Машина трения (варианты)
FRICTION MACHINE (OPTIONS)

Изобретение относится к технике испытаний триботехнических свойств конструкционных твердых, пластичных и жидких смазочных материалов в условиях торцового трения, а также может быть использовано при триботехнических испытаниях композиционных материалов, покрытий на металлической и полимерной основе, водорастворимых технологических смазочных материалов и технологических покрытий.
Известны отечественные серийные машины трения для исследования триботехнических свойств композиционных материалов, покрытий на металлической и полимерной основах, а также смазочных материалов, в которых используются схемы испытаний в условиях торцевого трения: машина трения УМТ-1, универсальная машина трения 2168 УМТ «Унитриб» - схема испытаний пальчиковый образец-диск (Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник / под ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. - М.: Машиностроение, 2008. С. 62-63; С. 97-100).
Известны трибометры: «Универсал», «Универсал-1», «Универсал-1 А», в которых могут использоваться схемы торцевого трения для триботехнических испытаний конструкционных и смазочных материалов (Д.Р. Загидуллина, И.Д. Ибатуллин, С.Г. Емельянов. Устройства для испытаний на трение и изнашивание // Известия Самарского научного центра Российской академии наук - т.18. - №4(2) - 2016. - С. 287-290).
Устройство для триботехнических испытаний материалов (патент RU 2482464 С2 МПК G01N 3/56, опубл. 20.05.2013, бюл. №14, шестой вариант крепления образца, фиг. 8) содержит чашку, в дно которой ввинчны винты, на которые надевается роликовый образец. Сверху в отверстие образца вставлен конец оправки, хвостовик которой зажимается в патроне сверлильного станка. На буртике оправки установлен штырь, на который насаживается до упора в буртик роликовый контробразец. Для предотвращения выпадения контробразца в буртике имеется отверстие, в которое вставлен постоянный магнит.
Блок усилителей включает тензоусилители двух тензодатчиков касательных сил и одного тензодатчика нормальной нагрузки, а также усилитель сигнала термопары. Устройство для триботехнических испытаний размещено в U-образном моноблоке.
Недостатками схемы испытаний конструкционных и смазочных материалов торец цилиндра - плоский образец на приведенных машинах трения является трудность попадания в зону трения твердых, пластичных и жидких смазочных материалов, не предусмотрена непрерывная подача смазочных материалов в зону контакта, неточность измерения коэффициента трения и износа образцов в следствие неполного попадания в зону контакта смазочных материалов и действия центробежных сил, а также сложность изготовления отдельных узлов и элементов.
Механизм нагружения машин торцевого трения И-32, СИАМ-2, И-47И-47-К-54, предназначенных для триботехнических испытаний при различных температурах асбестовых технических изделий представляет собой рычажную систему (Полимеры в узлах трения машин и приборов: справочник/ Е.В. Зиновьев, А.Л. Левин, М.М. Бородулин, А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 1980.-208 с. )
Осевая нагрузка на пальчиковые образцы и контробразец в виде кольца или диска создается через рычажную систему и ось подвижной бабки в зависимости от перемещения груза по рычажной линейке. Недостатком такой системы нагружения является неточность установления осевой нагрузки на образцы.
Механизм нагружения универсальной машины трения МТУ-01 концерна ЗАО «Наноиндустрия» на базе сверлильного станка содержит рычаг, на конце которого на металлическом стержне подвешивается чашка, на которую устанавливают грузы для создания осевой нагрузки на узел трения при триботехнических испытаниях. Аналогичными устройствами нагружения оснащены: машины трения «Универсал-1», «Универсал -1А», (Д.Р. Загидуллина, И.Д. Ибатуллин, С.Г. Емельянов. Устройства для испытаний на трение и изнашивание // Известия Самарского научного центра Российской академии наук - т.18. - №4(2) - 2016. - С. 287-290.
Такой же механизм нагружения имеет созданная универсальная машина трения (И.Д. Ибатуллин, А.Н. Журавлев, А.В. Утянкин, А.Р. Галлямов, Р.Р. Неяглова. Стенд и методики триботехнических испытаний материалов //Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3 (27), - 2011. - С. 218-223). Конструкция измерительной части трибометра позволяет использовать в качестве привода любой сверлильный, сверлильно-фрезерный и токарный станок с мощностью двигателя от 100 Вт.
В описании установки для сравнительных триботехнических испытаний восстановленных покрытий по схеме «диск-пальцы» приведен механизм нагружения также содержащий рычаг, на конце которого на металлическом стержне подвешиваются грузы (Международный стандарт ГОСТ 23.224-86. Обеспечение износостойкости изделий. Методы оценки износостойкости восстановленных деталей. Приложение 5 (рекомендуемое).
Недостатком данных механизмов нагружения является необходимость точной горизонтальной установки нагрузочных рычагов для достижения необходимой точности осевой нагрузки, действующей на испытуемый узел трения цилиндрический образец - плоский диск.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой машине трения является машина трения универсальная МТУ-01 (ТУ 4271-001-29034600-2004) концерна «Наноиндустрия», предназначенная для испытаний на трение и изнашивание металлических и неметаллических материалов в условиях применения различных смазочных материалов (масла, пластичные смазочные материалы).
Конструкция машины трения МТУ-01 содержит станину, состоящую из консоли, вертикальной стойки и опорной плиты. На консоли закреплены шпиндель и электродвигатель, на концевых участках которых установлены шкивы, соединяемые между собой клиновым ремнем, силоизмеритель с упругими элементами и датчиками деформации, термопара для регистрации температуры, измерительный рычаг.
По вертикальной стойке перемещается кронштейн со столом, с установленным на нем основании, на котором расположен узел трения, состоящий из верхнего вращающегося образца виде трех роликов или цилиндра, устанавливаемых в шпиндель и опорного узла, в котором размещается удерживающее устройство контртело - диск (у нас подпятник с контртелом, шарнирной опорой и цилиндрическим образцом). Момент трения регистрируется тензодатчиком и записывается, и обрабатывается с использованием компьютера.
Механизм нагружения универсальной машины трения МТУ-01 концерна ЗАО «Наноиндустрия» на базе сверлильного станка содержит рычаг, на конце которого на металлическом стержне подвешивается чашка, на которую устанавливают грузы для создания осевой нагрузки на узел трения при триботехнических испытаниях.
Задачей изобретения является разработка машины трения, позволяющей проведение исследования триботехнических свойств различных твердых, пластичных и жидких смазочных материалов при торцовом трении и непрерывной подаче их в зону трения образцов, выполненных из одноименных или разных по составу материалов, с различной шероховатостью и твердостью их рабочих поверхностей, за счет непрерывной фиксации коэффициента трения и определение износа образцов при различных нагрузках, скоростях скольжения, с использованием в качестве базы простого широко применяемого малогабаритного оборудования и точной установкой осевой нагрузки на контактирующие образцы.
Технический результат достигаются тем, что машина трения для испытаний твердых, пластичных и жидких смазочных материалов содержит жесткую станину, состоящую, из расположенной в верхней части, горизонтальной консоли, вертикальной стойки и опорной плиты. На консоли вертикально закреплены электродвигатель и шпиндель на подшипниковых опорах в подвижной направляющей, на концевых участках валов которых установлены многоступенчатые шкивы, соединяемые между собой клиновым ремнем.
По стойке перемещается кронштейн с закрепленным на нем столом, на котором установлена опорная плита узла трения. На опорной плите установлены две упругие балки с тезодатчиками и опора с закрепленным в ней шариком, на который опирается подпятник с контртелом. Рычаг, ввернутый в подпятник, соединен гибкой связью с измерительной балкой, осуществляющей контроль силы трения между образцом и контртелом. Вторая балка компенсирует температурные колебания и помехи в измерительной цепи. Тензо-метрические датчики на балках соединены по мостовой измерительной схеме с отдельным питанием и подачей электрического сигнала через электронный усилитель на цифровой многоканальный самописец и персональный компьютер (ПК).
Вращающийся цилиндрический образец устанавливается в оправке, закрепленной в переходной конусной втулке шпинделя. Согласно изобретению на оправке крепится при помощи резьбы специальная воронка, внутренняя полость которой при помощи отверстий, имеющихся в нижней части оправки, соединяется с внутренней полостью закрепленного в оправке образца. Во внутренней полости образца закрепляется специальная крыльчатка, подающая при вращении в зону трения образца и контртела исследуемые смазочные материалы, поступающие из воронки через отверстия в оправки. Образец имеет в нижней части поперечные пазы, через которые попадают поступающие испытываемые смазочные материалы в зону контакта. Неподвижный образец (контртело) в виде диска фиксируется в подпятнике при помощи поперечного паза, расположенного в нижней его части, и винта.
Нагружение образца осуществляется усилием, создаваемым при перемещении шпинделя по вертикальной оси ручками подачи шпинделя. Одна из ручек удлинена съемным удлинителем, а к нагрузочному рычагу прикреплен металлический сегмент, представляющий часть металлического кольца с радиусом равным длине нагрузочного рычага и канавкой на поверхности металлического кольца для размещения гибкого канатика.
Изобретение поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 представлена схема машины трения - вид сбоку;
фиг. 2 - узел трения с подпятником, установленным на опорной плите, оправкой с вращающимся образцом;
фиг.3 - вид сверху узла трения по сечению А-А;
фиг. 4,5 - крыльчатка, вставляемая в испытываемый образец;
фиг. 6, 7 - испытываемый образец с рабочими поверхностями, параллельными опорной поверхности контртела;
фиг. 8, 9 - испытываемый образец с наклонными участками рабочей поверхности, создающими клиновые зазоры, необходимые для попадания в зону контакта смазочных материалов и реализации граничного, полужидкостного режимов трения,
фиг. 10, 11 - контртело.
Машина трения содержит станину, состоящую из консоли 1, вертикальной стойки 2 и опорной плиты 3. На консоли закреплены шпиндель 4 с ручками подачи 30 и шкивами 29 и электродвигатель 5, на концевых участках вала которого установлены шкивы 6, соединяемые со шкивами 29 клиновым ремнем 7.
По вертикальной стойке 2 перемещается кронштейн со столом 8, с установленным на нем основанием 9, на котором установлен узел трения, состоящий из верхнего вращающегося цилиндрического образца 17, устанавливаемого в оправку 19, выполненной полой с отверстиями,шарнирной опоры 12 с шариком в верхней части, подпятника (чашки) 13, в которую устанавливается контртело 14. Контртело 14 фиксируется от проворачивания головкой винта 25, ввернутого непосредственно в тело подпятника 13. В нижней части оправки 19 выполнена наружная резьба (поз не обозначена) с установленной на ней воронкой 20, которая сверху закрыта крышкой 26. На основании 9 закреплены две балки с тензометрическими датчиками: регистрирующая момент трения 10 и компенсирующая 11.
Измерительный рычаг 15, ввернутый в подпятник 13, соединен гибкой связью 16 с регистрирующей момент трения тензометрической балкой 10.
Торцевая поверхность верхнего вращающегося цилиндрического образца 17 выполнена без пазов или с поперечными пазами и параллельна рабочей поверхности контртела 14. Во внутренней полости цилиндрического образца 17 установлена крыльчатка 18.
Механизм нагружения выполнен в виде груза 21, устанавливаемого на планке грузодержателя 22, который соединен при помощи гибкого металлического тросика 23 с нагрузочным рычагом 24 механизма подачи. Электрический сигнал с выводов тензометрических датчиков (поз. не обозначены), установленных на балках 10 и 11, и температура, измеренная термопарой, установленная в нижнем образце 14, через отверстие в подпятнике 13, фиксируются цифровым многоканальным самописцем «S-Rekorder-2» с усилителем 27 и персональным компьютером (ПК) 28.
Машина трения работает следующим образом. Оправка 19, с закрепленной на ней воронкой 20 и крышкой 26, испытываемым цилиндрическим образцом 17 с крыльчаткой 18, устанавливается в шпиндель 4. Под действием веса груза 21, установленного на грузодержателе 22, шпиндель перемещается вниз до контакта поверхности плоского неподвижного образца 14, установленного в подпятнике 13.
При испытании твердых смазочных материалов данные материалы непосредственно засыпаются в воронку 20 и через отверстия в ней попадают во внутреннюю полость образца 17 и на крыльчатку 18 при их вращении. При испытании пластичных и жидких смазочных материалов ими предварительно заполняют внутреннюю полость образца до полного ее заполнения. При вращении образца 17 крыльчатка 18, расположенная внутри образца, вбрасывает за счет возникающих центробежных сил испытываемые смазочные материалы в поперечные пазы, расположенные в нижней части образца. Попадая в зону трения, смазочные материалы оказывают смазочное действие на процесс трения образца и контртела, изменяя шероховатость и характер износа их поверхностей. При этом сами смазочные материалы также в процессе трения также могут изменять свои фрикционные свойства, химический состав и структуру.
Подпятник 13, опираясь на шарик, установленный в опоре 12, может свободно вращаться вокруг собственной оси и передает момент трения, возникающий при скольжении вращающегося образца 17 и контртела 14 относительно друг друга, непосредственно через рычаг 15 и гибкую связь 16 на измерительную балку 10 с тезодатчиками. Электрический сигнал с датчиков передается на цифровой многоканальный самописец «S-Recorder-2» 27 и ПК 28.
Температура в узле трения измеряется термопарой, устанавливаемой через отверстие в подпятнике 13 в контртело 14, электрический сигнал которой также передается на цифровой многоканальный самописец 27 и ПК 28, обрабатывается и фиксируется. Вращение шпинделя 4 с оправкой 19 осуществляется от электродвигателя 5 при помощи клинового ремня 7 с многоступенчатыми шкивами 6, позволяющей проводить испытания в широком диапазоне скоростей.
В зависимости от цели поставленных трибометрических исследований могут быть применены испытываемые образцы без пазов на торцевой рабочей поверхности или с пазами (фиг. 6, 7) и с крыльчаткой (по первому варианту); с пазами, плоскими поверхностями и клиновыми проточками под углом а к рабочей поверхности образца (фиг. 8, 9) выполненные в направлении вращения образца, и с крыльчаткой (по второму варианту).
Выполнение конструкции машины трения в представленном виде позволяет.
1. Провести комплексные испытания на трение и износ образцов, изготовленных из различных материалов, исследовать влияние на процессы их трения и износ твердых, пластичных и жидких смазочных материалов, поступающих непрерывно в зону трения при их относительном перемещении, и в совокупности с применением рентгеноструктурного анализа и инфракрасной спектроскопии провести анализ получаемых продуктов износа и смазочных материалов. С помощью электронной микроскопии изучить пленки, образующиеся на образцах.
Конструкция машины позволяет также проводить испытания конструкционных материалов, покрытий на металлической и полимерной основе в сухую или с применением твердых, жидких, пластичных смазочных материалов, а также технологических смазочных средств - водорастворимых смазочных материалов, технологических покрытий.
2. Обеспечить постоянную подпитку смазочными материалами зоны трения испытываемых образцов и повысить стабильность протекающих в ней процессов.
3. Ускорить проведение испытаний смазочных материалов и испытываемых образцов, выявить характер их взаимодействия, а также оценить изменения химической структуры и свойств, применяемых смазочных материалов, с использованием современных методов исследований.
4. Упростить конструкцию установки за счет применения универсального недорогого малогабаритного стандартного оборудования с сохранением унификации проводимых на ней различных триботехнических испытаний.