Устройство для определения состояния и упругих свойств поверхностей трения Советский патент 1992 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к испытаниям материалов, основанным на времени и повторяемости свободного ударного взаимодействия, и может быть использовано для неразрушающей послойной оценки технологического и эксплуатационного состояния, величины нормального модуля упругости, степени рассеяния энергии поверхностей твердых тел, прежде всего поверхностей трения.

Известно устройство, включающее корпус, шар-индентор с заданными физико-механическими свойствами, исследуемый образец, механизм раскручивания и сбрасывания шара на образец, измеритель длины и максимальной высоты отскока шара. Оно позволяет с помощью соударения получать результаты, исходя из которых можно оценить динамический модуль упругости, При оценке модуля Е одинаковых поверхностей может быть использована формула:

Ј -

(1 -У гЗНуд

m g h

отс

где НуД 6тд(г1нэд,- hoTc)(3ro2 +

т - масса индентора;

g - ускорение свободного падения;

t - глубина восстановленного отпечатка образца;

г0 - радиус восстановленного отпечатка образца;

Ьнад высота падения индентора;

Ьотс - высота отскока индентора;

ц. - коэффициент Пуанссона.

Недостатками этого устройства являются сложность конструкции, вызванная необходимостью определения нескольких трудноизмеримых величин, в частности г0. т, Ьотс, малая производительность, невозможность определения диссипативных свойств

(в частности, внутреннего трения CW) и общего состояния поверхностей.

Известно также устройство, содержащее основание, смонтированную на основании

заданно ориентированную опору-кассету для закрепления исследуемой детали (образца), маятник, включающий шар-индентор с известными физико-механическими свойствами и токопроводящую нить, на которой

подвешен шар, регулируемый упор, систему измерения, позволяющую определять время соударения шара и исследуемого тела. Основу системы измерения составляет последовательная RC-цепь. Время соударения

находится из соотношения:

г RCIn

Ul U2

где R - величина сопротивления; С - емкость конденсатора; Ui, 1)2 - напряжение на обкладках конденсатора соответственно до и после удара. По найденному г может быть оценен модуль Юнга поверхностей, например, трения.

Основными недостатками устройства являются невозможность определения длительностей второго и последующих соуда- рений, а значит диссипативных свойств, в частности QBH, и общего состояния поверхностей трения, а также высокая погрешность определения времени первого соударения, в частности из-за отсутствия элементов, учитывающих так называемый дребезг контакта.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения автоматического и более точного измерения времени не только первого, но и всех последующих свободных ударных взаимодействий эталонного индентора с исследуемой поверхностью, а также общего числа соударений.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - схема его электронного блока; на фиг. 3 - временные диаграммы работы предлагаемого устройства (где а - временная зависимость электрического сопротивления R между кабелями 7 и 8, передаваемого на вход формирователя 10; б - напряжение на выходе формирователя 10; в - напряжение на выходе триггера 11, г - напряжение на выходе счетчика 19, д - напряжение на выходе триггера 12, е - напряжение на выходе элемента 18; ж - напря- жение на выходе счетчика 23, з - напряжение на сбросовом входе счетчика 26; и, к, л - напряжение на информационных выходах счетчика 26; м - напряжение на выходе переполнения счетчика 26.

Устройство содержит основание 1, заданно ориентируемую опору-кассету 2, подвижно смонтированную на основании 1, исследуемый образец 3, закрепленный в кассете 2, воздействующий на образец 3 индентор 4 с известными физико-механическими свойствами, регулируемый упор 5, то- копроводящую нить 6, кабели 7 и 8 и электронный модуль блок 9. Упор 5 предназначен для строго заданного отклонения маятника, образованного индентором 4 и токопроводящей нитью 6, от вертикали и детали-образца.

Электронный блок содержит формирователь 10 сигнала соударения, два триггера 11 и 12. два логических элемента 13 и 14 И, четыре логических элемента 15-18 ИЛИ, счетчик 19 защитного интервала, счетчик 20 интервалов времени, дешифратор 21, счетчик 22 соударений, счетчик 23 бит, блок 24 индикаторов, последовательно-параллельный регистр 25, счетчик 26 блоков, селектор 27 частот, последовательный регистр 28 сдвига, оперативное запоминающее устройство 29 (ОЗУ), счетчик 30 адреса, блок 31 управления, генератор 32 опорной частоты.

Входы формирователя 10 сигнала соударения посредством кабелей 7 и 8 соеди- нены с токопроводящей нитью 6 и исследуемой деталью 3.

Формирователь 10 сигнала соударения предназначен для преобразования электрического сопротивления участка контакта исследуемого образца 3 и индентора 4 при их соударении в сигнал логического уровня О или 1 на выходе формирователя 10. При этом порог электрического сопротивления, разделяющего существование контакта или его отсутствие, может быть изменяемым.

Первый триггер 11 служит для выделения интервала времени, в течение которого

счетчик 20 интервалов времени производит подсчет поступающих на его счетный вход со второго выхода селектора 27 частот тактовых интервалов определения времени со- 5 ударения.

Второй триггер 12 предназначен для выделения интервала времени, в течение которого на счетный вход счетчика 23 бит, счетный вход счетчика 30 адреса, тактовый 10 вход последовательного сдвига регистра 25 и тактовый вход регистра 28 сдвига поступает тактовая частота чтения/записи ОЗУ 29. Первый элемент 13 И предназначен для разрешения счета счетчику 19 защитного 5 интервала только в случае, если первый триггер 11 установлен, а с выхода формирователя 10 поступает сигнал логического уровня, соответствующего отсутствию контакта.

0 Четвертый элемент 18 ИЛИ предназначен для того, чтобы второй триггер 12 устанавливался как по сигналу переполнения счетчика 19 защитного интервала, так и по- сигналу Шаг чтения, поступающему с пер- 5 вого выхода блока 31 управления (при пошаговом чтении полученной информации).

Первый элемент 15 ИЛИ служит для того, чтобы первый триггер 11 сбрасывался 0 как по сигналу переполнения счетчика 19 защитного интервала, так и по сигналу Сброс, поступающему с второго выхода блока 31 управления (сброс состояния после включения прибора, для перехода в режим 5 чтения, для новой записи информации и т.д.).

Второй элемент 16 ИЛИ управляет счетчиком 23 бит.

Третий элемент 17 ИЛИ предназначен 0 для того, чтобы счетчик 26 блоков сбрасывался как по сигналу переполнения, поступающему с его выхода, так и по сигналу Сброс, поступающему с второго выхода блока 31 управления.

5Второй элемент 14 И выполняет роль

ключа для тактового сигнала чтения/записи ОЗУ 29, поступающего на его второй вход. Счетчик 19 защитного интервала предназначен для подсчета защитного интерва- 0 ла. необходимого для устранения возможного дребезга контакта индентора 4 и образца 3.

Счетчик 20 интервалов времени предназначен для подсчета количества тактовых 5 интервалов определения времени соударения, поступающих в течение времени, пока первый триггер 11 установлен. Рассматриваемый элемент является десятичным. Его разрядность равна:

N2 4- щ,

где щ - количество десятичных разрядов для определения времени контакта исследуемого образца 3 и индентора 4.

Дешифратор 21 служит для определения блока 24 индикаторов, отображающего десятичный знак, код которого установлен на выходах регистра 28 сдвига, Выход дешифратора 21, преобразующего двоичный код, поступающий с информационных выходов счетчика 26 блоков в десятичный, имеет число разрядов:

NS ш + П2,

где па - количество десятичных разрядов для числа соударений.

Счетчик 22 соударений предназначен для определения числа соударений индентора 4 об исследуемое тело 3, Имеет разрядность:

NI 4 па.

Счетчик 23 бит служит для выделения групп по 4 тактовых сигналам чтения/записи ОЗУ 29.

Блок 24 индикаторов предназначен для отображения информации, записываемой или считываемой из ОЗУ 29, содержит NS индикаторов. Информация отображается в виде номера и временного интервала соударения.

Регистр 25 предназначен для параллельной записи информации с выходов счетчиков 20 и 22 и последующего побитового сдвига информационной последовательности для записи в ячейки ОЗУ 29.

Счетчик 26 блоков предназначен для подсчета числа четырехбитовых блоков, каждый из которых соответствует одному десятичному знаку.

Селектор 27 частот служит для формирования сетки частот из опорной частоты, поступающей с выхода генератора 32 опорной частоты. Формируемые селектором 27 частоты используются в качестве тактовых интервалов определения времени соударения исследуемого образца 3 и индентора 4 (возможно использование нескольких поддиапазонов измерения, т.е. различных тактовых интервалов, которые выбираются по сигналу с третьего выхода блока 31 управления), в качестве тактовой частоты подсчета защитного интервала для счетчика 19 защитного интервала и в качестве тактовой частоты чтения/записи ОЗУ 29.

Регистр 28 сдвига предназначен для преобразования последовательной двоичной информации, поступающей с выхода ОЗУ 29, в четырехразрядные двоичные слова, которые с выходов регистра 28 поступают на информационные входы блока 24 индикаторов для отображения в десятичном виде на одном из его индикаторов.

ОЗУ 29 предназначено для записи и чтения информации, поступающей из регистра 25. Режим работы ОЗУ (запись или считывание) определяется сигналом, поступающим

с четвертого выхода блока 31 управления. ОЗУ имеет битовую структуру, т.е. по одному адресу, поступающему с N 3-выходов счетчика 30 адреса, записывается только один бит информации. Разрядность ОЗУ оп0 ределяет число соударений, время и номер которых могут быть зафиксированы электронным блоком 9.

Счетчик 30 адреса служит для выбора адреса ячейки ОЗУ 29, в которую записыва5 ется (считывается) бит информации.

Блок 31 управления предназначен для управления режимами работы электронного блока 9.

Генератор 32 опорной частоты служит

0 для формирования высокостабильной опорной частоты.

Устройство работает следующим образом.

При его включении в сеть производится

5 сброс состояния электронного модуля 9. Сигнал с второго выхода блока 31 управления поступает на сбросовые входы счетчика 23 бит (через элемент 16 ИЛИ), счетчика 26 (через элемент 17 ИЛИ) и счетчиков 22 и 30,

0 а также на обнуляющий вход первого триггера 11 (через элемент 15 ИЛИ). Таким образом сбрасываются счетчики 22, 23, 26 и 30, а также первый триггер 11, который обнуляет счетчик 19 (через элемент 13 И) и счетчик

5 20. а также устанавливает для регистра 25 режим последовательного сдвига информации. При подаче сигнала Запись с четвертого выхода блока 31 управления ОЗУ 29 переводится в режим записи.

0 Включается в работу маятник, состоящий из индентора 4 и токопроводящей нити 6. Индентор 4 отклоняется до упора 5 и отпускается. В момент соприкосновения (контакта) индентора 4 с исследуемым об5 разцом 3 электрическое сопротивление участка индентор-образец падает ниже порогового сопротивления (фиг. За). На выходе формирователя 10 вырабатывается сигнал, соотзетствующий замыканию (фиг.

0 36).

В этот момент первый триггер 11 устанавливается (фиг. Зв) и разрешает тем -самым счет счетчику 20. Регистр 25 переводится в режим параллельной загруз5 ки. Содержимое счетчика 22 увеличивается на 1 бит.

При возникновении дребезга контакта (фиг, 36 - момент 1 и 2) содержимое счетчиков 20 и 22 заносится в регистр 25. Счетчик 20 при этом не останавливает счета.

Так как интервал дребезга не превышает защитного интервала Тзащ, счетчик 19, который начинает счет, при появлении сигнала отсутствия контакта сбрасывается по приходу сигнала существования контакта, не успев достигнуть состояния переполнения.

В стадии размыкания образца 3 и ин- дентора 4 (фиг. 36, момент 3) информация из счетчиков 20 и 22 заносится в регистр 25. Счетчик 19 в третий раз начинает счет и в момент переполнения вырабатывает на выходе сигнал переполнения (фиг. Зг).

Этот сигнал сбрасывает первый триггер 11 и устанавливает второй триггер 12. Со сбросом первого триггера 11 счетчик 19 также сбрасывается, сигнал переполнения на его выходе исчезает.

Установленный второй триггер 12 (фиг. Зд) разрешает передачу тактового сигнала с второго входа элемента 14 И на его выход (фиг. Зе). При этом регистр 25 начинает побитовый сдвиг информации в ячейки ОЗУ 29, выбираемые счетчиком 30. Сдвиг информации с выхода ОЗУ осуществляет также регистр 28. После четырех тактовых сигналов счетчик 23 вырабатывает сигнал переполнения (фиг. Зз). В этот момент в индикатор блока 24, выбранный дешифратором 21 по коду на выходе счетчика 26, заносится четырехбитовое слово с информационных выходов регистра 28.

По окончании сигнала переполнения счетчика 23 счетчик 26 изменяет свое содержание на 1 бит (см. фиг. Зм, к.л.).

Подобным образом записываются в ОЗУ 29 и выводятся для отображения на индикаторы блока 24 еще пять четырехбитовых слов.

После прихода двадцать четвертого тактового сигнала производится вывод последнего (из шести) десятичных знаков на блок 24 индикаторов.

На выходе переполнения счетчика 26 вырабатывается сигнал переполнения (фиг. Зм).

Этот сигнал поступает на обнуляющий вход второго триггера 12 и сбрасывает его, защищая тем самым поступление тактового сигнала с второго входа элемента 14 И на его выход.

Все элементы блока 9 приведены в состояние, предшествующее первому соударению, за исключением того, что счетчик 22 содержит 1 (единицу), счетчик 30 содержит 24 (адрес последнего записанного бита), а на блоке 24 отображается номер соударения (в данном случае 1) и его время в тактовых интервалах.

В момент следующего соударения элементы электронного блока 9 действуют аналогично.

Переход в режим пошагового чтения записанной информации производится путем сброса состояния блока 9. Подачей сигнала Шаг чтения с первого выхода блока управ- ления 31 осуществляется установка второго триггера 12 через элемент 18 ИЛИ. Считывание и отображение информации производится аналогично режиму записи (установкой второго триггера 12 при этом

управляет не сигнал переполнения счетчика 19, а сигнал Шаг чтения блока 31 управления).

Изображенная на фиг. 1 схема устройства соответствует испытанию токопроводящих поверхностей трения.

При анализе нетокопроводящих поверхностей роль индентора выполняет, например, пьезозлемент, выходы которого подключаются к входам формирователя 10 сигналов соударения.

После того, как с помощью устройства определены время первого соударения

ri , второго гг1-го т последнего

тп , а также общее число свободных соударений искомые количественные упру- го-диссипативные характеристики поверхности трения рассчитываются из соответствующих соотношений. В частности, для сферического индентора 4 и

плоского образца 3 такие соотношения имеют вид:

ЕПОВЗ -

1

rf1

Ь ГП4ЕПов4

40

вн -

3PV

2 48Pr4U

2л

1-(

Т

Г + 1

n

где ЕповЗ, Епов4 - модуль Юнга поверхностных слоев испытуемой детали (образца) 3 и индентора 4;

Г4, лги - радиус и масса индентора; 9 ускорение свободного падения;

h - высота- подъема индентора;

b - коэффициент, зависящий от вида материалов;

а 2,5; с 10; Р - сила удара;

V-упругая постоянная Кирхгофа;

Нвн - глубина внедрения индентора в исследуемую поверхность (толщина исследуемого слоя);

TI - время 1-го соударения в одном испытании.

Общее состояние изучаемых поверхностей трения устанавливается по измеренным величинам путем сопоставления их с подобными величинами, полученными для эталонных образцов.

Таким образом, применение предлагаемой схемы позволяет значительно расширить его функциональные возможности.

Предлагаемое устройство позволяет в полуавтоматическом режиме быстро определять (с использованием эталонов) общее состояние и качество поверхностей трения и покрытий на них, устанавливать (с использованием формул типа приведенных и аналогичных) Епов и QBH материала, составляющего слой заданной толщины. Другие устройства, известные из различных источников, такой возможности (при реализации ударного воздействия) не дают. Формула изобретения Устройство для определения состояния и упругих свойств поверхностей трения, содержащее основание, смонтированную на основании заданно ориентированную опору-кассету для закрепления исследуемого образца, индентор с известными физико- механическими свойствами, токопроводя- щую нить, на которой подвешен индентор. регулируемый упор, электронный блок и два кабеля, соединяющих электронный блок с токопроводящей нитью и исследуемым образцом, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет более точного измерения времени соударения, электронный модуль содержит формирователь сигнала соударения, два триггера, два логических элемента И, четыре логических элемента ИЛИ, счетчик защитного интервала, счетчик интервалов времени, дешифратор, счетчик соударений, счетчик бит, блок индикаторов, последовательно-параллельный регистр, счетчик блоков, селектор частот, последовательный регистр сдвига, оперативное запоминающее устройство, счетчик адреса, блок управления и генератор опорной частоты, выход формирователя сигнала соударения соединен с установочным входом первого триггера, первым входом первого логического элемента И и тактовым входом параллельной загрузки последовательно-параллельного регистра, выход первого триггера соединен с вторым входом первого элемента И, обнуляющим входом счетчика интервалов времени, счетным входом счетчика соударений и входом выбора режима работы последовательно- параллельного регистра, выход вторс-гс

триггера - с первым входом второго элемента И, выход первого элемента И - с обнуляющим входом счетчика защитного интервала, выход первого элемента ИЛИ с установочным входом второго триггера, выход второго элемента ИЛИ - с обнуляющим входом первого триггера, выход третьего элемента ИЛИ - с обнуляющим входом счетчика бит, выход четвертого элемента

0 ИЛИ - с обнуляющим входом счетчика блоков, выход вторбго элемента И - со счетным входом счетчика бит, тактовым входом последовательного сдвига последовательно- параллельного регистра, тактовым входом

5 регистра сдвига и счетным входом счетчика адреса, выход переполнения счетчика защитного интервала соединен с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, выходы счетчика интервалов времени - с

0 первой группой информационных входов последовательно-параллельного регистра, выходы дешифратора - с адресными входами блока индикаторов, выходы счетчика соударений - с второй группой информа5 ционных входов последовательно-параллельного регистра, выход переполнения счетчика бит - с первым входом третьего элемента ИЛИ, входом записи информации блока индикаторов и счетным входом счетчика

0 блоков, выход последовательно-параллельного регистра - с информационным входом оперативного запоминающего устройства, информационные выходы счетчика блоков -с входами дешифратора, выход переполнения

5 счетчика блоков - с обнуляющим входом второго триггера и первым входом четвертого элемента ИЛИ, первый выход селектора час- тот-со счетным входом счетчика защитного интервала, второй выход-со счетным входом

0 счетчика интервала времени, третий выход - с вторым входом второго элемента И, выходы регистра сдвига соединены с информационными входами блока индикаторов, выход one ративного запоминающего устройства - с

5 информационным входом регистра сдвига, выходы счетчика адреса - с адресными входами оперативного запоминающего устройства, первый выход блока управления с вторым входом пер0 вого элемента ИЛИ, второй выход - с вторыми входами второго, третьего и четвертого элементов ИЛИ, обнуляющими входами счетчика соударений и счетчика адреса, третий выход блока управления 5 с входом выбора поддиапазона селектора частот, четвертый выход - с входом выбора режима работы оперативного запоминающего устройства, выход генератора опорной частоты соединен с тактовым входом селектора частот.

Изобретение относится к технике определения механических характеристик материалов и позволяет обеспечить определение диссипативных свойств, а также общего состояния поверхностей трения. Устройство содержит основание, смонтированную на основании опору- кассету, индентор с известными свойствами, токопроводящую нить, на которой подвешен индентор, регулируемый упор, два кабеля, исследуемую деталь и электронный блок, включающий формирователь 10