ТРИБОТЕСТЕР

Полезная модель относится к средствам испытания материалов на износ.
Эрозия - износ потоком абразивных частиц - весьма распространенный тип износа, обусловленный двумя самостоятельными видами изнашивания: газоабразивным и гидроабразивным, которые очень близки между собой в отношении динамического характера поведения абразивных частиц, но существенно различаются в физико-химических процессах взаимодействия твердых частиц с испытуемым материалом в среде газа или жидкости [1, 2].
Ведущий вид износа - коррозионно-механический. Ему подвержены лопатки гидро- и газовых турбин, гребные винты и валы, системы трубопроводов и пневмотранспорта, детали строительных, дорожных, почвообрабатывающих и др. машин.
При малых скоростях потока и углах атаки абразивных частиц (α→0) оба этих вида изнашивания приводятся к варианту изнашивания в массе абразива соответственно в воздушной или жидкой среде [2].
Для исследования этих видов изнашивания создаются стенды и установки, имеющие, как правило, свое узкоспециализированное назначение. Так, в частности, известна установка для испытаний на изнашивание в абразивном потоке [3], представляющая собой установленный внутри закрытого полого корпуса вращающийся диск Т-образного сечения, по периферии которого выполнены пазы клиновидной формы для укладки в них плоских образцов. В корпус вмонтирована воронка с полой трубкой для подачи абразивных частиц путем их свободного падения вплоть до соударения с вращающимся диском. Экспериментально установлено, что частицы износа исследуемых металлов представляют собой типичные стружки, т.е. происходит царапание-резание свободным абразивным зерном, обусловленное значительной тангенциальной составляющей силы соударения.
Для исследования износостойкости материалов в условиях гидроабразивного изнашивания разработана установка [4], содержащая корпус, смонтированный на нем привод вращения вертикально расположенного полого ротора с диском на его верхнем конце и радиально расположенными под диском патрубками. Нижняя часть ротора в виде трубки с проволочной спиралью, выполняющей роль винтового насоса, погружена в заполненный водой с абразивом конический бак. При вращении ротора вода поднимается до уровня патрубков, струя из которых под действием центробежных сил попадает на закрепленные на нижней стороне диска испытуемые образцы, выполненные в виде пластинок и установленные под разными углами атаки к направлению струи.
Достоинство этой установки состоит в том, что в ней предусмотрен отвод наружу жидкости с однажды использованным абразивом, а также соответствующая компенсация как жидкости, так и абразива.
Вместе с тем ей присущ серьезный недостаток, который состоит в том, что концентрация абразива в рабочей струе, попадающей на образцы из выходного патрубка, не равна исходной, которая обеспечивается независимым функционированием дозаторов воды и абразива. Она существенно зависит от скорости истечения рабочей струи, которая по данным авторов [5] равна V=8…36 м/с. Чем меньше эта скорость (а она может быть существенно меньше V<1,0 м/с, например, при пахоте сырого грунта), тем большая доля абразива окажется в осадке на дне конического бака, откуда рабочая смесь винтовым насосом подается вверх к выходным патрубкам. Следовательно, тем с большей ошибкой будет определена износостойкость испытуемых материалов в зависимости от реальной концентрации абразива.
Ближайшим аналогом предложенного решения является типовой триботестер [5] (принят за прототип), содержащий корпус со смонтированным в нем приводом вращения шпинделя, на консольном конце которого, выходящего наружу через боковую стенку корпуса, установлен ролик. Кроме того он содержит закрепленную на стенке корпуса ванну для рабочей среды, в днище которой вмонтирован выпускной штуцер с краном, и держатель образца, размещенный на шарнирно закрепленном рычаге, взаимодействующем с механизмом нагружения, обеспечивая тем самым прижим исследуемого образца к боковой поверхности металлического ролика, являющегося контртелом для испытуемого образца.
На известном триботестере реализуется традиционная схема трения «колодка-ролик». При этом нагружение пары трения нормальной нагрузкой предусматривается только сверху, рычаги держателя образца и механизма нагружения функционально не связаны между собой, а внутри объема ванны не предусматривается размещения ничего, кроме металлического ролика-контртела.
На нем возможно проведение триботехнических испытаний в потоке жидкости при полном или частичном погружении ролика-контртела в водную или смазочную среду. Но проводить испытания на абразивное изнашивание на нем невозможно, поскольку, во-первых, сама компоновка пары трения («образец в положении сверху над роликом») экранирует попадание абразива в зону контакта, а во-вторых, добавленный в жидкую смесь абразив тут же оседает на дно ванны и даже установленная рядом с образцом крыльчатка для перемешивания абразива не спасает положения.
Заявляемый триботестер расширяет функциональные возможности типового триботестера, обеспечивая проведение испытаний на нем как в потоке сыпучего абразива, так и в потоке водной смеси абразива.
Указанный результат достигается тем, что триботестер содержит корпус со смонтированным в нем приводом вращения шпинделя, на консольном конце которого, выходящего наружу через боковую стенку корпуса, установлен ролик, закрепленную снаружи на стенке корпуса ванну для рабочей среды, в днище которой выполнено отверстие под штуцер, держатель образца, размещенный на шарнирно закрепленном рычаге, и взаимодействующий с этим рычагом механизм нагружения, обеспечивающий прижим исследуемого образца к боковой поверхности ролика, при этом он снабжен резервуаром с дозатором абразива для подачи его в контактную зону сопряжения, жестко фиксируемым на днище ванны съемным основанием со сквозной внутренней полостью, в качестве держателя образца использован рычаг второго рода, свободный конец которого связан с механизмом нагружения посредством гибкой связи, а ролик выполнен из эластичного материала, например, резиновым или обрезиненным.
Благодаря наличию этих признаков:
а) изменено расположение образца относительно боковой поверхности ролика с горизонтального на боковое для беспрепятственного доступа абразива в контактную зону и размещения держателя образца внутри ванны;
б) обеспечено дистанционное расположение механизма нагружения (подвески с грузами) за пределами ванны;
в) выполнение держателя образца в виде рычага 2-го рода, шарнирно связанного со съемным основанием, позволило соединить его гибкой связью с вынесенной грузовой подвеской для создания нормального усилия на образец.
г) выполнение основания со сквозной внутренней полостью обеспечило свободный выход использованного абразива через отверстие в днище камеры;
д) выполнение ролика из эластичного материала в частности, резиновым или обрезиненным, обеспечило шаржирование и кратковременное защемление в нем абразивной частицы для интенсификации микрорезания при принудительном перемещении ее по поверхности испытуемого образца.
Предложенный триботестер иллюстрируется чертежом.
На фиг. показан фронтальный вид на ванну триботестера (передняя стенка снята) с расположенным внутри нее испытуемым узлом трения.
Триботестер содержит корпус со смонтированным в нем приводом вращения шпинделя (не показаны), выходящего наружу через боковую стенку корпуса.
На консольном конце шпинделя жестко закреплен ролик 1, выполненный из упругого эластичного материала, например, резиновый или обрезиненный.
На боковой стенке корпуса расположена также ванна 2 для рабочей среды, в днище которой вмонтирован штуцер с краном (не показаны).
Кроме того, триботестер содержит резервуар 3 с дозатором для сыпучего абразива, подача которого непосредственно в контактную зону обеспечивается направляющим лотком 4. На днище ванны установлено съемное основание 5, выполненное в виде пластины со сквозной внутренней полостью. Его позиционирование относительно ролика может быть обеспечено плотной установкой его между боковыми стенками ванны, для чего его длина должна быть равной ширине рабочей полости ванны. На одной из торцевых сторон основания шарнирно закреплен держатель 6 образца 7, выполненный в виде плоского рычага второго рода. Свободный конец его гибкой связью соединен с механизмом нагружения 8, который выполнен в виде набора грузов на подвеске, вынесенной с помощью направляющего ролика 9 за пределы ванны.
На обращенной к ролику 1 стороне держателя 6 выполнено гнездо с ограничительными буртиками для установки в нем плоского образца 7, прижимаемого в процессе испытаний к боковой поверхности ролика нормальной нагрузкой.
под
кр
гр
Масса грузов на подвеске подбирается из условия обеспечения нормального контактного усилия на ролик (N=4,4 кг [6]) с учетом соотношения плеч рычага держателя G=4,4I/I, где
под
G - масса грузов на подвеске,
кр
I - плечо рычага до точки контакта его с роликом,
гр
I - плечо рычага до линии действия усилия, создаваемого грузами.
Диаметр ролика должен быть в диапазоне 48…50 мм, твердость его материала 78…85 ед. по Шору [6]. Скорость его вращения n=60 об/мин.
Испытания на абразивное изнашивание осуществляются следующим образом.
В гнездо держателя 1 устанавливается образец из эталонного материала (как правило, это сталь 45 HV 190…220), гибкая нить механизма нагружения закрепляется в пазу на верхнем конце держателя. В резервуар 3 засыпается абразивный материал, в частности, электрокорунд с размером зерен 0,2…0,16 мм [6]. Постоянство расхода абразива обеспечивается дозатором. Свободно падающий абразив, попадая в контактную зону, защемляется эластичной поверхностью ролика 1 и принудительно протаскивается по поверхности испытуемого образца 7, что обусловливает его износ. По выходе из контактной зоны абразив просыпается на дно ванны 2, где имеется резьбовое отверстие под штуцер для отводящего шланга (не показаны). Важно отметить, что каждая из абразивных частиц участвует в изнашивании однократно, что продиктовано запретом [6] на повторное использование абразивного материала. Испытания продолжаются до наработки N=600 оборотов. Износ определяется весовым методом.
Аналогичным образом испытываются все остальные исследуемые образцы материалов, относительная износостойкость которых определяется в сравнении с эталонным материалом.
При необходимости исследования изнашивания материалов в гидроабразивном потоке необходимо сверху от внешнего источника, например водопровода (на чертеже не показан), подать в ванну поток воды, которая, пройдя зону фрикционного контакта, вместе с абразивом будет уноситься через открытый штуцер в днище ванны. Процессы на фрикционном контакте в этом случае будут определяться совокупным воздействием жидкой среды и абразива. Рекомендуемая концентрация абразива 25 г/л [7] во избежание образования экранирующего слоя абразивных частиц.
Результаты испытаний также как и при сухом трении, оцениваются по относительной износостойкости, которая является критерием для выбора средств защиты от абразивного износа.
В таком исполнении предложенное техническое решение обеспечивает возможность проведения сравнительных испытаний материалов не только в потоке чистой проточной воды, как это присуще прототипу [5], но и в потоке сухого абразива в полном соответствии с требованиями ГОСТ 13.208-79 [6], а также в потоке гидроабразивной смеси, что в итоге существенно расширяет функциональные возможности известного триботестера.
Источники информации
1. Б.И. Костецкий и др., «Надежность и долговечность машин», изд-во «ТЕХНИКА», Киев, 1973 г., 403 с.
2. М.М. Тененбаум, «Сопротивление абразивному изнашиванию», М. «Машиностроение», 1976 г., 270 с.
3. В.Н. Кащеев, В.М. Глазков. Изнашивание в потоке движущихся абразивных частиц - Сб. «Методы испытания на изнашивание», M. АНСССР, 1962 стр. 24-30.
4. А.с. 223425 кл. 42к. 38/01, 1967 - Машина трения для испытаний материалов на гидроабразивную износостойкость.
5. А.В. Морозов, Б.Я. Сачек, A.M. Мезрин. «Оценка триботехнических свойств модифицированных эпоксидных углепластиков в проточной воде» - «Вопросы материаловедения», 2012, №4 (72), стр. 58…65. - прототип.
6. ГОСТ 23.208-79, «Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы», М. Госкомитет СССР по стандартам.
7. А.с. 188729 кл. 42К, 38/01, 1965, - Машина трения для испытаний материалов на гидроабразивную износостойкость.