Устройство для испытания на абразивную износостойкость материалов при низких температурах

Устройство для испытания на абразивную износостойкость материалов при низких температурах
Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к устройствам для исследования износостойкости в условиях низких температур конструкционных материалов, применяемых для деталей рабочих органов машин, эксплуатируемых в арктических и субарктических районах страны, где в течение длительного времени они контактируют в процессе работы с монолитным мерзлым грунтом.
Известна установка для исследования ударного абразивного воздействия на образцы при низкой температуре (Описание  изобретения к авторскому свидетельству № 1237952, заявл. 05.01.84 года).
Данная установка содержит корпус, с вмонтированной в нем криогенной камерой, в которую с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, помещены исследуемые образцы, закрепленные в кольцевом держателе. Вращение кольцевого держателя осуществляется двигателем. Над камерой размещено приспособление, типа бункера, с размещенными в нем абразивными зернами, которые по направляющей трубке поступают в чашу с радиальными каналами, размещенную внутри корпуса. Абразивные зерна вылетают через радиальные каналы чаши и ударяются о поверхность исследуемых образцов. После взаимодействия с образцами абразив поступает в емкость для сбора.
Описанная выше установка позволяет произвести исследование на абразивное изнашивание образцов, подвергающихся воздействию струи абразивных частиц при низких температурах.
Сложность приведенной установки заключается в том, что прохождение зерен через радиальные каналы чаши должно происходить без дальнейшего прироста радиальной составляющей скорости.
Необходимость установления скорости абразива на выходе из каналов чаши, равной линейной скорости вращения периферийных точек внешней поверхности полусферической чаши в экваториальной плоскости. Не соблюдение равенства скоростей приводит к разбросу скоростей ударов и углам атаки, что приводит к неравномерной обработке поверхности образцов абразивными зернами.
Наиболее существенным недостатком является необходимость применения абразивного материала в виде порошка или зерен и невозможность работы с монолитным мерзлым грунтом.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является установка для определения износа металлического образца при трении по абразивной поверхности в условиях низких температур (Е.А. Памфилов и др, «Методические основы оценки работоспособности рабочих органов строительных и дорожных машин», Вестник Брянского государственного технического университета, 2009, №4, стр.37-42).
Испытательная установка содержит теплоизолированную камеру. Во внутреннюю полость, которой подают охлаждающую среду, обеспечивающую охлаждение испытуемого образца до заданной температуры испытаний и ее последующее поддержание. Заданную температуру  регулируют блоком автоматического поддержания температуры. Система обеспечивает температуру образца от 173 до 293 К ( от +20 до – 100°С).
В камере, с возможностью скольжения, при помощи привода установлен исследуемый образец, который посредством механизма нагружения, прижимается к контробразцу. Механизм нагружения содержит шпиндель и сменные грузы, которыми регулируется давление на образец в процессе испытаний на изнашивание.
Контробразец выполнен в виде пустотелого барабана с абразивной поверхностью, совершающего возвратно–винтовое движение Шаг винтового движения равен шагу ходового винта, по которому перемещается барабан, обеспечивая контактирование образца с абразивной поверхностью барабана.
Конструктивно привод установки скомпонован следующим образом. От реверсивного электродвигателя вращение через редуктор передается с помощью клиноременной передачи на вал. На валу, на скользящей шпонке, установлено зубчатое колесо, которое входит в зацепление с зубчатым колесом, которое зафиксировано посредством жесткого соединенного с барабаном (контробразцом).
Таким образом, путь трения исследуемого образца по абразивной поверхности представляет собой винтовую линию. По окончании испытаний одного образца или в случае использования всей абразивной поверхности, привод установки автоматически отключается. После замены изношенной абразивной поверхности барабану задается обратное движение.
По окончании испытания измеряется потеря массы образца.
Указанное выше устройство предназначено для исследования механизма изнашивания именно абразивным контртелом при низких температурах. Однако, контртело представляет собой пустотелый барабан с абразивной поверхностью и с его помощью сложно выполнять исследовании по износу образцов при воздействии на них монолитного мерзлого грунта, что соответствует работе  образцов при реальных  условиях эксплуатации.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание установки для испытаний на абразивную износостойкость конструкционных материалов при их взаимодействии с монолитным мерзлым грунтом и льдом при низких температурах, что наилучшим образом моделирует  реальные условия эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для испытания на абразивную износостойкость материалов при низких температурах, содержащем теплоизолированную камеру с охлаждаемой средой, в которой с возможностью перемещения установлен исследуемый образец, контактирующий с контробразцом цилиндрической формы, установленным с возможностью фиксации, механизм нагружения и контрольно-измерительную аппаратуру, согласно новой предлагаемой модели, исследуемый образец выполнен в виде цилиндра, установленного с возможностью вращения вокруг оси, контробразец зафиксирован посредством оправки и соединен с механизмом нагружения, причем, контробразец выполнен  из модельного грунта, состоящего например, из размолотого замороженного льда, заполненного абразивными частицами, а в месте контакта исследуемого образца и контробразца, в последнем выполнена фигурная выемка, повторяющая форму исследуемого образца.
Конструкция предлагаемого устройства для испытания на абразивную износостойкость материалов при низких температурах представлена на фигуре 1.
Установка  содержит теплоизолированную камеру 1 с холодильной системой 2. Электродвигатель 3 через приводной вал 4, проходящий сквозь стенку теплоизолированной камеры 1 приводит во вращение исследуемый образец 5, имеющий цилиндрическую форму с диаметром от 5 до 40 мм. С возможностью контакта к исследуемому образцу 5 с помощью  оправки 6 через толкатели 7 прижимается контробразец  8,  соединенный с механизмом  нагружения 9.
Охлаждение воздуха в теплоизолированной камере осуществляется холодильной системой 2. Заданная температура воздуха поддерживается с помощью термодатчика 10 и микропроцессорного блока 11. Вентилятор 12 обеспечивает равномерность температуры в теплоизолированном объеме.
Испытания проводят следующим образом.
В процессе подготовки испытаний формируют несколько  заготовок контробразцов 8  путем смешивания  размолотого льда с абразивными частицами в заданном объемном или весовом соотношении.  Полученную массу набивают  в специальную кассету цилиндрической формы  и далее замораживают заготовки в  холодильной камере до температуры проводимых испытаний.
Когда температура заготовок в холодильной  камере установки достигнет заданной температуры проведения испытаний (-10,-30,-50,-70°С), замороженные образцы 8 в форме цилиндров  вынимают из кассеты и выполняют в нем фигурную выемку 13 в месте контакта с исследуемым образцом 5.
Перед началом вращения исследуемого образца 5 замороженный образец 8 устанавливают  на исследуемый образец 5 и посредством выемки 13, повторяющей форму поверхности исследуемого образца 5, получают плотный контакт контробразца 8 с исследуемым цилиндрическим образцом 5.
Контробразец фиксируется при помощи  оправки 6 и прижимается к исследуемому образцу 5 посредством механизма нагружения 9.
Образец 5 приводится во вращение от привода 3 и под давлением контробразца 8, осуществляемым механизмом нагружения, подвергается  абразивному износу в течение определенного времени (порядка одного часа). По истечении времени, привод 3 останавливают, достают из камеры исследуемый образец и нагревают его до комнатной температуры. Далее образец отмывают от остатков абразива, обезжиривают и высушивают. Затем производят взвешивание образца и фиксируют потерю веса образца.
Интенсивность износа определяется потерей веса исследуемого образца за время абразивного износа.
При необходимости, образец возвращается в охлаждаемую камеру, на него вновь устанавливается контртело, и цикл повторяется.
Выполнение контробразца из модельного грунта позволяет варьировать состав грунта, соответствующего грунту реальных условий эксплуатации при низких температурах.
Предлагаемое устройство позволяет выполнять исследования на износостойкость при пониженных температурах конструкционных материалов, например, нержавеющей стали, титана и т.п.  при абразивном воздействии на них  модельного грунта, например: замороженной со льдом почвы, замороженного водяного льда, в том числе, соленого льда, льда с включением кварцевого песка, льда с включением глины и т.п.
Состав абразивного контртела возможно подобрать таким образом, чтобы имитировать испытания ледового покрытия Северо-Ледовитого океана и загрязненное абразивными включениями снеговое покрытие тундры.