Устройство для испытаний материалов на износ и трение Российский патент 2024 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для испытания конструкционных материалов на трение и износ при различных видах трения и схемам контактирования образцов однонаправленного или знакопеременного действия в условиях торцевого и с контактом по образующей трения в диапазоне температур (от -70°С до +200°С), а также величины нагружения с возможностью контроля нормативной и тангенциальной составляющих.

Область применения - железнодорожный транспорт, авиастроение, судостроение, машиностроение, атомная энергетика, металлургия и др.

Уровень техники

Известно устройство для испытания материалов на трение и износ (SU, 1035467, МПК G01N 3/56 от 09.04.1982, опубл. 15.08.83), содержащие основание, установленную на нем герметичную камеру, держатели образца и контробразца, регистрирующие приборы, узел нагружения, средства подачи рабочей среды.

Недостатками данного устройства является то, что оно не обеспечивает достоверность результатов и эффективность испытания материалов, а также узкий диапазон рабочих температур.

Известна криокамера к машине для механических испытаний образцов на абразивный износ (SU, 511536, МПК G01N 3/02, G01N 3/56 от 01.11.1974, опубл. 03.09.1976). в условиях низких температур с использованием криокамер. Криокамера (содержащая две разъемные части, образующая канал для ввода испытуемого образца, сюда через распылители поступают пары жидкого азота для создания пониженной температуры) и привод крепятся к станине машины.

Известно устройство для испытания материалов на износ и трение (SU, 991259, МПК G01N 3/56, G01N 19/02 от 20.08.1981, опубл. 23.01.1983) при высоких температурах, содержащее основание, установленный на нем держатель образца, захват для закрепления образца, узел нагружения и нагрева образца, механизм перемещения контробразца, датчик износа и измеритель силы трения.

Однако для указанных выше устройств характерны недостаточные достоверность результатов и эффективность испытаний, что обуславливается необходимостью удаления образца для измерения износа и дополнительной заливке жидкого хладоагента.

Известна «Установка для термомеханических испытаний» (патент RU 2570103, МПК G01N 3/18, опубл. 10.12.2015), содержащая силовую раму, тепловую камеру, в виде металлического прямоугольного корпуса с нагревателем и крышкой, приспособление для установки в камере объекта испытаний (ОИ), механизм растягивающего нагружения, протоки охлаждения, регистрирующую аппаратур), связанную с ПЭВМ. Тепловая камера выполнена в виде прямоугольного металлического корпуса с металлическими стенками, содержит теплоизоляцию. Ленточные нагревательные элементы расположены внутри корпуса и соединены с внешним источником питания.

Недостатками являются: большая масса корпуса камеры с металлическими стенками и крышкой, ленточные нагревательные элементы, которые часто выходят из строя после нескольких циклов нагрева, также необходимо отметить, что изготовление металлической камеры является сложной, длительной и относительно дорогой процедурой.

Известно устройство для температурных испытаний (RU 90902 U1, 09.02.2009), содержащее корпус, в котором размещены термокамера с нагревательными элементами, емкость с охлаждающей средой и испытуемые изделия на специальной подвеске. Это устройство позволяет подвергать испытуемые изделия воздействию высоких температур и охлаждению.

Управление перемещением изделий из термокамеры в охлаждающую жидкую среду осуществляется с пульта управления, расположенного вне устройства. Однако в этом устройстве не предусмотрено приложение механических усилий к образцу.

Известно устройство для испытания материалов на трение и износ (SU а.с. №978012, МПК G01N 3/56 от 26.01.1981, опубл. 30.11.1982) при различных видах трения и различных рабочих и теплоносительных средах, принятое в качестве прототипа, содержащее основание, установленную на нем герметичную камеру, размещенные в последней держатель образцов, держатель контробразцов, мембрану, отделяющую в камере полость для теплоносительной среды, устройства подогрева, подвода и отвода рабочей среды, измерители моментов трения, износа и температуры, узел нагружения, привод вращения с инерционным узлом и регистратором частоты.

Основными недостатками данного устройства являются отсутствие возможности проведения испытаний при возвратно-поступательном движении. Необходимо также отметить, что при испытании материалов на износ и трение топография поверхности образцов характеризуется наличием неровностей, что при контактировании такой поверхности с контробразцом может приводить к термоупругой неустойчивости, приводящей к вибрации и повышению температуры. В результате в материалах пары трения происходят изменения, которые могут привести к изменению фрикционно-износных характеристик контактирующих элементов узла трения. Недостаточная точность контроля усилий, действующих на образец не позволяет при проведении испытаний компенсировать вышеуказанные факторы, а также устройство имеет недостаточную ширину диапазона температур проведения испытаний.

В результате проведенных патентных исследований не выявлено известных из уровня техники аналогичных технических решений, характеризуемых требуемой совокупностью признаков.

Раскрытие изобретения

Технической задачей изобретения является повышение достоверности результатов трибологических испытаний образцов материалов и расширение функциональных возможностей для моделирования условий проведения испытаний, соответствующих условиям возникновения эксплуатационных повреждений в реальных узлах трения.

Указанный технический результат заключается в том, что устройство для испытания материалов на износ и трение, содержащее станину, установленную на ней герметичную камеру, размещенные в последней держатель образцов, держатель контрОбразцов, регистрирующие приборы, узел нагружения, привод, на станину установлены боковые опоры траверсы и закреплены с помощью болтов и шпилек, на боковые опоры установлена и закреплена с помощью болтов и шпилек собранная траверса с контртелом, перемещаемым в вертикальной плоскости в направлении оси Z, содержащая электромотор для перемещения контртела в вертикальном направлении, пневмоцилиндр, осуществляющий нагружение образца, а также датчик усилия, расположенный на штоке между контртелом и пневмоцилиндром для контроля нагружения, в основании станины установлена платформа, с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости в направлениях системы плоских координат XY, на которую установлен испытательный модуль, включающий в себя привод и исполнительный механизм для проведения испытаний образцов при линейном возвратно-поступательном движении в горизонтальном направлении или при вращательном движении вокруг вертикальной оси, при этом нормальная нагрузка прикладывается от верхнего образца к нижнему в любой точке, в пределах диапазона перемещений платформы, в то время как датчик усилия остается центрированным относительно траверсы, герметичная камера, обеспечивающая охлаждение рабочей области до -70°С или нагрев до +200°С, в герметичной камере размещена система охлаждения, выполненная с применением элементов Пельтье, состоящих из пар полупроводниковых параллелепипедов одного n-типа и одного p-типа с протеканием электрического тока последовательно через все параллелепипеды или система нагрева, выполненная с применением нагревательных элементов.

Устройство для испытания материалов на износ и трение оснащено системой управления, связанной с внешним управляющим параметрами (нагружением, температурой и диапазоном перемещений) компьютером.

Для стабилизации износа и коэффициента трения и достоверности результатов на штоке между контробразцом и пневмоцилиндром установлено демпфирующее устройство для гашения низкоамплитудных колебаний в широком диапазоне частотного спектра.

Достоинством выбранной системы терморегуляции являются небольшие размеры, отсутствие движущихся частей, газов и жидкостей, отсутствие шума.

Данное изобретение позволяет исследовать различные материалы на износостойкость в требуемом диапазоне температур с высокой точностью задания величины нагрузки и измерения величины сил трения и износа, а также снизить трудоемкость процесса проведения испытаний.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - Устройство для испытаний материалов на износ и трение

Фиг. 2 - Испытательный модуль для испытания образцов при линейном возвратно-поступательном движении в горизонтальном направлении.

Фиг. 3 - Испытательный модуль для испытания образцов при вращательном движении вокруг вертикальной оси.

Осуществление изобретения

Сущность изобретения поясняется чертежом, приведенном на фиг. 1.

Устройство для испытания материалов на износ и трение состоит из станины 1, установленной на ней герметичной камеры, размещенного в последней держателя образцов, держателя контробразцов, регистрирующих приборов, узла нагружения, привода.

Причем на станину 1 устанавливаются боковые опоры траверсы 2 и крепятся с помощью болтов и шпилек, на установленные боковые опоры устанавливается и крепится с помощью болтов и шпилек собранная траверса 2 с контртелом, перемещаемым в вертикальной плоскости в направлении оси Z в диапазоне до 150 мм, скорость подачи от 0,02 до 5 мм/с.

В основании станины 1 установлена платформа 3, которая способна перемещаться в горизонтальной плоскости в направлениях системы плоских координат XY.

Траверса 2 содержит электромотор 4, для перемещения контртела в вертикальном направлении, пневмоцилиндр 5, осуществляющий заданное нагружение образца в диапазоне до 200 Н, а также датчик усилия, расположенный на штоке между контртелом и пневмоцилиндром, для контроля нагружения.

Перемещение платформы 3 осуществляется посредством электромоторов 6 и 7, перемещающих платформу горизонтальной плоскости в направлениях системы плоских координат XY, соответственно.

На платформу 3 устанавливается испытательный модуль 8 для проведения испытаний образцов при линейном возвратно-поступательном движении в горизонтальном направлении (фиг. 2) по схеме штифт(шар)-пластина с частотой до 10 Гц или при вращательном движении вокруг вертикальной оси (фиг. 3) по схеме шар-диск со скоростью до 600 об/мин. Испытательный модуль 8 включает в себя привод 10 и исполнительный механизм 11.

Таким образом, нормальная нагрузка может быть приложена от верхнего образца к нижнему образцу в любой точке в пределах диапазона перемещений платформы 3, в то время как датчик усилия остается центрированным относительно траверсы 2.

Испытательный модуль 8 при необходимости оснащается герметичными камерами 9, которые дают возможность проведения испытаний в диапазоне температур от -70 до +200°С и обеспечивают охлаждение рабочей области до -70°С или нагрев до +200°С, в каждой камере размещена система охлаждения, выполненная с применением элементов Пельтье, состоящих из пар полупроводниковых параллелепипедов одного n-типа и одного p-типа с протеканием электрического тока последовательно через все параллелепипеды или система нагрева, выполненная с применением нагревательных элементов.

Устройство для испытания материалов на износ и трение оснащено системой управления, связанной с внешним управляющим параметрами (нагружением, температурой и диапазоном перемещений) компьютером.

Для стабилизации износа и коэффициента трения и достоверности результатов на штоке между контробразцом и пневмоцилиндром установлено демпфирующее устройство для гашения низкоамплитудных колебаний в широком диапазоне частотного спектра.

Достоинством выбранной системы терморегуляции являются небольшие размеры, отсутствие движущихся частей, газов и жидкостей, отсутствие шума.

Данное изобретение позволяет исследовать различные материалы на износостойкость в требуемом диапазоне температур с высокой точностью задания величины нагрузки и измерения величины сил трения и износа, а также снизить трудоемкость процесса проведения испытаний.

При включении устройство работает следующим образом. Образец устанавливается в исполнительный механизм 11, далее, посредством электромоторов 6 и 7 перемещается в плоскости XY для установки в заданное положение относительно нулевой координаты, соответствующей вертикальной оси контртела. Контртело подводится до соприкосновения с образцом при помощи электромотора 4, контроль соприкосновения осуществляется датчиком усилия. Нагружение, задаваемое пользователем, осуществляется пневмоцилиндром 5.

В зависимости от выбранной схемы испытания задается частота оборотов, линейная скорость скольжения или частота колебаний перемещения. Движение образца осуществляется посредством привода 10. В процессе испытания идет непрерывно запись сигнала с датчика усилия, таким образом контролируется нормальное и тангенциальное усилие. При проведении испытаний в заданных температурных условиях, используется соответствующая камера. Испытания начинаются при достижении заданной температуры в камере.

Изобретение относится к испытательной технике. Устройство содержит станину, установленную на ней герметичную камеру, размещенные в последней держатель образцов, держатель контробразцов, регистрирующие приборы, узел нагружения, привод. На станину установлены боковые опоры траверсы и закреплены с помощью болтов и шпилек. На боковые опоры установлена и закреплена с помощью болтов и шпилек собранная траверса с контртелом, перемещаемым в вертикальной плоскости в направлении оси Z, содержащая электромотор для перемещения контртела в вертикальном направлении, пневмоцилиндр, осуществляющий нагружение образца, а также датчик усилия, расположенный на штоке между контртелом и пневмоцилиндром для контроля нагружения. В основании станины устройства для испытания материалов на износ и трение установлена платформа с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости в направлениях системы плоских координат XY, на которую установлен сменный испытательный модуль, включающий в себя привод и исполнительный механизм для проведения испытаний образцов при линейном возвратно-поступательном движении в горизонтальном направлении или при вращательном движении вокруг вертикальной оси, при этом нормальная нагрузка прикладывается от верхнего образца к нижнему в любой точке, в пределах диапазона перемещений платформы, в то время как датчик усилия остается центрированным относительно траверсы, а герметичная камера, в которой находится испытательный модуль, обеспечивает охлаждение или нагрев рабочей области в диапазоне температур от -70 до +200°С. Технический результат: возможность исследовать различные материалы на износостойкость в требуемом диапазоне температур с высокой точностью задания величины нагрузки и измерения величины сил трения и износа, а также снизить трудоемкость процесса проведения испытаний. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для испытания материалов на износ и трение, содержащее станину, установленную на ней герметичную камеру, размещенные в последней держатель образцов, держатель контробразцов, регистрирующие приборы, узел нагружения, привод, на станину установлены боковые опоры траверсы и закреплены с помощью болтов и шпилек, на боковые опоры установлена и закреплена с помощью болтов и шпилек собранная траверса с контртелом, перемещаемым в вертикальной плоскости в направлении оси Z, содержащая электромотор для перемещения контртела в вертикальном направлении, пневмоцилиндр, осуществляющий нагружение образца, а также датчик усилия, расположенный на штоке между контртелом и пневмоцилиндром для контроля нагружения, в основании станины установлена платформа, с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости в направлениях системы плоских координат XY, на которую установлен испытательный модуль, включающий в себя привод и исполнительный механизм для проведения испытаний образцов при линейном возвратно-поступательном движении в горизонтальном направлении или при вращательном движении вокруг вертикальной оси, при этом нормальная нагрузка прикладывается от верхнего образца к нижнему в любой точке, в пределах диапазона перемещений платформы, в то время как датчик усилия остается центрированным относительно траверсы, герметичная камера, обеспечивающая охлаждение рабочей области до -70°С или нагрев до +200°С, в герметичной камере размещена система охлаждения, выполненная с применением элементов Пельтье, состоящих из пар полупроводниковых параллелепипедов одного n-типа и одного p-типа с протеканием электрического тока последовательно через все параллелепипеды, или система нагрева, выполненная с применением нагревательных элементов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для исключения термоупругой неустойчивости, приводящей к вибрации узла трения и искажению достоверности влияния температурных факторов на трибологические характеристики на штоке между контробразцом и пневмоцилиндром, установлено демпфирующее устройство для гашения низкоамплитудных колебаний в широком диапазоне частотного спектра.