УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНОСА ТРУЩИХСЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2015 года по МПК G01N3/56 G01N21/55 

Разработанное устройство по предложенному изобретению относится к области машиностроения, в частности к измерительным устройствам, и может быть использовано не только для исследования свойств материалов, но и точности исследования износа трущихся поверхностей.

Из уровня техники известны устройства для определения износа трущихся поверхностей, основанные на регистрации изменения микрогеометрии и профиля трущихся поверхностей (Методы испытаний на трение и износ: Справочн. изд. / Л.И. Куксенова, В.Г. Лаптева, А.Г. Колмаков, Л.М. Рыбакова. - М.: «Интермет Инжиниринг». 2001 г. - С. 152).

Недостатком этих устройств является необходимость разборки узла трения, что увеличивает время исследования.

Также известно устройство по патенту (RU 2239172, опубл. 21.10.2004), относящееся к определению технического состояния двигателей, машин и механизмов по характеристикам металлических частиц износа, обнаруженных в смазочных маслах, топливах и специальных жидкостях, при этом предварительно подготовленную пробу вводят в спектральный источник света и регистрируют оптические сигналы излучения.

Недостатком этого устройств является то, что определение свойств частиц износа производится в предварительно подготовленной пробе, удаленной из области износа, что увеличивает время определения.

Также известно устройство по патенту (ЕР 0863380, опубл. 02.05.2003), в котором контроль шероховатости и микрогеометрии поверхности в различных процессах обработки проводится путем детектирования интенсивности отраженного от поверхности света с помощью волоконно-оптического зонда.

Недостатком этого изобретения является отсутствие контроля среды, например смазочного масла или охлаждающей жидкости, находящихся между датчиком и измеряемой поверхностью, свойства которых влияют на точность определения износа по измерению шероховатости трущихся поверхностей.

Известно устройство, наиболее близкое к предлагаемому изобретению, которое принято нами за прототип (RU 2089880, опубл. 10.09.1997), содержащее блок питания, индикатор, осветитель, оптическую увеличивающую линзу, фотоприемник и оптико-волоконный световод, которое измеряет износ по методу искусственных баз с помощью замера вырезанной на контролируемой поверхности лунки.

Недостатком данного устройства является невозможность определения износа обоих трущихся поверхностей в соединении типа «вал-втулка».

Задачей изобретения является расширение возможностей, повышение точности исследования износа трущихся поверхностей и сокращение времени исследования.

Сущность предложенного изобретения состоит в том, что устройство для исследования износа трущихся поверхностей содержит оптическую схему, включающую световод, осветительную систему со светодиодом, регистрирующую систему, состоящую из линзы и фотоприемника, связанные с блоком питания и управления через электронную систему, состоящую из усилителя и микропроцессора, связанные с индикатором и интерфейсом ЭВМ, и выполненную на валу лунку, выполняющую функцию базового участка, отличие согласно изобретению состоит в том, что дополнительно содержит второй световод, причем один световод, неподвижный, установлен во втулке, а другой, подвижный, установлен в валу, причем оба световода предназначены для исследования износа лунки, выполненной на внутренней поверхности втулки, и износа лунок и базового участка на внешней поверхности вала, а для превращения отраженного светового потока в электрический сигнал они связаны через осветительную и регистрирующую системы оптической схемы с электронной системой и через блок питания и управления, выполняющий функцию управления режимом работы импульсного светодиода с перестраиваемой длиной волны осветительной системы, при этом осветительная система дополнительно снабжена линзой, регистрирующая система - светофильтром и линзой и обе системы дополнительно снабжены установленным в них светоделителем.

Отличия также состоят еще и в том, что:

- подвижный световод установлен под наклоном к оси, связан одним торцом с неподвижным световодом и размещен с ним в одной радиальной плоскости, а другим торцом с поверхностью лунки износа, выполненной на внутренней поверхности втулки для измерения износа ее размера, и размещен в другой радиальной плоскости, совпадающей с лункой износа;

- подвижный световод установлен под наклоном к оси и связан одним торцом с неподвижным световодом, а другим торцом с внутренней поверхностью пружинного уплотнительного кольца, установленного в пазу, выполненном на валу для измерения износа наружной поверхности кольца при возвратно-поступательном движении вала;

- подвижный и неподвижный световоды, лунка, базовый участок на валу и лунка на втулке при возвратно-поступательном движении вала размещены в одной осевой плоскости для исследования износа трущихся поверхностей.

Технический результат выполняется тем, что два последовательно размещенных подвижный и неподвижный световода, связанных с импульсным светодиодом с перестраиваемой длиной волны излучения, соединенным с блоком питания и управления, позволяют при движении вала последовательно во времени облучать лунку износа и базовый отражающий участок на подвижной поверхности втулки, лунку износа на неподвижной поверхности вала, непосредственно подвижную поверхность вала, внутреннюю базовую и наружную поверхность уплотнительного кольца, регистрировать фотоприемником отраженный световой поток в виде электрического сигнала, преобразуемого с помощью усилителя и подаваемого в микропроцессор, в котором обрабатывается и в цифровом виде отображается на индикаторе и направляется через интерфейс на ЭВМ, что расширяет возможности путем независимого определения износа обеих трущихся поверхностей и пружинного уплотнительного кольца, сравнения микрогеометрии движущейся поверхности износа с базовым участком, определения изменения свойств масла, находящегося в области износа, позволяющего учесть влияние этого изменения на отраженный от лунок и изнашиваемой поверхности световой поток, что повышает точность определения износа, а совмещение измерения износа обеих трущихся поверхностей и свойств масла непосредственно во время процесса износа без остановки и разборки устройства сокращает время проведения исследования.

Устройство для исследования износа трущихся поверхностей при движении подвижной части состоит из неподвижного световода 1 (фиг. 1), который установлен во втулке 2 (неподвижная часть устройства), и подвижного световода 3, установленного в валу 4 (подвижная часть устройства), причем неподвижный и подвижный световоды 1 и 3 через слои смазочного масла 5 и 6 связаны с лункой износа 7, выполненной на внутренней (изнашиваемой) части втулки 2, при вращении вала 4 (фиг. 2), неподвижный световод 1, расположенный в одном радиальной плоскости движения, последовательно через слой смазочного масла 5 связан с наружной (изнашиваемой) поверхностью вала 4, на котором выполнены: лунка износа 8 и базовый участок 9, который с одной стороны является контрольным и выполнен с такой же микрогеометрией и шероховатостью, как и наружная поверхность вала 4, но ниже уровня износа поверхности вала 4, а с другой стороны является отражательным (зеркальным), при этом подвижный световод 3 для исследования износа может быть установлен и под наклоном к оси вращения (фиг. 3), а при возвратно-поступательном движении вала 4 (фиг. 4) неподвижный световод 1, подвижный световод 3, лунка износа 8 и базовый участок 9 размещены в одной осевой плоскости, причем подвижный световод 3, который может быть установлен и под наклоном к оси (фиг. 5), связан одним торцом с неподвижным световодом 1, а другим торцом с внутренней поверхностью пружинного уплотнительного кольца 10, установленного в пазу, выполненном на валу 4.

Для освещения исследуемой части трущихся поверхностей, неподвижный световод 1 связан с оптической схемой, состоящей из: осветительной системы, включающей импульсный светодиод 11 с перестраиваемой длиной волны излучения, две линзы 12 и светоделитель 13, а отраженный световой поток от лунок износа 7, 8, базового участка 9 и внутренней поверхности уплотнительного кольца 10 наружной поверхности вала 4, когда торцы неподвижного 1 и подвижного 3 световодов совпадают с внешней поверхностью пружинного уплотнительного кольца 10, и через неподвижный световод 1 поступает в регистрирующую систему оптической схемы, включающую линзу 12, светоделитель 13, светофильтр 14 и линзу 15.

Для регистрации и обработки отраженный световой поток поступает в электронную часть функциональной схемы, включающей фотоприемник 16, в котором световой поток преобразуется в электрический сигнал и направляется сначала на усилитель 17, из которого для регистрации и обработки поступает на микропроцессор 18, а далее на индикатор 19, интерфейс компьютера 20 и в блок питания и управления 21, который осуществляет управление изменением длины волны излучения и длительности импульса светодиода 11.

Работа устройства, предназначенного для исследования износа трущихся поверхностей типа «вал-втулка», осуществляется следующим образом.

Неподвижный световод 1 (фиг. 1) одной стороной установлен во втулке 2 к исследуемой поверхности вала 4, причем установлен на расстоянии от торца световода 1 до поверхности втулки 2 ниже уровня предполагаемого износа. Другой стороной неподвижный световод 1 связан с осветительной (11, 12, 13) и регистрирующей (12, 13, 14, 15) системами оптической схемы устройства.

В одной радиальной плоскости с неподвижным световодом 1, установленным во втулке 2, в отверстии вала 4 размещен подвижный световод 3, на расстоянии от поверхности вала 4 до торцов подвижного световода 3 ниже уровня предполагаемого износа. На втулке 2 выполнена лунка износа 7, размеры и форма которой известны, при вращении вала 4 в определенный момент времени неподвижный световод 1, подвижный световод 3 и лунка износа 7 размещены на одной оптической оси.

В той же радиальной плоскости с неподвижным световодом 1 (фиг. 2) на поверхности вала 4 выполнена лунка износа 8, размеры и форма которой известна, и нанесен базовый участок 9, расположенный ниже уровня предполагаемого износа, совпадающий по микрогеометрии и шероховатости с начальным состоянием поверхности вала 4.

Световые импульсы от светодиода 11, управляемого блоком питания и управления 21, с помощью линз 12 и светоделителя 13 направляются на торец неподвижного световода 1. Пройдя через него, при вращении вала 4 последовательно освещают: его поверхность, базовый участок 9, лунку износа 8 и через подвижный световод 3 лунку износа 7, а отраженный от них световой поток через световоды 3 и 1, линзу 12, светоделитель 13, светофильтр 14 и линзу 15 направляется на фотоприемник 16, где отраженный световой поток превращается в электрический сигнал.

Соответствующий электрический сигнал с фотоприемника 16 поступает в усилитель 17, соединенный с микропроцессором 18, в котором электрический сигнал обрабатывается, и результат отображается на индикаторе 19 и направляется через интерфейс 20 на компьютер, а сигнал от микропроцессора 18 направляется на блок питания и управления 21 для управления режимом работы импульсного светодиода 11.

При износе трущихся поверхностей световой поток, отраженный от лунок износа 7 и 8 изменяется вследствие изменения их размеров, что расширяет возможности независимого исследования износа втулки 2 и вала 4. Световой поток, отраженный от поверхности вала 4, характеризует изменение микрогеометрии и шероховатость в процессе износа, а сравнение этого светового потока с отраженным от базового участка 9, не подвергающегося износу, повышает точность определения износа поверхности вала 4. Совмещение в одной зоне и в реальном времени исследования износа обеих трущихся поверхностей сокращает время исследования.

Подвижный световод 3, размещенный в отверстии вала 4, может быть установлен под наклоном к оси вращения (фиг. 3) таким образом, что один торец подвижного световода 3 размещен в одном радиальном сечении с неподвижным световодом 1, а другой торец подвижного световода 3 - в другом радиальном сечении, в котором на изнашиваемой поверхности втулки 2 выполнена лунка износа 7, для повышения точности независимого определения износа трущихся поверхностей в двух радиальных плоскостях.

Для расширения возможностей при исследовании износа трущихся поверхностей при возвратно-поступательном движении вала 4 (фиг. 4) неподвижный световод 1, подвижный световод 3, лунка износа 7 на втулке 2, лунка износа 8 и базовый участок 9 на валу 4 размещены в одной осевой плоскости, причем осевой размер участка поверхности вала 4, на котором расположен базовый участок 9, подвижный световод 3 и лунка износа 8, меньше смещения вала 4.

В исследовании износа при возвратно-поступательном движении вала 4 при использовании пружинного уплотнительного кольца 10 (фиг. 5), размещенного в пазе, выполненном на наружной поверхности вала 4, подвижный световод 3 установлен под наклоном к оси таким образом, что один его торец размещен в пазе под внутренней поверхностью пружинного уплотнительного кольца 10, а другой торец - в одной радиальной плоскости неподвижного световода 1.

При совпадении торца неподвижного световода 1 и подвижного световода 3, через них проходит световой поток к внутренней базовой поверхности пружинного уплотнительного кольца 10 и, рассеянный от внутренней не подвергающейся износу базовой поверхности пружинного уплотнительного кольца 10, возвращается в регистрирующую систему (12, 13, 14, 15) оптической схемы, где происходит сравнение (последовательно во времени) отраженного светового потока от изнашиваемой наружной поверхности и не изнашиваемой внутренней базовой поверхности пружинного уплотнительного кольца 10, что повышает точность определения износа и расширяет возможности исследования износа.

При использовании в исследовании износа трущихся поверхностей смазочного масла, которое изменяет свои свойства, например, в результате появления в слоях 5 и 6 смазочного масла частиц изнашиваемых поверхностей (фиг. 2) и базового участка 9, выполненного зеркальным, происходит следующее. Световой поток, вышедший из неподвижного световода 1 и отраженный зеркальной поверхностью базового участка 9, дважды проходит только через слой 5 смазочного масла и возвращается в регистрирующую систему оптической схемы. Затем, используя различные длины волн излучения перестраиваемого светодиода 11, определяются спектральные характеристики, например пропускание смазочного масла, и с использованием турбодиметрического метода определяют концентрацию и размер частиц в смазочном масле, что позволяет расширить возможности исследования износа трущихся поверхностей.

Микропроцессор 18, соединенный с блоком питания и управления 21, регулирует режим работы импульсного светодиода 11 с перестраиваемой длиной волны. Импульсный световой поток с длиной волны в ультрафиолетовой (УФ) области спектра от светодиода 11 через осветительную систему оптической схемы (12, 13), неподвижный световод 1 и подвижный световод 3 подается в слои 5 и 6 смазочного масла в области износа трущихся поверхностей и возбуждает фотолюминесценцию смазочного масла.

Интенсивность, спектральные и временные характеристики фотолюминесцентного излучения отличаются от соответствующих характеристик возбуждающего светового потока светодиода 11 и зависят от состава смазочного масла, температуры и т.п. Фотолюминесцентное излучение и отраженный от поверхностей световой поток светодиода 11 через световоды 1 и 3, линзу 12, светоделитель 13 проходят к светофильтру 14, который не пропускает световой поток от светодиода 11, а пропускает фотолюминесцентное излучение от смазочного масла, которое через линзу 15 проходит на фотоприемник 16, преобразующий световое излучение в электрический сигнал, изменения которого связаны с изменением характеристик смазочного масла, что расширяет возможности исследования износа в зоне трущихся поверхностей.

Использование предложенного изобретения в народном хозяйстве позволит расширить возможности исследования износа трущихся поверхностей на основе оперативной оценки вклада физико-механических свойств трущихся поверхностей и смазочного масла, а также влияния процессов самоорганизации при избирательном переносе в условиях использования модифицирующих присадок к смазочному маслу, повысить точность определения вклада отдельных составляющих, характеризующих процесс износа, и сократить время исследования и разработки новых материалов, технологий изготовления трущихся пар и модифицированных смазочных и восстанавливающих составов, что повысит эффективность, надежность и долговечность работы деталей и устройств, в которых используют трущиеся пары.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к измерительным устройствам, и может быть использовано не только для исследования свойств материалов, но и точности исследования износа трущихся поверхностей. Устройство содержит оптическую схему, включающую световод, осветительную систему со светодиодом, регистрирующую систему, состоящую из линзы и фотоприемника, связанные с блоком питания и управления через электронную систему, состоящую из усилителя и микропроцессора, связанные с индикатором и интерфейсом ЭВМ, и выполненную на валу лунку износа, выполняющую функцию базового участка. Устройство дополнительно содержит второй световод. Один световод, неподвижный, установлен во втулке, а другой, подвижный, установлен в валу. Оба световода предназначены для исследования износа лунки, выполненной на внутренней поверхности втулки, и износа лунок и базового участка на внешней поверхности вала, а для превращения отраженного светового потока в электрический сигнал они связаны через осветительную и регистрирующую системы оптической схемы с электронной системой и через блок питания и управления, выполняющий функцию управления режимом работы импульсного светодиода с перестраиваемой длиной волны осветительной системы. Осветительная система дополнительно снабжена линзой, регистрирующая система - светофильтром и линзой, и обе системы дополнительно снабжены установленным в них светоделителем. Технический результат: расширение возможностей, повышение точности исследования износа трущихся поверхностей и сокращение времени исследования. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для исследования износа трущихся поверхностей, содержащее оптическую схему, включающую световод, осветительную систему со светодиодом, регистрирующую систему, состоящую из линзы и фотоприемника, связанные с блоком питания и управления через электронную систему, состоящую из усилителя и микропроцессора, связанные с индикатором и интерфейсом ЭВМ, и выполненную на валу лунку износа, выполняющую функцию базового участка, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй световод, причем один световод, неподвижный, установлен во втулке, а другой, подвижный, установлен в валу, причем оба световода предназначены для исследования износа лунки, выполненной на внутренней поверхности втулки, и износа лунок и базового участка на внешней поверхности вала, а для превращения отраженного светового потока в электрический сигнал они связаны через осветительную и регистрирующую системы оптической схемы с электронной системой и через блок питания и управления, выполняющий функцию управления режимом работы импульсного светодиода с перестраиваемой длиной волны осветительной системы, при этом осветительная система дополнительно снабжена линзой, регистрирующая система - светофильтром и линзой и обе системы дополнительно снабжены установленным в них светоделителем.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подвижный световод установлен под наклоном к оси, связан одним торцом с неподвижным световодом и размещен с ним в одной радиальной плоскости, а другим торцом с поверхностью лунки, выполненной на внутренней поверхности втулки для измерения износа ее размера, и размещен в другой радиальной плоскости, совпадающей с лункой износа.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подвижный световод установлен под наклоном к оси и связан одним торцом с неподвижным световодом, а другим торцом с внутренней поверхностью пружинного уплотнительного кольца, установленного в пазу, выполненном на валу для измерения износа наружной поверхности кольца при возвратно-поступательном движении вала.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подвижный и неподвижный световоды, лунка, базовый участок на валу и лунка на втулке при возвратно-поступательном движении вала размещены в одной осевой плоскости для исследования износа трущихся поверхностей.