контробразца или образца тоже соединен с блоком управления; датчик регистрации перемещения установлен напротив держателя образца, датчик регистрации усилий - напротив держателя контробразца, а все датчики выполнены оптическими, для этого каждый из них дополнительно содержит фокусирующие линзы, одна из которых установлена с возможностью фокусирования света от излучателя, а другая - с возможностью фокусирования отраженного света от соответствующей поверхности на приемник излучения, кроме этого, приемник излучения выполнен в виде оптического сенсора, который соединен через блок управления с компьютером.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптические сенсоры датчиков соединены с компьютером посредством проводной связи.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединение оптических сенсоров датчиков с компьютером выполнено бесконтактным.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел нагружения выполнен в виде передачи винт-гайка и пружины, между верхним концом которой и гайкой установлена Г-образная пластина, при этом винт одним концом через гайку и полку указанной пластины упирается в пружину, а вторым соединен с реверсивным мотор-редуктором, причем датчик регистрации изменения усилия расположен напротив второй полки Г-образной пластины.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатели образцов выполнены съемными.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что платформа установлена на основании с возможностью фиксации ее катков.