Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к методам исследования коэффициента трения различных по составу смазочных материалов.
Известно устройство для испытания трущихся материалов и масел (А.с. СССР №983522, МПК G01N 19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел. Бюл. №47, 1982 г. Аналог), содержащее станину, установленные на ней держатели образца и контробразца, узлы измерения момента трения и нагружения образцов и привод вращения образцов, плиту, установленную перпендикулярно к станине с возможностью перемещения вдоль нее, три платформы, из которых средняя закреплена на плите шарнирно, а две другие установлены под углом 45° к средней, которые расположены на платформах и взаимодействующие с держателями контробразцов, направляющие и поджимные ролики, установленные на плите с возможностью поворота в плоскости держателей, передаточные звенья, взаимодействующие через подшипники качения соответственно с держателями контробразцов и узлами нагружения, а последние снабжены штоками, имеющими две степени свободы (механизмы для передачи нагрузки на контробразцы).
Основной недостаток известного устройства заключается в сложной и точной установке передаточных звеньев под прямым углом к направляющим, что приводит к большим погрешностям получаемых результатов при испытаниях.
Известно устройство для испытания материалов на трение и износ в условиях космоса, содержащее узел трения «диск-индентор», который представляет собой диск с двумя поверхностями трения и по которым скользят два полусферических индентора (см. Журнал «Трение и износ», т. 24, №6, 2003 г., с. 626-635. Аналог). При этом диск жестко закреплен на приводном валу, а инденторы - на специальных рычагах. Нагрузка на инденторы осуществляется с помощью тарированной пружины.
Все узлы трения приводятся во вращение с помощью выходного вала привода через зубчатые колеса. Момент трения в паре «диск-индентор» измеряется упругой тензометрической балкой. Электрические сигналы поступают на два тензометрических преобразователя, с которых они передаются на регистрирующий прибор.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, обусловленная использованием большого количества элементов, сложностью его использования из-за постоянной тарировки нагружающих пружин, влияющие на погрешность измерения, а также невысокие скорости скольжения и удельные давления в контакте индентора и диска.
Известно устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов (патент на полезную модель РФ №192398 МПК G01N 19/02, опубл. 16.09.2019. Бюл. №26. Аналог), содержащее основание для установки устройства, неподвижный вал с индентором, втулку с коническим отверстием (конртело), втулку из фторопласта, нагружающих (фиксирующих) винтов, упорное кольцо, упорный подшипник, и втулки для передачи крутящего момента.
Принцип работы устройства заключается в следующем: индентор закрепляют в отверстии неподвижного вала устройства и устанавливают втулку с коническим отверстием. При помощи нагружающих (фиксирующих) винтов создается давление на контактную пару и контролируется динамометрическим ключом, затем рычаг устанавливается на втулку, зацепление которого осуществляется при помощи отверстий, расположенных на внешней части, при этом на противоположной стороне рычага закрепляется приводной трос с динамометром. Изменение положения угла рычага осуществляется при помощи шкива и рукоятки, при этом система находится в нагруженном состоянии. При вращении устройства в положение измерения, возникающий при вращении индентора момент трения передается посредством рычага на измерительное устройство, по показаниям которого осуществляется определение коэффициента трения.
Недостатками известного устройства являются малая универсальность замены изношенной конической втулки (контртело) на новую, связанная со сложностью ее изготовления, а также получения отверстий для фиксации и отверстий для направляющих шпилек, приводящее к дополнительным материальным затратам и времени изготовления.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов (патент на полезную модель РФ №200035 МПК G01N 19/02, опубл. 01.10.2020. Бюл. №28. Прототип), содержащее подвижный вал, на котором расположены упорная гайка, коническая направляющая втулка, направляющие шпильки, контртело в виде конической втулки, индентор, направляющая втулка, где в отверстие подвижного вала установлен половинчатый индентор, с возможностью контактировать одним концом с контртелом в виде конической втулки, а другим - с нагрузочной пружиной, служащей для создания необходимой нагрузки контактных металлических пар путем подбора различных по жесткости пружин. На подвижном валу установлено сопло с возможностью подачи смазывающей технологической среды (СТС) в распыленном состоянии непосредственно в зону контакта металлических пар. Для регистрации крутящего момента применен электрический трехкомпонентный динамометр М30-3-6к, подключенный к ПК, позволяющий повысить точность измерения коэффициента трения смазочных материалов. Для снижения трения, возникающего при контакте конической направляющей втулки и направляющей втулки с подвижным валом, в отверстиях конической направляющей втулки и направляющей втулки расположены линейные подшипники, зафиксированные стопорными кольцами.
Недостатками известного устройства является отсутствие возможности исследования температуры, возникающей в контактной зоне индентора и контртела в процессе трения.
Техническим результатом полезной модели является необходимость расширения арсенала технических средств для повышения точности определения коэффициента трения смазочных материалов путем возможности исследования температурных параметров процесса трения.
Это достигается тем, что заявляемое устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов, содержащее подвижный вал, упорную гайку, коническую направляющую втулку, направляющие шпильки, контртело в виде конической втулки, индентор, направляющую втулку, содержит электропереходник, который представляет собой эбонитовый диск, закрепленный на торце упорной гайки при помощи фиксирующих винтов, в свою очередь, к торцу которого установлен металлический диск для передачи термо-ЭДС (возникающая в зоне трения методом естественно образующей термопары), взаимодействующий с токосъемником при помощи пружины, установленной в металлической втулке, обеспечивающей надежный электрический контакт, при этом между конической направляющей втулкой и конической втулкой (контртело) установлена эбонитовая коническая втулка, обеспечивающая электроизоляцию между ними, с этой же целью установлена эбонитовая втулка между индентором и подвижным валом. Передача термо-ЭДС от индентора и конической втулки (контртело) осуществляется при помощи электропроводов, свободные концы которых погружены в емкость со льдом с целью увеличения разности потенциалов естественной термопары и соединены с милливольтметром, регистрирующим значения термо-ЭДС.
Отличием данного технического решения от прототипа является тот факт, что при помощи патентуемого устройства можно исследовать температуру в зоне трения конической втулки (контртело) и индентора методом естественно образующей термопары.
На фиг. представлена конструктивная схема устройства для определения коэффициента трения смазочных материалов в осевом сечении.
Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержит подвижный вал 1, упорную гайку 2, вращающийся центр 3, упорные подшипники 4, 15, линейные подшипники 5, 14, коническую направляющую втулку 6, направляющие шпильки 7, коническую втулку (контртело) 8, пружины 9, 36, 12, индентор 10, сопло 11, направляющую втулку 13, установочные винты 16, упорное кольцо 17, кулачки токарного патрона 18, болт 19, кольцо подачи СТС 20, резиновые прокладки 21, распылитель 22, переходник 23, уплотнительные кольцевые прокладки 24, державку 25, динамометр 26, шпильку 27, подшипники качения 28, эбонитовую коническую втулку 29, эбонитовые втулки 30, 35, фиксирующие винты 31, эбонитовый диск 32, металлический диск 33, токосъемник 34, металлическую втулку 37, хомуты 38, емкость со льдом 39, электропровода 40, 41, милливольтметр 42.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Подвижный вал 1 на одном конце закрепляется кулачками токарного патрона 18, а на другом поджимается вращающимся центром 3, при этом индентор 10 установлен в отверстии подвижного вала 1 который контактирует с конической втулкой (контртело) 8, при этом контактная нагрузка индентора 10 и конической втулки (контртело) 8 регулируется при помощи подбора пружины 9, необходимой жесткости, которая устанавливается в отверстии подвижного вала 1, контактирующая с индентором 10, между которыми расположена эбонитовая прокладка (позиция на чертеже не указана), для электрической изоляции индентора 10 от подвижного вала 1, в свою очередь, коническая втулка (конртело) 8 установлена в конической направляющей втулке 6, которая содержит линейный подшипник 5 и упорный подшипник 4, в свою очередь, коническая направляющая втулка 6 установлена на подвижном валу 1, также на подвижном валу 1 установлена направляющая втулка 13, которая содержит линейный подшипник 14, упорный подшипник 15 и направляющие шпильки 7, которые контактируют с направляющими отверстиями, расположенными в конической направляющей втулке 6, также на подвижном валу 1 установлено упорное кольцо 17, предотвращающее линейное перемещение направляющей втулки 13, при линейном перемещении конической направляющей втулки 6 с расположенными в направляющих шпильках 7 и контактирующих с направляющей втулкой 13 пружин 12, в свою очередь, упорное кольцо 17 зафиксировано на подвижном валу 1 при помощи установочных винтов 16. Линейное перемещение конической направляющей втулки 6 осуществляется при помощи упорной гайки 2, расположенной на подвижном валу 1. Подача СТС в контактную зону индентора 10 и конической втулки (контртело) 8 осуществляется при помощи кольца для подачи СТС 20, которое содержит уплотнительные кольцевые прокладки 24, в свою очередь, распылитель 22 установлен в кольце подачи СТС 20 при помощи переходника 23, а герметичность установки распылителя 22 в отверстии переходника 23 обеспечивают резиновые прокладки 21, также в подвижном валу 1 имеется отверстие, по которому СТС в распыленном состоянии поступает в сопло 11, установленное на подвижном валу 1, на противоположной стороне которого, в свою очередь, установлен болт 19 для предотвращения от проникновения СТС в шпиндель токарного станка (на чертеже не указан). На конической направляющей втулке 6 имеется лапка с шпилькой 27 и установленными в ней подшипниками качения 28 которые контактируют с державкой 25 при вращении конической направляющей втулки 6, в свою очередь, державка 25 установлена в динамометре 26, при помощи которого производится регистрация значений коэффициента трения.
Для исследования величины термо-ЭДС в зоне трения, методом естественно образующей термопары устройство снабжено эбонитовой конической втулкой 29, установленной в конической направляющей втулке 6, обеспечивающей электроизоляцию конической втулки (контртело) 8, соединенной электропроводом 41 с милливольтметром 42, в свою очередь, индентор 10 также изолирован от подвижного вала 1 при помощи эбонитовой втулки 30, и соединен с милливольтметром 42 при помощи электропровода 40, при этом для передачи термо-ЭДС от индентора 10 к милливольтметру 42, устройство снабжено электропереходником, который представляет собой эбонитовый диск 32, закрепленный на упорной гайке 2 при помощи фиксирующих винтов 31, на котором также закреплен металлический диск 33, соединенный с индентором 10 при помощи электропровода 40 и передающее термо-ЭДС на металлический токосъемник 34, постоянный контакт которого обеспечивается при помощи пружины 36, установленной в металлической втулке 37. Для электроизоляции токосъемника 34 в металлической втулке 37 установлена эбонитовая втулка 35. Металлическая втулка 37 с пружиной 36 эбонитовой втулкой 35 и токосъемником 34 установлены на неподвижной части вращающегося центра 3 при помощи хомутов 38. С целью увеличения разности потенциалов естественной термопары, концы электропроводов 40 и 41 погружены в емкость со льдом 39. Полученные значения термо-ЭДС переводятся в температурные значения при помощи соответствующего тарировочного графика.
Устройство работает следующим образом: эксплуатация устройства осуществляется на токарном станке (на чертеже не указан), в котором предусмотрено наличие частотного преобразователя, позволяющего в широком диапазоне регулировать частоту вращения шпинделя. Подвижный вал устанавливается в трехкулачковом патроне и поджимается вращающимся центром. Индентор, установленный в отверстии подвижного вала контактирует с конической втулкой (контртелом), а нагрузка контактной пары регулируется путем подбора пружин различной жесткости, в свою очередь, коническая втулка (контртело) установлена в отверстии конической направляющей втулки, содержащая линейный подшипник и упорный подшипник, которые позволяют осуществлять прямолинейное и вращательное движение направляющей конической втулки и конической втулки (контртело), в результате чего имеется возможность путем осевого перемещения конической втулки (контртело) относительно индентора проводить экспериментальные исследования, используя поверхность конической втулки (контртело) по всей длине образующей, в свою очередь, перемещение конической направляющей втулки относительно индентора осуществляется при помощи упорной гайки, расположенной на подвижном валу, контактирующей с упорным подшипником, а также при помощи направляющих шпилек, соединенных с направляющей втулкой. Для более точного позиционирования конической втулки (контртело) относительно индентора, дополнительно используются пружины, расположенные на направляющих шпильках, между направляющей втулкой и конической направляющей втулкой. Направляющая втулка, в свою очередь, содержит линейный подшипник, а для предотвращения от линейного перемещения конической направляющей втулки, используется упорный подшипник, зафиксированный при помощи упорного кольца и установочных винтов. В свою очередь, в конической направляющей втулке расположена специальная лапка, с закрепленной на ней шпилькой, на которую устанавливаются подшипники качения, контактирующие с установленной в динамометре державкой. При вращении подвижного вала, индентор контактирует с конической втулкой (контртелом) в результате чего создается крутящий момент, который передается через лапку с расположенной в ней шпилькой на державку, установленную в динамометре, при помощи которого производится регистрация показаний. Подача СТС в контактную зону индентора и конической втулки (контртело) осуществляется при помощи распылителя, герметично установленного в переходнике при помощи резиновых прокладок, в свою очередь, переходник установлен в кольце подачи СТС, при помощи которого осуществляется подача СТС при вращательном движении подвижного вала, благодаря наличию уплотнительных кольцевых прокладок, далее СТС в распыленном состоянии поступает в сопло, через расположенный в подвижном валу канал. Также для обеспечения герметичности системы подачи СТС предусмотрено использование дополнительного болта.
Для исследования величины термо-ЭДС в зоне трения, методом естественно образующей термопары в устройстве установлена эбонитовая коническая втулка, обеспечивающая электроизоляцию между конической направляющей втулкой и конической втулки (контртело), где последняя соединена электропроводом с милливольтметром, к которому также соединен электропроводом индентор, изолированный от подвижного вала при помощи эбонитовой втулки. Значения термо-ЭДС передаются от подвижного элемента к неподвижному при помощи электропереходника, содержащего эбонитовый диск с закрепленным на торце металлическим диском, контактирующим с токосъемником, постоянный электрический контакт которого обеспечивается пружиной установленной в металлической втулке, при этом электропровода, контактирующие с конической втулкой (контртело) и индентором свободными концами погружены в емкость со льдом и соединены с милливольтметром, при помощи которого производится регистрация значений термо-ЭДС.