Устройство для исследования материалов на трение

Полезная модель относится к оборудованию для исследования свойств материалов и может быть использована для изучения фрикционных характеристик контактирующих по условиям эксплуатации материалов (пар трения) путем определения силы трения изготовленных из этих материалов контактирующих образцов.
Известна установка для испытания материалов на трение, содержащая основание, установленные на основании захват контробразца, захват образца, приводы вращения захватов, узел нагружения образца и контробразца. Установка также содержит установленную на основании платформу с приводом ее поворота относительно оси, перпендикулярной осям захватов, при этом один из захватов размещен на платформе (см. патент РФ №2047158, МПК G01N 3/56, 1995 г.).
В результате анализа выполнения данной установки необходимо отметить, что она характеризуется значительной сложностью (только приводов вращения ее элементов четыре), а это затрудняет управление процессом нагружения, причем в процессе вращения образца и контробразца вместе с ними вращаются значительные массы, что нарушает условия взаимодействия образцов и снижает точность измерения характеристик трения.
Известно устройство для исследования материалов на трение, содержащее основание, на котором размещены нагружающий механизм, держатель с закрепленным на нем контробразцом, кинематически связанный с приводом его возвратно-поступательного перемещения, держатель испытуемого образца, выполненный в виде двух соединенных между собой с возможностью разъема и с зазором между их торцевыми поверхностями верхнего и нижнего дисков. На внутренней стороне верхнего диска в его центральной части выполнен цилиндрический выступ с коническим наконечником, а по его периферии - сквозные резьбовые отверстия. На внутренней стороне нижнего диска в его центральной части выполнено глухое ступенчатое отверстие для размещения цилиндрического выступа и конического наконечника верхнего диска, а по его периферии выполнены отверстия для размещения в них резьбовых крепежных элементов, соединяющих диски между собой. На наружной поверхности нижнего диска выполнен паз для размещения и крепления испытуемого образца. Крепежные элементы размещены в отверстиях нижнего диска с зазором, а высота цилиндрического выступа верхнего диска выполнена с возможностью обеспечения свободного его качания относительно нижнего диска (см. патент РФ №2390754, МПК G01N 3/56, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что для используемого в устройстве привода возвратно-поступательного перемещения контробразца характерно постоянное изменение скорости его перемещения относительно образца, что приводит к постоянному изменению условий контакта образца и контробразца, а следовательно, постоянному изменению измеряемой силы трения, что затрудняет обработку результатов исследования силы трения и снижает точность измерения. Весьма важно также и то, что настройка положения испытуемого образца относительно контробразца весьма сложна, что может привести к неполному прилеганию их контактирующих поверхностей, а это также приводит к снижению точности измерений.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение точности измерения силы трения между образцами за счет обеспечения постоянной скорости относительного перемещения образцов при измерении силы трения между их контактирующими поверхностями, а также за счет обеспечения полного прилегания друг к другу контактирующих поверхностей образцов.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для исследования материалов на трение, содержащем плиту, держатели верхнего и нижнего образцов, привод перемещения нижнего образца относительно верхнего, а также измеритель силы трения между образцами, новым является то, что устройство оснащено стойками, закрепленными на плите, верхней и нижней пластинами, нижняя из которых закреплена на стойках, а верхняя - на нижней пластине, привод перемещения нижнего образца выполнен в виде привода вращения, размещенного между стойками, держатель нижнего образца выполнен в виде ложемента, закрепленного на выходном валу привода вращения, держателем верхнего образца является отверстие для его размещения, выполненное в верхней пластине, при этом измеритель силы трения выполнен в виде установленного на верхней пластине граммометра, содержащего чувствительный элемент в виде мембраны вилкообразной формы, имеющей возможность контакта с верхним образцом и установленными на ней тензодатчиками.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых
- на фиг. 1 - устройство для исследования материалов на трение, фронтальный вид;
- на фиг. 2 - устройство, вид сверху;
- на фиг. 3 - разрез а-а по фиг. 2.
Устройство для исследования материалов на трение содержит плиту 1 с установочными опорами 2 по нижней ее плоскости. На верхней плоскости плиты 1 смонтированы вертикально две выполненные в виде пластин стойки 3, на обращенных друг к другу поверхностях которых установлены проставки 4, выполненные из упругого материала.
Устройство содержит привод 5, установленный между проставками 4 на стойках 3. Привод 5 выполнен известным образом в виде привода вращения, например в виде электропривода – мотор-редуктора. Выходной вал привода расположен вертикально вверх.
Устройство также содержит нижнюю пластину 6, смонтированную на стойках 3, и верхнюю пластину 7, смонтированную на пластине 6 с возможностью вертикального регулируемого перемещения относительно нее.
На верхней пластине 7 смонтирован измеритель силы трения - граммометр 8, содержащий чувствительный элемент - вилкообразную мембрану 9 и тензодатчики 10 (например, тензорезисторы BF 350-3ЕВ), наклеенные на мембрану и обеспечивающие измерение нагрузки (силы трения) от нескольких сотых грамма. В конструкции устройства вместо тензометрического может быть использован и механический граммометр, например Г 0,05, но точность контроля силы трения при этом снижается.
Выходной вал привода 5 находится в окне (позицией не обозначено), выполненном в центральной части пластины 6. На выходном валу привода 5 установлен держатель 11 нижнего образца, выполненный в виде ложемента и предназначенный для укладки и фиксации в нем нижнего испытуемого образца 12. Держателем верхнего образца является выполненное в верхней пластине 7 напротив окна нижней пластины отверстие (позицией не обозначено). Данное отверстие предназначено для установки в него верхнего испытуемого образца 13 с возможностью контакта своей торцевой поверхностью с торцевой поверхностью нижнего образца 12, который фиксируется в ложементе 11 посредством стопорного винта 14. Выполнение привода нижнего образца в виде привода вращения, по сравнению с приводом возвратно-поступательного перемещения аналога, обеспечивает движение (вращение) нижнего образца с постоянной скоростью относительно верхнего образца, что создает оптимальные условия для работы измерителя силы трения - граммометра.
Устройство работает следующим образом.
Сила трения - сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, тангенциально направленная к общей границе между этими телами (см. ГОСТ 27674-88).
Для измерения силы трения в устройстве используется вилкообразная мембрана 9 с тензорезисторами 10, электрическое сопротивление которых меняется из-за их деформации вместе с мембраной под воздействием силы трения скольжения торцевой поверхности верхнего образца 13 по торцевой поверхности нижнего образца 12 при проведении испытаний.
Для проведения испытаний, если это необходимо, регулируют расстояние между пластинами 6 и 7. Нижний образец 12 устанавливают в ложементе 11 и фиксируют винтом 14. Верхний образец 13 помещают в отверстие верхней пластины 7 до контакта с нижним образцом 12, при этом вилкообразная мембрана подведена вплотную к верхнему образцу, но не касается его.
Включают привод 5 вращения ложемента, в результате чего приводится во вращение ложемент 11 с установленным в нем образцом 12. При вращении нижнего образца 12 контактирующий с ним верхний образец 13 из-за наличия трения скольжения между контактирующими (трущимися) поверхностями образцов перемещается к вилкообразной мембране 9, упирается в нее и деформирует мембрану под воздействием силы трения с нижним образцом. Вилкообразная форма мембраны в данном случае является оптимальной, так как охватывает верхний образец по образующей поверхности и обеспечивает надежный контакт с образцом. Деформация мембраны 9 вызывает деформацию и соответствующее изменение сопротивления тензодатчиков 10, которое изменяется пропорционально упругой деформации мембраны и отображается на тензометрическом модуле (преобразователе сигналов тензодатчиков, например, EMS168 - не показан) численным значением силы, вызвавшей эту деформацию, т.е. численным значением силы трения.
Полученные сведения о силе трения позволяют судить о трибонадежности материалов и узлов трения на стадии проектирования деталей машин, а также подобрать материалы и смазку трущейся пары, обеспечивающих наибольшую износостойкость, которая соответствует минимальной силе трения трущихся поверхностей, в том числе с покрытиями.
Устройство просто конструктивно, компактно, обеспечивает при работе быстрое и точное определение силы трения между образцами при исследовании их на трение.