Устройство для испытания материалов подшипников на трение и износ
DEVICE FOR TESTING BEARING MATERIALS FOR FRICTION AND WEAR

Предлагаемое изобретение относится к области исследования триботехнических свойств материалов подшипников и касается конструкции устройства для измерения сил трения и величин износа в подшипниках качения и скольжения, обеспечивающего возможность их исследования в земных условиях, и в условиях космоса, воздействия радиации, излучений.
Известно многопозиционное устройство для испытания на трение и износ (патент RU №2379648, МПК G01N 3/00, опубл. 20.01.2010 г.).
Изобретение относится к технике исследования трибкотехнических свойств конструкционных и смазочных материалов. Техническим результатом является повышение точности измерения. Устройство для испытания материалов на трение и износ содержит привод вращения, статор которого через подшипник соединен с ротором, в котором закреплены с промежутком между ними два испытываемых диска, каждый из которых взаимодействует с испытываемыми инденторами, расположенными на тензометрических балках, закрепленных на статоре и осуществляющих за счет собственной упругости прижатие инденторов к плоской поверхности соответствующего диска и данного диска к ротору, и тензодатчики, установленные на балках, соединенные с регистрирующим прибором. Каждая балка выполнена в виде моноблока, состоящего из двух пар плоскопараллельных пружин, соединенных с обоих концов между собой попарно перемычками и повернутых относительно друг друга на 90° вдоль их оси, параллельной плоскости пружин, с соединением в единое целое по одной из перемычек, принадлежащей каждой из пар пружин, при этом балки закреплены на статоре с расположением плоскости одной из пар пружин параллельно поверхности испытываемого диска.
Устройство для испытания материалов на трение и износ по патенту RU№2379648 не позволяет измерить сопротивление вращению подшипников.
Решением, наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому и принятому за прототип, является устройство для испытания материалов на трение и износ по патенту RU №2693796, (51) МПК G01 N3/56, опубл. 04.07.2019 г., бюллетень №19).
Устройство для испытания материалов на трение и износ по патенту RU №2693796, содержащее корпус, в котором на подшипниках установлен ротор для крепления испытуемого образца, выполненного в виде диска, держатель контробразца, выполненный в виде закреплённой на корпусе тензометрической балки с установленным на ней гнездом под пальчиковый контробразец, образующим с диском испытуемую пару трения, резьбовой механизм нормального нагружения пары трения, обеспечивающей упругое деформирование тензометрической балки, а также привод вращения ротора, снабжено жёстко закреплённым на роторе диском с заданным моментом инерции и с выполненными на нём реперными метками, регистратором местоположения реперных меток, муфтой, отключающей ротор от привода, а упругая балка держателя контробразца закреплена по концам, при этом её продольная ось совпадает с вектором силы трения.
Недостатком этого устройства является то, что оно не содержит механизма создания требуемой степени натяга подшипников, который необходим для испытания подшипников в режимах нагружения, характерных для их реальной работы. Кроме того, устройство не предусматривает измерение износа подшипников.
Наличие привода в отдельном исполнении и муфты, соединяющей привод с ротором и отключающей привод от ротора, усложняет конструкцию устройства, требует дополнительных каналов управления и связи. При использовании устройства в открытом космосе проведение дополнительных кабелей сопряжено с большими дополнительными затратами. Его использование на внешней стороне спутников и космических станций требует проведения дополнительных трудоёмких работ. Для Международной космической станции они связаны с необходимостью выхода космонавтов в открытое космическое пространство.
Заявляемое в качестве изобретения устройство для испытания материалов подшипников на трение и износ направлено на создание возможности определения моментов сопротивления в подшипниках при требуемых величинах их натягов, измерение их износа, а также на существенное упрощение конструкции устройства.
Для измерения износа материалов подшипников в конструкцию устройства включён датчик измерения вибраций корпуса, который связывает параметры вибраций корпуса с величиной износа материалов подшипников. По мере работы устройства единственным сопряжением, которое изнашивается, являются исследуемые подшипники. Они создают вибрации корпуса, параметры которых связаны с величинами износа, и по ним можно однозначно судить о величинах износа подшипников.
Испытание материалов подшипников (материалов тел качения, сепараторов, колец, а также смазывающих материалов) в составе подшипников даёт возможность наиболее достоверно определять их фрикционные характеристики и работоспособность.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что устройство для испытания материалов подшипников на трение и износ, содержащее корпус, в котором на подшипниках установлен ротор с жёстко закреплённым на нём диском с заданным моментом инерции и с выполненными на нём реперными метками, регистратор местоположения реперных меток во времени, и электрический привод вращения ротора, снабжено механизмом осевого нагружения подшипников и датчиком измерения вибраций корпуса, а статорная и якорная обмотки привода смонтированы соответственно в корпусе и на роторе.
Поставленная задача также достигается тем что, механизм осевого нагружения подшипников выполенен в виде тарированной пружинной мембраны, соединенной посредством резьбы с прижимной гайкой.
Поставленная задача также достигается тем что, механизм осевого нагружения подшипников выполнен на роторе.
Поставленная задача также достигается тем что, датчик измерения вибраций корпуса выполнен в виде электронного устройства измерения ускорений и величин перемещения корпуса.
Поставленная задача также достигается тем что, обмотка ротора выполнена в виде постоянных магнитов.
Наличие привода ротора внутри корпуса устройства даёт возможность исключить из его конструкции отдельно расположенный привод вращения и муфту, соединяющую привод с ротором.
На фиг. 1 схематично представлено продольное сечение предложенного устройства для испытания материалов подшипников на трение и износ.
Устройство для испытания материалов подшипников на трение и износ содержит корпус 1, внутри которого на исследуемых подшипниках 2 установлен ротор 3 с инерционным диском 4. На инерционном диске 4 расположены (выполнены) реперные метки, в качестве которых могут быть использованы метки любого типа, в т.ч. отражатели, штыри, сквозные прорези и т.п. (не показаны). Движение реперных меток регистрируется во времени регистратором местоположения реперных меток 5, выполненным в виде электронного устройства. В качестве регистратора импульсов от реперных меток может быть использован излучатель-приемник сигналов от них любого типа - электрических, световых, лазерных и др.
Вращение ротора, снабжённого обмотками или постоянными магнитами 6 производится вращающимся магнитным полем, создаваемым обмотками корпуса 7.
Момент инерции диска 4 выбирается из условия, чтобы запас кинетической энергии раскрученного до заданной частоты вращения ротора 3 с инерционным диском 4 был достаточным для преодоления сопротивления вращения подшипников в состоянии свободного выбега, а также обеспечивал требуемую точность измерений. Для достижения требуемой точности измерений величину момента инерции диска задают в зависимости от натяга подшипников.
Измерение потерь на трение в испытываемых подшипниках осуществляется методом выбега по изменению частоты вращения ротора во времени вследствие преодоления сопротивления в подшипниках.
Устройство снабжено механизмом осевого нагружения подшипников 2. В частности, оно включает тарированную пружинную шайбу 8, упирающуюся во внутреннее кольцо испытываемого подшипника 2 и прижимаемую гайкой 9 путём её поворота по резьбе неподвижного ротора 3. При повороте гайки 9 относительно рототра 3 производится сжатие тарированной пружинной шайбы 8, которое создает требуемое усилие натяга подшипников 2.
Датчик измерения вибраций 10 измеряет ускорения и величины перемещений в требуемых точках корпуса 1 , по которым судят об износе подшипников 2. В устройстве могут испытываться как подшипники качения, так и подшипники скольжения.
Устройство работает следующим образом. Включением тока раскручивают ротор 3 с установленными на нём инерционным диском 4 до требуемой частоты вращения. Устройство включается до наработки требуемого ресурса подшипников 2 при требуемой частоте вращения ротора 3.
После этого выключают ток, подаваемый на устройство. Происходит торможение ротора 3, обусловленное потерями на трение в исследуемых подшипниках 2. В течение выбранного интервала времени, в частности вплоть до полного останова, фиксируют (записывают) временную зависимость скорости вращения инерционного диска 4 с помощью электронного регистратора 5. Скорость замедления вращающегося ротора 3, определяемая массой инерционного диска 4 и сопротивлением вращению в подшипниках 2, выбирается из условия получения требуемой точности измерений. В открытом космосе в условиях вакуума исключаются погрешности, связанные с трением вращающегося ротора о воздух.
Для исследования могут быть использованы как подшипники качения, так и подшипники скольжения.
Компьютерная программа позволяет по замедлению вращения диска рассчитать момент сопротивления в подшипниках, а по нему силы трения в подшипниках. Величина момента сопротивления подшипников зависит от степени их изношенности, физико-химического и механического состояния их трущихся поверхностей, старения смазочного материала. При воздействии космических излучений свойства смазочных материалов и, как результат, их старение и работоспособность подшипников изменяются быстрее, чем в земных условиях. Это является одной из причин потери работоспособности подшипников. Для получения достоверных результатов испытания материалов должны проводиться в составе подшипников. При этом испытания должны проводиться при требуемой степени нагружения подшипников.