Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к методам исследования коэффициента трения различных по составу смазочных материалов.
Известно устройство для испытания трущихся материалов и масел (А.с. СССР №983522, МПК G01N 19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел. Бюл. №47, 1982 г. Аналог), содержащее станину, установленные на ней держатели образца и контробразца, узлы измерения момента трения и нагружения образцов и привод вращения образцов, плиту, установленную перпендикулярно к станине с возможностью перемещения вдоль нее, три платформы, из которых средняя закреплена на плите шарнирно, а две другие установлены под углом 45° к средней, которые расположены на платформах и взаимодействующие с держателями контробразцов, направляющие и поджимные ролики, установленные на плите с возможностью поворота в плоскости держателей, передаточные звенья, взаимодействующие через подшипники качения соответственно с держателями контробразцов и узлами нагружения, а последние снабжены штоками, имеющими две степени свободы (механизмы для передачи нагрузки на контробразцы).
Основной недостаток известного устройства заключается в сложной и точной установке передаточных звеньев под прямым углом к направляющим, что приводит к большим погрешностям получаемых результатов, при испытаниях.
Известно устройство для испытания материалов на трение и износ в условиях космоса, содержащий узел трения «диск-индентор», который представляет собой диск с двумя поверхностями трения и по которым скользят два полусферических индентора (см. Журнал «Трение и износ», т. 24, №6, 2003 г., с. 626-635. Аналог). При этом диск жестко закреплен на приводном валу, а инденторы - на специальных рычагах. Нагрузка на инденторы осуществляется с помощью тарированной пружины.
Все узлы трения приводятся во вращение с помощью выходного вала привода через зубчатые колеса. Момент трения в паре «диск-индентор» измеряется упругой тензометрической балкой. Электрические сигналы поступают на два тензометрических преобразователя, с которых они передаются на регистрирующий прибор.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, обусловленная использованием большого количества элементов, сложностью его использования из-за постоянной тарировки нагружающих пружин, влияющие на погрешность измерения, а также невысокие скорости скольжения и удельные давления в контакте индентора и диска.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов (патент на полезную модель РФ №195420 МПК G01N 19/02, опубл. 28.01.2020. Бюл. №4. Прототип), содержащее основание для установки устройства, неподвижный вал с индетором, винты для фиксации направляющей втулки, винты контролирующие усилие контакта металлических пар, упорное кольцо, упорный подшипник, втулки из фторопласта, направляющую втулку, коническую втулку (контртело), коническую направляющую втулку и втулки для передачи крутящего момента.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Коническая втулка (контртело) имеет по наружной и внутренней поверхностям коническую форму. Угол наклона образующей внешнего конуса конической втулки (контртело) равен углу наклона конуса Морзе для надежного сцепления с конической направляющей втулкой. Внутренний конус конической втулки (контртело) обеспечивает надежный контакт с индентором, который расположен в отверстии неподвижного вала перпендикулярно оси конического отверстия. Для снижения силы трения при эксплуатации устройства, дополнительно установлены фторопластовые втулки, а так же для снижения силы трения между втулкой для передачи крутящего момента и упорным кольцом, установлен упорный подшипник. Необходимое усилие контакта индентора и конической втулки (контртело), обеспечивается при помощи винтов и динамометрического ключа. Во избежание линейного перемещения втулки в процессе затяжки, на валу установлено стопорное кольцо, которое фиксируется винтами. Для снижения силы трения между втулкой и упорным кольцом при вращении, на валу дополнительно установлен упорный подшипник.
Недостатками данного устройства является отсутствие элементов, которые позволяют подавать смазочный материал в контактную зону индентора и конической втулки (контртело) в виде аэрозоли или струей под давлением, а также отсутствие приспособления для отбора использованного смазочного материала с целью его повторного применения. Еще одним недостатком можно отнести высокую погрешность полученных результатов при проведения испытаний за счет применения динамометра часового типа.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности определения коэффициента трения смазочных материалов путем подачи смазочного материала непосредственно в контактную зону трущихся металлических пар при помощи дополнительных каналов и сопла, расположенных в ведущем валу. А также применением электрических и электронных приборов, которые позволят повысить точность измерения за счет устранения механических измерительных устройств.
Это достигается тем, что заявляемое устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержащее корпус устройства, в который установлены ведомый и ведущий валы, на которых расположены коническая направляющая втулка, направляющая втулка, контртело в виде конической втулки, направляющие винты, индентор, дистанционная втулка, направляющая цилиндрическая втулка, при этом с целью снижения сил трения, возникающих в зоне контакта направляющей втулки с ведущем валом и направляющей цилиндрической втулки с ведущем валом, в отверстиях направляющей втулки и направляющей цилиндрической втулки, установлены линейные подшипники, зафиксированные стопорными кольцами.
В отличии от прототипа индентор выполнен из двух половинок, между которыми установлены пружины различной жесткости для создания нагрузки в контактной паре между инденторами и контртелом в виде конической втулки, при этом нагрузка на контактную пару осуществляется при помощи винтов.
Вращение валов устройства осуществляется за счет шагового двигателя, программируемый в зависимости от требований к технологической операции, при этом вращательное движение осуществляет ведомый вал с расположенными перпендикулярно оси инденторами, относительно неподвижного контртела в виде конической втулки.
В неподвижном основании корпуса установлены тензодатчики, фиксирующие крутящий момент на направляющей втулке, позволяющие повысить точность измерения коэффициента трения смазочных материалов в сравнении с прототипом.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства для определения коэффициента трения смазочных материалов.
Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержит сопло 1, резиновые прокладки 2, 31, переходник 3, подшипниковые опоры 4, 38, 45, 47, 53, винт 5, крышки подшипников 6, 42, 49, стаканы 7, 37, 43, 50, 54, ведомый вал 8, металлические кольца 9, дистанционные кольца 10, 44, 51, крепежные винты 11, 46, 48, уплотнительную прокладку 12, кольцо подачи смазочных технологических сред (СТС) 13, корпус 14, линейные подшипники 15, 33, стопорные кольца 16, 19, 32, 34, направляющие винты 17, направляющую втулку 18, тензодатчики 20, контртело в виде конической втулки 21, пружину 22,. инденторы 23, коническую направляющую втулку 24, кольцевые резиновые прокладки 25, гильзу 26, стопорное кольцо 27, установочные виты 28, упорный подшипник 29, трубку для отбора смазочного материала 30, ведущий вал 35, сальники 36, 55, дистанционную втулку 39, ведомую шестерню 40, шпонку 41, вал-шестерню 52, направляющую цилиндрическую втулку 56, вал 57, крепежные хомуты 58, шаговый двигатель 59, прижимные винты 60.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Инденторы 23, установленные в отверстии ведомого вала 8, перпендикулярно его оси, образуют контактную пару с контртелом в виде конической втулки 21, которая установлена в отверстии конической направляющей втулки 24, соединенной с направляющей втулкой 18 при помощи направляющих винтов 17, установленных в направляющей цилиндрической втулке 56. Затем на ведомый вал 8 устанавливается направляющая втулка 18, а на ведущий вал 35 цилиндрическая направляющая втулка 56. Для снижения сил трения при вращении ведущего 35 и ведомого вала 8 в отверстиях направляющей втулки 18 и цилиндрической направляющей втулки 56 установлены линейные подшипники 15, 33, зафиксированные стопорными кольцами 16, 19, 32, 34, дополнительно обеспечивающие осевое перемещение. Ограничение осевого перемещения цилиндрической направляющей втулки 56 обеспечивает упорный подшипник 29 и стопорное кольцо 27, зафиксированное при помощи установочных винтов 28. Ведомый 8 и ведущий валы 35 соединены между собой за счет шлицевого соединения.
Вращательное движение ведомого 8 и ведущего валов 35 с инденторами 23 осуществляется при помощи шагового двигателя 59 вал 57 которого, при помощи шлицев, соединен с валом-шестерней 52, передающий далее крутящий момент ведомой шестерне 40, установленной на ведущем валу 35 при помощи шпоночного соединения 41 и дистанционной втулки 39.
В свою очередь, шаговый двигатель 59, установлен в основании корпуса 14, при помощи крепежных хомутов 58 и прижимных винтов 60.
Вал-шестерня 52, ведущий 35 и ведомый валы 8 установлены в корпусе 14 при помощи подшипников 4, 38, 45, 47, 53, обеспечивающих и вращательное их движение, дистанционных колец 10, 44, 51, стаканов 7, 37, 43, 50, 54, а также при помощи крышек подшипников 6, 42, 49, зафиксированных крепежными винтами 11, 46, 48. Для предотвращения попадания масла из зоны вращения вала-шестерни 52 и ведомой шестерни 40 зону расположения шагового двигателя 59 и тензодатчиков 20, предусмотрены сальники 36, 55.
При вращении ведомого вала 8 с инденторами 23, образующие контактную пару с контртелом в виде конической втулки 21, создается крутящий момент на направляющей втулке 18, кинематически связанной с тензодатчиками 20, установленные на неподвижном основании корпуса 14, при помощи которых фиксируется показания крутящего момента.
Нагрузка на контактную пару (инденторов 23 и контртела в виде конической втулки 21), регулируется при помощи подбора пружины 22 различной жесткости, которые устанавливаются между инденторами 23, в отверстии ведомого вала 8. В процессе измерений, СТС подается в контактную зону металлических пар через отверстие (на чертеже позиция отсутствует), расположенное в ведомом валу 8 через кольцо подачи СТС 13. Герметичность установки кольца подачи СТС 13 на ведомом валу 8, обеспечивают металлические кольца 9 й уплотнительная прокладка 12. СТС подается струей под давлением или в виде аэрозоли, благодаря наличию сопла 1, установленного в отверстии переходника 3, соединенного с кольцом подачи СТС 13. Герметичность установки сопла 1 в отверстии переходника 3 обеспечивается при помощи резиновых прокладок 2. Для предотвращения от попадания СТС в корпус 14 через отверстие (на чертеже позиция отсутствует), расположенное в ведомом валу 8, предусмотрен винт 5.
В процессе эксплуатации устройства, отработанная СТС поступает в гильзу 26, затем транспортируется по трубке для отбора смазочного материала 30, в резервуар (на чертеже не указан). Герметичность установки трубки для отбора смазочного материала 30, обеспечивается при помощи резиновых прокладок 31. Герметичность установки гильзы 26 на конической направляющей втулке 24 и направляющей цилиндрической втулке 56 обеспечивается при помощи кольцевых резиновых прокладок 25.
Устройство работает следующим образом. В корпус устанавливается вал-шестерня и ведущий вал с ведомой шестерней, вращательное движение которых обеспечивается установкой подшипников, установленных в отверстиях корпуса и зафиксированных при помощи стаканов, крышек подшипников и дистанционных колец. Крышки подшипников зафиксированы при помощи крепежных винтов. Зубчатая передача, образованная валом-шестерней и ведомой шестерней представляют собой редуктор, служащий для облегчения работы шагового двигателя. Ведомая шестерня зафиксирована на ведущем валу при помощи шпонки и дистанционной втулки. Для снижение износа и трения зубчатой передачи, в часть корпуса, где расположены вал-шестерня и ведомая шестерня заливается масло. Для защиты от попадания масла в часть корпуса, где расположены шаговый двигатель и тензодатчики, предусмотрены сальники, расположенные на валу-шестерне и ведущем валу. Далее при помощи крепежных хомутов и прижимных винтов устанавливается шаговый двигатель. Вращательное движение от вала шагового двигателя к валу-шестерне передается при помощи шлицевого соединения. На ведущий вал устанавливается направляющая цилиндрическая втулка с линейным подшипником, зафиксированном в отверстии направляющей цилиндрической втулки при помощи стопорных колец. Далее на ведущий вал устанавливается упорный подшипник и стопорное кольцо, зафиксированное при помощи установочных винтов. Ведомый вал, содержащий инденторы, пружину, контртело в виде конической втулки, коническую направляющую втулку, направляющую втулку с линейным подшипником, зафиксированным в отверстии направляющей втулки при помощи стопорных колец, а также кольцо подачи СТС, устанавливается в корпусе, при помощи подшипника, стакана, крышки подшипника и дистанционного кольца. Крышка подшипника фиксируется при помощи крепежного винта. Кольцо подачи СТС в свою очередь содержит переходник и сопло. Передача вращательного движения от ведущего вала к ведомому валу производится при помощи шлицевого соединения. В свою очередь направляющая цилиндрическая втулка, коническая направляющая втулка и направляющая втулка соединены между собой при помощи направляющих винтов. Далее на коническую направляющую втулку и направляющую цилиндрическую втулку устанавливается гильза, которая содержит трубку для отбора отработанного смазочного материала.
При вращении шагового двигателя, управляемый программой в соответствии с необходимыми параметрами работы устройства, через зубчатую передачу осуществляется вращение инденторов, расположенных в отверстии ведомого вала, перпендикулярно оси, относительно неподвижного контртела в виде конической втулки. Усилие контакта между инденторами и контртелом в виде конической втулки обеспечивается и регулируется путем подбора пружин различной жесткости. Во время работы устройства, за счет сил трения образующихся контактными парами, на конической направляющей втулке и направляющей втулке создается крутящий момент, фиксируемый лапкой (на чертеже не показан) расположенной на направляющей втулке кинематически связанный с тензо датчиками, установленными на неподвижном основании корпуса.
Подача СТС в контактную зону осуществляется при помощи отверстия (на чертеже позиция отсутствует), расположенного в ведомом валу, через кольцо подачи СТС. Герметичность установки кольца подачи СТС на ведомом валу, обеспечивается при помощи металлических колец и уплотнительной прокладки. СТС подается струей под давлением или в виде аэрозоли, благодаря наличию сопла, установленного в отверстии переходника, соединенного с кольцом подачи СТС. Герметичность установки сопла в отверстии переходника обеспечивается при помощи резиновых прокладок. Для предотвращения от попадания СТС в корпус через отверстие, расположенное в ведомом валу, предусмотрен винт, расположенный в отверстии ведомого вала.
В процессе эксплуатации устройства, отработанная СТС поступает в гильзу, затем транспортируется по трубке для отбора смазочного материала в резервуар (на чертеже не указан). Герметичность установки трубки для отбора смазочного материала, обеспечивается при помощи резиновых прокладок. Герметичность установки гильзы на конической направляющей втулке и направляющей цилиндрической втулке обеспечивается при помощи кольцевых резиновых прокладок.