Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов
DEVICE FOR DETERMINING COEFFICIENT OF FRICTION OF LUBRICANTS

Изобретение 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.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов (патент на полезную модель РФ №200036 МПК G01N 19/02, опубл. 01.10.2020. Бюл. №28. Прототип), содержащее подвижный вал, на котором расположены направляющая втулка, направляющая коническая втулка, контртело в виде конической втулки, направляющая цилиндрическая втулка, индентор, линейные подшипники, направляющие винты при этом на подвижном валу расположено кольцо подачи смазывающей технологической среды (СТС) с установленным в нем соплом для возможности подачи СТС в распыленном состоянии, при этом в подвижном валу выполнен канал для подачи СТС в контактную зону. Для предотвращения от вращения кольца подачи СТС и гильзы предусмотрена пластина, установленная на торце кольца подачи СТС, кинематически связанная с неподвижным основанием. Измерение значений крутящего момента осуществляется при помощи электронного динамометра, кинематически связанного с направляющей втулкой. С целью снижения сил трения на подвижном валу установлены линейные подшипники между направляющей цилиндрической и направляющей втулками.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Подвижный вал одним концом устанавливается в кулачках токарного патрона, а противоположным концом поджимается вращающимся центром. Индентор, расположенный перпендикулярно оси подвижного вала, контактирует с контртелом в виде конической втулки, установленной в отверстии направляющей конической втулки, зафиксированной при помощи направляющей втулки и направляющих винтов. Направляющие винты в свою очередь установлены в направляющей цилиндрической втулке, линейное перемещение которой предотвращает упорное кольцо, расположенное на подвижном валу и закрепленное при помощи установочных винтов. Для снижения сил трения при вращении подвижного вала, в отверстиях направляющей втулки и направляющей цилиндрической втулки установлены линейные подшипники, зафиксированные при помощи стопорных колец, при этом между торцовой поверхностью направляющей цилиндрической втулки и упорным кольцом установлен упорный подшипник, служащий также для снижения сил трения. Подача СТС осуществляется через каналы, расположенные в подвижном валу и сопла, герметично установленного при помощи резиновых прокладок в отверстии кольца подачи СТС, где последнее герметично установлено на подвижном валу, при помощи ушютнительных кольцевых прокладок, обеспечивающих бесперебойную подачу СТС в контактную зону при вращении подвижного вала. Для предотвращения попадания СТС в шпиндель токарного станка (на чертеже не указан), предусмотрен винт с потайной головкой и внутренним шестигранником, установленный в отверстии подвижного вала. Для экономичного использования СТС и предотвращения от загрязнения оборудования, конструкцией предусмотрено использование специальной гильзы, герметично установленной на направляющей конической втулке и направляющей цилиндрической втулке при помощи ушютнительных прокладок, с установленной трубкой для отбора смазочного материала. Конструкцией также предусмотрена специальная пластина, установленная на торцевой поверхности кольца подачи СТС при помощи фиксирующих винтов и специальная лапка (на чертеже позиция отсутствует), расположенная на направляющей втулке, к которым прикреплена штанга при помощи установочных колец, с установленными фторопластовыми вставками, контактирующими с упором, зафиксированным в неподвижном основании, что предотвращает вращение кольца подачи СТС и гильзы при вращении подвижного вала. При вращении подвижного вала, в контактной паре образованной индентором и контртелом в виде конической втулки, возникает крутящий момент, который передается на электронный динамометр, которым производится регистрация показаний, через направляющую втулку посредством кинематической связи.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности производить барботирование СТС, например активными газами, также отсутствует возможность исследования влияния ионизированного газа на изменение коэффициента трения смазочных материалов.
Техническим результатом изобретения является высокая точность определения коэффициента трения смазочных материалов и универсальность замены испытуемых образцов, а также возможность производить барботирование СТС, что актуально при исследовании трибологических свойств масел в сочетании с активными газами при использовании в качестве контактных пар быстрорежущей стали и титанового сплава, также устройство позволяет исследовать влияние ионизированного газа на изменение коэффициента трения смазочных материалов.
Это достигается тем, что заявляемое устройство, содержащее подвижный вал, на котором расположены направляющая втулка, направляющая коническая втулка, контртело в виде конической втулки, направляющая цилиндрическая втулка, индентор, линейные подшипники, направляющие винты, при этом на подвижном валу расположено кольцо подачи СТС с установленным в нем соплом для возможности подачи СТС в распыленном состоянии, при этом в подвижном валу изготовлен канал для подачи СТС в контактную зону индентора и контртела, в свою очередь, для предотвращения от проворачивания кольца подачи СТС и гильзы, предусмотрена пластина, установленная на торце кольца подачи СТС, кинематически связанная с неподвижным основанием, при этом измерение значений крутящего момента осуществляется электронным динамометром, кинематически связанным с направляющей втулкой, также с целью снижения сил трения на подвижном валу установлены линейные подшипники между направляющей цилиндрической и направляющей втулками.
Отличием данного технического решения от прототипа является тот факт, что для подачи барботированной СТС в контактную зону металлических пар, в емкость для СТС подается газ, давление которого регулируется при помощи винтов для регулировки подачи сжатого газа, который проходит через инжектор смеси газов по каналу для подачи сжатого газа в сопла, расположенные в емкости для СТС и погруженные в объем СТС, где газ поступает до момента насыщения, в результате чего часть газа растворяется в СТС, остальная часть выходит наружу через клапан избыточного давления, в свою очередь, для подачи в контактную зону трущихся металлических пар ионизированного газа, либо для образования аэрозоли сочетанием ионизированного газа и СТС, устройство снабжено ионизатором газа, расположенным на канале для подачи сжатого газа, а для образования аэрозоли в сочетании с несколькими видами газов, устройство содержит инжектор смеси газов.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства для определения коэффициента трения смазочных материалов.
Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержит вращающийся центр 1, подвижный вал 2, линейные подшипники 3, 26, стопорные кольца 4, 18, 31, 65, направляющие винты 5, направляющую втулку 6, подшипники качения 7, шпильку 8, фиксирующие кольца 9, электронный динамометр 10, державку 11, индентор 12, гильзу 13, установочные винты 14, упорное кольцо 15, трубку для отбора смазочного материала 16, упорный подшипник 17, уплотнительные прокладки 19, основание 20, упор 21, фторопластовые вставки 22, штангу 23, установочные кольца 24, направляющую цилиндрическую втулку 25, пластину 27, кольцо подачи СТС 28, уплотнительные кольцевые прокладки 29, кулачки токарного патрона 30, винт с потайной головкой и внутренним шестигранником 32, фиксирующие винты 33, 57, сопла 34, 60, направляющие гильзы 35, 49, резиновые прокладки 36, манометры 37, 41, 46, 48, 61, канал для подачи СТС 38, каналы для подачи сжатого газа 39, 51, 52, 59, ионизатор газа 40, датчик расхода СТС 42, винт для регулировки подачи сжатого газа 43, 45, 47, 62, винт для регулировки подачи СТС 44, инжекторы смеси газов 50, 63, клапан избыточного давления 53, датчик уровня СТС 54, крышку 55, прокладку 56, емкость для СТС 58.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Индентор 12, установленный перпендикулярно оси подвижного вала 2, контактирует с конической втулкой (контртелом) 65, которая установлена в отверстии направляющей конической втулки 64 и зафиксирована при помощи направляющей втулки 6 и направляющих винтов 5, которыми создается нагрузка на контактную пару, образованную индентором 12 и конической втулкой (контртелом) 65. В свою очередь направляющие винты 5 установлены в направляющей цилиндрической втулке 25, от линейного перемещения которой предотвращает упорный подшипник 17 и упорное кольцо 15, зафиксированное при помощи установочных винтов 14. Для снижения сил трения, на подвижном валу 2 расположены линейные подшипники 3, 26, установленные в отверстии направляющей втулки 6 и направляющей цилиндрической втулки 25, зафиксированные стопорными кольцами 4, 18, 31, 66. Подача СТС осуществляется через каналы, расположенные в подвижном валу 2, в которые среда поступает при помощи кольца подачи СТС 28 и сопла 34, в свою очередь сопло 34 герметично установлено в отверстии кольца подачи СТС 28 при помощи направляющей гильзы 35 и резиновых прокладок 36. В свою очередь кольцо подачи СТС 28 герметично закреплено на подвижном валу 2 при помощи уплотнительных кольцевых прокладок 29, обеспечивающие подачу СТС в контактную зону при вращении подвижного вала 2, в котором также установлен винт с потайной головкой и внутренним шестигранником 32 для предотвращения от попадания СТС в шпиндель токарного станка.
Для вторичного использования отработанной СТС, конструкцией предусмотрено наличие специальной гильзы 13, герметично установленной в направляющей конической втулке 64 и направляющей цилиндрической втулке 25 при помощи уплотнительных прокладок 19, через которую отработанная СТС поступает в трубку для отбора смазочного материала 16 затем повторно используется.
Вращение подвижного вала 2 осуществляется при помощи токарного станка (на чертеже не указан), имеющего в наличии частотный преобразователь (на чертеже не указан), обеспечивающий регулировку частоты вращения шпинделя (на чертеже не указан) в необходимом диапазоне. Фиксация подвижного вала 2 осуществляется при помощи кулачков токарного патрона 30 и вращающегося центра 1. Для предотвращения от проворачивания кольца подачи СТС 28 и гильзы 13, предусмотрена пластина 27, установленная на торце кольца подачи СТС 28 при помощи фиксирующих винтов 33 и лапка (на чертеже позиция отсутствует), расположенная на гильзе 13, на которые, при помощи установочных колец 24 закреплена штанга 23 с фторопластовыми вставками 22, контактирующая с упором 21, установленным в неподвижном основании 20.
При вращении подвижного вала 2, индентор 12 контактирует с конической втулкой (контртелом) 65, в результате чего, на направляющей втулке 6 возникает крутящий момент, передаваемый через расположенную на направляющей втулке 6 лапку (на чертеже позиция отсутствует), с установленной при помощи фиксирующих колец 9 шпилькой 8, и расположенными в ней подшипниками качения 7, контактирующие с державкой 11, установленной в электронном динамометре 10, при помощи которого производится регистрация значений крутящего момента.
В свою очередь для использования барботированной СТС, конструкция содержит емкость для СТС 58, в которой расположены сопла 60, закрепленные на крышке 55, соединенные с каналами для подачи сжатого газа 51, 52, при помощи штуцеров (позиция на чертеже не указана). Сжатый газ поступает в емкость для СТС 58 через инжектор смеси газов 50, установленный в направляющей гильзе 49. Инжектор смеси газов служит для возможности барботирования СТС как одним видом газа, так и нескольким. Давление газа в процессе барботирования СТС регулируется при помощи винтов для регулировки подачи сжатого газа 45, 47 и манометров 46, 48.
Конструкция устройства позволяет подавать СТС в контактную зону металлических пар в виде аэрозоли, свободно падающей струей, а также струей под давлением. При помощи винта для регулировки подачи сжатого газа 43 и винта для регулировки подачи СТС 44, обеспечиваются необходимые параметры аэрозоли. Для подачи СТС в сочетании с различными газами, конструкция устройства снабжена инжектором смеси газов 63.
Для подачи СТС свободно падающей струей блокируется подача сжатого газа при помощи винта для регулировки подачи сжатого газа 43, в свою очередь винт для регулировки подачи СТС 44 остается в открытом положении.
Для подачи СТС струей под давлением, при помощи винта для подачи сжатого газа 62, в канал для подачи сжатого газа 59 подается сжатый газ, который заполняет емкость для СТС 58, вытесняя СТС. Для поддержания постоянного давления в емкости для СТС 58, на крышке 55 расположен клапан избыточного давления 53. Герметичность установки крышки 55 обеспечивается при помощи прокладки 56 и фиксирующих винтов 57.
Расход СТС регулируется при помощи винта для регулировки подачи СТС 44, датчика расхода СТС 42 и датчика уровня СТС 54. Давление газа в емкости для СТС контролируется при помощи манометра 61. Для обеспечения постоянного давления газа в емкости для СТС 58, на крышке 55 расположен клапан избыточного давления 53. Давление СТС в канале для подачи СТС 38, регулируется при помощи манометра 41.
Для подачи в контактную зону металлических пар ионизированного газа, а также для использования ионизированного газа для образования аэрозоли, устройство содержит ионизатор газа 40, который расположен в канале для подачи сжатого газа 39. Давление газа в канале для подачи сжатого газа 39, регулируется при помощи манометра 37.
Устройство работает следующим образом. Подвижный вал одним концом устанавливается в кулачках токарного патрона, а противоположным концом поджимается вращающимся центром.
Индентор, расположенный перпендикулярно оси подвижного вала, контактирует с конической втулкой (контртелом), установленной в отверстии направляющей конической втулки и зафиксированной при помощи направляющей втулки, а также направляющих винтов. Направляющие винты в свою очередь установлены в направляющей цилиндрической втулке, линейное перемещение которой предотвращает упорное кольцо, расположенное на подвижном валу при помощи установочных винтов. Для снижения сил трения при вращении подвижного вала в отверстиях направляющей втулки и направляющей цилиндрической втулки установлены линейные подшипники, зафиксированные при помощи стопорных колец, при этом между торцовой поверхностью направляющей цилиндрической втулки и упорным кольцом установлен упорный подшипник, служащий также для снижения сил трения.
Подача СТС осуществляется через каналы, расположенные в подвижном валу и сопла, герметично установленного при помощи направляющей гильзы и резиновых прокладок в отверстии кольца подачи СТС, где последнее герметично установлено на подвижном валу, при помощи уплотнительных кольцевых прокладок, обеспечивающих бесперебойную подачу СТС в контактную зону при вращении подвижного вала.
Для предотвращения попадания СТС в шпиндель токарного станка (на чертеже не указан), предусмотрен винт с потайной головкой и внутренним шестигранником, который устанавливается в отверстии подвижного вала. Для экономного использования СТС и предотвращения от загрязнения оборудования, конструкцией предусмотрено использование специальной гильзы, которая устанавливается на направляющей конической втулке и направляющей цилиндрической втулке, герметичность которой обеспечивается при помощи уплотнительных прокладок. В отверстие гильзы устанавливается трубка для отбора смазочного материала.
Также конструкцией предусмотрено наличие специальной пластины, которая устанавливается на торцевой поверхности кольца подачи СТС при помощи фиксирующих винтов, и наличие специальной лапки (на чертеже позиция отсутствует), расположенной на направляющей втулке, к которым прикрепляется штанга при помощи установочных колец, с установленными фторопластовыми вставками, контактирующими с упором, зафиксированным в неподвижном основании, что предотвращает проворачивание кольца подачи СТС и гильзы при вращении подвижного вала. В емкость для СТС помещается СТС и герметично закрывается крышкой. Герметичность установки крышки обеспечивается при помощи прокладки и фиксирующих винтов.
При помощи винта для регулировки подачи СТС, СТС подается в сопло, также по каналу для подачи сжатого газа подается сжатый газ, который смешивается с СТС в сопле, образуя аэрозоль.
Параметры аэрозоли регулируется при помощи винта для подачи сжатого газа и винта для регулировки подачи СТС. Для подачи СТС свободно падающей струей блокируется подача сжатого газа при помощи винта для регулировки подачи сжатого газа, при этом винт для регулировки подачи СТС остается в открытом положении. Для подачи СТС струей под давлением, через канал для подачи сжатого газа в тигель подается сжатый газ, который вытесняет СТС. Расход СТС контролируется при помощи винта для регулировки подачи СТС, датчика расхода СТС и датчика уровня СТС, расположенного на крышке. Для подачи барботированной СТС в контактную зону металлических пар, в емкость для СТС подается газ, либо смесь газов, при помощи винтов для регулировки подачи сжатого газа, который проходит через инжектор смеси газов по каналу для подачи сжатого газа в сопла, которые расположены в емкости для СТС и погружены в объем СТС. При помощи сопел, газ под давлением подается в объем СТС до момента насыщения, в результате чего часть газа растворяется в СТС, остальная часть выходит наружу через клапан избыточного давления.
Для подачи в контактную зону трущихся металлических пар ионизированного газа, либо для образования аэрозоли сочетанием ионизированного газа и СТС, конструкция устройства снабжена ионизатором газа, который расположен в канале для подачи сжатого газа. Также для подачи аэрозоли в сочетании с несколькими видами газов, устройство содержит инжектор смеси газов. При вращении подвижного вала, в контактной паре образованной индентором и конической втулкой (контртелом) возникает крутящий момент, который передается на электронный динамометр, при помощи которого производится регистрация показаний, через направляющую втулку посредством кинематической связи.