МАШИНА ТРЕНИЯ ДЛЯ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ АНТИФРИКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G01N3/56 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и предназначено для проведения сравнительных и оценочных испытаний антифрикционных материалов на трение и износ.

Известна многопозиционная машина трения для исследования задира трущихся тел [Авторское свидетельство СССР № 369469], содержащая корпус, держатели для образца и контробразцов, привод вращения, механизм нагружения и датчик момента трения. Идентичность условий испытаний для всех пар трения, участвующих в одном цикле, обеспечивается механизмом нагружения, выполненным в виде каретки с шарнирно закрепленным на ней рычагом с роликом, взаимодействующим с контробразцом исследуемой пары трения, и взаимодействующего с рычагом нагружающего привода с измерителем сил, а держатели контробразцов выполнены в виде коромысел, шарнирно установленных на плавающей штанге, взаимодействующей с датчиком момента трения.

Недостатками многопозиционной машины трения для исследования задира тел являются: невозможность проведения испытаний нескольких пар трения одновременно в одном цикле, что вызвано особенностями конструкции механизма нагружения контробразцов; конструктивные особенности и принцип работы механизма нагружения пар трения, который требует постоянной переналадки и регулировки усилия при переходе испытаний от одной пары трения к другой, а также то, что эти процессы могут привести к деформациям вала (образца) при нагружении и повлиять на результаты испытаний:, отсутствие при испытаниях механизма обратной связи, а также ограниченные функциональные возможности машины, не позволяющие проводить испытания образцов из композиционных и многослойных материалов.

Известна многопозиционная машина трения [Авторское свидетельство RU 2601258], принятая за прототип, содержащая корпус (рама), держатели образцов и контробразцов, привод вращения и механизмы нагружения (нагрузочная часть) выполненные в виде автономных узлов (автономных узлов трения) для каждой пары трения, установленных на Г-образных держателях, при этом держатели расположены по разные стороны параллельно оси держателя образцов и смещены относительно друг друга на величину, равную половине расстояния между осями установки узлов механизмов нагружения, создавая тем самым только одну пару трения в плоскости контакта образец - контробразец, а каждый узел нагружения содержит гидроцилиндр одностороннего действия, шток которого через силоизмеритель соединен с узлом прижима шарнирно закрепленного в стакане подпружиненного контробразца к образцу, при этом выход и вход гидроцилиндра соединены трубопроводами соответственно с входом и выходом гидростанции, к которой подключены узел подачи электроэнергии и станция управления системой с выходом и входом на ЭВМ или персональный компьютер через блок усилителя сигналов аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователя.

Недостатками прототипа являются отсутствие возможности измерения и сравнения значений силы трения, величины линейного износа, температуры образцов на каждом из автономных узлов трения в ходе испытаний, что снижает информативность и достоверность результатов.

Задачей изобретения является создание машины трения для сравнительных испытаний антифрикционных материалов исследуемых пар трения в режиме реального времени и определения трибологических характеристик испытуемых антифрикционных материалов при начальных и изменяемых в процессе испытаний условиях для каждой исследуемой пары трения и записи полученных результатов в базу данных ПК для последующего их анализа.

Техническим результатом изобретения является повышение информативности и достоверности результатов испытаний за счет измерения и регистрации в ходе испытаний действующих в конкретный момент времени на каждой из исследуемых пар трения значений силы трения, коэффициента трения, величины линейного износа, температуры образца при постоянных или изменяемых в ходе испытаний значений действующей нагрузки, скорости относительного перемещения и условий смазки в каждой из исследуемых пар трения для их сравнения с последующей записью полученных при испытаниях данных в память ПК.

Технический результат достигается за счет использования машины трения для сравнительных испытаний антифрикционных материалов с двумя и более автономными узлами трения содержащими установочную и нагрузочную части и измерительную систему, при этом установочная часть состоит из корпуса с подшипниками во внутренних обоймах которых установлены дистанционные втулки в которых размещен приводной вал машины трения, между дистанционными втулками предусмотрено расстояние необходимое и достаточное для установки контробразца на приводной вал машины трения, при этом в средней части корпуса выполнена фрезерованная полость, в которой расположена оправка с фиксирующей втулкой, в оправке имеется прямоугольный паз для установки испытуемого образца с возможностью образования зоны контакта между его поверхностью и поверхностью контробразца, в фиксирующей втулке установлен датчик температуры с возможностью его контакта с поверхностью испытуемого образца и передачи данных о температуре образца в ПК в реальный момент времени, причем фиксирующая втулка имеет отверстие для введения смазочного состава в зону контакта исследуемой пары трения и опорную площадку для позиционирования измерительного стержня цифрового микрометра измерительной системы, измерительная система состоит из основания, устанавливаемого на корпусе испытательного оборудования на котором посредством резьбового крепежа закреплен цифровой микрометр с измерительным стержнем, опирающимся на опорную площадку фиксирующей втулки установочной части, с возможностью передачи сигнала об изменении линейного износа испытуемого образца в ПК в режиме реального времени и тензодатчик силы трения с возможностью передачи сигнала о действующей нагрузке в ПК в режиме реального времени, при этом тензодатчик силы трения соединен с корпусом установочной части посредством стальной струны с плечом крепления равным внешнему радиусу корпуса, а нагрузочная часть состоит из пружины сжатия, установленной своей нижней частью на корпусе, в верхней ее части установлена опорная шайба и натяжная гайка, которая посредством резьбового соединения обеспечивает взаимодействие с расположенными внутри пружины полым наконечником соединенным с тензодатчиком нагрузки и нижним наконечником, который в свою очередь, через отверстие в корпусе, шарнирно соединен с оправкой установочной части посредством штифта, при этом тензодатчик нагрузки установлен с возможностью передачи сигнала о действующей нагрузке в исследуемой паре трения в режиме реального времени в ПК.

На фиг. 1 представлен общий вид машины трения для сравнительных испытаний антифрикционных материалов, на фиг. 2 представлена конструкция автономного узла трения в разрезе, на фиг. 3 представлена функциональная схема управления данными с датчиков автономных узлов трения с использованием ПК.

Машина трения для сравнительных испытаний антифрикционных материалов, фиг. 1, состоит из рамы 1, на которой установлена неподвижная бабка 2, привод вращения 3, выполненный с возможностью регулировки скорости вращения выходного вала, к которому, к примеру, посредством конуса Морзе присоединен приводной вал 4 с установленными на нем двумя или более автономными узлами трения 5 для сравнительных испытаний и подвижная бабка 6 с вращающемся центром 7, а между автономными узлами трения 5 на приводном валу 4 установлена дистанционная втулка 8 для их позиционирования.

Каждый автономный узел трения 5 включает установочную и нагрузочную части, а также измерительную систему (на фиг. не обозначены).

Установочная часть, состоит из корпуса 10 с подшипниками 11 во внутренних обоймах которых установлены две дистанционные втулки 12 и 13 в которых размещен приводной вал 4 машины трения, а между дистанционными втулками 12 и 13 предусмотрено расстояние необходимое и достаточное для установки контробразца 14 на приводной вал 4. Приводной вал 4 на одном конце имеет присоединительную часть (в виде конуса Морзе, на фиг. не обозначен) для его установки в ответную часть привода вращения 3 и упорный буртик с лысками (на фиг. не обозначены) под рожковый ключ для его фиксации при сборке, а на другом конце резьбовую часть для фиксирующей гайки 9 с шайбой 27. В средней части корпуса 10 выполнена фрезерованная полость, в которой расположена оправка 15, состоящая из двух частей соединенных вместе при помощи фиксирующей втулки 16, в нижней части оправки 15 выполнен прямоугольный паз для установки испытуемого образца 17 (выполнен в виде колодки) с возможностью образования зоны контакта между его поверхностью и поверхностью контробразца 14 с образованием исследуемой пары трения. В фиксирующей втулке 16 установлен датчик температуры 18 с возможностью его контакта с поверхностью испытуемого образца 17 и передачи данных о температуре в ПК в реальный момент времени. Фиксирующая втулка 16 имеет отверстие для введения смазочного состава в зону контакта исследуемой пары трения и шлифованную опорную площадку (на фиг. не показана) для позиционирования измерительного стержня цифрового микрометра 19.

Нагрузочная часть состоит из пружины сжатия 20, установленной своей нижней частью на корпусе 10, а на верхней ее части установлена опорная шайба 22 которая прижимается натяжной гайкой 21, установленной посредством резьбового соединения на полом наконечнике 25 в верхней части которого имеется лыска под рожковый ключ, для его фиксации от проворачивания (на фиг. не показана). Полый наконечник 25 в нижней своей части посредством внутренней резьбы соединен с тензодатчиком нагрузки 24, который установлен между полым наконечником 25 и нижним наконечником 23, имеющем также внутреннюю резьбу для его крепления. Тензодатчик нагрузки 24 установлен с возможностью передачи сигнала о действующей нагрузке в ПК в режиме реального времени по проводу выходного сигнала, который расположен внутри полого наконечника 25. Полый наконечник 25 с тензодатчиком нагрузки 24 и нижнем наконечником 23 расположены внутри пружины 20. Нижний наконечник 23 другим своим концом, через отверстие в корпусе 10 соединен с оправкой 15 установочной части посредством штифта 26.

Измерительная система состоит из основания 28, устанавливаемого на раме 1 посредством резьбового крепежа (на фиг. не показано), на основании 28 закреплен цифровой микрометр 19, с возможностью передачи сигнала о изменении линейного износа образца в ПК в режиме реального времени и тензодатчик силы трения 29 с возможностью передачи сигнала о действующей нагрузке в паре трения в ПК в режиме реального времени. Тензодатчик силы трения 29 соединен с корпусом 10 установочной части посредством стальной струны (на фиг. не показана) с плечом крепления равным внешнему радиусу корпуса 10.

Использование машины трения для сравнительных испытаний антифрикционных материалов начинается с предварительной сборки двух и более автономных узлов трения 5 и их установки на приводном валу 4. Предварительная сборка каждого автономного узла трения 5 производится с установки во внутренние обоймы подшипников 11 установочной части дистанционных втулок 12 и 13, а в паз оправки 15 устанавливается испытуемый образец 17 антифрикционного материала, далее во внутреннюю полость оправки 15 вставляется контробразец 14, который ориентируется таким образом, чтобы через него и дистанционные втулки 12 и 13 можно было вставить резьбовой частью приводной вал 4, после установки которого, дистанционные втулки 12, 13 и контробразец 14, каждого из автономных узлов трения и дистанционная втулка 8 между ними на приводном валу 4 поджимаются фиксирующей гайкой 9 с шайбой 27 с помощью рожковых ключей, создавая жесткую фрикционную связь между упорной буртиком приводного вала 4 и фиксирующей гайкой 9.

Далее собранные на приводном валу 4 автономные узлы трения 5 присоединительной частью вала 4 (посредством конуса Морзе) устанавливается в ответную часть привода 3 неподвижной бабки 2 машины трения и поджимается подвижной бабкой 6 с вращающимся конусом 7 для уменьшения возможного биения приводного вала 4 при испытаниях, затем на корпусе рамы 1 ориентируясь на положение шлифованной опорной площадки фиксирующей втулки 16 установочной части каждого автономного узла трения 5, устанавливается основание 28 измерительной системы (к примеру, с использованием резьбового крепежа), таким образом, чтобы измерительный стержень цифрового микрометра 19 каждого автономного узла трения контактировал с шлифованной опорной площадкой втулки 16 с небольшим натягом, позволяющим фиксировать изменение линейного размера испытуемого образца 17 (толщины) в процессе испытаний с установленной точностью (0,001 мм.), далее на каждом автономном узле трения устанавливается стальная струна (на фиг. не показана) связывающая тензодатчик силы трения 29 измерительной системы с корпусом 10 установочной части.

После завершения сборочных операций выполняют присоединение выводов тензодатчиков нагрузки 24, тензодатчиков силы трения 29, датчиков температуры 18, цифровых микрометров 19 к входам элементной базы SKADA системы (модули ввода цифровых и аналоговых сигналов, преобразователь сигналов) согласно функциональной схемы фиг. 3.

Регистрация и управление данными с датчиков автономных узлов трения 5 выполнено с использованием SCADA системы (например, «ОВЕН») на базе персонального компьютера, что позволяет повысить информативность и достоверность результатов испытаний и она включает присоединение выходов от тензодатчиков нагрузки 24 и тензодатчиков силы трения 29 к входам модуля ввода и обработки цифровых сигналов тензодатчиков (например, ОВЕН MB 110-224.4ТД), выходов от датчиков температуры 18 к входу модуля ввода аналоговых сигналов (в нашем случае ОВЕН МВ-110.8А) и преобразование выходных сигналов от этих модулей в стандарт с протоколом RS-485 (опциональная функция используемых модулей ОВЕН), далее сигналы по протоколу RS-485 поступают в преобразователь сигнала (в нашем случае ОВЕН АС-4) где производится их преобразование из протокола RS-485 в USB и далее подача полученных сигналов USB в ПК в ПО SCADA системы (например, ПО ОВЕН ОРС-сервер и ПО верхнего уровня МАСТЕР SCADA 3.12), подача сигналов с выходов цифровых микрометров 19 по протоколу RS-232 производится в СОМ-порт ПК и далее в ПО SCADA системы.

Перед выполнением испытаний выполняется тарировка тензодатчиков нагрузки 24 и тензодатчиков силы трения 29 (методика не приводится), подсоединяются датчики температуры 18 и настраиваются цифровые микрометры 19, после этого задаются начальные параметры испытаний: скорость относительного перемещения в испытуемой паре трения (настраивается при помощи привода вращения) и нагрузка на образец, которая задается на каждом автономном узле трения путем сжатия пружины 20, при закручивании натяжной гайки 21, усилие от которой через опорную шайбу 22 через полый наконечник 25, тензодатчик нагрузки 24 и нижней наконечник 23, через штифт 26 и оправку 15 передается испытуемому образцу 17 установочной части, прижимая его к контробразцу 14, установленному на приводном валу 4. От проворачивания полого наконечника 25 при закручивании натяжной гайки 21, ее необходимо удерживать рожковым ключом за лыски в ее верхней части (на фиг. не показано).

Контроль данных с тензодатчиков нагрузки 24, датчиков температуры 18 и цифровых микрометров 19 производится по настраиваемым мемо-схемам SCADA системы на экране монитора ПК, далее включается привод вращения 3 машины трения, задается скорость относительного перемещения в паре трения и производятся испытания, с выводом данных на экран монитора ПК по каждому автономному узлу трения по действующей силе трения, коэффициенту трения, температуре, и линейному износу образца в испытуемой паре трения в реальном времени, с задаваемым интервалом опроса и сохранением этих данных в памяти ПК для последующего их анализа.

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для проведения сравнительных и оценочных испытаний антифрикционных материалов на трение и износ. Машина трения для сравнительных испытаний антифрикционных материалов состоит из рамы, на которой установлены неподвижная бабка с приводом вращения приводного вала, на котором установлены два или более автономных узла трения для сравнительных испытаний, и подвижная бабка для фиксации приводного вала. Каждый автономный узел трения состоит из установочной, нагрузочной частей и измерительной системы. Установочная часть служит для крепления образца и контробразца, а также передачи вращательного движения в зону контакта исследуемой пары трения с возможностью фиксации температуры образца при различных условиях смазки в паре трения. Нагрузочная часть выполнена с использованием пружины сжатия, резьбового наконечника, тензодатчика нагрузки и натяжной гайки, посредством которой создается необходимая нагрузка в зоне контакта исследуемой пары трения. Измерительная система выполнена с возможностью крепления на раме машины трения и состоит из цифрового микрометра для определения линейного износа образца и тензодатчика для определения силы трения в исследуемой паре трения. Технический результат: повышение информативности и достоверности результатов испытаний. 3 ил.

Машина трения для сравнительных испытаний антифрикционных материалов, содержащая раму, держатели образцов и контробразцов, привод вращения, нагрузочную часть и автономные узлы трения, отличающаяся тем, что каждый автономный узел трения дополнительно содержит установочную часть и измерительную систему, при этом установочная часть состоит из корпуса с подшипниками, во внутренних обоймах которых установлены дистанционные втулки, в которых размещен приводной вал машины трения, между дистанционными втулками предусмотрено расстояние, необходимое и достаточное для установки контробразца на приводной вал машины трения, при этом в средней части корпуса выполнена фрезерованная полость, в которой расположена оправка с фиксирующей втулкой, в оправке имеется прямоугольный паз для установки испытуемого образца с возможностью образования зоны контакта между его поверхностью и поверхностью контробразца, в фиксирующей втулке установлен датчик температуры с возможностью его контакта с поверхностью испытуемого образца и передачи данных о температуре образца в ПК в реальный момент времени, причем фиксирующая втулка имеет отверстие для введения смазочного состава в зону контакта исследуемой пары трения и опорную площадку для позиционирования измерительного стержня цифрового микрометра измерительной системы, измерительная система состоит из основания, устанавливаемого на корпусе испытательного оборудования, на котором посредством резьбового крепежа закреплен цифровой микрометр с измерительным стержнем, опирающимся на опорную площадку фиксирующей втулки установочной части, с возможностью передачи сигнала об изменении линейного износа испытуемого образца в ПК в режиме реального времени, и тензодатчик силы трения с возможностью передачи сигнала о действующей нагрузке в ПК в режиме реального времени, при этом тензодатчик силы трения соединен с корпусом установочной части посредством стальной струны с плечом крепления, равным внешнему радиусу корпуса, а нагрузочная часть состоит из пружины сжатия, установленной своей нижней частью на корпусе, в верхней её части установлена опорная шайба и натяжная гайка, которая посредством резьбового соединения обеспечивает взаимодействие с расположенными внутри пружины полым наконечником, соединенным с тензодатчиком нагрузки и нижним наконечником, который, в свою очередь, через отверстие в корпусе шарнирно соединен с оправкой установочной части посредством штифта, при этом тензодатчик нагрузки установлен с возможностью передачи сигнала о действующей нагрузке в исследуемой паре трения в режиме реального времени в ПК.