УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR INVESTIGATING TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике и предназначено для определения триботехнических характеристик, а именно: коэффициента трения, динамического коэффициента трения, частоты собственных колебаний, и может найти применение в машиностроении, метрологии, триботехнике для исследований материалов подшипников скольжения, пленок, тканей, направляющих скольжения, сепараторов подшипников, протезов, покрытий различного назначения.
Известно устройство для испытания материалов на трение (патент на изобретение РФ №2390754, МПК G01N 3/56, опубликован 27.05.10), которое может быть использовано при испытании материалов на трение при воздействии динамических и фрикционных нагрузок. Устройство содержит приводной элемент, основание, на котором размещен держатель с закрепленным на нем контробразцом, соединенный с приводным элементом, нагружающий элемент и держатель испытуемого образца. Держатель испытуемого образца выполнен в виде двух разъемных соединенных между собой дисков с зазором между их торцевыми поверхностями. На внутренней стороне одного диска, расположенного со стороны нагружающего элемента, выполнен цилиндрический выступ с коническим наконечником, а на поверхности диска выполнены сквозные резьбовые отверстия. На внутренней стороне второго диска, расположенного со стороны держателя контробразца, выполнено глухое ступенчатое отверстие для размещения цилиндрического выступа и конического наконечника первого диска. На поверхности второго диска выполнены отверстия для размещения в них резьбовых крепежных элементов, соединяющих диски между собой. На наружной поверхности второго диска выполнен паз для размещения и крепления испытуемого образца. Крепежные элементы размещены в отверстиях второго диска с зазором, а высота цилиндрического выступа первого диска выполнена с возможностью обеспечения свободного качания первого диска относительно второго диска. Технический результат: повышение точности установки положения образца и сохранение его положения в процессе испытания, а также повышение эффективности испытаний и работы устройства.
Недостатками известного устройства является низкая точность измерений перемещений привода и образцов. Кроме того, известное устройство не позволяет получить значение коэффициента трения с учетом силы реакции системы на внешнее воздействие. Более того, известная испытательная машина не приспособлена для изучения трения при закреплении образцов в трехточечном контакте.
Известна установка для испытания материалов на трение (патент на изобретение РФ №2047158, МПК G01N 3/56, опубликован 27.10.1995 г.), которая содержит основание, установленные на основании захват контробразца, захват образца, приводы вращения захватов, узел нагружения образца и контробразца. Установка содержит платформу с приводом ее поворота относительно оси, перпендикулярной осям захватов, при этом один из захватов размещен на платформе. Установка обеспечивает испытание как при параллельном, так и при регулируемом взаимном расположении осей образцов.
Недостатками установки является сложность механической части прибора. Это устройство не обладает системой контроля перемещений образцов. В устройстве отсутствуют возможность задания вибрации в контакте, а также возможность определения динамического коэффициента трения.
Наиболее близким по технической сущности является устройство испытания материалов на трение (патент на изобретение RU №2244290, МПК G01N 19/02, опубликован 10.01.2005). Изобретение относится к области исследования трибологических свойств материалов. Устройство содержит основание, направляющие линейного перемещения, на которых установлена нижняя платформа на катках и верхняя платформа с расположенными на них съемными держателями с пазами, в которых размещаются образец и контробразец. Также устройство содержит привод возвратно-поступательного перемещения нижней платформы образца, выполненный в виде кривошипно-шатунного механизма, соединенного с двигателем, узел нагружения образцов, датчики регистрации усилий и перемещения, совмещенные с индикаторами и соединенные с держателями, компьютер, с которым через порт мыши связаны датчики. При этом узел нагружения выполнен в виде винтового домкрата, соединенного с реверсивным двигателем и динамометром, и установлен на тележке с катками, размещенными на держателе контрообразца. Каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком. Соединение датчиков с компьютером через порт мыши сокращает время исследований и повышает точность исследований трибологических характеристик материалов.
Однако устройство обладает следующими недостатками. Во-первых, невысокой точностью измерения, вследствие использования в качестве аналогово-цифрового преобразователя порта мыши. Во-вторых, введение в конструкцию направляющих линейного перемещения на подшипниковых катках повышает вибрацию и тоже снижает точность измерений, а главное снижает повторяемость позиционирования.
Решаемая авторами техническая задача - разработка компактного высокоточного прибора контроля триботехнических характеристик трибосопряжений при одновременном повышении быстродействия и точности измерений.
Задача решена следующим образом. Так же, как и прототип, заявляемое устройство содержит основание, на котором установлены направляющие линейного перемещения образца, нижнюю и верхнюю подвижные платформы, съемные держатели с пазами для взаимного размещения в них соответственно образца и контробразца, связанные с соответствующими платформами, привод возвратно-поступательного перемещения нижней платформы образца, выполненный в виде кривошипно-шатунного механизма, соединенного с двигателем, датчики регистрации линейных перемещений образца и контробразца, механизм нагружения образцов, включающий привод нагружения, соединенный винтовой передачей с реверсивным двигателем, датчик силы нагружения, соединенный с приводом нагружения, и регистрирующую аппаратуру, соединенную с датчиком силы нагружения и датчиками регистрации линейных перемещений. Но в отличие от прототипа заявляемое устройство дополнительно содержит направляющие линейного перемещения контробразца, установленные на верхней подвижной платформе, вертикальные стойки, смонтированные на основании, на которых закреплены направляющие для линейного перемещения образца и контробразца, причем направляющие для контробразца закреплены на стойках с возможностью вертикального перемещения и фиксации. Устройство дополнительно содержит блок управления механизмом нагружения и перемещением нижней платформы, при этом верхняя платформа с двух сторон снабжена пружинами, закрепленными с возможностью регулирования усилия сжатия, и датчиками регистрации усилий сжатия, съемные держатели закреплены на подвижных платформах посредством соединения «ласточкин хвост», а механизм нагружения образцов выполнен в виде двух плит, нижняя из которых установлена на направляющих линейного перемещения контробразца и закреплена на стойках с возможностью вертикального перемещения с помощью роликовых направляющих, а на верхней плите, концы которой тоже закреплены на стойках, установлен привод нагружения, при этом датчик силы нагружения, выполненный двунаправленным, расположен между плитами, кроме того, все направляющие выполнены прецизионными.
Установка нижней плиты механизма нагружения на стойках с помощью роликовых направляющих и размещение ее на направляющих контрообразца исключает перекос платформ с держателями образцов и повышает точность измерений.
Применение съемных держателей и возможность установки в них образцов путем изменения расстояния между держателями расширяет область исследований и обеспечивает постоянный контакт поверхностей при трех- или четырехточечном поджатии. Именно такая схема позволяет распределить давление равномерно для обеспечения однотипных условий на каждой трущейся паре.
Регистрация и изменения усилия пружин сжатия, соединенных с верхней платформой, позволяют осуществлять контроль взаимодействия различной природы: упругого, вязкоупругого, граничного, сухого, смешанного взаимодействия, и определять динамические свойства узла трения (образца и контробразца).
Поскольку все датчики соединены с блоком управления, становится возможным быстро и точно исследовать трибологические характеристики материалов, т.е. решить поставленную задачу.
Предлагаемая конструкция в компактном исполнении и с параллельным расположением всех элементов обеспечивает наряду с подвижностью нижней плиты механизма нагружения и направляющих контробразца жесткость конструкции при испытании. Совокупность существенных признаков, характеризующая заявляемое устройство, является новой и очевидным образом не следует из уровня техники.
Введение в конструкцию прибора прецизионных направляющих, современной системы управления и сбора данных дает возможность регулировки с высокой точностью задаваемого воздействия, упрощает работу и в конечном счете повышает точность измерений динамических характеристик трибосопряжений.
На чертеже показана общая схема устройства. Устройство состоит из механизмов привода платформы возвратно-поступательного перемещения образцов, узла нагружения, держателей образцов и измерительной системы.
На основании 1 установлены неподвижные направляющие линейного перемещения 2 с нижней подвижной платформой 3. Держатель образца 4 закреплен на нижней платформе 3 с помощью соединения «ласточкин хвост». В держателе 4 установлен образец 5. Подвижная платформа 3 соединена с индуктивным датчиком регистрации линейного перемещения 6. Сверху образца 5 установлен держатель 8 с контробразцом 7. Образец 5 и контробразец 7 образуют пару трения. Держатели образцов 4, 8 выполнены съемными, что расширяет диапазон испытуемых элементов конструкций и материалов. Верхний держатель 8 контробразца 7, подвижная платформа 9 и направляющие линейного перемещения 10 выполнены аналогично нижним держателю 4 образца 5, подвижной платформе 3 и направляющим 2. Съемный держатель 8 закреплен на верхней платформе с помощью соединения «ласточкин хвост». Верхняя подвижная платформа 9 с двух сторон удерживается поджимающими пружинами 12 и соединена с индуктивным датчиком 11. На основании 1 смонтированы стойки 15, на которых закреплены направляющие линейного перемещения 2, 10. Направляющие линейного перемещения 2, 10 выполнены прецизионными. Механизм нагружения включает привод нагружения 16, установленной на верхней плите 17 и соединенный через двунаправленный датчик силы нагружения 18 с нижней плитой 13 механизма нагружения. Верхняя плита 17 закреплена на стойках 15. Нижняя плита 13 тоже закреплена на стойках 15 в роликовых направляющих 14, с помощью которых обеспечивается возможность ее вертикального перемещения. Для регулировки длины сжатия пружины 12 подвижной платформы 9 установлен винт 19. Усилие прижатия пружин 12 регистрируются тензодатчиками (на чертеже не показаны). Приводом возвратно-поступательного перемещения платформы 4 служит кривошипно-шатунный механизм 20 с двигателем 21. Измерительная система устройства состоит из датчиков линейного перемещения 6, 11, датчика силы нагружения 18 и тензодатчиков регистрации усилий сжатия пружин 12. В измерительную систему входит также регистрирующая аппаратура и блок управления, роль которых выполняет компьютер (на чертеже не показаны). Все датчики 6, 11, 18 и тензодатчики пружин 12 соединены с компьютером.
Устройство работает следующим образом. От двигателя 21 движение передается через кривошипно-шатунный механизм 20 к нижней платформе 3, которая в свою очередь приводит в движение держатель 4 с образцом 5. Вертикальная нагрузка на образцы 5, 7 создается приводом нагружения 16, приводимым в движение реверсивным двигателем через винтовой механизм. Вертикальная нагрузка передается через верхнюю плиту 17, датчик 18, нижнюю плиту 13, платформу 9, держатель 8 образца 7 на образцы 5, 7, которые совершают возвратно-поступательное движение. Так как верхний держатель 8 имеет возможность двигаться за счет сил трения между образцами 5, 7, механизм нагружения не оказывает влияние на измерения.
Заявленное изобретение обладает возможностью задания требуемых характеристик режима испытаний (силы нагружения, скорости движения, силы относительного смещения). Путем изменения положения по высоте стоек 15 нижней плиты 13 и направляющей 10 изменяют расстояние между платформами 3, 9, посредством управления приводом нагружения 16. Далее закрепляются исследуемые образцы 5, 7 на держатели 4, 8 посредством крепления «ласточкин хвост». Плиту 13 и направляющие 10 после установки образцов 5, 7 перемещают до соединения образцов 5, 7.
На следующем этапе производится регулировка смещения кривошипа 20, задающего расстояние движения нижней платформы 3. Механизм движения нижней платформы 3 приводится в действие, при этом скорость перемещения связана с задаваемыми характеристиками исследуемого узла трения, а именно - выбранными параметрами подлежащими проверке. Далее приводом нагружения 16 создают давление в контакте между образцами, величина нагружения задается до момента проскальзывания образцов. В некоторых случаях нагружение производится до определенного значения, задаваемого в исследовании, сила нагружения распределяется между образцами равномерно. Значение усилия регистрируется датчиком силы 18, а проскальзывание - различием движений нижней и верхней платформ 3, 9. Для регулирования проскальзывания применяется поджатие поджимающих пружин 12 винтами регулировки 19.
Управление приводами осуществляется с помощью задающего воздействия импульсами широтной модуляции, процесс модулирования осуществляется интегрированным микроконтроллером, элементы управления выведены отдельно на внешнюю панель блока управления. Управление приводом нижней платформы осуществляется плавно от 0,05 до 5 об/мин, в разные направления, тем самым создана возможность проводить испытания как меняя частоту воздействия, так и амплитуду воздействия.
После завершения испытаний образцы разъединяются реверсом привода нагружения 16, высвобождаются держатели с креплений «ласточкин хвост», образцы не извлекают из держателей 4, 8. Образцы, прикрепленные в держателях 4, 8, измеряются на специализированной технике: профилографе или интерферометре, для получения данных о шероховатости и рельефе поверхностей. Изменение формы исследуемой поверхности образцов происходит эволюционно. Введение проверки рельефа поверхности позволяет надежно контролировать технические характеристики трибоконтакта по динамическим характеристикам испытаний.
Предлагаемое устройство для трибологических испытаний трибосопряжений - компактное, переносное, простое в использовании, с электрическими приводами.
Непосредственная связь датчиков 6, 11 и тензодатчиков пружин с блоком управления позволяет управлять процессом трения и оценить динамические характеристики в реальном времени. С помощью измерений входного и выходного воздействия и дальнейшей обработки осциллограмм, полученных при исследовании, возможно выявить и исследовать внешнюю динамику процесса и получить такие характеристики, как динамический коэффициент трения, коэффициент демпфирования системы, логарифмический декремент, частоту свободных и затухающих колебаний и т.д. Полученные триботехнические параметры позволяют судить о трибонадежности материалов и узлов трения на стадии проектирования конструкций деталей машин.