УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПАР ТРЕНИЯ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к испытательной технике в области трибологии и может быть использована для испытания на трение и износ пар трения из металлов, сплавов и жестких конструкционных пластмасс, композитов в лабораторных условиях, а также в условиях производства.
Известен программно-аппаратный комплекс для триботехнических испытаний, принцип работы которого заключается в испытании – тестировании алмазных частиц, используемых в пилах и абразивных инструментах, на их изнашивание путем воздействия на них стального шарика. Производят тестирование частиц, которые размещены в отдельных капсулах. Комплекс электрически связан с пультом управления, принимающий информацию с датчиков и на основании нее управляет процессом нагружения испытуемых образцов (US 5140857, МПК G01N33/38, G01N3/34, G01N3/56, опубл. 25.08.1992).
Недостатком известного решения является то, что комплекс предназначен для испытаний только абразивных частиц. Это не позволяет проводить испытания образцов из конструкционных материалов, образующих собой пару трения, что наиболее приближено к реальным условиям эксплуатации конструкционных материалов. Также в данном комплексе отсутствует датчик момента трения.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, предназначенное для испытания материалов на трение и износ. Машина содержит станину (испытательная установка), на которой установлен электродвигатель, посредством механических передач связанный с нижним образцом через вращающийся датчик момента трения и с верхним образцом, закрепленным на выходном валу откидной каретки, которая установлена на подвижном в осевом направлении суппорте, механизм радиального нагружения образцов и системы измерения параметров испытания, которая включает аналоговые датчики момента трения, усилия (нагрузки), угла поворота. Машина снабжена устройством для осевого нагружения образцов. Вал верхнего образца выполнен подвижным в осевом направлении, и связан с устройством осевого нагружения образцов через шарнир, ось вращения которого совпадает с осью вращения вала (RU 2396541, МПК G01N3/56, опубл. 10.08.2010).
Недостатком известного устройства является низкая достоверность и точность получаемых результатов из-за применения датчиков аналогового типа, невозможность определения значения температуры в зоне испытания, поддержания необходимой частоты вращения нижнего образца пары трения испытуемых материалов из-за отсутствия системы контроля процесса испытаний.
Технический результат заключается в повышение достоверности и точности результатов триботехнических испытаний пар трения конструкционных материалов, возможности проведения в широком диапазоне регулирования параметров испытаний, а также в автоматизации процесса испытаний пар трения конструкционных материалов и анализа полученных результатов на ЭВМ, благодаря тому, что в устройстве используются цифровые датчики с более широким диапазоном измерения параметров испытаний и установлен пульт управления с микроконтроллерами.
Технический результат достигается тем, что устройство для триботехнических испытаний пар трения из конструкционных материалов, содержит испытательную установку, на плите которой установлен электродвигатель переменного тока, связанный посредством механических передач с нижним испытуемым образцом через вращающийся датчик момента трения и с верхним испытуемым образцом, закрепленным на выходном валу каретки. Каретка и механизм нагружения испытуемых образцов установлены на лицевой части испытательной установки. Также испытательная установка содержит датчик момента трения, установленный на одной оси с нижним испытуемым образцом, датчик угла поворота, установленный на оси вращения электродвигателя, датчик нагрузки, расположенный в механизме нагружения испытуемых образцов, датчик температуры закреплен на верхнем испытуемом образце. Все датчики являются цифровыми и подключены к пульту управления, закрепленному на боковой части испытательной установки и содержащему микроконтроллеры подключения к датчикам. Микроконтроллеры подключены к коммутаторному блоку, соединенному с электронно-вычислительной машиной с сенсорным экраном для ввода-вывода информации и управления процессом триботехнических испытаний.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства; на фиг. 2 - кинематическая схема устройства; на фиг. 3 – схема сигнальной связи устройства; на фиг. 4 – реализуемые схемы испытаний; в табл. 1 - технические характеристики устройства.
Устройство (фиг. 1) содержит испытательную установку 1, на плите 2 которой установлен электродвигатель переменного тока 3, связанный через механизм натяжения ременной передачи 4 со шкивами 5 и 6. Шкив 5 (фиг. 2) через предохранительный штифт 7, вал 8, муфту 9, датчик момента трения 10, муфту 11, находящиеся на одной оси испытательной установки 1, связан с валом бабки 12, на котором установлен нижний испытуемый образец 13. Шкив 6 через вал 14, кулачковую муфту 15, вал 16, шестерни 17 и 18 связан с выходным валом 19 каретки 20, на котором закреплен верхний испытуемый образец 21. На лицевой части испытательной установки 1 установлены каретка 20, содержащая шестерни 17 и 18, выходной вал 19 и датчик температуры 22, закрепленный на верхнем испытуемом образце 21, и механизм нагружения испытуемых образцов 23. Механизм нагружения испытуемых образцов 23 включает винт 24, передающий через пяту 25 и кронштейн 26 нагрузку на испытуемые образцы 13 и 21, пружину 27, служащую для прижимания испытуемых образцов 13 и 21, и датчик нагрузки 28. На электродвигателе переменного тока 3 на оси вращения установлен датчик угла поворота 29. Все датчики устройства: момента трения 10, температуры 22, нагрузки 28 и угла поворота 29 являются цифровыми сигнал и подключены к пульту управления 30, закрепленному на боковой части испытательной установки 1. Пульт управления 30 содержит микроконтроллеры 31-34 для подключения к соответствующим датчикам: момента трения 10, температуры 22, нагрузки 28 и угла поворота 29 (фиг. 3). Все микроконтроллеры 31-34 подключены к коммутаторному блоку 35, соединенному кабелями с электронно-вычислительной машиной 36 с сенсорным экраном 37 для ввода-вывода информации и управления процессом триботехнических испытаний. Доступ к электродвигателю переменного тока 3 с датчиком угла поворота 29 и механизмом натяжения ременной передачи 4 может быть осуществлен через заднюю крышку 38. Верхняя часть испытательной установки 1 закрыта кожухом (на фиг. не показан). Все части устройства установлены на тумбе 39.
Устройство работает следующим образом. Электродвигатель переменного тока 3 через механизм натяжения ременной передачи 4 вращает шкивы 5 и 6. Шкив 5 посредством механических передач вращает вал бабки 12, на котором установлен нижний испытуемый образец 13. Шкив 6 также посредством механических передач вращает выходной вал 19 каретки 20, на котором установлен верхний испытуемый образец 21, составляющий пару трения с нижним испытуемым образцом 13.
Испытуемые образцы 13 и 21 прижимаются друг к другу силой пружины 27. Величину силы нагружения регулируют винтом 24, который передает нагрузку на образцы через пяту 25, кронштейн 26, расположенные на каретке 20.
В процессе работы на устройстве измеряют момент трения – сигнал поступает с датчика момента трения 10, нагрузку на испытуемые образцы – с датчика нагрузки 28, частоту вращения нижнего образца 13 – с датчика угла поворота 29, температуру в зоне трения – с датчика температуры 22. В процессе работы происходит отсчет числа циклов нижнего испытуемого образца 13.
Все задачи по проведению испытаний: задание частоты вращения электродвигателя переменного тока 3, регистрация момента трения и усилия прижима, определение суммарного количества оборотов, сделанных испытуемыми образцами 13 и 21, осуществляются микроконтроллерами 31-34 с пульта управления 30. Величина усилия прижима образцов 13 и 21 регулируется при помощи поворота винта 24.
Сигнал с датчика нагрузки 28 поступает на микроконтроллер подключения датчика нагрузки 31, далее на коммутаторный блок 35 и на ЭВМ 36. Сигнал с датчика момента трения 10 поступает на микроконтроллер подключения датчика момента трения 32, далее на коммутаторный блок 35 и на ЭВМ 36. Сигнал с датчика температуры 22 поступает на микроконтроллер подключения датчика температуры 33, далее на коммутаторный блок 35 и на ЭВМ 36. Сигнал с датчика угла поворота 29 поступает на микроконтроллер подключения датчика угла поворота 34, далее на коммутаторный блок 35 и на ЭВМ 36. Сигналы с ЭВМ 36 подаются на сенсорный экран 37 для отображения текущей информации.
Диапазон частоты вращения валов 12 и 19 с испытуемыми образцами 13 и 21 изменяют установкой сменных шкивов 5 и 6. Частоту вращения в пределах диапазона регулируют с помощью электродвигателя переменного тока 3.
Таким образом, принцип действия устройства заключается в истирании пары трения испытуемых образцов 13 и 21, прижатых друг к другу. В процессе испытания датчиками измеряются параметры трения (момент трения, сила прижима образцов, частота вращения вала электродвигателя, температура). Износ определяется взвешиванием испытуемых образцов 13 и 21 или другими известными методами.
Микроконтроллеры 31-34 регистрируют параметры триботехнических испытаний, проводят их анализ и обработку. В качестве основного инструмента автоматизации процесса испытаний было выбрано оборудование фирмы National Instrument (USA) с программным обеспечением «Триботехника-2015» на базе программного комплекса Lab View (свидетельство о государственной регистрации программы дляЭВМ № 2015660612), необходимое для управления устройством, позволяющее проводить с высокой точностью обработку результатов испытаний. Программное обеспечение проводит статистическую обработку результатов и строит графики изменения триботехнических характеристик испытуемых образцов 13 и 21.
Устройство реализует схемы нагружения «ролик-ролик» (фиг. 4а, 4б), «вал-колодка» (фиг. 4в), «вал-втулка» (фиг. 4г).
Из табл. 1 видно, что по сравнению с прототипом максимальная частота вращения вала увеличилась с 1500 об/мин до 2500 об/мин, а минимальная частота снизилась с 50 об/мин до 15 об/мин; максимальный допускаемый момент трения увеличился с 15 до 20 Н∙м, а минимальное нормируемое значение момента трения снизилось с 0,5 до 0,01 Н∙м; минимальное нормируемое усилие прижима образцов снизилось с 100 до 10 Н. Все это дает возможность проводить на предлагаемом устройстве полномерные испытаний с получением всех необходимых данных (температура, частота вращения, нагрузка, момент трения), получать результаты с начальных стадий испытаний, а также испытывать материалы в более широких диапазонах условий эксплуатации.
По сравнению с известным решением предлагаемое устройство позволяет повысить достоверность и точность полученных данных триботехнических испытаний пар трения из конструкционных материалов, автоматизировать процесс испытаний, проводить в широком диапазоне регулирование параметров испытаний, а также с высокой точностью проводить цифровую обработку поступающих данных, сохранять, загружать и анализировать полученные результаты на ЭВМ в графическом, текстовом и видеоформатах.