УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ

Устройство относится к трибометрии, а именно к методам исследования трибологических характеристик (момент трения, величина износа, температура в зоне трения, совместимость трибопар) машиностроительных материалов и рабочих сред (смазочных материалов и др.).
Известны, серийно выпускаемые промышленностью, устройства для оценки трибологических характеристик материалов марок: УМТ - 1, 2168 УМТ «Унитриб».
Наиболее близкой по технической сущности является устройство УМТ - 1, в которой реализуется схемы трбоиспытаний «палец - диск», торцы колец, содержащая электромеханический привод, редуктор, с регулировкой скорости вращения шпинделя, на котором закреплена планшайба, предназначенная для установки на ней сменного контробразца типа диска, приводимого в движение асинхронным электродвигателем. На валу бабки установлен диск, на котором под углом 120° и при фиксированном радиусе закрепляются три пальчиковых образца. Диск связан посредствам гибкой связи с полым валом, взаимодействующим с упругим элементом силоизмерителя. Гибкая связь обеспечивает податливость в осевом направлении, т.е. возможность осевого перемещения диска при износе образцов и его самоустанавливаемость, одновременно осуществляя безлюфтовую передачу момента трения. Нагружение создается автономным пневомеханизмом.
Недостатком конструкции машины-прототипа является реализация одной схемы испытания на трение «палец - диск», что существенно ограничивает функциональные возможности машины трения и не позволяют реализовать более сложные схемы испытания материалов и смазочных материалов. Конструкцией машины не предусмотрено наличие камеры, позволяющей проводить испытание материалов, например, в абразивной среде, что также сужает круг решаемых возможных трибологических исследований.
К числу недостатков машины следует отнести систему оценки трибологических параметров трения, а именно момента трения (несмотря на то, что она обеспечивает самоустанавливаемость и одновременно осуществляя безлюфтовую передачу момента трения), поскольку для измерения момента трения в конструкции машины используются подвижные части (а именно осевое перемещение диска и гибкая связь), это может способствовать перекосу движущихся частей, их заклиниванию, и соответственно к искажению значения момента трения.
Дополнительно с этим существенным недостатком конструкции машины трения УМТ - 1 является система нагружения образцов, использующая пневмопривод, это приводит к низкой точности воспроизведения нагружающей силы, что обусловлено наличием автономных систем управления и контроля давления воздуха в системе и усложнению конструкции машины.
Система нагружения образцов представляет собой конструкцию с линейным перемещением диска (диск с образцами трения), обладает малой жесткостью, что оказывает влияние на биение диска и на точность трибологических испытаний.
В дополнении к недостаткам машины следует отнести регистрацию момента трения и температуру неподвижного образца на ленту самопишущего прибора, что требует дополнительного времени на расшифровку данных.
Близким по техническому решению к предлагаемому устройству является машина 2168 УМТ «Унитриб», приятая в качестве прототипа.
Универсальная машина для испытания материалов на трение 2168 УМТ предназначена для испытания фрикционных и антифрикционных, а также смазочных материалов на трение и износ [1].
Схемы испытаний: диск-палец, диск-колодка, стержень-палец. Привод машины - электромеханический с регулированием скорости. Нагружение образцов - пневматическое (от сети или от баллона), измерение силы прижима - манометрическое. Охлаждение - водяное (от водопровода). В процессе испытаний измеряют момент трения, силу прижима, температуру, частота вращения образцов [1, 2].
К недостаткам машины 2168 УМТ следует отнести:
многозвенную конструкцию системы нагружения образцов, что снижает надежность машины в целом и вносит погрешности в измерение трибологических характеристик исследуемых материалов;
инерционность приводных валов, что приводит к погрешностям при измерении трибологических характеристик материалов;
измерение трибологических характеристик, а именно, момента трения производится с помощью упругого элемента, снижающего точность измерения трибологических характеристик материалов и требующий периодического метрологического контроля.
Помимо перечисленных недостатков конструкции машины 2168 УМТ, следует отметить необходимость использования в качестве нагружающего элемента мембранного пневмомеханизма, что определяет применение воздушной линии высокого давления воздуха или баллонного оборудования. Использование пневматических устройств в качестве нагружающих механизмов характеризуется нестабильным режимом нагружения образцов, вследствие необходимости контроля давления в системе подачи воздуха.
Все перечисленные недостатки делают невозможным создание реальных условий функционирования испытуемого трибосопряжения, присутствующего в реальных машинах и механизмах [3].
В основу полезной модели положена техническая задача, заключающаяся в повышении достоверности определения трибологических характеристик материалов и смазочных жидкостей в расширенном диапазоне нагрузочных, температурных и скоростных режимов, расширения функциональных возможностей устройства для трибологических испытаний материалов, универсальности устройства (возможности применения в одном устройстве нескольких схем испытания материалов), а также уменьшения:
количества кинематических элементов устройства для определения трибологических характеристик материалов и, как следствие, снижения материалоемкости конструкции, что допускает возможность его мобильного применения;
стоимости и затрат на монтаж устройства.
Решение поставленной задачи достигается тем, что согласно полезной модели, устройство для определения трибологических характеристик материалов, содержащее раму, на которой расположены салазки, с размещаемой на них рамой электродвигателя, на которой монтируются электродвигатель и шпиндель, и рамой для механизма нагружения, на которой установлен механизм нагружения контробразцов, при этом салазки выполнены с возможностью соосного размещения шпинделя и механизма нагружения контрообразцов, динамометр регистрирующий момент трения, который по средствам резьбовых соединений жестко связан с рамой устройства, причем механизм нагружения контробразцов состоит из корпуса опоры, корпуса подшипников, и измерительной оси, выполненной с возможностью расположения на ней неподвижных образцов, и установленной в корпусе подшипников в конических подшипниках качения, причем в полости измерительной оси размешен шток нагружения в шариковых линейных подшипниках, обеспечивающих плавное линейное перемещение штока нагружения, причем шток нагружения представляет собой цилиндрический полый стержень, снабженный конусом, который предназначен для перемещения шариков, на которых находятся траверсы, выполненные с возможностью передачи движения посредством шариков к неподвижным образцам трения, причем удержание траверсы в измерительной оси осуществляется пружиной и шариком, жесткость пружины регулируется винтом, причем формируемый на измерительной оси момент трения, передается через рычаг на динамометр, причем рычаг связан с измерительной осью посредством резьбового соединения, а с динамометром через шарик, для балансировки рычага на нем размещен противовес, причем устройство содержит шток, выполненный с возможностью размещения на нем эталонных грузов, который посредствам шарнирного соединения связан с рычагом вилки, передающим нагрузку через вилку, шайбу и подшипник на шток нагружения, на раме устройства установлена съемная камера, позволяющая проводить испытания материалов в присутствии различных рабочих сред (в присутствии смазочных материалов, абразива и т.д.), причем в съемной камере установлены нагреватель, датчик температуры рабочей среды, детектор частиц износа.
Задача повышения достоверности регистрации значений действующего момента трения, в том числе и мгновенного, достигается применением динамометра, жестко закрепленного на раме устройства и связанного с измерительным рычагом посредствам шарового тела, выполненного в виде трансформаторного магнитоупругого датчика силы, снабженного прецизионным усилителем, с выхода которого передается аналоговый сигнал, соответствующий моменту трения на вход аналого-цифрового преобразователя, после чего оцифрованный сигнал поступает в ПЭВМ, при этом момент трения определяется посредствам математической обработки (расчета) оцифрованных данных в соответствующей программной среде.
Задача расширения функциональных возможностей устройства решается увеличением схем трибологических испытаний, то есть путем создания универсального устройства для определения трибологических характеристик материалов. Применение в устройстве для определения трибологических характеристик материалов нагружающего механизма, состоящего из вилки, передающей нагрузку от эталонных грузов через упорный подшипник качения и подвижного штока, установленного в полом вале на линейном подшипнике, позволяет реализовать испытания на трение и изнашивание по схемам испытаний типа: «кольцо - кольцо», «палец - кольцо», «колодка - диск», «шарик - диск», «ролик - диск», это позволяет имитировать работу распространенных узлов трения.
Помимо этого, задача расширения функциональных возможностей устройства решается путем применения в конструкции устройства, съемной камеры позволяющей проводить испытания образцов трения в присутствии смазочных, абразивных и др. материалов и/или непосредственно проводить трибологические исследования смазочных материалов (масел, консистентных смазок и т.д.).
На чертежах (фиг. 1-3) приняты следующие позиции:
1 - рама; 2 - рама; 3 - электродвигатель; 4 - шпиндель; 5 - механизм нагружения контробразцов; 6 - динамометр; 7 - съемная камера; 8 - нагреватель; 9 - датчик температуры; 10 - детектор частиц износа; 11 - предохранительная муфта; 12 - датчик; 13 - рама; 14 - салазки; 15 - корпус опоры; 16 - корпус подшипников; 17 - измерительная ось; 18 - конические подшипники; 19 - шток нагружения; 20 - шариковый линейный подшипник; 21 - шарик; 22 - траверса; 23 - контробразец; 24 - шарик; 25 - пружина; 26 - шарик; 27 - винт; 28 - рычаг; 29 - резьбовое соединение; 30 - шарик; 31 - противовес; 32 - эталонные грузы; 33 - шток; 34 - рычаг вилки; 35 - вилка; 36 - шайба; 37 - подшипник; 38 - корпус подшипников; 39 - диск; 40 - подшипники; 41 - контробразец; 42 - резьбовое соединение.
Предлагаемая конструкция устройства поясняется чертежом, на фиг. 1, где представлена принципиальная схема устройства для определения трибологических характеристик материалов.
Устройство состоит из рамы - 1, на которой расположены салазки - 14 с размещаемой на них рамой - 13, на которой монтируются электродвигатель - 3 и шпиндель - 4. Вращение от вала электродвигателя - 3 на шпиндель - 4 передается через фрикционную предохранительную муфту - 11. При превышении крутящего момента на валу электродвигателя происходит отключение муфты, что предотвращает его отказ. На раме - 2 установлен механизм нагружения контробразцов - 5. Салазки - 14 необходимы для соосного размещения шпинделя - 4 и механизма нагружения контрообразцов - 5, с целью уменьшения возможного биения шпинделя. Помимо этого, устройство содержит динамометр - 6 регистрирующий момент трения, выполненный в виде трансформаторного магнитоупругого датчика силы. Динамометр - 6 по средствам резьбовых соединений жестко связан с рамой - 1 устройства. На раме - 1 установлена съемная камера - 7, позволяющая проводить испытания материалов в присутствии различных рабочих сред (например, в присутствии смазочных материалов, абразива и т.д.). Для контроля процессов трения и регулирования температурных режимов рабочих сред (в частности, смазочных материалов) в съемной камере - 7 расположены: нагреватель - 8, датчик температуры рабочей среды - 9, детектор частиц износа - 10. Нагреватель - 8 в конструкции устройства предусмотрен для испытания смазочных материалов при повышенных температурах. Датчик температуры рабочей среды - 9 предназначен для контроля и поддержания теплового режима рабочей среды (смазочного материала), а также передачи данных на устройство терморегулирования, связанного с нагревателем - 8. Помимо этого, датчик температуры - 9 может отдельно использоваться в устройстве для отображения текущей температуры рабочей среды (смазочного материала) без применения внешнего нагрева. Детектор частиц износа - 10 в конструкции предлагаемого устройства предназначен для контроля процесса изнашивания материалов путем оценки концентрации и размеров частиц износа в рабочих средах (смазочных материалов). Дополнительно устройство оснащено датчиком - 12, предназначенным для передачи на регистрирующий прибор информации о частоте вращения шпинделя - 4 и пути трения. Регистрирующий прибор может быть настроен таким образом, что при наработке заданного количества циклов или пути трения электродвигатель устройства для определения трибологических характеристик материалов может автоматически отключаться.
Механизм нагружения контробразцов (фиг. 2) устанавливается на раму - 2 и состоит из корпуса опоры - 15, корпуса подшипников - 16, и измерительной оси - 17, установленной в корпусе подшипников - 16 в конических подшипниках качения - 18. В полости измерительной оси - 17 размещен шток нагружения - 19 в шариковых линейных подшипниках - 20, обеспечивающих плавное линейное перемещение штока нагружения - 19. Шток нагружения - 19 представляет собой цилиндрический полый стержень, снабженный конусом. Конус необходим для перемещения шариков - 21, на которых находятся траверсы - 22. Передача движения от траверсы - 22 к неподвижному образцу трения - 23, расположенному на измерительной оси - 17, реализуется посредствам шарика - 24. Удержание траверсы - 22 в измерительной оси - 17 осуществляется пружиной - 25 и шариком - 26. Жесткость пружины регулируется винтом - 27. Момент трения, формируемый на измерительной оси - 17, передается через рычаг - 28 на динамометр - 6, сигнал с которого поступает и передается для последующей обработки в ПЭВМ.
Рычаг - 28 связан с измерительной осью посредством резьбового соединения - 29, а с динамометром - 6 через шарик - 30. Для балансировки рычага - 28 с целью уменьшения влияния паразитного веса на динамометр - 6 на рычаге - 28 размещены противовес - 31. Нагрузка на образцы трения создается эталонными грузами - 32, размещенными на штоке - 33. Шток - 33 посредствам шарнирного соединения связан с рычагом вилки - 34. Далее нагрузка через вилку - 35, шайбу - 36 и подшипник - 37 передается на шток нагружения - 19.
Шпиндель (фиг. 3) состоит из рамы - 13, на которой размещены электродвигатель - 3 связанный со шпинделем фрикционной предохранительной муфтой - 11, корпуса - 38 с установленными в нем двумя коническими подшипниками качения - 40, служащими опорами для диска - 39, в котором изготовлена внутренняя полость, предназначенная для установки в нее контробразца - 41. Установка контробразца в полость осуществляется посредствам переходной посадки, с последующим его фиксированием с помощью резьбового соединения - 42.
Применение предлагаемого устройства для определения трибологических характеристик материалов позволяет получать достоверные результаты испытаний за счет уменьшения динамической составляющей нагрузки пары трения, вызываемой неизбежным при практических испытаниях биением цилиндрической поверхности диска, которая (динамическая составляющая) пропорциональна не только величине биения, но и массе и жесткости системы нагружения; усилие нагружения пары трения за счет разработанной конструкции устройства с четырьмя контртелами оказывает незначительное влияние на подшипники вала привода диска.
В результате патентного поиска не выявлено технических решений, идентичных заявляемому, что соответствует критерию «новизна».
Предлагаемое устройство может применяться в трибометрии для определения трибологических характеристик материалов, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Новая совокупность признаков, а именно: наличие рычажных систем нагружения и измерения момент трения, шпинделя и механизма нагружения, образующих замкнутый силовой контур и взаимодействующей с измерительным устройством, позволяет повысить достоверность оценки трибологических характеристик материалов, что подтверждает причинно-следственную связь новой совокупности признаков и достигнутого результата, которые не были известны из уровня техники до создания данного технического решения, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».
Источники информации
1. Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник / под ред. К.В. Фролов, Е.А. Марченко. - М.: Машиностроение, 2008. - 384 с.
2. Куксенова Л.И. Методы испытания на трение и износ: Справ. изд. / Л.И. Куксенова, В.Г. Лаптева, А.Г. Колмаков, Л.М. Рыбакова - М: «Интермет Инжиниринг», 2001. - 152 с.
3. Карасик И.И. Методы трибологических испытаний в национальных стандартах стран мира / под ре. В.Я. Кершенбаума. Центр «Наука и техника», 1993. - 327 с.