УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СБЛИЖЕНИЯ ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Полезная модель относится к области измерительной техники и может найти применение при исследовании контактных деформаций, контактной ползучести и исследовании шероховатых поверхностей.
Известны устройства для измерения деформации в месте контакта двух образцов при сжатии (см. а.с. №122923, а.с. №163771, а.с. №332315 и а.с. №371416). Устройство по а.с. СССР №122293 содержит трубку, которая прикреплена к верхней части центрального канала одного испытуемого образца. Через трубку пропущен толкатель, который упирается в верхний образец. Нижний конец толкателя соединен плоской пружиной с рычагом. На нижнем конце трубки жестко укреплена траверса, служащая основанием для измерительной части прибора. Левый конец рычага соединяется с траверсой плоской пружиной, а правый конец - к плоской пружине с легкой стрелкой. Отчет перемещения стрелки осуществляется микроскопом.
В устройстве по а.с. СССР №163771 помимо тех элементов из которых состоит устройство по а.с. 122293, содержит крестообразную металлическую пластину с тензометрами сопротивления для регистрации силы трения. Эти устройства снабжены сложными измерительными рычажными системами, имеющими сравнительно низкую точность измерения и не позволяющую автоматизировать процесс измерения.
В устройствах для измерения и регистрации сближения и деформации в месте контакта двух соприкасающихся образцов при сжатии по зависимым а.с. СССР №332315 и №371416, содержащих опорную плиту, подпружиненный шток, проходящий сквозь отверстие в нижнем образце и упирающийся в верхний образец, датчик перемещений, взаимодействующий со штоком и вакуумные камеры, в качестве датчика перемещений используются тензометрические датчики. Эти устройства не позволяют в процессе измерения, и при необходимости, изменять диапазон измерения и чувствительность датчика перемещений.
Известен прибор для определения сближения тел, происходящих под действием нормальной нагрузки, описанный в книге И.Р.Коняхина «Теория предварительных смещений к вопросам контактирования деталей». Томск, изд. Томского ун-та, 1965 г. стр.13-15, в котором была использована зеркально-роликовая схема, а отсчет производился через оптическую трубу. К основным недостаткам прибора Коняхина следует отнести габариты и невозможность его использования для автоматизации процесса измерения.
Наиболее близко к заявленной полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство, описанное в книге Н.Б.Демкина «Контактирование шероховатых поверхностей». М., Наука, 1970 г. стр.148-149, рис.6.6., выбранное за прототип.
Известное устройство содержит нижний образец в виде кольца с центральным каналом и пазом в верхней части. В канал вставлена трубка, имеющая в верхней части кольцевой выступ. Трубка упирается с натягом в паз нижнего образца. Натяг осуществляется с помощью плоской пружины. Через трубку пропущен толкатель, который упирается в верхний образец. Нижний конец толкателя соединен с индуктивным датчиком. На верхнем конце трубки, проходящей в отверстие станины, жестко укреплена траверса, служащая для закрепления корпуса датчика. При приложении нагрузки к верхнему образцу толкатель (шток) смещается по отношению к трубке. Это смещение и регистрируется индуктивным датчиком.
Наличие в устройстве дополнительных узлов (промежуточных звеньев), таких как станина, траверса, плоская пружина вносят погрешности в измеряемые показатели, что снижает точность измерений.
Значительные габариты датчика (судя по приведенному в книге рис.6.6.) в прототипе, отсутствие возможности изменять чувствительность и диапазон измерения в процессе измерения, ограничивают область применения устройства.
Задача полезной модели - уменьшение габаритов устройства для его применения не только для измерения сближения образцов, но и при натурных испытаниях, упрощение конструкции одновременно с повышением точности и расширением диапазона измерения.
Технический результат полезной модели, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в повышении чувствительности датчика перемещений.
Общим с прототипом является то, что предлагаемое устройство согласно полезной модели содержит:
- трубку с кольцевым выступом, пропущенную через канал в образце;
- толкатель (шток), расположенный внутри трубки и взаимодействующий с другим образцом;
- датчик перемещения, соединенный со штоком;
В отличие от прототипа датчик перемещений установлен на кольцевом выступе трубки и выполнен в виде дифференциального емкостного преобразователя, состоящего из разъемного корпуса из диэлектрического материала и трех электродов. Крайние электроды закреплены на внутренних противоположных торцевых поверхностях разъемного корпуса, а средний электрод установлен с зазором между ними и присоединен к штоку неэлектропроводным материалом перпендикулярно его оси, а для изменения зазора между электродами при установке на нуль, конец штока выполнен с резьбой, с помощью которой он закреплен на втором образце. Верхняя и нижняя части корпуса соединяются между собой посредством резьбы, что позволяет изменять расстояние между крайними электродами, а значит чувствительность и диапазон измерения. Датчик является бесконтактным и не вносит никаких погрешностей. Для измерения сближения контактирующих поверхностей используется только датчик перемещений без всяких промежуточных деталей. В частных случаях трубка может быть выполнена разжимной с двумя или более сквозными пазами в нижней части, или снабжена резьбой для более надежного закрепления в образце.
На фиг.1 изображен общий вид заявляемого устройства.
На фиг.2 - график сближения шероховатых поверхностей в координатах «нагрузка-сближение», полученный при проведении исследования.
Предлагаемое устройство содержит: трубку 1, установленную в отверстии верхнего образца 2, измерительный шток 3, расположенный внутри трубки 1, средний электрод 4, присоединенный к измерительному штоку 3 перпендикулярно его оси неэлектропроводным материалом, например, стеклом, разъемный корпус датчика перемещений, состоящий из верхней части 5 и нижней части 6, на внутренних торцевых поверхностях которых закреплены крайние электроды 7 и 8, (дифференциальный емкостной преобразователь в качестве датчика перемещений). Трубка с кольцевым выступом закреплена на верхнем образце 2, а измерительный шток 3 закреплен на нижнем образце 9. Измерительный шток 3 имеет в нижней части резьбу для закрепления в нижнем образце и установки среднего электрода 4 на равноудаленное расстояние между крайними электродами 7, 8. Верхняя часть измерительного штока 3 снабжена пазом для его вращения.
Устройство работает следующим образом. Исследуемые образцы устанавливают на пресс или испытательную машину. Корпус датчика перемещений устройства закрепляют в отверстие верхнего образца 2 при помощи трубки 1 располагая его на кольцевом выступе трубки. Вворачивают измерительный шток 3 в резьбовое отверстие нижнего образца 9.
При сжатии образцов 2 и 9 расстояние между образцами и, соответственно, между электродами емкостного преобразователя 7 и 8 изменяется, что приводит к изменению электрической емкости устройства, которое регистрируется на шкале прибора (не показанного). Установка электрода 4 в нулевое, равноудаленное положение относительно крайних электродов 7 и 8, производится вращением штока 4 в резьбовом отверстии нижнего образца 9. Работа и взаиморасположение элементов устройства при ином расположении образцов (горизонтальном, наклонном) аналогичны тому, как показано выше.
Проведенные испытания устройства показали, что объем прибора прототипа в 100 раз больше, чем объем предлагаемого изобретения. Цена деления прибора ПКД составляет 0,02 мкм, а предлагаемого устройства имеет 0,002 мкм и его чувствительность можно увеличить на порядок. В отличие от прототипа устройство является бесконтактным.
В случае необходимости, например, при исследовании контактных деформаций, устройство позволяет расширить диапазон измерения за счет увеличения расстояния между электродами 7 и 8, поворачивая по резьбе верхнюю часть корпуса 5 относительно неподвижной нижней части корпуса 6. Устройство технологично в исполнении и легко устанавливается на образцах и реальных деталях, например, на фланцевых соединениях при измерении раскрытия стыка вакуумных устройств.