Устройство для определения триботехнологических свойств материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к технологии испытаний материалов в машиностроении и быть использовано для поиска опти- ма|льных режимов обработки или эксплуата- цф материалов.

Известен ряд устройств общего назначения для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии (АЭ). Например, взятый за прототип, детектор и анализатор АЭ

Устройство имеет два независимых ка- на)|а для приема сигналов АЭ, каждый из которых включает предусилитель, основной усилитель, фильтр и блоки определения па- райетров АЭ: блок определения числа ос- цирляций и скорости счета осцилляции, блфк определения суммарной энергии и ее прризводной. Недостатками данного и аналогичных устройств являются узкие функциональные возможности, низкая производительность и высокая трудоемкость получения удельных характеристик АЭ для анализа контактных процессов и проведения оптимизационных испытаний.

Целью изобретения является определение оптимальных режимов обработки и эксплуатации материалов.

Элементы устройства изображены на фиг.1, где 1 - предварительный усилитель, соединенный с блоком фильтров 2, который связан с усилителем 3, подключенным к блокам определения параметров АЭ 4, а также к детектору 5, подключенному к компаратору 6, связанному с первым входом 1 третьей схемы И 8, с третьим входом 3 шестой схемы И 9 с инверсным входом установа логического нуля R третьего триггера 10 и с первым входом 1 первой схемы И 1.1. второй вход 2 который связан с вторым входом 2 второй

vi о

СП СА) СЛ

схемы И 12, с прямым выходом Q второго триггера 13, а выход подключен к инверсному входу установа логического нуля R пятого триггера 14 и входу синхронизации С первого триггера 15, инверсный вход установа логического, нуля R которого подключен к инверсному входу установа логической единицы Зпятого триггера 14, инверсному входу установа логического нуля R двоичного счетчика 16 и инверсному входу установа логической единицы S третьего триггера 10, инверсный выход первого триггера 15 соединен с собственным входом данных D, с входами третьего 17 и четвертого 18 одно- вибраторов, а его прямой выход Q подключен к первому входу 1 второй схемы И 12, третий вход 3 которой связан с генератором 19 и первым входом 1 шестой схемы И 9, а выход соединен с первым входом 1 четвертой схемы I/I 20 и входом синхронизации С четвертого триггера 21, вход данных D которого связана с собственным инверсным вы-, ходом Q, а прямой выход Q связан с вторым входом 2 пятой схемы И 22, первый вход 1 которой связан с инверсным выходом Q пятого триггера 14, прямой выход Q которого связан со вторым входом 2 четвертой схемы И 20, выход которой связан с первым входом 1 схемы ИЛИ 23, второй вход2 которой подключен к выходу пятой схемы И 22, а прямой выход Q связан с входом прямого счета +1 двоичного счетчика 16, вход обратного счета -1 которого связан с выходом шестой схемы И 9, второй вход 2 которой соединен со вторым входом 2 третьей схемы И 8, инверсным выходом Q второго триггера 13, инверсный вход установа логической единицы S которого связан с выходом первого коммутационного элемента 24, инверсный вход установа логического нуля второго триггера 13 подключен к выходу второго коммутационного элемента 26, вход которого подключен на корпус и к входам первого 24 и третьего 25 коммутационных элементов, выход третьего коммутационного элемента 25 соединен с инверторным входом установа логической единицы S третьего триггера 10, прямой выход Q которого подключен к четвертому входу 4 шестой схемы И 9 и третьему входу 3 третьей схемы И 8, выход которой соединен с входом второго одновибратора 27, с входом первого одновибратора 28, выход которого связан с входом разрешения записи L двоичного счетчика 16, вход синхронизации С которого соединен с выходом второго одно- вибратора 27, а его вход данных D подключен к прямому выходу Q регистра памяти 29, вход синхронизации С которого связан с выходом четвертого одновибратора 18, вход

разрешения записи L регистра памяти подключен к выходу третьего одновибрэтора 17, а вход данных В регистра памяти соединен с прямым выходом Q двоичного счетчика 16 и входом цифро-аналогового преобразователя 30, выход которого соединен с входом блока определения удельной энергии 7, блок 7 связан также с блоками определения параметров сигнала АЭ 4. На

фиг,1 показан также первичный преобразователь (датчик) АЭ 32 (невходящий в устройство), подключаемый к предварительному усилителю устройства и закрепляемый на контробразце.

На фиг.2 изображены схема испытаний и временные графики сигналов, где 31 - контдтело, 33 - образец (заготовка), t - время, А - сигнал АЭ на входе устройства, V - скорость контактного взаимодействия, Uv напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя, изменение которого показано в режимах запись и работа, UVk- максимальное напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя, а - параметр, характеризующий частоту следования импульсов на вход прямого счета +1 двоичного счетчика 16(фиг.1), Uw-напряжение на выходе устройства (блока 7), AV ; - диапазон оптимальных относительных скоростей

контактного взаимодействия контртел,которым соответствует начало резкого нарастания удельной АЭ.

На фиг.З изображена схема испытаний, в которой контробразец 34 является режущим инструментом.

Устройство работает следующим образом.

Подготовку устройства к работе осуществляют кратковременным замыканием контактов первого коммутационного элемента 24 (нажатием кнопки Запись) и контактов третьего коммутационного элемента 25 (нажатием кнопки Сброс). При этом

происходит установка элементов электронной схемы в следующие состояния на их прямых выходах 0:первого триггера 15 и двоичного счетчика 16 - в состояние логического нуля, второго триггера 13, третьего

триггера 10 и пятого триггера 14 - состояние логической единицы.

Далее осуществляют предварительное взаимодействие контрОбразцов путем перемещения с заданной подачей контробразца

31 или 34 под нагрузкой относительно вращающегося образца 33 в направлении от периферии образца 33 и к его центру. При этом в результате контактного взаимодействия контрОбразцов генерируются сигналы

ЗА, преобразуемые чувствительным элементом датчика 32 в электрический сигнал, Поступающий на вход предварительного усилителя 1, с выхода которого усиленный сигнал проходит селекцию по частоте в блоке фильтров 2, где отсекаются помехи в виде шумов испытательного оборудования. С блока фильтров 2 сигнал поступает в усили- фль 3, после которого он поступает на вход Детектора 5, выделяющего огибающую высокочастотного сигнала, которая преобразуется компаратором 6 в сигнал высокого уровня - логическую единицу - на его выхо- др (исходное состояние на выходе компара- тфра - сигнал низкого уровня - логический нЬль). Сигнал логической единицы на выходе компаратора б вместе с логической единицей на прямом выходе Q второго триггера 1| приводит к появлению переднего фронта импульса на выходе первой схемы - И 11, крторый вместе с сигналом логической еди- на инверсном выходе Q первого триггера 15 устанавливает первый триггер 15 в единичное состояние. Логические единицы н4 прямых выходах первого 15 и второго 13 триггеров разрешают прохождение через вторую схему И 12 сигнала с генератора 19, поступающего на третий вход 3 второй схемы И 12. Сигнал логической единицы на пр|ямом выходе Q пятого триггера 14 разрешает прохождение сигнала с генератора 19 через четвертую схему И 20 на первый вход 1 схемы ИЛИ 23, с выхода которой сигналы логической единицы, следующие с частотой импульсов генератора 19, поступают на:вход прямого счета +1 двоичного счет- чийа 16.

Пропадание сигнала АЭ, связанное с выводом контробразца 31 (34) в область внутреннего диаметра образца 33, приводит к отсутствию высокочастотного электри- сигнала на входе детектора 5, в рез ультате чего пропадает сигнал на выходе детектора 5, и образуется сигнал логического нуля на выходе компаратора 6, что вызывает появление логического нуля на выводах третьей 8, шестой 9 и первой 11 схе|иа И, а это в свою очередь приводит к сбррсу пятого триггера И в нулевое состояние, причем, логическая единица на его инверсном выходе Q разрешает прохождение; сигнала с генератора 19 через вторую схему И 12, делитель частоты на два, выпол- ненйый на четвертом триггере 21, через пятую :схему И 22, через схему ИЛИ 23 на вход прямого счета +1 двоичного счетчика 16. Таким образом, при прохождении контробразца 31 (34) в области внутреннего диаметра рбразца 33 за счет импульсов с гене ратора 19 в счетчике 16 происходит с

частотой вдвое меньшей частоты генератора 19. Вход контробразца 31 (34) в область между внутренним и внешним диаметрами образца 33 при дальнейшем перемещении 5 контробразцд 31 (34) связан с возникновением АЭ на входе первичного преобразователя 32. Сигнал АЭ, преобразуемый электронной схемой из элементов 1. 2, 3, 5. 6 в сигнал логической единицы на первом

0 входе 1 первой схемы И 13, вызывает появление переднего фронта импульса на входе , синхронизации. С первого триггера 15, что вместе с логическим нулем на входе данных этого триггера инициирует перебрасывание

5 первого триггера 15 в нулевое состояние. Логический ноль на прямом выходе первого триггера 15 запрещает прохождение сигнала с генератора 19 через вторую схему И 12, поэтому счет импульсов генератора 19 на

0 счетчике 16 прекращается. Одновременно сигнал логической единицы с инверсного выхода Q первого триггера 15запускаеттре- тий 17 и четвертый 18 одновибраторы, причем третий одновибратор 17 вырабатывает

5 импульс на вход разрешения записи L регистра памяти 29 большей длительности, импульса четвертого одновибратора 18, Логическая единица на входе разрешения записи L регистра памяти 29 разрешает за0 пись информации, накопленной в двоичном счетчике 16 по заднему фронту импульса с четвертого одновибратора 18. Таким образом, двоичный код числа импульсов, прошедших на двоичный счетчик 16 с

5 генератора 19, хранится в регистре памяти 29. Этот двоичный код соответствует напряжению Uvk (фиг.2), т.е. максимальному значению относительной скорости скольжения элементов трибосопряжения.

0 Для осуществления контрольного прохода трением (или резанием), при. котором по удельной энергетической характеристике АЭ определяют оптимальные режимы обработки или эксплуатации материалов,

5 кратковременно коммутируют контакты второго коммутационного элемента 26 (нажатием кнопки Работа), а также контакты третьего коммутационного элемента 25 (нажатием кнопки Сброс). При этом второй

0 триггер 13 устанавливается в нулевое состояние и разрешается прохождение сигналов через третью 8 и шестую 9 схемы И, Появление сигналов АЭ на первичном преобразователе в .начале испытаний, при которых

5 контрообразец 31 (34) перемещается относительно вращающегося образца 33 в направлении от внешнего к внутреннему диаметру образца 33, обуславливает появление сигнала логической единицы на входе компаратора 6, что приводит к появлению

логической единицы на выходе третьей схемы И 8, а это в свою очередь к запуску первого 28 и второго 27 одновибраторов. Оба одновибратора вырабатывают импульсы на своих выходах, причем длительность импульса с первого одновибратора 28 больше длительности импульса на выходе второго одновибратора 27. Импульс на выходе первого одновибратора 28, поступая на вход разрешения записи L двоичного счет- чика 16 вместе с задним фронтом импульса на выходе второго одновибратора 27, разрешают запись информации регистра памяти 2:9 в счетчик 16. Одновременно логическая единица на выходе компаратора 6 разрешает прохождение импульсов с генератора 19 через шестую схему И на вход обратного счета - 1 двоичного счетчика 16. При каждом импульсе генератора информация в счетчике 16 уменьшается на единицу, Сигнал с двоичного счетчика 16 поступает на цифроаналоговый преобразователь 30, на выходе которого образуется напряжение Uv (см. фиг.2, режим Работа), поступающие в блок определения удельной энергии 7. Одновременно высокочастотный сигнал с усилителя 3 поступает в блоки определения параметров АЭ 4, где происходит выделение информативных характеристик АЭ, например, числа осцилляции, числа им- пульсов, превышающих заданный порог дискриминации, скорости счета осцилляции, интенсивности импульсов, амплитуды и др. Сигналы указанных энергетических параметров АЭ поступают в блок определения удельной энергии 7, на выходе которого образуется сигнал удельного энергетического параметра. Блок 7 осуществляет арифметические функции умножения, деления, сложения, вычитания, интегрирования, дифференцирования. При выходе контробразца 31 (34) в область внутреннего диаметра -образца 33 образующийся логический ноль на выходе компаратора 6 перебрасывает третий триггер 10 в нулевое состояние, запрещая логическим нулем на его пр:ямом выходе Q прохождение сигналов через третью 8 и шестую 9 схемы И.

Устройство служит для нахождения оптимальных режимов и условий обработки или эксплуатации по определяемой устройством удельной энергетической характеристике АЭ, представляющий собой параметр пропорциональный энергии АЭ, деленный на скорость V. В частности, для нахождения оптимальных значений силовых и кинематических параметров (например, скорости трения) резания V), предшествующих значениям резкого повышения интенсивности изнашивания или перехода от одного вида

изнашивания к другому, для нахождения других рациональных условий контактного взаимодействия: смазки, материала контробразца, по их влиянию на оптимальные значения силовых и кинематических параметров. Среди определяемых при резании триботехнологических свойств материалов, режущая способность кромок режущего инструмента (34), обрабатываемость материала (образца 34),

Испытания по определению триботех- нических свойств материалов с помощью данного устройства проводят следующим образом.

Полый цилиндрический образец 33 закрепляют, например, в патроне (или оправке, или с помощью каких-нибудь других элементов базирования и силового замыкания в зависимости от конструкции)установки трения. В державке (тисках и т.д.) суппорта экспериментальной установки закрепляют контробразец 31 (34), на который устанавливают датчик АЭ 32. Исследователь осуществляет выбор необходимых, информативных, с его точки зрения параметров АЭ, подключая соответствующие блоки определения параметров модуля 4, и программируя алгоритм вычисления удельной энергетической характеристики W в блоке 7. Подготавливают устройство к работе: кратковременной коммутацией кнопочных переключателей Запись, Сброс переводят устройство в режим Запись и проводят контрольный предварительный проход трением (резанием), при котором образец 33 приводят во вращение, контробразец 31 (34) перемещают со скольжением по образцу 33 в направлении от внешнего к внутреннему диаметру образца 33, Во время предварительного испытательного прохода усилие поджатия контртел обычно назначают отличающимся от заданного для режима испытаний (например, в сторону меньших значений, что может быть желательно при испытаниях на износ, чтобы не изменять исходных структур и микрогеометрии контртел). Усилие поджатия при предварительном проходе выбирают исходя из постоянства трения контртел во время прохода. После осуществления предварительного прохода контробразец 31 (34) отводят в исходное положение и кратковременно коммутируют кнопочные переключатели Работа и Сброс. Осуществляют испытательный проход трением (резанием) контробразца 31 (34) по вращающемуся образцу 33 в направлении от внешнего к внутреннему диаметру образца 33 при заданных условиях испытаний и регистрацию сигнала удельной энергетической характеристики Uw процесса контактного

взаимодействия с блока определения удель- йой энергии 7, по которому судят о свойствах материалов.

; В качестве примера, в таблице при- йедены сравнительные данные по ре- ультатам стойкостных испытаний и Экспресс-испытаний с помощью данного устройства по определению оптимальной по про- изводительности обработки и износу Инструмента скорости резания. В качестве удельной энергетической характеристики использовали AKl/V, где А - амплитуда, N - Скорость счета импульсов АЭ. Согласно фиг.2 оптимальная скорость резания (контактного взаимодействия) не должна превышать значений после которых резко возрастает энергия волн напряжений.

По сравнению с известными устрой- (твами, не способными регистрировать параметр скорости а контактного взаимодействия, а следовательно, и удельную

энергетическую характеристику АЭ, настоящее устройство для определения триботех- нических свойств материала содержит электронную схему, выделяющую удельный энергетический параметр A3, характеризующий оптимальность режимов обработки и эксплуатации материалов. Для его получения не требуется использование каких-либо других устройств, связанных с конструктивными элементами испытательной установки. Отсутствие необходимости обслуживания других устройств и осуществления математических действий с значениями элементарных параметров сигнала АЭ снижают трудоемкость, повышают производительность испытаний, позволяют сосредоточить внимание исследователя непосредственно на исследуемом процессе (свойствах материалов). Устройство реализует алгоритм получения триботехнологи.ческих характеристик по измерению АЭ.

Сущность: изобретение относится к технологии испытания материалов в машиностроении и может быть использовано для исследования характеристик материалов в трибосистемах, оптимизации условий контактных процессов в парах трения и инструмент-деталь. Целью изобретения является повышение производительности, снижение трудоемкости испытаний, расширение функциональных возможностей устройства. Сущность: устройство содержит схемы 1, 2, 3 усиления и селекции по частоте высокочастотных сигналов, блоки 4 определения параметров высокочастотного сигнала, в том числе арифметические, схемы 8, 9, 20, 22,23 логических элементов. Устройство регистрирует удельные энергетические характеристики акустической эмиссии. 3 ил. ел С

формула изобретения Устройство для определения триботех- нологических свойств материалов, содержащее предварительный усилитель, блок фильтров, усилитель и блоки определения параметров акустической эмиссии, о т л и- ч а ю щ е е с я тем, что, с целью определения оптимальных режимов обработки и эксплуатации материалов, оно снабжено блоком Определения удельной энергии, генератором, четырьмя одновибраторами, регистром памяти, двоичным счетчиком, цифроаналоговым преобразователем, пятью триггерами, шестью схемами И, схе- ИЛИ, тремя коммутационными элементами, компаратором и детектором, вход которого соединен с усилителем, в выход ({вязан с входом компаратора, выход которого соединен с первым входом третьей Схемы И, с третьим входом шестой схемы И, с инверсным входом установа логического нуля третьего триггера и с первым входом первой схемы И, второй вход которой свя- со вторым входом второй схемы И и с г|рямым выходом второго триггера, а выход подключен к инверсному входу установа логического нуля пятого триггера и входу синхронизации первого триггера, инверсный Вход установа логического нуля которого Подключен к инверсному входу установа логической единицы пятого триггера, инверс- н|ому входу установа логического нуля Двоичного счетчика и инверсному входу установа логической единицы третьего триггера, инверсный выход первого триггера соединен с собственным входом данных, с

входами третьего и четвертого одновибра- торов, а его прямой выход подключен к первому входу второй схемы И, третий вход которой связан с генератором и первым входом шестой схемы И, а выход соединен с

первым входом четвертой схемы И и входом синхронизации четвертого триггера, вход данных которого связан с собственным инверсным выходом, а прямой выход - с вторым входом пятой схемы И, первый вход

которой связан с инверсным выходом пятого триггера, прямой выход которого связан с вторым входом четвертой схемы И, выход которой связан с первым входом схем ИЛИ, второй вход которой подключен к выходу

пятой схемы И, а прямой выход связан с входом прямого счета двоичного счетчика, вход обратного счета которого связан с выходом шестой схемы, второй вход которой соединен с вторым входом третьей схемы И,

инверсным выходом второго триггера, инверсный вход установа логической единицы которого связан с выходом первого коммутационного элемента, инверсный вход установа логического нуля второго триггера

подключен к выходу второго коммутационного элемента, вход которого подключен на корпусе и к входам первого и третьего коммутационных элементов, выход третьего коммутационного элемента связан с инверсным входом установа логической единицы третьего триггера, прямой выход которого подключен к четвертому входу шестой схемы И и третьему входу третьей схемы И, выход которой соединен с выходом второго одновибратора и с входом первого одновибратора, выход которого связан с входом разрешения записи двоичного счетчика, вход синхронизации которого соединен с выходом второго одновибратора, а его вход данных подключен к прямому выходу реги0

стра памяти, вход синхронизации которого связан с выходом четвертого одновибратора, вход разрешения записи регистра памяти подключен к выходу третьего одновибратора, а вход данных регистра памяти соединен с прямым выходом двоичного счетчика и входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом блока определения удельной энергии, связанного также с выходом блока определения параметров акустической эмиссий.

.|-г-}М

L р

-Г п

l-t-J

25 Сброс