СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛАСТОМЕРНЫХ ПОДШИПНИКОВ
TEST BENCH FOR ELASTOMER BEARINGS

Стенд для испытаний эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета относится к испытательному оборудованию, а именно к стендам для испытаний (типовых, ресурсных, сертификационных, периодических) образцов эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета на воздействие динамических и статических нагрузок с характерными для полета углами качания и частотой изменения указанных нагрузок.
Для вертолетной техники характерными являются высоко нагруженные шарниры с относительно не большими углами качания. Подшипники качения для таких нагрузок имели бы большие габариты и массу. А подшипники скольжения неприемлемо большую силу трения при повороте. Конструктивным решением, обеспечивающим сочетание малых массы и габаритов, а также приемлемые нагрузочную способность и сопротивление повороту, являются эластомерные подшипники. Такие подшипники выполняются из нескольких чередующихся слоев резины и металла, которые расположены между металлическими обоймами.
Стенды для испытания подшипников качения, как правило, построены по схеме с полным поворотом подшипника на 360 градусов и приложением при этом нагрузки в одном или двух направлениях, перпендикулярных движению.
Известны стенды для испытания подшипников скольжения с поворотом подшипника на угол меньший 360 градусов. Наиболее близким является «Стенд для испытания подшипников скольжения» (патент SU 517826, G01M 13/04, F16C 17/00, публ. 16.06.1976 г.),содержащий станину, механизм привода с кривошипом, рабочий вал с испытуемыми подшипниками скольжения и систему нагружения и регистрации параметров трения, при этом с целью расширения испытуемой поверхности трения при различных видах нагружения, кривошип механизма привода выполнен в виде диска с пазом, в котором размещен регулируемый в радиальном направлении палец, связанный посредством двух шарнирных рычагов с рабочим валом, при этом система нагружения имеет укрепленные на станине гидроцилиндры, штоки которых упираются в центральную и консольную части обойм рабочего вала.
Недостатком конструкции данного стенда является то, что жесткость заделок обойм подшипников, на которые наносится радиальная нагрузка, одинакова, как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. Это не позволяет использовать конструкцию этого стенда для испытания эластомерных подшипников. Т.к. в случае если жесткость заделок выше жесткости резинометаллических слоев эластомерных подшипников, то радиальная нагрузка будет восприниматься этими заделками обойм, и не будет передаваться на резинометаллические слои. Если жесткость заделок будет ниже жесткости подшипника, то тангенциальные усилия будут восприниматься как поперечные силы, действующие на штоки нагружающих гидроцилиндров, что вызовет повышенное трение на опорно-направляющих элементах гидроцилиндров. Конструкция данного стенда осложняет применение датчиков силы для измерения радиальной нагрузки на образцы эластомерных подшипников, что делает невозможным точное управление нагрузкой при испытаниях и не позволяет точно измерять величину этой нагрузки.
Техническая проблема, не решенная в описанных стендах, решение которой обеспечивается заявляемым изобретением, заключается в создании устройства, в котором реализована возможность точно задавать и контролировать нагрузки при испытаниях эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета;
это позволяет проводить испытания эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета, с точным выявлением ресурса;
- точный контроль нагрузок позволяет исключить неконтролируемые перегрузки образцов эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета, а также использовать для управления и контроля при испытаниях автоматическую систему управления и измерения, и как следствие осуществлять остановку стенда при выходе параметров испытаний за границы допусков, установленных программой испытаний.
Технический результат применения изобретения заключается в
- Повышении точности воспроизведения и измерения нагрузок;
- Исключении возникновение перегрузок образцов при испытаниях;
- Снижении трудоемкости проведения испытаний.
Технический результат достигается за счет того, что в стенде для испытаний эластомерных подшипников, содержащем раму 1 с установленным на ней гидроцилиндром 6, электродвигателем 7, кривошипным механизмом 9 оснащенным шатуном 10 и средства измерения, в соответствии с заявляемым изобретением, - на раме 1 шарнирно установлен трехплечий рычаг 12, к которому через шарнир 13 крепится шатун 10, соединенный с кривошипом 11, к подшипникам 15 рычага 12 с помощью крестовин 18 присоединены хвостовики плоских тяг 19, которые противоположными хвостовиками соединены с подшипниками 24 с помощью крестовин 20 коромысла 21, рычаг 30 одним концом шарнирно закреплен на перемычке 5 рамы 1, а к другому концу присоединен датчик силы 32, при этом на рычаге 30 закреплен кронштейн 29, а гидроцилиндр 6 соединен с датчиком силы 32 через шарнирную тягу 33.
При этом объекты испытаний, эластомерные подшипники (25), закреплены в центре коромысла (21) с помощью болтов наружными обоймами (26), при этом внутренние обоймы (27) подшипников (25) соединены с концом рычага (30), через кронштейн (29) и шайбу (34).
Кроме того, кривошипный механизм (9) выполнен с регулируемым эксцентриситетом.
При этом шатун (10) выполнен с возможностью регулирования по длине.
Применение в конструкции стенда датчика силы 32, который соединен с гидроцилиндром 6 через шарнирную тягу 33, позволяет точно контролировать нагрузки при испытаниях, и таким образом исключить неконтролируемые перегрузки образцов эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта. Кроме того, наличие датчика силы 32 позволяет использовать для управления и контроля при испытаниях автоматическую систему управления и измерения, и как следствие осуществлять остановку стенда при выходе параметров испытаний за границы допусков, установленных программой испытаний.
Наличие в конструкции стенда рычага 30, шарнирно закрепленного на перемычках 5 рамы 1, исключает влияние реакции сопротивления повороту образцов эластомерных подшипников 25 на датчик силы 32, обеспечивает его работу с высокой точностью и предохраняет датчик 32 от выхода из строя.
Поддержание величины усилия гидроцилиндра 6 под управлением адаптивной системы с использованием в качестве обратной связи сигнала датчика силы 32, а также запуск электродвигателя 7 в автоматическом режиме обеспечивает снижение трудоемкости проведения испытаний.
Конструкция стенда для испытаний эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - стенд, вид фронтальный.
фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1, место установки образцов эластомерных подшипников.
фиг. 3 - разрез Б-Б фиг. 1, место установки плоских тяг.
Стенд для испытаний эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта содержит раму 1, состоящую из основания 2, порталов 3 и 4 соединенных перемычками 5, с установленным на ее портале 4 гидроцилиндром 6, и закрепленным на основании 2 рамы 1 электродвигателем 7, который посредством ременной передачи 8 приводит во вращение кривошипный механизм 9 с регулируемым эксцентриситетом. Шатун 10 соединяет подвижный кривошип 11 кривошипного механизма 9 с трехплечим рычагом 12, через шарнир 13. В рычаге 12 установлены подшипники качения 14 и 15. Подшипники 14 наружными кольцами установлены в корпусе рычага 12, а внутренними на цапфах шайбы 16 жестко закрепленной на кронштейне 17, который закреплен на портале 3 рамы 1. Подшипники 15 наружными кольцами установлены в корпусе рычага 12, а во внутренних кольцах подшипников 15 установлены крестовины 18, в отверстия которых установлены плоские тяги 19. Плоские тяги 19 крепятся двумя концами в крестовинах 18 рычага 12 и в крестовинах 20 коромысла 21 с помощью гаек 22 через сферические шайбы 23. В коромысле 21 установлены подшипники 24 аналогичные подшипникам 15 в рычаге 12. В качестве центрального шарнира коромысла 21 установлены эластомерные подшипники 25 горизонтального шарнира втулки рулевого винта, являющиеся испытуемым образцом. Эластомерные подшипники 25 состоят из наружной обоймы 26, внутренней обоймы 27 и резинометаллических слоев 28 между ними. Наружные обоймы 26 устанавливаются в корпус коромысла 21, а внутренние обоймы 27 монтируются на кронштейн 29, закрепленный на рычаге 30. Последний закреплен на перемычках 5 рамы 1 с помощью шарнира 31. Рычаг 30 оснащен датчиком силы 32, который через шарнирную тягу 33 связан со штоком гидроцилиндра 6.
Стенд для испытаний эластомерных подшипников горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета работает следующим образом. Перед началом испытаний образец горизонтального шарнира рулевого винта вертолета, состоящий из двух эластомерных подшипников 25 устанавливается наружными обоймами 26 в корпус коромысла 21, а внутренними обоймами на цапфы шайбы 34 которая устанавливается с помощью шлицевого соединения на кронштейн 29 и закрепляется болтами. После выполнения указанных выше операций, кронштейн 29 закрепляется на рычаге 30 и крепится к нему болтами совместно с датчиком силы 32. Между крестовинами 18 рычага 12 и крестовинами 20 коромысла 21 устанавливаются плоские тяги 19 и закрепляются гайками 22 через сферические шайбы 23. К датчику силы присоединяется шарнирная тяга 33. Кривошипный механизм 9 поворачивается вручную таким образом, чтобы ось подвижного кривошипа 11 и ось вращения кривошипного механизма 9 находились в горизонтальной плоскости. Шатун 10 регулируется по длине, путем завинчивания резьбовых шеек, таким образом, чтобы рычаг 12 коромысло 21 и рычаг 30 приняли вертикальное положение, а углы между рычагом 12, коромыслом 21 и осями плоских тяг 19 приняли значение 90 градусов. На резьбовых шейках шатуна 10 после этого затягиваются контргайки.
Производится прокручивание кривошипного механизма 9 вручную до достижения рычагом 12 и коромыслом 21 максимальных углов отклонения от нейтрального положения. Максимальные углы отклонения корпуса коромысла 2 измеряются оптическим квадрантом. Если измеренные значения углов не укладываются в значения заданные программой испытаний, то производится регулировка эксцентриситета кривошипа 11. При увеличении эксцентриситета кривошипа 11 максимальные углы отклонения рычага 12 и коромысла 21 растут, а при уменьшении эксцентриситета - уменьшаются. Если максимальные углы отклонения коромысла 21 и рычага 12 соответствуют значениям программы испытаний, стенд считается подготовленным к испытаниям.
Производится включение системы управления и измерения. Оператор убеждается в том, что на датчик силы 32 усилие не действует и присваивает сигналу датчика 32 нулевое значение. Затем в автоматическом режиме подается сигнал на сервоклапан (на фигурах не показан), управляющий гидроцилиндром 6 и последний создает растягивающее усилие, которое воспринимается последовательно шарнирной тягой 33, датчиком силы 32, кронштейном 29, через цапфы шайбы 34 передается на образцы эластомерных подшипников 25 и далее на корпус коромысла 21. Через подшипники 24 и крестовины 20 усилие передается на плоские тяги 19 и далее через крестовины 18 и подшипники 15 на корпус рычага 12. Через подшипники 14 и кронштейн 17 усилие создаваемое гидроцилиндром 6 передается на портал 3 рамы 1 стенда. Усилие гидроцилиндра 6 создается под управлением адаптивной системы с использованием в качестве обратной связи сигнала датчика силы 32. Усилие гидроцилиндра 6 задается программой испытаний и имитирует тяговое усилие рулевого винта вертолета. В качестве устройства, создающего нагрузку, вместо гидроцилиндра 6 может быть применен линейный электропривод с любым принципом работы.
После того как усилие создано и достигло программного значения, в автоматическом режиме запускается электродвигатель 7 и через ременную передачу 8 приводит во вращение кривошипный механизм 9. Последний, с помощью регулируемого кривошипа 11 и шатуна 10 поворачивает рычаг 12 вокруг подшипников 14. С помощью подшипников 15 и 24, крестовин 18 и 20, плоских тяг 19 поворот рычага 12 передается на корпус коромысла 21. При повороте коромысло 21 поворачивает наружные обоймы 26эластомерныхподшипников 25. Внутренние обоймы 27 эластомерных подшипников 25 не могут повернуться вслед за наружными обоймами 26 потому, что с помощью шайбы 34 со шлицевыми цапфами и кронштейна 29 закреплены к рычагу 30, который шарнирно закреплен на перемычках 5 рамы 1. Вследствие этого происходит сдвиг резинометаллических слоев 28 между наружными 26 и внутренними 27 обоймами эластомерных подшипников 25. При этом возникает крутящий момент на шлицевых цапфах шайбы 34, который воспринимается как изгибающий момент кронштейном 29 и рычагом 30. Этот момент воспринимается перемычками 5 рамы 1 через шарнир 31 как сила, расположенная на плече равном расстоянию от оси эластомерных подшипников 25 до шарнира 31. На датчик силы 32 момент не предается, т.к. полностью блокируется изгибающим моментом, возникающим в рычаге 30. Описанное силовое взаимодействие элементов конструкции приводит к небольшой разнице сдвигающих сил в резинометаллических слоях 28 эластомерных подшипников 25. Слои, находящиеся сверху по отношению к шлицевым цапфам шайбы 34, испытывают несколько меньшее воздействие, чем слои находящиеся ниже шлицевых цапф. Эта разница будет тем меньше, чем длиннее рычаг 30.
Плоские тяги 19 выполнены с малым моментом инерции сечения в вертикальной плоскости для того, чтобы возможные перекосы при монтаже узлов стенда и погрешности их изготовления не приводили к возникновению сил и моментов воздействующих на эластомерные подшипники 25 в горизонтальной плоскости. Этой же цели служат и сферические шайбы 23.
Технический результат достигается созданием высокой податливости нагружающей системы стенда в радиальном направлении по отношению к испытуемым эластомерным подшипникам и одновременно обеспечением высокой жесткости заделки нагружаемых обойм испытуемых образцов в тангенциальном направлении, что наилучшим образом учитывает специфику испытаний эластомерных подшипников в части создания необходимых нагрузок.
Это делает возможным применение в составе нагружающего устройства датчика силы 32, что позволяет точно воспроизводить и контролировать нагрузку на образцах эластомерных подшипников 25 горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета.
Дает возможность автоматизировать процесс контроля параметров испытаний и сбора данных, что исключает не штатные выходы за допуски параметров испытаний, а также исключает перегрузки образцов эластомерных подшипников 25 горизонтального шарнира втулки рулевого винта вертолета при испытаниях.
Автоматизация испытаний обеспечивает снижение трудоемкости при длительных испытаниях, а также позволяет хранить и обрабатывать данные об испытаниях в удобных цифровых форматах.