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, содержащий 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 индетором, 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 контертелом 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, который подключен 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. Техническим результатом полезной модели является повышение точности определения коэффициента трения смазочных материалов и универсальность замены испытуемых образцов.
Недостатками известного устройства является отсутствие возможности охлаждения зоны контакта металлических пар, для исследования коэффициента трения смазочных материалов в условиях низких температур.
Техническим результатом полезной модели является высокая точность определения коэффициента трения смазочных материалов, а также возможность исследования трибологических свойств смазочных материалов в условиях низких температур.
Это достигается тем, что заявляемое устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов, содержащее неподвижный вал, на котором расположены направляющая коническая втулка, контртело в виде конической втулки, индентор, линейный подшипник, при этом измерение значений крутящего момента осуществляется при помощи электронного динамометра, кинематически связанного с неподвижным валом, также с целью снижения сил трения на неподвижном валу установлен линейный подшипник, расположенный в отверстии направляющей конической втулки, при этом,необходимая нагрузка на контактную пару обеспечивается путем подбора пружины необходимой жесткости.
Отличием данного технического решения от прототипа является тот факт, что конструкцияустройства позволяет осуществлять охлаждение зоны контакта металлических пар при помощи сопла, соединенного с каналом, на котором расположена вихревая трубка, обеспечивающая охлаждение сжатого газа благодаря эффекту Ранка-Хилша, также устройство снабжено дополнительным каналом для подачи сжатого газа, в свою очередь контроль температуры охлаждения контактной зоны осуществляется при помощи искусственной термопары, образованной хромель-копелевыми электропроводами, спай которой расположен в непосредственной близости от контакта конической втулки (контртело) и индентора, в специально просверленном отверстии.
Полезная модель представлена на чертеже:
фиг. 1 - конструктивная схема устройства для определения коэффициента трения смазочных материалов в осевом сечении.
Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержит неподвижный вал 1, электропровод (хромель) 2, электропровод (копель) 3, милливольтметр 4, сопло 5, 8, коническую направляющую втулку 6, индентор 7, каналы 9, 13, 14, теплоизолирующий материал 10, 26, металлическую обшивку 11, клапаны 12, вихревую трубку 15, кулачки токарного патрона 16, стопорные кольца 17, 22, 33, упорный подшипник 18, упорное кольцо 19, фиксирующие винты 20, линейный подшипник 21, упорную шайбу 23, пружины 24, 28, коническую втулку (контртело) 25, кожух 27, упорную гайку 29, электронный динамометр 30, державку 31, шпильку 32, подшипники качения 34.
Принцип работы устройства заключается в следующем.
Коническая направляющая втулка 6 с конической втулкой (контртело) 25 закрепляется при помощи кулачков токарного патрона 16 на токарном станке (на чертеже не указан), при этом индентор 7 установлен в отверстии неподвижного вала 1 контактирующий с конической втулкой (контртело) 25, при этом контактная нагрузка индентора 7 и конической втулки (контртело) 25 регулируется путем подбора пружины 28 необходимой жесткости. Коническая втулка (контртело) 25 фиксируется при помощи упорной гайки 29. Устройство позволяет производить измерения по всей длине образующей конической втулки (контртело) 25 путем перемещения неподвижного вала 1 вдоль оси, фиксация которого осуществляется при помощи упорного кольца 19 и фиксирующих винтов 20 а также при помощи пружины 24, контактирующей с неподвижным валом 1 и упорной шайбой 23.
Коническая направляющая втулка 6, содержит линейный подшипник 21, зафиксированный при помощи стопорных колец 17, 22, в свою очередь, неподвижный вал 1 расположен в отверстии конической направляющей втулки 6, также на неподвижном валу 1 установлен упорный подшипник 18 зафиксированный при помощи упорного кольца 19 и фиксирующих винтов 20.
Подача СТС в контактную зону индентора 7 и конической втулки (контртело) 25 осуществляется при помощи сопла 5.
2
На неподвижном валу 1 имеется лапка с шпилькой 32 зафиксированная при помощи стопорных колец 33, и установленными в ней подшипниками качения 34, контактирующие с державкой 31, при вращении конической направляющей втулки 6 с конической втулкой (контртело) 25, в свою очередь державка 31 установлена в электронном динамометре 30, при помощи которого производится регистрация значений крутящего момента. Устройство позволяет производить исследования при низких (ниже нуля °С) температурах в контактной зоне металлических пар. Для этого устройство снабжено соплом 8, из которого под давлением подается охлаждённый газ на коническую направляющую втулку 6, с расположенными на поверхности ребрами, для лучшего охлаждения. Сопло 8 в свою очередь соединено с каналом 9, в котором также расположены каналы 13, 14. Сжатый газ подается в вихревую трубку 15, и охлаждается благодаря вихревому эффекту (эффекту Ранка-Хилша). Также дополнительно устройство содержит канал для подачи охлажденного сжатого газа, например СО. В каналах 13, 14, также расположены клапаны 12, для возможности использования двухканальной системы подачи охлажденного сжатого газа, соединенные с одним центральным каналом. Для тепловой изоляции системы устройство снабжено теплоизолирующим материалом 10, расположенным на каналах 9, 13, 14, которые защищены от внешнего механического воздействия при помощи металлической обшивки 11, также для снижения распространения охлажденного газа в окружающую среду, и для более концентрированного его действия, на устройстве расположен специальных кожух 27, также содержащий теплоизолирующий материал 26. Для контроля температуры в контактной зоне металлических пар, устройство содержит искусственную термопару, образованную электропроводом (хромель) 2 и электропроводом (хромель) 3, спай которой расположен в отверстии индентора 7, в непосредственной близости от контактной зоны металлических пар.
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 и соответственно конической направляющей втулки.
Коническая направляющая втулка устанавливается в четырехкулачковом патроне. Индентор, расположенный в отверстии неподвижного вала, контактирует с конической втулкой (контртелом), а нагрузка контактной пары регулируется путем подбора пружины необходимой жесткости, расположенной в отверстии неподвижного вала, контактирующей с индентором, в свою очередь коническая втулка (контртело) установлена в отверстии конической направляющей втулки, которая содержит линейный подшипник и упорный подшипник, позволяющие 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.
2
На неподвижном валу расположена специальная лапка с закрепленной на ней шпилькой, на которую устанавливаются подшипники качения, контактирующие с установленной в электронном динамометре державкой. При вращении конической направляющей втулки индентор контактирует с конической втулкой (контртелом), в результате чего создается крутящий момент на неподвижном валу, который передается через лапку с расположенной в ней шпилькой на державку, установленную в электронном динамометре, при помощи которого производится регистрация показаний. Подача СТС в контактную зону индентора и конической втулки (контртело) осуществляется при помощи сопла, расположенного в непосредственной близости от зоны контакта металлических пар. Также устройство содержит сопло, которое подает охлажденный сжатый газ на поверхность направляющей конической втулки, которая имеет ребристую поверхность для лучшего охлаждения. Сжатый газ подается в вихревую трубку при помощи которой охлаждается до необходимой температуры, благодаря вихревому эффекту (эффекту Ранка-Хилша), в случае если температуры охлаждения недостаточно, устройство снабжено дополнительным каналом, для подачи сжатого газа например СО. Для снижения тепловых потерь, на каналах для подачи сжатого газа расположен теплоизолирующий материал, защищенный от внешнего механического воздействия металлической обшивкой.
Для контроля температуры охлаждения контактной зоны металлических пар устройство снабжено искусственной термопарой, образованной хромель-копелевыми электропроводами, спай которой расположен в отверстии индентора, в непосредственной близости от контактной зоны. Регистрация температуры производится при помощи милливольтметра.