МАШИНА ТРЕНИЯ
FRICTION MACHINE

Изобретение относится к устройствам для испытания блочных полимерных материалов, и может быть использовано для исследования структурных - зарядовых составляющих материалов, генерируемых во фрикционном процессе при переходе вещества поверхности трения в состояние трибоплазмы, а также для исследования воздействия на узел трения электромагнитных полей.
Известна конструкция машины трения для испытания материалов на трение и износ, содержащая станину, установленные на ней держатель дискового контробразца, привод его вращения, держатель стержневого образца, механизмы его прижима к дисковому контробразцу и радиального перемещения относительно дискового контробразца и систему для записи температуры [А.с. СССР №1377672, 1988 г].
Недостатками известной конструкции машины трения являются сложность конструкции, большая металлоемкость машины за счет существенных габаритных размеров, трудоемкость монтажа, наладки, проведения испытаний, отсутствие устройства измерения силы или коэффициента трения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для осуществления способа контроля режимов трения металлополимерного узла трения [А.с. СССР №1589131, 1990 г] принятое за прототип, содержащее кварцевый генератор с частотой собственных колебаний 7,6-8 МГц, соединенный с держателем полимерного тела трения и с металлическим телом трения, электронносчетный частотомер (например, типа 43-34) и регистрирующую систему, состоящую из согласующего блока (например, ЦАП) и самописца (например, КСП-4).
Недостатками прототипа являются невысокая достоверность измерения коэффициента трения, зависимость фиксируемого параметра, а именно частоты вынужденных электромагнитных колебаний от большого количества внешних факторов: интенсивности изнашивания тел трения, температуры трения, трибоэлектризации, взаимной диффузии материалов контактирующих поверхностей, температуры и влажности окружающей среды, влияющих на изменение электрической емкости конденсатора, образованного телами трения, что не позволяет произвести однозначный научный анализ получаемых зависимостей изменения параметра трения на основании которого, можно сделать заключение об изменении режима трения и о характере протекающих в узле трения фрикционных процессов.
Задачей изобретения является совершенствование технической схемы исследования параметров трения.
При этом достигается технический результат, заключающийся в расширении технических возможностей машины трения, повышении достоверности испытаний.
Указанный технический результат достигается тем, что машина трения, состоящая из стоящей на виброопорах станины, приводом моторредуктора с вертикальным расположением вала и закрепленным на нем цилиндрическим полимерным телом трения, к которому посредством болтового соединения, с усилием, контролируемым динамометрическим ключом, прижимается металлическое составное контртело, помещенное вместе с телом трения во внутреннюю полость элемента приложения к узлу трения магнитного поля, а именно катушки индуктивности, элемента приложения к узлу трения потенциала от внешнего источника электрической энергии, в частности блока питания постоянного напряжения, элементов передачи регистрируемых сигналов, а именно проволочных электродов, и высокочувствительным отображающим устройством, а именно анализатором спектра, отличается тем, что привод моторредуктора электрически изолирован от станины, а для уменьшения влияния внешней окружающей среды узел трения закрыт массивным изолирующим колоколом, превращающим рабочую зону в вакуумную камеру, снабженную вакуумным насосом, кроме того выводы элементов передачи регистрируемых сигналов, размещенные для предотвращения непосредственного контакта с телом трения в продольных пазах-выточках, имеющихся на внутренней поверхности металлического составного контртела и заизолированных от поверхности металла контртела с одной стороны при сохранении свободной проводящей поверхности с другой стороны таким образом, чтобы в пазах сохранился зазор 0,4 мм от свободной проводящей поверхности выводов до поверхности тела трения, позволяют регистрировать параметры непосредственно связанные с появлением структурных - зарядовых составляющих материалов, а не многочисленными контактными явлениями, сопровождающими трение и изнашивание материалов. При этом совокупность существенных признаков предлагаемого к патентной защите изобретения позволяет усовершенствовать техническую схему исследований и достигнуть заявляемого технического результата. Коэффициент трения измеряется посредством ваттметра по изменению мощности, потребляемой приводом моторредуктора, в соответствии с формулой:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Р</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mo>⋅</mo><mi>N</mi><mo>⋅</mo><mi>ϑ</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                                    </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>Р</mi><mo>=</mo><msub><mi>Р</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Р</mi><mn>0</mn></msub><mo>.</mo><mtext>                                                                                    </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где ΔР - изменение мощности, потребляемой приводом моторредуктора, Вт,
0
Р - мощность, потребляемая приводом моторредуктора при отсутствии нагрузки на узел трения и стабилизированном входном напряжении, Вт,
1
Р - мощность, потребляемая приводом моторредуктора при нагружении узла трения и стабилизированном входном напряжении, Вт,
f - коэффициент трения,
N - нагрузка на узел трения, Н,
ϑ - линейная скорость, м/с.
Определение коэффициента трения по изменению мощности более достоверно в сравнении с методами тензометрии, поскольку не зависит от погрешности изготовления, монтажа, изменения упругих свойств тензодатчиков и клеевого соединения во времени и погрешности регистрации сигнала, обусловленной аппаратными возможностями самописцев и тензостанций.
На фиг.1 представлена принципиальная схема машины трения. На фиг.2 показана геометрия узла трения, реализованная по схеме испытаний «вал-вкладыш».
Машина трения (фиг.1) состоит из вакуумной камеры 1, снабженной вакуумным насосом 3, закрытой массивным изолирующим колоколом 4, с размещенной в ней стоящей на виброопорах 2 станиной 5, с электрически изолированным от нее приводом моторредуктора 6 с вертикальным расположением вала 7, на котором гайками 8 закреплено цилиндрическое полимерное тело трения 9. К телу трения 9 посредством болтов 10 с пружиной 11 с равным усилием прижимаются составные части металлического контртела 12, усилие прижатия которого контролируется динамометрическим ключом 13. К металлическому составному контртелу 12 присоединен посредством скользящего электрического контакта элемент 14 приложения к узлу трения потенциала от внешнего источника электрической энергии 15, в частности любого блока питания постоянного напряжения. Металлическое составное контртело помещено вместе с телом трения во внутреннюю полость элемента приложения к узлу трения магнитного поля 16, а именно катушки индуктивности. Элемента передачи регистрируемых сигналов 17, а именно проволочных электродов, к высокочувствительному отображающему устройству 18, а именно анализатору спектра, диапазон измерения частот которого 0÷10 ГГц.
Узел трения машины (фиг.2) состоит из цилиндрического полимерного тела трения 9 наружным диаметром 40 мм, металлического составного контртела 12 с наружным диаметром 60 мм, состоящим из двух частей, в каждой из которых в продольных пазах-выточках, имеющихся на его внутренней поверхности, попарно расположены четыре вывода 19 диаметром 0,8 мм элемента передачи регистрируемых сигналов, заизолированных от поверхности металла контртела с одной стороны при сохранении свободной проводящей поверхности с другой таким образом, чтобы в пазах сохранился зазор глубиной 0,4 мм от свободной проводящей поверхности выводов до поверхности тела трения 9.
Машина трения работает следующим образом.
При прижатии контртела 12 к телу трения 9 посредством болтов 10 с пружиной 11 и включении привода моторредуктора 6 тело трения 9 осуществляет равномерное вращение вместе с валом 7, что приводит к взаимодействию материалов трущихся тел, сопровождающегося физико-химическими процессами трибомутаций тела трения 9 и контртела 12. В результате данных процессов происходит переход материала соприкасающихся поверхностей в состояние трибоплазмы [1] - высокоэнергетического, метастабильного состояния, состоящего по определению данного агрегатного состояния вещества из свободных заряженных частиц, способных к взаимодействию с электрическими и магнитными полями [2], воздействие которых на узел трения предусмотрено структурной схемой машины.
Интенсивностью протекания трибоплазменных процессов при трении определяется кинетика большинства процессов формирования смазочных структур [2, 3, 4] и соответственно характер изнашивания материалов трущихся тел, изменение коэффициента трения и мощности трения. Появление электрически и магнитоактивных структурных - зарядовых состояний на поверхности материалов узла трения в начальный период трения, регистрируемых высокочувствительным отображающим устройством 18, за счет имеющегося зазора глубиной 0,4 мм в пазах металлического составного контртела, связано только со слагающими трибоплазму частицами, а не с деформационными явлениями на поверхности трения, не с износом, вызывающим стохастическое изменение электрической емкости узла трения вследствие разрушения материалов и их взаимной диффузии, не с химическими реакциями, протекающими на поверхности контакта, изменяющими электрическое сопротивление контактной зоны как в регистрирующей схеме установки прототипа. Электрически и магнитно активные частицы трибоплазмы, образуемые при трении попадают в зазор продольных пазов и регистрируются выводами 19 элемента передачи регистрируемых сигналов 17 к высокочувствительному отображающему устройству 18. При этом, а также благодаря тому, что выводы элемента передачи регистрируемых сигналов, заизолированы от поверхности металла контртела с одной стороны при сохранении свободной проводящей поверхности с другой, исключается влияние непосредственного контакта материалов, которое может искажать результат, например вследствие контактной трибоэлектризации материалов, участвующих в трении. Разрежение, создаваемое при помощи вакуумного насоса 3 в вакуумной камере 1, позволяет увеличить длину свободного пробега структурных-зарядовых состояний - частиц, слагающих трибоплазму, а также снизить интенсивность рекомбинационных процессов и повысить достоверность измерений.
Наличие элементов 14 приложения к узлу трения потенциала от внешнего источника электрической энергии 15, а также элемента приложения к узлу трения магнитного поля 16 дополнительно расширяет технические возможности машины путем осуществления возможности исследования эффекта поля [5]. Направление силовых линий и величины напряженности электрического и магнитного полей, создаваемых в узле трения, влияют на интенсивность регистрируемых параметров трения.
-6
-10
Регистрируемым параметром трения на экране высокочувствительного отображающего устройства 18, а именно анализатора спектра, служат изменения амплитуды отдельных гармоник (линий определенной частоты) спектра электромагнитных колебаний, соответствующих структурно-зарядовым состояниям вещества время «жизни» которых составляет 10-10 секунд. Все вышеперечисленное более достоверно характеризует процесс трения, по сравнению с другими типами измерений.
Более высокая достоверность результатов триботехнических испытаний, полученных на предлагаемой к патентной защите машине трения, в сравнении с прототипом доказана экспериментально, практическая применимость данной машины трения для испытаний материалов подтверждена и опубликована 11.01.2012 г. в работе [6].
Изложенная сущность заявляемого технического решения дает нам возможность утверждать о соответствии предлагаемого решения критерию патентоспособности изобретения - «новизна». Сравнение машины трения предлагаемой конструкции с другими техническими решениями в данной области техники не выявило в них признаки, аналогичные заявляемым, что дает возможность сделать вывод о соответствии условию патентоспособности изобретения - «изобретательский уровень».
Изобретение может быть проиллюстрировано следующим примером:
Пример 1.
На предлагаемой машине трения были проведены триботехнические испытания материалов: политетрафторэтилен (ПТФЭ) для вала (тело трения), и сталь 45 для вкладыша (составного контртела) при следующих нагрузочно-скоростных условиях: нагрузка на узел трения составляет 1Н, скорость скольжения 1 м/с.
4
Катушка индуктивности позволяет создавать в узле трения магнитное поле различного направления, напряженностью 10 А/м.
-6
Вакуумный насос позволяет создавать разрежение 10 Па.
На вкладыш посредством скользящего электрического контакта от блока питания постоянного напряжения может быть подана разность потенциалов, изменяемая в диапазоне от 0,5 до 50 В.
-6
-10
-6
-7
Изменения в состоянии поверхностей фрикционного контакта фиксируются высокочувствительным отображающим устройством, а именно анализатором спектра (АС), имеющим диапазон рабочих частот от 0 до 10 ГГц. Это позволяет производить санирование электромагнитных сигналов, как в мегагерцевой области спектра, так и в гигагерцовой области спектра, что вместе с наличием вакуумной камеры дополнительно повышает достоверность испытаний, поскольку позволяет регистрировать структурно-зарядовые состояния, продолжительность «жизни» которых 10÷10 с, в то время как измерительная схема установки прототипа позволяет регистрировать структурно - зарядовые состояния, время жизни которых более 10÷10 с. Сигнал анализатором спектра принимается непосредственно с зазоров, образуемых пазами в контртеле.
Определение коэффициента трения происходит посредством измерения мощности потребляемой приводом моторредуктора, регистрируемой ваттметром. Результаты измерений приведены на фиг.3. При регистрации параметров трения на машине трения ухудшению антифрикционных характеристик трибосопряжения соответствует увеличение мощности «Р» (фиг.3), потребляемой приводом моторредуктора, что совпадает с ростом амплитуды гармоник электромагнитного спектра «А» (фиг.3).
Список литературы.
1. Хайнике Г. Трибохимия. - М.: Мир, 1987 г. - на стр. с.25, 124-128, 200, 217-218, 225, 231, 239, 248, 411, 440, 518-519.
2. Долгополов К.Н. Повышение эксплуатационных характеристик бытовых машин путем интенсификации процессов смазки трибосопряжений / Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Шахты, 2009. - на стр.10-11.
3. Физико-химические процессы при трении: Учеб. пособие: Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006 г. - на стр.103.
4. Кужаров А.С. Координационная трибохимия избирательного переноса / Автореф. дисс. докт. техн. наук. - Ростов-на-Дону, 1991. - на стр.7, 18.
5. Шведков Е.Л., Ровинский Д.Я., Зозуля В.Д, Браун Э.Д. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. - Киев: Наукова думка, 1979 г. - на стр.184.
6. Любимов Д.Н., Пинчук Л.С., Долгополов К.Н. Трибофизика. - Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2011. - на стр.210-216.