ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА КОНТАКТНУЮ УСТАЛОСТЬ ПАР ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ ТИПА "ЦИЛИНДР-ЦИЛИНДР"
LABORATORY TEST BENCH FOR CONTACT FATIGUE TESTING OF FRICTION PAIRS OF "CYLINDER-CYLINDER" TYPE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкции машин трения, моделирующих трибологические процессы в парах трения качения «цилиндр-цилиндр», и предназначено для определения зависимости контактной усталости цилиндрических поверхностей от угла перекоса между их осями.
Известна установка для испытания материалов на контактную усталость при повышенных температурах (патент №949407). Установка содержит корпус, в котором с возможностью вращения установлены нажимной и опорный диски, между которыми размещен держатель образца с образцом. Опорный диск кинематически связан с приводом вращения. В каждом из дисков выполнены камеры, в которых установлены нагревательные элементы. Камеры разделены друг от друга теплоизолирующими перегородками.
К недостаткам известной конструкции относят:
1. Сложность обеспечения неподвижного закрепления испытуемого образца.
2. Невозможность обеспечить точное прогнозирование ресурса роликоподшипников из-за отсутствия системы создания перекоса осей цилиндрических поверхностей для определения его влияния на контактную усталость поверхностей.
3. Невозможность прогнозирования ресурса роликоподшипников, работающих в условиях циркуляционной смазки с возможностью фильтрации масла от частиц износа.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является испытательная машина, состоящая из горизонтальной сварной рамы, закрепленной с бетонным фундаментом анкерными болтами, на концах которой приварены две тумбы для установки реверсивных электродвигателей. В середине рамы закреплены на болтах две вертикальные П-образные колонны, жестко сваренные между собой. В колоннах, как в направляющих, установлены друг над другом две обоймы. В обоймах на подшипниках качения установлены рабочие валы роликов, а в центре колонны в подушках находится вал среднего ролика. Верхняя обойма и подушки могут перемещаться в плоскости валов роликов перпендикулярно их осям, нижняя обойма является неподвижной. На обойму действует нажимное устройство, создавая нагрузку на образцы (до 3000 МПа). Валы роликов при помощи шарнирных муфт и промежуточных валов с раздвижными муфтами соединены с электрическими приводами, которые смонтированы на раме таким образом, что они могут подключаться к любому из трех роликов. Приводы подсоединенных роликов индивидуальны и не зависимы друг от друга. (Малушин Н.Н., Валуев Д.В. Испытания деталей на износостойкость и контактную прочность оборудования для металлургического производства // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №1.; url: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=11278 (дата обращения: 02.11.2018). Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели, - лабораторный стенд для испытаний на контактную усталость пар трения качения типа «цилиндр - цилиндр», представляющий собой фрикционную передачу, приводящуюся во вращение с помощью электродвигателя; стенд включает опорную раму с установленными на ней сварными нижним и верхним полукорпусами, нижние и верхние опоры, размещенные в этих полукорпусах с установленными в них верхним и нижним валами.
К недостаткам известной конструкции, принятой за прототип, относят:
1. Невозможность обеспечить точное прогнозирование ресурса роликоподшипников из-за отсутствия системы создания перекоса осей цилиндрических поверхностей для определения его влияния на контактную усталость поверхностей.
2. Невозможность прогнозирования ресурса роликоподшипников, работающих в условиях циркуляционной смазки с возможностью фильтрации масла от частиц износа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение - создание лабораторной установки для испытаний на контактную усталость пар трения качения типа «цилиндр - цилиндр», позволяющей изучать влияние перекосов на работу роликоподшипников и более точно прогнозировать ресурс роликоподшипников.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном лабораторном стенде для испытаний на контактную усталость пар трения качения типа «цилиндр - цилиндр», представляющем собой фрикционную передачу, приводящуюся во вращение с помощью электродвигателя, включающем опорную раму с установленными на ней сварными нижним и верхним полукорпусами, нижние и верхние опоры, размещенные в этих полукорпусах, с установленными в них верхним и нижним валами, согласно изобретению верхний вал расположен в плавающей опоре, установленной с возможностью движения относительно верхнего полукорпуса посредством линейных направляющих, на верхний полукорпус установлена крышка с вертикальным резьбовым отверстием для установки нажимного винта с рычагом, в полости между крышкой и плавающей опорой установлен электронный динамометр сжатия, под которым расположен шарик, в качестве нижних опор использованы сферические роликоподшипники, причем одна из нижних опор установлена с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, при этом перемещение задают с помощью винтовой пары, в качестве испытуемых образцов использованы стандартные внутренние кольца роликоподшипника без буртиков на внутренней дорожке качения, верхний и нижние валы выполнены с отверстиями для напрессовки колец роликоподшипников, нижний вал соединен с электродвигателем посредством торообразной муфты.
Лабораторный стенд может быть соединен с циркуляционной системой смазки, содержащей герметичный корпус, впускные штуцеры, направленные на опоры верхнего вала, и выпускной штуцер, расположенный в днище корпуса, при этом система смазки соединена с системой подачи смазки посредством гибких армированных напорных рукавов.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - верхний вал расположен в плавающей опоре, установленной с возможностью движения относительно верхнего полукорпуса посредством линейных направляющих; на верхний полукорпус установлена крышка с вертикальным резьбовым отверстием для установки нажимного винта с рычагом; в полости между крышкой и плавающей опорой установлен электронный динамометр сжатия; под электронным динамометром расположен шарик; в качестве нижних опор использованы сферические роликоподшипники; одна из нижних опор установлена с возможностью перемещения в вертикальной плоскости; перемещение задают с помощью винтовой пары; в качестве испытуемых образцов использованы стандартные внутренние кольца роликоподшипника без буртиков на внутренней дорожке качения; верхний и нижние валы выполнены с отверстиями для напрессовки колец роликоподшипников; нижний вал соединен с электродвигателем посредством торообразной муфты; стенд соединен с циркуляционной системой смазки, содержащей герметичный корпус, впускные штуцеры, направленные на опоры верхнего вала, и выпускной штуцер, расположенный в днище корпуса, при этом система смазки соединена с системой подачи смазки посредством гибких армированных напорных рукавов.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют создать лабораторную установку для изучения влияния перекосов на работу роликоподшипников и более точно прогнозировать ресурс роликоподшипников.
Предлагаемый лабораторный стенд иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-8.
На фиг. 1 изображен общий вид установки.
На фиг. 2 показано крепление линейных направляющих и способ задания прижимного усилия.
На фиг. 3 показано измерение угла перекоса.
На фиг. 4 показана возможность перемещения одной из нижних опор.
На фиг. 5 показан способ перемещения плавающей опоры.
На фиг. 6 показана фрикционная передача.
На фиг. 7 показана плавающая опора.
На фиг. 8 показан разрез А-А, отверстие для напрессовки колец.
Лабораторный стенд (фиг. 1) состоит из опорной рамы 1 с установленным на ней на четырех швеллерах 2 сварным нижним полукорпусом 3. На нижний полукорпус 3 установлен верхний полукорпус 4 (фиг. 2), который также является сварным.
В качестве цилиндрических тел качения - испытуемых образцов - применяют внутренние кольца роликоподшипника 5 (фиг. 6), без буртиков на внутренней дорожке качения. Кольца роликоподшипников 5 применяют, так как они являются стандартными деталями, которые можно заменить и твердость дорожки качения совпадает с твердостью тел качения подшипника, что моделирует условия работы роликоподшипника.
Основой стенда являются верхний 6 и нижний 7 валы с напрессоваными на них кольцами роликоподшипников 5, которые находятся во взаимодействии по типу фрикционной передачи. Для напрессовки колец валы 6, 7 имеют отверстия, предназначенные для применения оборудования гидрораспора (фиг. 7, 8), что позволяет производить многократную сборку-разборку соединения с натягом колец с валами.
Нижний 7 вал размещен в нижней опоре 8, установленной в нижнем полукорпусе 3.
Верхний вал 6 установлен в плавающей опоре 9 (фиг. 8), установленной в верхнем полукорпусе 4 и движущейся относительно него посредством линейных направляющих 10. Линейные профильные направляющие 10 для станков ЧПУ обеспечивают возможность перемещения в вертикальной плоскости, а также обеспечивают достоверность значения перекоса, так как данные направляющие 10 могут воспринимать большие нагрузки, устойчивы к колебаниям и имеют прецизионную точность, вследствие чего ось верхнего вала 6 остается горизонтальной.
На верхний полукорпус 4 установлена крышка 11 с вертикальным резьбовым отверстием, куда устанавливается нажимной винт 12 с рычагом 13. В полости между крышкой 11 и плавающей опорой 9 установлен электронный динамометр сжатия 14 для измерения силы прижатия. Для того чтобы нагружение было центральным, используют шарик 15. Электронный динамометр 14 позволяет определить силу прижатия с высокой точностью и с помощью подключения к ПК отследить момент появления колебаний силы, что соответствует моменту контактного разрушения поверхности.
Для задания перекоса отверстие в верхнем полукорпусе 4 имеет эксцентриситет в вертикальном направлении (фиг. 4), вследствие чего подвижная нижняя опора 8 может перемещаться в вертикальной плоскости. Для обеспечения вращения в условиях перекоса используют сферические роликоподшипники 16 и муфту с торообразной оболочкой 17. Перекос осей задается с помощью винтовой пары, в которую входит болт 18. Значение перекоса определяется геометрически по известному расстоянию между центром неподвижной нижней опоры 19 и пазом 20 на измерительном приспособлении 21 под шарик индикатора часового типа 22, и по показаниям индикатора (перемещения в вертикальной плоскости). После задания перекоса приспособление 21 выкручивается, отверстие в подвижной нижней опоре 8 закрывается пробкой 23, и опора прижимается шпильками 24 (отверстия под шпильки имеют эксцентриситет аналогичный отверстию под переднюю опору).
Для проведения испытаний в условиях смазки применяют циркуляционную систему смазки. Известны готовые системы смазки, обеспечивающие нужную температуру масла и его фильтрацию от частиц износа. Для соединения циркуляционной системы с лабораторным стендом корпус выполнен герметичным и имеет впускные штуцеры 25, направленные на опору 9 верхнего вала 6, масло из данных штуцеров также попадает на опоры 8 и 19 нижнего вала 7. Для смазки исследуемой пары применен удлиненный штуцер 26. Для слива масла служит сливной штуцер 27, расположенный в днище корпуса. Соединение с системой подачи смазки осуществляют гибкими армированными напорными рукавами.
Устройство работает следующим образом: фрикционная передача приводится во вращение электродвигателем, перекос оси нижнего вала 7 относительно оси верхнего вала 6 производится посредством винтовой пары (болта 18) и замеряется индикатором часового типа 22, после чего подвижная опора 8 закрепляется шпильками 24 и происходит нагружение фрикционной передачи посредством винта 12, расположенного в крышке 11. Сила прижатия и момент разрушения образцов 5 фиксируются с помощью электронного динамометра 14, расположенного между винтом 12 и плавающей опорой 9.
В результате применения вышеописанных конструктивных особенностей стенд позволяет имитировать условия работы роликоподшипника, а вследствие задания известного перекоса осей, известной рабочей температуры и силы прижатия (которая определяет контактные напряжения в исследуемой паре), а также измерения момента трения качения посредством муфты 28, измеряющей крутящий момент, находящейся перед торообразной муфтой 17 (фиг. 1), появляется возможность исследования ресурса поверхностей тел качения и дорожек качения роликоподшипников в зависимости от угла перекоса между осями, с учетом режима работы.
Применение предлагаемой установки позволяет более точно прогнозировать ресурс роликоподшипников исходя из перекоса между осями тел качения и дорожек качения, что является следствием точности изготовления и условий работы.