УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ТРЕНИЕ

Полезная модель относится к области исследования физико-механических свойств материалов, а более конкретно - к области исследования их трибологических свойств, и может быть использована для количественного определения составляющих сил сухого и вязкого трения.
Известно, устройство для испытания материалов на трение, авторское свидетельство №1821689, МПК G01N 19/02.
Устройство содержит основание, размещенный на основании ползун, на котором помещены держатели с пазами. В пазах установлены образец и взаимодействующий с ним контробразец. Устройство также содержит привод возвратно-поступательного движения ползуна, датчик перемещения образца, соединенный с регистрирующей аппаратурой и индикаторы перемещения образцов, а ползун снабжен регулятором его перемещения, при этом индикатор и датчик присоединены к держателям образцов. Благодаря держателям с пазами появилась возможность расширить диапазон исследований, исследовать не только твердые, но и упругие материалы.
Однако этим устройством невозможно получить информацию о трибологических характеристиках материала, т.к. необходима дальнейшая обработка данных. На это требуется много времени, возможны погрешности при расчете этих характеристик. Кроме этого наличие дополнительных элементов, соединяющих держатели с датчиками, влияет на точность исследований.
Прототипом является устройство для испытания материалов на трение по патенту РФ №2244290, МПК G01N 19/02.
Устройство для испытания материалов на трение содержит основание, установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик регистрации перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчики регистрации перемещения и усилий. Каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком. В качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, причем датчики соединены с последним через порт мыши, кроме этого механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения снабжен тележкой с катками, размещенными на держателе контробразца.
Однако этим устройством невозможно получить полную информацию о трибологических характеристиках материала при изменении параметров испытаний. Кроме этого, наличие дополнительных деталей (диска с прорезями, насаженного на ось стрелки) в оптико-механическом датчике влияют на точность исследований.
Задача - с большой точностью исследовать трибологические характеристики материалов и расширить функциональные возможности устройства.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в передаче информации о всех видах перемещения, изменения усилий непосредственно на монитор компьютера путем фотографирования соответствующей поверхности с помощью датчиков.
Устройство для испытания материалов на трение, как и прототип, содержит установленную на основании платформу на катках, на которой расположены держатели, выполненные с пазами для соответствующего расположения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения платформы с катками, которая расположена на держателе контробразца, датчик регистрации усилий и датчик регистрации перемещения, установленные на основании, и компьютер, соединенный с указанными датчиками, в состав каждого из которых входит излучатель и приемник излучения. В отличие от прототипа оно дополнительно содержит датчик регистрации изменения усилия, установленный напротив узла нагружения, при этом датчик регистрации перемещения установлен напротив держателя образца, датчик регистрации усилий - напротив держателя контробразца. Все датчики выполнены оптическими, для чего каждый из них дополнительно содержит фокусирующие линзы, одна из которых установлена с возможностью фокусирования света от излучателя, а другая - с возможностью фокусирования отраженного света от соответствующей поверхности на приемник излучения, кроме этого, приемник излучения выполнен в виде оптического сенсора, который соединен с компьютером.
Оптические сенсоры датчиков могут быть соединены с компьютером беспроводной или посредством проводной связи, т.е. через порт мыши.
Узел нагружения в заявляемом устройстве выполнен в виде передачи винт-гайка и пружины, между верхним концом которой и гайкой с возможностью вертикального перемещения установлена Г-образная пластина, при этом винт одним концом через гайку и полку указанной пластины упирается в пружину, а вторым соединен с реверсивным мотор-редуктором, причем датчик регистрации изменения усилия расположен напротив второй полки Г-образной пластины. Держатели образцов устройства выполнены съемными.
В заявляемом устройстве узел нагружения, как и в прототипе, опирается катками, что дает возможность без влияния узла нагружения, т.е. исключая силы сопротивления движению, оценить силы, возникающие между образцами в паре трения, что влияет на точность измерений. В заявляемом устройстве отсутствие механической связи между держателями и узлом нагружения, т.е. применение оптических датчиков повышает точность измерений.
Поскольку оптические датчики соединены с персональным компьютером посредством проводов, т.е. через порт мыши или без них (непосредственно, т.е. беспроводной связью), становится возможным быстро и точно исследовать трибологические характеристики материалов, т.е. решить поставленную задачу.
Установленные оптические датчики вблизи держателей образцов без дополнительного блока согласования могут преобразовать механические перемещения в электрический сигнал, воспринимаемый компьютером. По сути, оптические датчики являются одновременно и датчиком регистрации усилий и перемещения, и блоком согласования (преобразователем) с компьютером. Дополнительный датчик регистрации усилия нагружения позволяет фиксировать задаваемые значения нагрузки с большой точностью и автоматически регистрировать изменение параметров трения от изменения нагрузки.
На фиг.1. показана общая схема устройства, на фиг.2. - блок схема оптического датчика.
Устройство состоит из механизмов привода платформы возвратно-поступательного перемещения образцов, узла нагружения, держателей образцов и измерительной системы (фиг.1).
На основании выполнены направляющие, на которых установлена платформа 1 с катками, на которой расположен держатель 2 образца 3. Сверху образца 3 установлен контробразец 4 со своим держателем 5. Образец 3 и контробразец 4 образуют пару трения. Держатели 2,5 образцов 3, 4 выполнены съемными. Съемные держатели образцов расширяют диапазон испытуемых элементов конструкций и материалов. Тележка 1 снабжена четырьмя катками. Приводом возвратно-поступательного перемещения служит кривошипно-шатунный механизм, соединенный с реверсивным двигателем 6 через червячную передачу 7. Узел нагружения устройства состоит из передачи винт-гайка, винт 8 которого упирается одним концом через гайку 9 в пружину 10, а другим соединен реверсивным мотор-редуктором 11. Во втулке 12 выполнены направляющие (прорези по длине) для движения Г-образной пластины 13 и гайки 9 со штифтом по вертикали.
Пластина 13 установлена между верхним концом пружины 10 и гайкой 9 для регистрации деформации пружины 10. Нижний конец пружины 10 упирается в нагрузочную площадку 14 с направляющими, установленной на катках верхней тележки 15. Механизм нагружения присоединен к направляющим (стойкам) с возможностью регулировки по-вертикали. Катки верхней тележки 15 выполнены подобными каткам тележки 1.
Измерительная система устройства состоит из датчиков перемещения 16 и регистрации усилий 17 и регистрации изменения усилий 18. Датчики 16, 17, 18 размещены на стойке, которая установлена на основании. В измерительную систему входит также регистрирующая аппаратура, роль которой выполняет компьютер. Датчики 16, 17, 18 соединены с компьютером. Все датчики 16, 17, 18 (фиг.2) выполнены оптическими и по сути являются датчиками-преобразователями.
Датчик-преобразователь содержит систему фокусирующих линз 19. Линза 20 установлена так, что свет от излучателя 21 сфокусирован на поверхности исследуемого объекта 22, т.е. на поверхности держателей 2, 3 или Г-образной пластины 13 (фиг.1). В качестве излучателя 21 может быть использован любой излучатель света, например, светодиод, инфракрасный излучатель. Вторая линза 23 системы фокусирующих линз 19 установлена таким образом, чтобы отраженный с поверхности исследуемого объекта 22 свет был направлен на оптический сенсор 24. Оптический сенсор 24 соединен через интерфейс с компьютером 25 и выполнен в виде микросхемы, преобразующей световые сигналы в электрические.
Устройство работает следующим образом. От двигателя 6 и червячного редуктора 7 движение передается через кривошипно-шатунный механизм к платформе 1, которая в свою очередь приводит в движение держатель образца 2 с образцом 3. Вертикальная нагрузка на образцы 3, 4 создается передачей винт-гайка приводимой в движение реверсивным мотор-редуктором 11. Нагрузка передается через пружину 10, которая деформируется при нагружении. Деформацию пружины 10 регистрирует датчик 18. Так как нагрузочная площадка 14, размещена на тележке с катками 15, которая передает нагрузку на держатель 5 контробразца 4, и платформа 1, которая совершает возвратно-поступательное движение с держателем 2 образца 3, имеет аналогичные катки, то верхний держатель 5, как и в прототипе, имеет возможность двигаться за счет сил трения между образцами, и механизм нагружения не оказывает влияние на измерения.
В результате взаимодействия сил трения между образцами 3, 4 будет двигаться и верхний держатель 5 с тележкой 15. Измеряемые перемещения преобразуются в электрические импульсы в оптических датчиках 16, 17. Задаваемая величина усилия нагружения регистрируются датчиком 18. Информация от датчиков 16, 17, 18 вводится в компьютер.
Датчик работает следующим образом (фиг.1). В результате перемещения держателей 2, 5 образцов 3, 4 и перемещения пластины 18 под действием нагрузки, свет будет отражаться с каждого участка перемещаемой поверхности указанных элементов. Световые импульсы преобразуются в электрические импульсы в оптическом сенсоре 24 (фиг.2). Происходит это следующим образом. С помощью излучателя света 21 и линзы 20 подсвечивается участок соответствующей поверхности исследуемого объекта 22. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой 23 и попадает на оптический сенсор 24. Микросхема сенсора 24 по сути является процессором обработки изображений. На основании череды последовательных снимков оптический сенсор 24 высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о перемещении объекта вдоль осей Х и У, и передает результаты своей работы через интерфейс непосредственно в компьютер. Таким образом, при возникших в процессе испытания движениях соответствующего объекта 22 выполняются снимки поверхности, а именно поверхности держателей 2, 5, пластины 13, которые регистрируются оптическим сенсором 24, отображаются на мониторе компьютера 25.
Непосредственная связь датчиков 16, 17, 18 (фиг.1) с компьютером дает возможность, используя соответствующие программы, на мониторе получить диаграммы: усилие трения - перемещения - нагрузка; усилие - нагрузка, усилие - время и перемещение - время, а обрабатывая их с помощью математических программ - трибологические характеристики: коэффициенты сухого и вязкого трения, коэффициент демпфирования системы; логарифмический декремент; частоту свободных и затухающих колебаний и т.д.