Машина для определения усталостно-фрикционных свойств материалов
MACHINE FOR MATERIALS  FATIGUE-FRICTIONAL PROPERTIES DETERMINATION

Машина относится к испытательному оборудованию в трибометрии, а именно к методам одновременного определения величины износа и предела выносливости любых машиностроительных материалов, в условиях совместного действия знакопеременной циклической нагрузки и силы трения в присутствии рабочих сред (смазочных материалов и т.д.) в различных температурных режимах.
Известна машина для испытания образцов на фрикционно-механическую усталость [патент РФ на изобретение №2140066, опубл. 20.10.1999], преимущественно плоских образцов при чистом изгибе в одной плоскости, состоящая из рычагов динамометра, один из которых закреплен на станине с помощью шарнира, а второй рычаг с помощью подшипника присоединен к ползуну, совершающему возвратно-поступательное движение, при этом машина содержит систему фрикционного нагружения поверхности образцов, которая состоит из двух горизонтальных рычагов, шарнирно связанных со станиной, один из которых расположен над испытуемым образцом, а другой - ниже испытуемого образца, двух контробразцов, закрепленных на горизонтальных рычагах с возможностью поворота вокруг осей, которые находятся в плоскости движения рычагов динамометра, подвесов и грузов, расположенных на краях горизонтальных рычагов.
Недостатками известного изобретения являются: значительная сложность и конструкции машины и стоимость ее изготовления, низкая точность получаемых результатов, в следствие необходимости тарировки, ограниченное применение, в части использования только режима трения скольжения и усталостной нагрузки; устройство применимо для исследования образцов при малоцикловой усталости. К числу недостатков машины следует отнести многорычажную систему нагружения образца и перемещения контробразцов, что снижает надежность машины в целом и вносит погрешности в измерение характеристик исследуемых материалов.
Известна машина для испытания образцов на фрикционно-механическую усталость [патент РФ на полезную модель №166759, опубл. 10.12.2016], содержит смонтированные на станине механизм нагружения, узел измерения, содержащий левую шпиндельную бабку и правую шпиндельную бабку, при этом левая шпиндельная бабка опирается на стойку станины через неподвижный подшипники, а правая шпиндельная бабка через подвижные подшипники, причем в корпусе каждой шпиндельной бабки размещен шпиндель с конусной цангой, в которой зажимают испытуемый образец, и привод, состоящий из электродвигателя, шкива, ремня и шкив-вала, сообщенного со счетчиком оборотов и шпинделем левой бабки при помощи гибкой муфты, при этом на корпусе каждой шпиндельной бабки расположены цапфы, через которые с помощью серег узел измерения связан с механизмом нагружения, состоящим из маховика нагружения, соединенного через винт с грузовым рычагом, связанным с грузом, перемещающимся по нему при помощи маховика, и со шкалой нагрузки по средством червячной пары, при этом между левой шпиндельной бабкой и правой шпиндельной бабкой перпендикулярно оси вращения образца дополнительно установлен механизм трения, размещенный на стойке, в которую вмонтированы четыре направляющих стержня, с установленными на них неподвижным упором, и выполненными с возможностью перемещения по ним, двумя подвижными упорами, в каждый из которых вмонтирован шток, на каждом из подвижных упоров размещено контртело, связанное через пружину со стаканом, при чем один из которых вкручен в стойку, а другой в неподвижный упор.
Общими недостатками конструкции устройства следует считать техническую сложность конструкции, заключающуюся в многозвенной системе нагружения образца циклической нагрузкой, что снижает надежность машины и вносит погрешность в режим нагружения образцов. Помимо этого к недостаткам конструкции машины следует отнести инерционность привода для вращения образца, поскольку в конструкции машины применена клиноременной передачи с комплектом шкивов.
Дополнительно с этим существенным недостатком конструкции машины для испытания образцов на фрикционно-механическую усталость (патент РФ на полезную модель №166759, опубл. 10.12.2016) является конструкция механизма трения, состоящего из двух контртел. При этом, нагружение контртел осуществляется с помощью двух пружин, что вносит погрешность в реализацию режима нагружения, вследствие возможной неравномерности упругости пружин. Помимо этого, для обеспечения достоверности и повторяемости результатов усталостно-фрикционных испытаний необходим постоянный и/или периодический метрологический контроль пружин. Другим существенным недостатком конструкции узла трения является, наличие в двух диаметрально расположенных контртел (роликов или пластин). Такое расположение контртел, способствует формированию неравномерной зоны деформирования, вследствие изгиба образца при усталостно-фрикционных испытаниях. К числу недостатков конструкции устройства следует отнести отсутствие возможности проведения усталостно-фрикционных испытаний материалов в присутствии смазочных материалов, а также в условиях повышенной температуры образцов. Дополнительно с этим существенным недостатком конструкции машины для испытания образцов на фрикционно-механическую усталость, является отсутствие датчиков: износа, числа циклов до разрушения, температуры образца. Приведенные конструкции машин, не позволяют проводить испытания в широком диапазоне нагрузочно-скоростных режимов (в том числе с варьированием скоростных режимов вращения образца). Следует отметить, что получить такую информацию в таком объеме нет возможности и у зарубежных аналогов.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении достоверности определения усталостно-фрикционных свойств материалов в присутствии смазочных жидкостей, в условиях повышенных/пониженных температур и давлений, в расширенном диапазоне нагрузочных, температурных и скоростных режимов. Причем конструкция машины позволяет определять несущую способность поверхностных слоев, допускаемые: контактные нагрузки, скоростной и температурный режим контактирующих тел в условиях усталостно-фрикционных испытаниях материалов.
Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению машина для определения усталостно-фрикционных свойств материалов, содержащее электродвигатель, датчик крутящего момента, подшипниковые опоры, механизм фрикционного нагружения образца, климатическую камеру, поддерживающую опору, при этом в климатической камере установлены: датчик температуры рабочей среды внутри камеры, клапан, помимо этого, климатическая камера дополнительно, содержит нагревательные элементы и сенсор частиц износа, причем машина оснащена датчиком, предназначенным для передачи на регистрирующий прибор информации о частоте вращения и пути трения образца, причем механизм фрикционного нагружения образца состоит из неподвижной планшайбы, соосно закрепленной на стакане, при этом на неподвижную планшайбу установлен кулачок, опирающийся через ролики на стакан, при этом на неподвижную планшайбу с помощью осей крепятся четыре кронштейна, в кронштейне установлены: на оси ролик, и на оси фрикционный ролик, причем нагрузка на фрикционный ролик, создается эталонными грузами, размещенными на штоке, при этом на кулачке установлен бесконтактный датчик измерения износа образца, причем, механизм циклического нагружения образца при симметричном цикле нагружения состоит из корпуса эксцентрика, с установленной в него планшайбой, через подшипник качения с короткими цилиндрическими роликами, при этом планшайба соединена с диском на валу с помощью резьбовых соединений, причем корпус эксцентрика через ось связан с динамометром, позволяющим регулировать и контролировать величину изгибающего момента на образец, при этом динамометр посредством оси соединен с маятниковым коромыслом, а маятниковое коромысло связано с планкой, которая, в свою очередь, соединена с кронштейном, при этом в кронштейне установлена поддерживающая опора, состоящая из корпуса, оси в которой имеется полость для установки образца, причем маятниковое коромысло, установлено через ось и подшипники в кронштейны, а ось с кронштейном выполнена с возможностью перемещения вдоль маятникового коромысла, при этом кронштейн поддерживающей опоры через подшипник качения связан с маятниковым рычагом, а маятниковый рычаг с помощью подшипников качения и оси соединен с опорой.
Поставленная цель достигается также и тем, что согласно изобретению машина для определения усталостно-фрикционных свойств материалов содержит электродвигатель, датчик крутящего момента, подшипниковые опоры, механизм фрикционного нагружения образца, климатическую камеру, поддерживающую опору, при этом в климатической камере установлены: датчик температуры рабочей среды внутри камеры, клапан, помимо этого, климатическая камера дополнительно, содержит нагревательные элементы и сенсор частиц износа, причем машина оснащена датчиком, предназначенным для передачи на регистрирующий прибор информации о частоте вращения и пути трения образца, причем механизм фрикционного нагружения образца состоит из неподвижной планшайбы, соосно закрепленной на стакане, при этом на неподвижную планшайбу установлен кулачок, опирающийся через ролики на стакан, при этом на неподвижную планшайбу с помощью осей крепятся четыре кронштейна, в кронштейне установлены: на оси ролик, и на оси фрикционный ролик, причем нагрузка на фрикционный ролик создается эталонными грузами, размещенными на штоке, при этом на кулачке установлен бесконтактный датчик измерения износа образца, причем механизм циклического нагружения образца при отнулевом цикле нагружения содержит приводной вал с полостью для установки образца, при этом маятниковое коромысло связано с планкой, которая, в свою очередь, соединена с кронштейном, причем в кронштейне установлена поддерживающая опора, состоящая из корпуса, оси, в которой имеется полость для установки образца и подшипников, служащих опорами для оси, при этом маятниковое коромысло, установлено через ось и подшипники в кронштейны, причем ось с кронштейном выполнена с возможностью перемещения вдоль маятникового коромысла, причем кронштейн поддерживающей опоры через подшипник качения связан с маятниковым рычагом, а маятниковый рычаг с помощью подшипников качения и оси соединен с опорой, при этом нагружение образца крутящим моментом осуществляется эталонными грузами, через подвес размещенный на маятниковом коромысле.
Задача повышения достоверности регистрации значений действующего момента трения, в том числе и мгновенного, достигается применением датчика крутящего момента, снабженного прецизионным усилителем, с выхода которого передается аналоговый сигнал, соответствующий моменту трения на вход аналого-цифрового преобразователя, после чего оцифрованный сигнал поступает в ПЭВМ, при этом момент трения определяется посредствам математической обработки (расчета) оцифрованных данных в соответствующей программной среде.
Задача расширения функциональных возможностей изобретения решается увеличением схем усталостно-фрикционных испытаний, то есть путем создания универсальной машины для определеня усталостно-фрикционных свойств материалов.
Помимо этого задача расширения функциональных возможностей изобретения решается путем применения в конструкции машины, съемной камеры позволяющей проводить усталостно-фрикционные испытания образцов в присутствии смазочных материалов, а также в условиях повышенных и пониженных температур и давления газов, а также в присутствии смазочных жидкостей.
Принципиальная схема конструкции машины для определения усталостно-фрикционных свойств материалов поясняется графически (фиг. 1- 5).
На фиг. 1 представлен вид общий машины для определения усталостно-фрикционных свойств материалов.
На фиг. 2 - вид общий привода машины для определения усталостно-фрикционных свойств материалов.
На фиг. 3 - механизм фрикционного нагружения образца.
На фиг. 4 - механизм циклического нагружения образца при симметричном цикле испытания.
На фиг. 5 - механизм циклического нагружения образца при отнулевом цикле испытания.
На чертежах приняты следующие обозначения позиций: 1 - электродвигатель, 2 - датчик крутящего момента, 3 - подшипниковые опоры, 4 - механизм фрикционного нагружения образца, 5 - климатическая камера, 6 - механизм циклического нагружения образца, 7 - образец, 8 - нагревательный элемент, 9 - датчик частоты вращения и пути трения, 10 - клапан, 11 - датчик температуры, 12 - кронштейн, 13 - подшипник качения, 14 - стаканы, 15 - вал, 16 - кулачок, 17 - планшайба, 18 - ролики, 19 - кронштейн, 20 - ролик, 21 - фрикционный ролик, 22 - бесконтактный датчик измерения износа, 23 - рычаг, 24 - шток, 25 - эталонные грузы, 26 - диск, 27 - поддерживающая опора, 28 - корпуса эксцентрика, 29 - планшайба, 30, 31 - резьбовые соединения, 32 - ось, 33 - динамометр, 34 - ось, 35 - подвес, 36 - кронштейны, 37 - подшипник, 38 - ось, 39 - маятниковое коромысло, 40 - опора, 41 - подшипник качения, 42 - ось, 43 - маятниковый рычаг, 44 - планка, 45 - кронштейн, 46 - подшипник качения, 47 - подшипник, 48 - ось, 49 - сенсор частиц износа, 50 - корпус, 51 - грузы, 52 - подшипник качения с короткими цилиндрическими роликами, 53 - ось, 54 - ось, 55 - ось.
Машина для определения усталостно-фрикционных свойств материалов (фиг. 1), последовательно содержит на одной оси электродвигатель 1, датчик крутящего момента 2, подшипниковые опоры 3, механизм фрикционного нагружения образца 4, климатическую камеру 5, поддерживающую опору 27.
Климатическая камера 5 предназначена для испытания образца 7 в условиях повышенных и пониженных температур и давления газов, а также в присутствии смазочных жидкостей, или сочетания сред в условиях усталостно-фрикционных испытаний.
В климатической камере 5 установлены: датчик температуры 11 рабочей среды внутри камеры, клапан 10, предназначенный для подачи смазочной жидкости, хладагента, создания повышенного или пониженного давления (вакуума) газов, либо сочетания условий при проведении усталостно-фрикционных испытаний материалов. Помимо этого, климатическая камера 5, содержит нагревательные элементы 8 и сенсор частиц износа 49 образца для усталостно-фрикционных испытаний 7.
Нагреватель 8 в конструкции машины предусмотрен для испытания образца 7 при повышенных температурах. Датчик температуры рабочей среды 11 предназначен для контроля и поддержания теплового режима рабочей среды (смазочного материала, рабочих газов), а также передачи данных на устройство терморегулирования, связанного с нагревателем 8. Помимо этого датчик температуры 11 может отдельно использоваться в машине для отображения текущей температуры в климатической камере 5 рабочей среды без применения внешнего нагрева. Детектор частиц износа 49, в конструкции предлагаемой машины, предназначен для контроля процесса изнашивания материалов путем оценки концентрации и размеров частиц износа в рабочих средах (смазочных материалах, рабочих газах, вакууме). Дополнительно машина оснащена датчиком 9, предназначенным для передачи на регистрирующий прибор информации о частоте вращения образца 7 и пути трения. Регистрирующий прибор может быть настроен таким образом, что при наработке заданного количества циклов, пути трения или разрушения образца 7 электродвигатель машины для определения усталостно-фрикционных свойств материалов может автоматически отключаться. Циклическая нагрузка на образец 7 создается механизмом 6, а фрикционная нагрузка механизмом 4.
Привод машины для определения усталостно-фрикционных свойств материалов (фиг. 2) состоит из электродвигателя 1, связанного с валом 15, датчиком крутящего момента 2. Датчик крутящего момента 2 предназначен для регистрации и измерения крутящего момента при усталостно-фрикционных испытаниях материалов.
Вал 15 предназначен для установки в его торцевую плоскость образца 7, посредствам конуса Морзе. На валу 15 находится диск 26, необходимый для крепления в его прорезях планшайбы 29 эксцентрика (фиг. 4, фиг. 5). В кронштейнах 12 установлены стаканы 14, в которых размещены подшипники качения 13, служащие опорами для вала 15.
Механизм фрикционного нагружения образца 7 (фиг. 3) состоит из неподвижной планшайбы 17, соосно закрепленной на стакане 14. На неподвижную планшайбу 17 установлен кулачок 16, для обеспечения центрирования, плавности и точности вращения, опирающийся через ролики 18 на стакан 14. На неподвижную планшайбу 17 с помощью осей 55 крепятся четыре кронштейна 19. В кронштейне 19 установлены: на оси 53 ролик 20, и на оси 54 фрикционный ролик 21. Ролик 20 перекатываясь по дуговым вырезам профиля кулачка 16, поворачивает вокруг оси 55 кронштейн 19, который в свою очередь с помощью фрикционного ролика 21 формирует момент трения на поверхности образца 7. Нагрузка на фрикционный ролик 21, через кулачок 16, создается эталонными грузами 25, размещенными на штоке 24. Шток 24 посредствам шарнирного соединения связан с рычагом 23, соединенным с кулачком 16. На кулачке 16 установлен бесконтактный датчик измерения износа 22 образца 7, сигнал с которого передается для последующей обработки в ПЭВМ.
Вариант 1 (фиг. 4). Машина для определения усталостно-фрикционных свойств материалов с механизмом циклического нагружения образца при симметричном цикле испытания.
С целью исследования усталостно-фрикционных свойств материалов используется механизм циклического нагружения образца 7 при симметричном цикле.
Механизм циклического нагружения образца 7 при симметричном цикле состоит из корпуса эксцентрика 28, с установленной в него планшайбой 29, через подшипник качения с короткими цилиндрическими роликами 52. Планшайба 29 соединена с диском 26 на валу 15 с помощью резьбовых соединений 30 и 31. Пазы в планшайбе 29 и диске 26 вала 15 позволяют изменять эксцентриситет вращения корпуса эксцентрика 28, тем самым изменяя величину изгибающего момента на образец 7. Корпус эксцентрика 28 через ось 32 связан с динамометром 33, позволяющим регулировать и контролировать величину изгибающего момента на образец 7. Динамометр 33 посредством оси 34 соединен с маятниковым коромыслом 39. Маятниковое коромысло 39 связано с планкой 44, которая, в свою очередь, соединена с кронштейном 45. В кронштейне 45 установлена поддерживающая опора 27, состоящая из корпуса 50, оси 48 в которой имеется полость для установки образца 7, посредствам конуса Морзе и подшипников 47, служащих опорами для оси 48.
Маятниковое коромысло 39, установлено через ось 38 и подшипники 37 в кронштейны 36. Ось 38 с кронштейном 36 выполнена с возможностью перемещения вдоль маятникового коромысла 39, что позволяет изменять точку приведения маятникового коромысла 39 с целью регулирования величины изгибающего момента на образец 7.
Кронштейн 45 поддерживающей опоры 27 через подшипник качения 46 связан с маятниковым рычагом 43. Маятниковый рычаг 43 с помощью подшипников качения 41 и оси 42 соединен с опорой 40.
Вариант 2 (фиг. 5) машина для определения усталостно-фрикционных свойств материалов с механизмом циклического нагружения образца при отнулевом цикле испытания.
С целью исследования усталостно-фрикционных свойств материалов используется механизм циклического нагружения образца 7 при отнулевом цикле.
Механизм циклического нагружения образца 7 при отнулевом цикле состоит из приводного вала 15 с полостью для установки образца 7 посредством конуса Морзе. Маятниковое коромысло 39 связано с планкой 44, которая, в свою очередь, соединена с кронштейном 45. В кронштейне 45 установлена поддерживающая опора 27, состоящая из корпуса 50, оси 48 в которой имеется полость для установки образца 7, посредствам конуса Морзе и подшипников 47, служащих опорами для оси 48.
Маятниковое коромысло 39, установлено через ось 38 и подшипники 37 в кронштейны 36. Ось 38 с кронштейном 36 выполнена с возможностью перемещения вдоль маятникового коромысла 39, что позволяет изменять точку приведения маятникового коромысла 39 с целью регулирования величины изгибающего момента на образец 7.
Кронштейн 45 поддерживающей опоры 27 через подшипник качения 46 связан с маятниковым рычагом 43. Маятниковый рычаг 43 с помощью подшипников качения 41 и оси 42 соединен с опорой 40.
Нагружение образца 7 крутящим моментом осуществляется эталонными грузами 51, через подвес 35 размещенный на маятниковом коромысле 39.
В результате патентного поиска не выявлено технических решений, идентичных заявляемому, что соответствует критерию «новизна».
Предлагаемое изобретение может применяться в трибометрии для определения усталостно-фрикционных свойств материалов, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Новая совокупность признаков, а именно: наличие рычажных систем циклического и фрикционного нагружения образца, образующих замкнутый силовой контур и взаимодействующей с измерительным устройством, позволяет повысить достоверность оценки усталостно-фрикционных свойств материалов, что подтверждает причинно-следственную связь новой совокупности признаков и достигнутого результата, которые не были известны из уровня техники до создания настоящего технического решения, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».