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, влияющих на погрешность измерения, а также невысокие скорости скольжения и удельные давления в контакте индентора и диска.
Известно устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов (патент на полезную модель РФ №192398 МПК G01N 19/02, опубл. 16.09.2019. Бюл. №26. Аналог), содержащее основание для установки устройства, неподвижный вал с индетором, втулку с коническим отверстием (конртело), втулку из фторопласта, нагружающих (фиксирующих) винтов, упорное кольцо, упорный подшипник и втулки для передачи крутящего момента.
Принцип работы устройства заключается в следующем: индентор закрепляют в отверстии неподвижного вала устройства и устанавливают втулку с коническим отверстием. При помощи нагружающих (фиксирующих) винтов создается давление на контактную пару и контролируется динамометрическим ключом, затем рычаг устанавливается на втулку, зацепление которого осуществляется при помощи отверстий, расположенных на внешней части, при этом на противоположной стороне рычага закрепляется приводной трос с динамометром. Изменение положения угла рычага осуществляется при помощи шкива и рукоятки, при этом система находится в нагруженном состоянии. При вращении устройства в положение измерения, возникающий при вращении индентора момент трения передается посредством рычага на измерительное устройство, по показаниям которого осуществляется определение коэффициента трения.
Недостатками известного устройства является малая универсальность замены изношенного контртела в виде конической втулки на новую, связанная со сложностью его изготовления, а также получения отверстий для фиксации, и отверстий для направляющих шпилек, приводящее к дополнительным материальным затратам и времени изготовления.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов (патент на полезную модель РФ №205033 МПК G01N 19/02, опубл. 24.06.2021. Бюл. №18. Прототип).
Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов, содержащее неподвижный вал, на котором расположены стопорное кольцо, коническая направляющая втулка, контртело в виде конической втулки, где в отверстии неподвижного вала установлен половинчатый индентор, с возможностью контактировать одним концом с контртелом в виде конической втулки, а другим - с тензодатчиком, между которыми расположены металлическая пластина и резиновая прокладка (для компенсации микронеровностей контртела в виде конической втулки), при этом необходимая нагрузка обеспечивается путем перемещения клина при помощи болта и пружины, который через толкатель создает необходимую нагрузку на контактную пару, в свою очередь, контроль нагрузки осуществляется при помощи тензодатчика, соединенного с электронным динамометром через электропровод.
Недостатки такого технического решения заключаются в следующем:
1. Устройство рассчитано на измерение только одного параметра, а именно крутящего момента, тогда как исследование влияния смазывающих технологических сред (СТС) на изменение силы, действующей на индентор в процессе работы устройства, не предусмотрено.
2. Перемещение неподвижного вала в осевом направлении, а следовательно и индентора относительно конической втулки (контртело) ограничивается с одной стороны упорным кольцом и упорным подшипником, а с другой самим индентором. Недостаток такого решения заключается в том, что при создании небольшой нагрузки на контактную пару, в процессе работы устройства, возможно смещение индентора в осевом направлении, а следовательно, и пятна контакта, что приведет к погрешности измерений.
3. Наличие резиновой прокладки, расположенной между толкателем и индентором приводит к необходимости применять индентор меньшей длины, что может негативно повлиять на жесткость системы.
Техническим результатом полезной модели является высокая точность определения коэффициента трения смазочных материалов, а также универсальность замены испытуемых образцов.
Это достигается тем, что заявляемое устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержит вал, на котором расположены коническая направляющая втулка, коническая втулка (контртело), индентор, при этом измерение значений крутящего момента осуществляется при помощи динамометра, кинематически связанного с валом, также с целью снижения сил трения, на валу установлен линейный подшипник, расположенный в отверстии конической направляющей втулки.
Отличия данного технического решения от прототипа заключаются в следующем:
1. Конструкция содержит тензодатчик, расположенный между толкателем и индентором, выполненный с возможностью передавать сигнал по электропроводу на электронный динамометр в процессе работы устройства.
2. На валу расположена пружина, контактирующая с упорным подшипником и упорной шайбой, обеспечивающая дополнительную фиксацию вала.
3. Устройство содержит клин, выполненный с пазом, перемычка которого контактирует с толкателем, при этом в пазу установлена резиновая прокладка, контактирующая с перемычкой, ограничивающая ее перемещение, также на клин нанесено трехслойное износостойкое покрытие, состоящее из адгезионного, переходного и защитного слоя.
Полезная модель представлена на чертеже.
На Фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства для определения коэффициента трения смазочных материалов в осевом сечении.
На Фиг. 2 представлена деталь «Клин» в разрезе.
Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержит электронный динамометр 1, стопорные кольца 2, 17, 21, шпильку 3, подшипники качения 4, державку 5, упорный болт 6, электропровод 7, вставку 8, установочный винт 9, резиновую прокладку 10, сопло 11, коническую втулку (контртело) 12, индентор 13, упорную шайбу 14, пружины 15, 26, упорные подшипники 16, 22, линейный подшипник 18, кулачки токарного патрона 19, коническую направляющую втулку 20, фиксирующие винты 23, упорное кольцо 24, вал 25, тензодатчик 27, толкатель 28, клин 29, износостойкое покрытие 30, адгезионный слой 31, переходной слой 32, защитный слой 33.
Принцип работы устройства заключается в следующем.
Коническая направляющая втулка 20 с конической втулкой (контртело) 12 закрепляется на токарном станке (на чертеже не указан) при помощи кулачков токарного патрона 19, в свою очередь, индентор 13 установлен в отверстии вала 25, контактирующий с конической втулкой (контртело) 12, контактная нагрузка которых регулируется путем перемещения клина 29, контактирующего с толкателем 28. В свою очередь, клин 29 содержит износостойкое покрытие 30, состоящее из адгезионного 31, переходного 32 и защитного 33 слоев.
Необходимая нагрузка на контактную пару создается при помощи пружины 26, а также упорного болта 6, контактирующего с клином 29, расположенного в отверстии вала 25 и установленного при помощи вставки 8, которая, в свою очередь, закреплена при помощи установочного винта 9. Контроль нагрузки осуществляется при помощи тензодатчика 27, расположенного между толкателем 28 и индентором 13, соединенного с электронным динамометром 1 через электропровод 7. Для предотвращения от возможного заклинивания, вызванного образованием нароста на поверхности индентора 13 в процессе работы устройства, в клине 29 изготовлен сквозной паз, с образованием перемычки, контактирующей с толкателем 28, служащей в качестве демпфера. Дополнительно в пазу клина 29 установлена резиновая прокладка 10, ограничивающая смещение перемычки в процессе нагрузки.
Коническая направляющая втулка 20 содержит линейный подшипник 18, зафиксированный при помощи стопорных колец 17, 21, в свою очередь, вал 25 расположен в отверстии линейного подшипника 18, также на валу 25 установлены упорные подшипники 16, 22, упорное кольцо 24, зафиксированное при помощи фиксирующих винтов 23, а также установлена пружина 15 с упорной шайбой 14, предназначенные для фиксации и линейного перемещения вала 25 с индентором 13, относительно конической втулки (контртело) 12, вдоль ее образующей.
Подача СТС в контактную зону индентора 13 и конической втулки (контртело) 12 осуществляется при помощи сопла 11.
На валу 25 имеется лапка с шпилькой 3, зафиксированная при помощи стопорных колец 2, в свою очередь на шпильке 3 установлены подшипники качения 4, контактирующие с державкой 5, при вращении конической направляющей втулки 20 с конической втулкой (контртело) 12. Державка 5 установлена в электронном динамометре 1, при помощи которого производится регистрация значений крутящего момента, а также силы, действующей на индентор 13 в процессе работы устройства, направленной перпендикулярно оси вала 25.
Устройство работает следующим образом: эксплуатация устройства осуществляется на токарном станке (на чертеже не указан), в котором предусмотрено наличие частотного преобразователя, позволяющего в широком диапазоне регулировать частоту вращения шпинделя, а следовательно, и частоту вращения конической направляющей втулки с установленной конической втулкой (контртело).
Коническая направляющая втулка с конической втулкой (контртело), устанавливается в четырехкулачковом патроне, индентор, расположенный в отверстии вала, контактирует с конической втулкой (контртело), в свою очередь, нагрузка на контактную пару регулируется путем перемещения клина при помощи упорного болта и пружины.
Клин контактирует с толкателем, через который создается необходимая нагрузка на контактную пару. Контроль нагрузки осуществляется при помощи тензодатчика, расположенного между индентором и толкателем, соединенного с электронным динамометром через электропровод. Для снижения силы трения, возникающей в процессе создания контактной нагрузки, на поверхность клина нанесено трехслойное износостойкое покрытие, содержащее адгезионный, переходный и защитный слои.
Коническая втулка (контртело) устанавливается в отверстии конической направляющей втулки, которая также содержит линейный подшипник, зафиксированный в отверстии при помощи стопорных колец. В свою очередь, осевое перемещение ограничивают упорные подшипники, расположенные на валу, контактирующие с упорным кольцом, пружиной и упорной шайбой. Линейный подшипник с упорными подшипниками, обеспечивают вращательное движение направляющей конической втулки с конической втулкой (контртело), а также линейное перемещение, путем смещения упорного кольца, в результате чего поверхность конической втулки (контртело) используется по всей длине образующей.
На валу расположена специальная лапка с закрепленной при помощи стопорных колец шпилькой, содержащей подшипники качения, контактирующие с державкой. Державка, в свою очередь, устанавливается в электронном динамометре. При вращении конической направляющей втулки индентор контактирует с конической втулкой (контртело), в результате чего создается крутящий момент на валу, передаваемый через лапку на державку, и далее на динамометр. Также устройство позволяет дополнительно измерять силу, действующую на индентор в процессе работы устройства, направленную перпендикулярно оси вала. Подача СТС в контактную зону индентора и конической втулки (контртело) осуществляется при помощи сопла. С целью исключения влияния дополнительных «паразитных» пар трения, на показания динамометра, перед проведением экспериментальных исследований, устройство необходимо тарировать. Для того, чтобы исключить влияние линейного подшипника, а также упорных подшипников на показания динамометра, необходимо произвести вращение конической направляющей втулки, без взаимодействия индентора с конической втулкой (контртело), затем полученные данные учитывать при дальнейших исследованиях.