ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА ИЗНОС ОБРАЗЦОВ ВАЛКОВ СТАНОВ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

Полезная модель относится к устройствам для исследования прочностных свойств твердых материалов, а именно сопротивления их износу и истиранию путем приложения к ним механических усилий, и может применяться для определения эксплуатационных характеристик экспериментальных образцов деталей машиностроения, в частности валков станов холодной прокатки.
При выполнении операций прокатки на валки прокатных станов оказывается значительное термическое и механическое воздействие, поэтому к ним предъявляют повышенные эксплуатационные требования, в частности, к качеству их поверхности, твердости и стойкости к износам. В связи с этим возникает актуальная техническая задача, связанная с осуществлением ускоренных испытаний валков для оценки долговечности их работы. Так как в производственных условиях организация подобных исследований связана с большими затратами на изготовление опытных экспериментальных партий готовых изделий, упомянутая задача может быть решена путем создания специализированных лабораторных установок, обеспечивающих ускоренное испытание образцов валков.
Из уровня техники известна универсальная лабораторная машина Амслера (Машиностроение. Энциклопедический справочник в 15 томах. Том 3 / под ред. акад. Е.А. Чудакова, 1947. - С. 212), включающая в себя верхний и нижний валы с насаженными на них образцами в виде роликов, при этом нижний вал покоится в трех шарикоподшипниках, а верхний лежит в шарикоподшипниках рамки, которая может поворачиваться вокруг оси. Устройство снабжено пружиной, создающей нагрузку на образцы, нижний вал приводится в движение с помощью мотора через шестеренную передачу, позволяющую при помощи маятника и грузов уравновешивать' крутящий момент, величина которого указывается на шкале [1].
Недостатком известного технического решения является его низкая технологичность, обусловленная тем, что устройство относится к классу машин, допускающих варьирование условий трения, и содержит большое количество подвижных механических узлов, сложных в изготовлении и в целом снижающих надежность машины.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является устройство для испытания цилиндрических образцов на трение и износ (SU 938096 A1, МПК G01N 3/56, G01N 19/02, опубл. 25.06.1982), содержащее корпус, привод возвратно-поступательного движения, держатель контробразца, соединенный с приводом возвратно-поступательного движения посредством сферического шарнира, держатель образца, измеритель сил трения, установленный на корпусе и соединенный с держателем образца, и механизм нагружения, взаимодействующий с держателем контробразца [2].
Недостатком устройства является его низкая технологичность, обусловленная применением в конструкции одного основного и двух дополнительных движителей, что значительно повышает сложность машины, при этом отсутствуют средства автоматики, позволяющие синхронизировать их работу и анализировать текущее состояние испытываемого образца.
Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является расширение ее функциональных возможностей лабораторной установки, а также повышение технологичности ее конструкции.
Указанная задача решена тем, что лабораторная установка для проведения испытаний на износ образцов валков станов холодной прокатки содержит станину, на которой размещено поворотное зажимное устройство, выполненное, преимущественно, в виде шпинделя с трехкулачковым патроном с присоединенным к нему посредством муфты электроприводом, справа от зажимного устройства и соосно ему размещен вращающийся центр, а между ними, перпендикулярно оси вращения поворотного зажимного устройства, установлен узел прижима.
Узел прижима выполнен в виде Г-образного кронштейна с установленной в нем на винте, снабженном рукояткой, подпружиненной тарированной пружиной сдвоенной вилкой, при этом первый П-образный элемент вилки расположен выше центра поворотного зажимного устройства, а второй П-образный элемент - ниже его. На первом и втором упомянутых П-образных элементах установлены первый и второй прижимные ролики.
Лабораторная установка снабжена средствами автоматики, включающими в себя блок управления, тензометрический датчик, размещенный между винтом и вилкой, счетчик числа оборотов первого прижимного ролика, выполненный в виде датчика Холла, закрепленного на первом П-образном элементе вилки, и постоянного магнита, установленного на первом прижимном ролике, а также следящее оптическое устройство, преимущественно фотоаппарат или видеокамера, с возможностью пятикратного оптического увеличения, закрепленное на станине и установленное над сдвоенной вилкой.
Выходы тензометрического датчика, счетчика числа оборотов первого прижимного ролика и следящего оптического устройства подключены к блоку управления лабораторной установкой, а силовой выход упомянутого блока подключен к электроприводу.
Блок управления расположен с правой стороны станины и содержит корпус с закрепленными на нем дисплеем, клавиатурой, разъемами для подключения датчиков и силовым выходом управления электроприводом. Все упомянутые узлы подключены к контроллеру, расположенному внутри корпуса блока управления, выполненному в виде микропроцессорной системы.
Конструкция лабораторной установки поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид устройства спереди; на фиг. 2 - вид сбоку; на фиг. 3 - устройство сдвоенной вилки; на фиг. 4 - устройство П-образного элемента вилки.
Лабораторная установка состоит из станины 1, на которой размещено поворотное зажимное устройство 2, выполненное в виде шпинделя с трехкулачковым патроном 3 с присоединенным к нему посредством муфты 4 электроприводом 5, справа от зажимного устройства и соосно ему размещен вращающийся центр 6, а между ними, перпендикулярно оси вращения поворотного зажимного устройства, установлен узел прижима 7.
Узел прижима выполнен в виде Г-образного кронштейна 8 с установленной в нем на винте 9, снабженном рукояткой 10, подпружиненной тарированной пружиной 11 сдвоенной вилкой 12, при этом первый П-образный элемент 13 вилки расположен выше центра поворотного зажимного устройства 2, а второй П-образный элемент 14 расположен ниже его. На первом и втором упомянутых П-образных элементах 13 и 14 установлены первый и второй прижимные ролики 15 и 16. Между винтом и вилкой установлен тензометрический датчик 17. Счетчик числа оборотов первого прижимного ролика 15 выполнен в виде датчика Холла 18, закрепленного на первом П-образном элементе вилки, и постоянного магнита 19, установленного на первом прижимном ролике. Следящее оптическое устройство 20 закреплено на станине 1 и установлено над сдвоенной вилкой 12. Блок управления 21 расположен с правой стороны станины 1 и содержит корпус 22 с закрепленными на нем дисплеем 23, клавиатурой 24, входными разъемами 25 для подключения датчика Холла 18 и следящего оптического устройства 20, а также силовым выходом 26 для управления электроприводом 5. Упомянутые узлы подключены к контроллеру, конструктивно расположенному внутри корпуса блока управления 21. Контроллер выполнен, предпочтительно, в виде микропроцессорной системы на основе тридцатидвухразрядного микроконтроллера семейства ARM7.
Лабораторная установка работает следующим образом. Предварительно в поворотное зажимное устройство устанавливают ведущий вал 28 и поджимают его вращающимся центром 6. Затем между ведущим валом 28 и узлом прижима 7 помещают испытуемый образец 29, представляющий собой цилиндр диаметром 10 мм, и, вращая рукоятку 10, зажимают его между ведущим валом и прижимными роликами 15 и 16. Включают электропитание блока управления 21, активируют режим измерения усилия прижима прижимных роликов и, основываясь на измеряемых данных, выводимых контроллером на дисплей, вращая рукоятку 10, поджимают ролики к образцу до достижения требуемого усилия.
Направляют объектив следящего оптического устройства 20 на испытуемый образец 29 и с помощью блока управления 21 подают команду для фотографирования его с пятикратным увеличением. Полученное изображение автоматически приводится контроллером к размеру 32×32 пикселя и считается эталонным.
Далее устанавливают требуемую скорость вращения шпинделя 3 поворотного зажимного устройства 2 и выбирают режим проведения эксперимента: на заданную длину обкатки образца или до появления на нем видимых трещин, после чего приводят шпиндель в движение.
Контроллер блока управления измеряет длину обкатки, регистрируя срабатывания счетчика числа оборотов первого прижимного ролика 15, а также время проведения эксперимента и через час автоматически останавливает вращение шпинделя, затем повторно выполняет фотографирование образца с пятикратным увеличением и приводит его к размеру 32×32 пикселя. Затем контроллером выполняется функция нахождения среднеквадратической разности для эталона и вновь полученного изображения по формуле [3]:
i
i
где s - среднеквадратическая разность; n - количество пикселов сравниваемых изображений (для размерности 32×32 пикселей это значение составит 3072); x, y - значения яркости пикселей, соответственно, эталона и вновь полученного изображения.
Далее выполняется сравнение полученной среднеквадратической разности с 5% порогом, в случае если этот порог не превышен, изображения считаются идентичными и контроллер запускает следующий цикл испытания в автоматическом режиме.
В случае превышения 5% порога предполагается появление на испытуемом образце трещин, поэтому контроллер выдает оператору установки соответствующее предупреждение на экран и ожидает его реакции. Оператор выполняет осмотр испытуемого образца, принимает решение об остановке эксперимента или о его продолжении и подает соответствующую команду контроллеру с помощью блока управления.
После завершения работы устройства полученные в результате данные, а именно длина обкатки и время, прошедшее с начала эксперимента до разрушения образца, сохраняются в энергонезависимой памяти контроллера для дальнейшей статистической обработки.
Таким образом, заявленная лабораторная установка является недорогим и эффективным устройством для проведения испытаний на износ образцов валков станов холодной прокатки.
Положительным техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью описанных выше конструктивных признаков, является расширение функциональных возможностей лабораторной установки за счет применения в ее составе узла прижима, обеспечивающего надежную установку образца и равномерное приложение нагрузки к нему при проведении экспериментов на износ, а также использование в конструкции тензометрического датчика, счетчика числа поворотов первого прижимного ролика и следящего оптического устройства, позволяющих автоматизировать процесс принятия решения об окончании эксперимента.
Список использованных источников
1. Машиностроение. Энциклопедический справочник в 15 томах.
Том 3 / Под ред. акад. Е.А. Чудакова. - М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1947. - 712 с.
2. SU 938096 A1, МПК G01N 3/56, G01N 19/02. Устройство для испытания цилиндрических образцов на трение и износ / Змиевский В.И., Замилацкий Е.П., Мордвинов Р.С, Черкасов А.А.; заявитель Предприятие п/я 1147 (SU) №2960383; заявл. 24.07.1980; опубл. 23.06.1982.
3. Алгоритм быстрого нахождения похожих изображений // Хабрахабр URL: http://habrahabr.ru/post/122372/ (дата обращения: 16.09.2015).