УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДОВ ИЛИ КАБЕЛЕЙ НА ИСТИРАНИЕ
DEVICE TO TEST MECHANICAL ABRASION STRENGTH OF WIRE OR CABLE INSULATION

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств материалов, а более конкретно - к области исследования их трибологических свойств, и может быть использовано для количественного определения составляющих сил сухого и вязкого трения и трибодиагностики изоляции проводов, кабелей и токопроводящих жил кабеля при испытании на трение и изнашивание.
Известен скребковый прибор, состоящий из электродвигателя, его привода с редуктором и эксцентриком, скребка со стальной иглой на конце, набора грузов для создания соответствующей нагрузки на иглу, приспособленной для закрепления и поворота испытуемого образца в соответствующее положение, реле автоматического отключения двигателя при возникновении контакта между иглой и проволокой и счетчика числа двойных (возвратно-поступательных) ходов иглы. Этот прибор служит для испытания механической прочности изоляции обмоточных проводов круглого и прямоугольного сечений на истирание согласно ГОСТ 15634.2-70 (Провода обмоточные. Метод испытания механической прочности на истирание). Конец провода, на котором удалена изоляция, присоединяют к одному из полюсов источника постоянного тока, а иглу к другому полюсу. Иглу под нагрузкой осторожно опускают на образец провода и включают прибор. После автоматического отключения прибора в момент окончания истирания изоляции образца и возникновения контакта между иглой и проволокой определяют по счетчику число двойных ходов иглы вдоль оси образца и время. Испытания на данном приборе не отражают реальную картину процесса изнашивания образцов, не позволяют определить трибологичекие характеристики материалов и установить зависимость процесса изнашивания от параметров эксплуатации и трибологических характеристик в реальном режиме времени.
Известно устройство для определения коэффициента трения материалов, авторское свидетельство СССР №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 имеется возможность исследовать и твердые, и упругие материалы, в том числе провода и кабели.
Однако этим устройством невозможно сразу 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.
По совокупности существенных признаков наиболее близким является устройство для испытания материалов на трение, патент РФ на изобретение №2244290, МПК G01N 19/02, опубл. 10.01.2005 г. Это устройство принято за прототип заявляемого.
Известное устройство содержит основание, установленную на основании платформу на катках с расположенным на ней держателями с пазами, в которых размещаются образец и контробразец. Устройство также содержит привод возвратно-поступательного перемещения, узел нагружения образцов, датчики регистрации усилий и перемещения, совмещенные с индикаторами и соединенные с держателями, компьютер в качестве регистрирующей аппаратуры, с которым связаны датчики. Каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, и соединен с компьютером через порт мыши.
Это устройство обладает большой точностью исследований и позволяет быстро исследовать трибологические характеристики материалов.
Однако это устройство не дает более полную информацию об изменении трибологических характеристик в зависимости от параметров эксперимента, изменение закона движения, а также не позволяет оценить точность измерения трибологических характеристик, к тому же этим устройством невозможно получить информацию о работоспособности элементов с изоляцией и установить зависимость изнашивание изоляции от задаваемых параметров, например токопроводящих жил элементов гибких кабелей, проводов.
Задача изобретения - расширить функциональные возможности устройства, исследовать трибологические характеристики электропроводящих элементов с изоляцией, определить их работоспособность и изнашивание при заданных трибологичеких характеристиках и условиях эксплуатации и повысить тем самым информативность исследований.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в повышении чувствительности датчиков на любые перемещения держателей и механизма нагружения и определении работоспособности материалов изоляции при заданных параметрах материалов и условиях эксплуатации на стадии проектирования таких изделий.
Задача решена следующим образом. Устройство для испытания механической прочности изоляции проводов или кабелей на истирание, как и прототип, содержит установленную на основании платформу на катках, на которой расположены держатели, выполненные с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения платформы с катками, механизм нагружения испытуемых образцов, установленный на тележке с катками, которая расположена на держателе контробразца, датчик регистрации усилий и датчик регистрации перемещения, установленные на основании и содержащие излучатель и приемник излучения, и компьютер.
Но в отличие от прототипа заявляемое устройство дополнительно содержит датчик регистрации изменения усилия, установленный напротив узла нагружения, блок управления, выход которого соединен с компьютером, а входы - через тахогенератор с электродвигателем и со всеми датчиками, низковольтный источник питания постоянного тока, один из полюсов которого соединен с одним из концов образца или контробразца, а другой - с блоком управления. При этом один из концов соответственно контробразца или образца тоже соединен с блоком управления. Датчик регистрации перемещения установлен напротив держателя образца, датчик регистрации усилий - напротив держателя контробразца. Все датчики выполнены оптическими, для этого 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. Приемник излучения выполнен в виде оптического сенсора, который соединен через блок управления с компьютером. Оптические сенсоры датчиков соединены с компьютером посредством проводной связи. Соединение оптических сенсоров датчиков с компьютером можно выполнить бесконтактным.
Узел нагружения выполнен в виде передачи винт-гайка и пружины, между верхним концом которой и гайкой 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 выполнены съемными. Платформа установлена на основании с возможностью фиксации ее катков.
В заявляемом устройстве, как и в прототипе, и механизм для размещения держателей образцов, и узел нагружения 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. Но в заявляемом изобретении датчики соединены оптически с держателями образцов и механизмом нагружения, и любые их перемещения меняют картину и отражение света, что влияет на точность измерений.
Поскольку датчики соединены непосредственно с блоком управления компьютера через порт мыши (проводная связь) или без нее (беспроводная), становится возможным быстро и точно исследовать трибологические характеристики материалов, т.е. решить поставленную задачу. В предложенном устройстве при износе изоляции замыкается электрическая сеть и электрический сигнал поступает в блок управления. Реальная картина износа изоляции мгновенно фиксируется и отражается на мониторе компьютера, что дает возможность контроля процессом изнашивания изделий.
Изобретение соответствует критерию «новизна», поскольку в известных информационных источниках не обнаружено устройства, совокупность существенных признаков которого была бы идентична всем существенным признакам заявляемого устройства.
Изобретение явным образом не следует из уровня техники. В уровне технике не обнаружены устройства, которые позволяют определять механическую прочность изоляции проводов или кабелей на истирание так, как заявляемое устройство. Известен ГОСТ 15634.2-70, который предусматривает испытания механической прочности изоляции на истирание с помощью скребкового прибора, которое описано выше (аналог). Во-первых, признаки, характеризующие техническую сущность этого известного прибора как устройства, совершенно отличны от заявляемого устройства. Во-вторых, путь решения и полученный результат у этих двух технических решений различный. В устройстве по ГОСТ 15634.2-70 в момент окончания истирания изоляции происходит автоматическое отключение прибора. В заявляемом устройстве - наоборот: в момент окончания истирания изоляции происходит автоматическое включение измерительной системы. К тому же все отличительные признаки заявляемого устройства в своей совокупности позволяют получить полную картину при истирании изоляции проводов или кабелей, что значительно повышает точность исследований, и в известных источниках информации для проводов и кабелей подобных испытаний не обнаружено.
На чертеже показана общая схема устройства.
Устройство состоит из механизмов привода платформы возвратно-поступательного перемещения образцов, узла нагружения, держателей образцов, измерительной системы, системы регистрации и блока управления.
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 которой 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, регистрации усилий 17 и регистрации изменения усилий 18. Датчики 16, 17, 18 размещены на стойке, которая установлена на основании. Все датчики 16, 17, 18 выполнены оптическими. Каждый датчик содержит излучатель, приемник излучения и систему фокусирующих линз. Одна линза (а их может быть и больше в зависимости от вида исследования), установлена (установлены) так, чтобы свет от излучателя был сфокусирован на соответствующей поверхности (поверхности держателя 2, или держателя 5, или пластины 13). В качестве излучателя может быть применен светодиод, или фотодиод, или инфракрасный излучатель. Вторая линза (или линзы) оптического датчика сфокусирована (сфокусированы) на приемник излучения. Приемником излучения служит оптический сенсор.
В измерительную систему входит также регистрирующая аппаратура, роль которой выполняет компьютер 19. Датчики 16, 17, 18 соединены с компьютером 19. Выход блока управления (БУ) 20 через тахогенератор (ТГ) 21 соединен с электродвигателем 6. Один из концов образца 3 соединен с одним из полюсов низковольтного источника питания 22, а конец контробразца 4 - с блоком управления 20. Возможно и другое включение образцов: с источником питания соединен конец контробразца 4, а с блоком управления 20 - конец образца 3. Второй полюс источника питания 22 подключен к блоку управления.
Устройство работает следующим образом. От двигателя 6 и червячной передачи 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 регистрируется датчиком 18. Информация от датчиков 16, 17, 18 вводится в компьютер 19. Концы медных проволок соединяют через провода с источником питания 22 и блоком управления 20.
Непосредственная связь датчиков 16, 17, 18 через блок управления 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.
При износе изоляции происходит замыкание образцов, которое приводит к образованию электрической цепи: блок управления 20 - контробразец 4 - образец 3 - источник питания 22 - блок управления 20. Напряжение через блок управления 20 поступает в компьютер 19, т.е. подает сигнал об отказе работы образцов. Компьютер, подключенный к системе, также фиксирует время работы образцов до отказа и автоматически выдает работоспособность элементов (число циклов до истирания оболочки до медных проволок) при заданных параметрах эксперимента (условиях эксплуатации). С помощью датчика 16 измеряют также частоту циклов перемещения образца 3 за единицу времени. Скорость перемещения образца задается и контролируется компьютером.