Устройство для испытания материалов на трение и износ
FRICTION AND WEAR TESTING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области исследования триботехнических свойств материалов и касается конструкции устройства для этих целей, обеспечивающего возможность исследования фрикционных характеристик не только в нормальных условиях, но и в специфических условиях, в частности в условиях космоса, воздействия радиации, излучений.
Известно многопозиционное устройство для испытания материалов на трение и износ в условиях космоса (см. журнал «Трение и износ», т.24, №6, 2003г., с.626-635), содержащее узлы трения типа «диск-индентор»,  каждый из которых представляет собой диск с двумя поверхностями трения, по которым скользят два полусферических индентора. Диск жёстко закреплён на валу привода, а инденторы – на специальных рычагах. Нормальная нагрузка на инденторы задается с помощью тарированной пружины.
Все узлы трения приводятся во вращение выходным валом привода через зубчатый редуктор. Момент трения в паре «диск-индентор» измеряется упругой тензометрической балкой. Электрические сигналы поступают на два тензометрических преобразователя, с которых они передаются на регистрирующий прибор при наземных испытаниях или в бортовую систему телеметрии космического аппарата при испытаниях в космическом пространстве.
Недостатками известного устройства являются достаточно большие массогабаритные характеристики, что обусловлено использованием в качестве привода двигателя с редуктором, относительно невысокая точность измерения фрикционных характеристик, обусловленная использованием значительных масс, участвующих в измерениях, а также невысокие скорости скольжения и удельные давления в контакте индентора и диска.
Решением, наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому и принятому за прототип, является устройство для испытания материалов на трение и износ, содержащее корпус, внутри которого на подшипниках установлен ротор для крепления испытуемого образца, держатель контробразца, выполненный в виде закреплённой на корпусе тензометрической балки с гнездом под пальчиковый контробразец, образующий с диском испытуемую пару трения, механизм её нормального нагружения, выполненный в виде винтовой пары, обеспечивающей упругое деформирование тензометрической балки, а также привод вращения ротора (патент RU №2379648, МПК G01N 3/00, опубл. 20.01.2010 г.).
Заявляемое в качестве изобретения устройство для испытания материалов на терние и износ  направлено на повышение точности определения фрикционных характеристик испытуемой пары материалов и их зависимости от скорости, а также на существенное снижение трудоёмкости при проведении экспериментов.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что
- оно снабжено жёстко закреплённым на роторе диском с заданным моментом инерции и с выполненными на нём реперными метками,
- регистратором местоположения реперных меток,
- и разъёмной муфтой, соединяющей вал привода с ротором,
- а  упругая балка держателя контробразца закреплена по концам, при этом её продольная ось совпадает с вектором силы трения.
Указанный результат достигается также тем, что в качестве регистратора использована кинокамера.
Указанный результат достигается также тем, что тензобалка установлена с возможностью её радиального смещения.
Указанный результат достигается также тем, что реперных меток наносится как минимум две, одна из которых расположена на оси вращения ротора.
Указанный результат достигается также тем, что при проведении испытаний кинокамера устанавливается из условия постоянного удержания в поле зрения всех реперных меток.
Указанный результат достигается также тем, что кинокамера выбрана из условия, чтобы частота кадров съёмки превышала частоту вращения инерционного диска.
На фиг. 1 схематично представлено продольное сечение предложенного устройства для испытания материалов на трение и износ.
На фиг. 2 представлено расположение образца и пальчикового контробразца.
На фиг. 3 представлен вид по стрелке А со снятым инерционным диском.
Устройство для испытания материалов на трение и износ содержит корпус 1, внутри которого на подшипниках 2 установлен ротор 3 с инерционным диском 4 и диском 5 из испытуемого материала. На торце  инерционного диска 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). Пальчиковый контробразец 6 установлен в механизме нормального нагружения пары трения 8, закреплённом на тензобалке 7 (фиг.3), которая в свою очередь жёстко закреплена по обоим концам на торце корпуса таким образом, чтобы её продольная ось совпадала с вектором силы трения. При этом тензобалка 7 может быть не единственной (фиг. 3), и устанавливаться с возможностью её  радиального смещения для расположения контробразцов 6 на разных дорожках трения.
Механизм нормального нагружения пары трения выполнен в виде винтового пары 8, обеспечивающей упругое деформирование тензобалок7.
Электропривод 9, соединённый с помощью муфты 10 с ротором 3, обеспечивает вращение ротора и, при необходимости, отключается по достижении им заданной угловой скорости.
Движение реперных меток регистрируется во времени кинокамерой 11 (фиг.1).
Момент инерции диска 4выбирается из условия, чтобы запас кинетической энергии раскрученного ротора  3 с инерционным  диском 4 до заданной рабочей скорости был достаточным для преодоления момента трения испытуемой пары материалов за требуемый промежуток времени.
В качестве регистратора импульсов от реперных меток может быть использован излучатель-приемник сигналов от них любого типа – электрических, световых, лазерных и пр. (не показан), а также кинокамера, в частности скоростная.
Определение потерь на трение испытуемой пары материалов осуществляется на данном устройстве по разности зарегистрированных скоростных зависимостей моментов сопротивления вращению ротора при наличии испытуемой пары трения и при её отсутствии.
Для этого электроприводом 9 с помощью муфты 10 раскручивают ротор 3 с установленными на нём инерционным диском 4 и испытуемым диском 5, к которому с заданным нормальным усилием прижимается пальчиковый контробразец 6, создавая необходимое контактное давление. При этом непрерывно контролируют (записывают) скоростную зависимость развиваемого двигателем крутящего момента, которая включает в себя потери на трение в опорах самого двигателя и в опорах ротора, а также потери на трение сопряжённой пары испытуемых материалов. По достижении заданной угловой скорости с помощью разъёмной муфты 10 отключают ротором 3 от привода 9. Таким образом, ротор 3 оказывается в состоянии свободного вращения, и его торможение обусловлено потерями на трение в опорах ротора  и трением испытуемой пары. В течение выбранного интервала времени, в частности вплоть до полного останова, фиксируют (записывают) временную зависимость скорости вращения ротора 3 с помощью, в частности, скоростной камеры 11.
Повторяют эту же операцию при отведенном от испытываемого диска 5контробразце 6.При этом замедление вращения ротора 3 обусловлено потерями на трение только в его подшипниках, и записывают скоростную зависимость момента сопротивления подшипников.
Сопоставляя обе скоростные зависимости, полученные при прочих равных условиях, определяют зависимость коэффициента трения испытуемой пары от скорости скольжения.
Оснащение известного устройства для испытаний на трение и износ инерционным диском с расположенными на нем реперными метками (например, нанесённой заданной шероховатостью поверхности, метками в виде штырей, сквозных прорезей и т.п.), регистратором их положения (излучатель-приемник сигналов от них любого типа – электрических, световых, лазерных и пр. (не показан), кинокамера, в частности скоростная, стробоскоп и т.п.) в течение всего периода измерений, а также муфтой для отключения ротора от привода, обеспечивает возможность непрерывной регистрации движения меток при вращении ротора, в том числе на этапе замедления вращения ротора после отключения привода. Разработанная специальная компьютерная программа позволяет по движению меток рассчитать момент сопротивления в подшипниках и коэффициенты трения скольжения в парах исследуемых материалов.
Тем самым исключается необходимость многократного повторения эксперимента при различных скоростях скольжения и качения, и повышается точность измерения определяемых параметров.
Кроме того, точность измерений трибологических характеристик повышается за счёт исключения влияния разогрева статора привода на испытываемые материалы.
Кроме того, точность измерений повышается за счёт исключения влияния вибраций привода на трение испытываемых материалов.
Кроме того, точность измерений повышается за счёт исключения взаимного влияния средств измерения тангенциальных и нормальных сил.
Кроме того, точность измерений повышается за счёт уменьшения влияния широкого диапазона температур, радиации, излучений на датчики тензометрических устройств.
Кроме того, упрощается конструкция устройства.