Устройство для трибологических исследований материалов пар трения

Полезная модель относится к оборудованию для исследования свойств контактирующих по условиям эксплуатации материалов и может быть использована для определения величины силы трения, коэффициента сцепления, износа изготовленных из этих материалов образцов.
Известно устройство для исследования триботехнических характеристик материалов, содержащее основание, на котором установлены нижняя и верхняя платформы, оснащенные съемными держателями с пазами для размещения в них, соответственно, образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения нижней платформы, выполненный в виде кривошипно-шатунного механизма, соединенного с двигателем, датчики регистрации линейных перемещений образца и контробразца, механизм нагружения образцов, включающий привод нагружения, соединенный винтовой передачей с реверсивным двигателем, датчик силы нагружения, соединенный с приводом нагружения, и регистрирующую аппаратуру, соединенную с датчиком силы нагружения и датчиками регистрации линейных перемещений. Устройство дополнительно содержит направляющие для линейного перемещения контробразца, установленные на верхней подвижной платформе, вертикальные стойки, смонтированные на основании, на которых закреплены направляющие для линейного перемещения образца и контробразца. Направляющие для контробразца закреплены на стойках с возможностью вертикального перемещения и фиксации. Помимо этого устройство дополнительно содержит блок управления механизмом нагружения и перемещения нижней платформы. Верхняя платформа с двух сторон снабжена пружинами, закрепленными с возможностью регулирования усилия сжатия, и датчиками регистрации усилий сжатия, съемные держатели закреплены на подвижных платформах посредством соединения «ласточкин хвост», а механизм нагружения образцов выполнен в виде двух плит, нижняя из которых установлена на направляющих линейного перемещения контробразца и закреплена на стойках с возможностью вертикального перемещения с помощью роликовых направляющих, а на верхней плите, концы которой тоже закреплены на стойках, установлен привод нагружения. Датчик силы нагружения, выполненный двунаправленным, расположен между плитами, кроме того, все направляющие выполнены прецизионными (см. патент РФ № 2600080, МПК G01N 3/56, 2016 г.).
В результате анализа данного устройства необходимо отметить, что оно обеспечивает в процессе эксплуатации управление процессом трения и оценивает динамические характеристики в режиме реального времени, оно обеспечивает исследование таких характеристик- как динамический коэффициент трения, коэффициент демпфирования системы, логарифмический декремент. Полученные трибологические параметры позволяют судить о трибонадежности материалов и узлов трения на стадии проектирования деталей машин. Однако данное устройство предназначено для испытаний только одной пары образцов, что снижает его производительность и не позволяет использовать при проведении массовых испытаний большого количества образцов. Кроме того, устройство обеспечивает испытания только плоских образцов, что снижает его область применения.
Известна установка для трибологических испытаний, содержащая плиту, на которой смонтированы приспособление для установки образца, выполненное в виде шпиндельного блока, оснащенного приводом вращения и сменным зажимным элементом для закрепления образца, а также приспособление для установки контробразца, оснащенное механизмом задания усилия поджима образца к контробразцу (см. патент РФ на полезную модель №92536, МПК G01N 3/00, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
К недостаткам установки можно отнести проведение испытаний на ней только одной пары образцов и отсутствие системы контроля трибологических параметров во время проведения испытаний, что существенно увеличивает время испытаний.
Техническим результатом настоящей полезной модели является повышение производительности трибологических исследований за счет проведения испытаний одновременно нескольких образцов и контробразцов, в том числе из различных материалов, и определения значений параметров (например, величины силы трения и коэффициента сцепления) в процессе испытаний.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для трибологических исследований материалов пар трения, содержащем плиту, на которой размещены приспособление для установки образцов, приспособление для установки контробразцов, а также измерительные элементы, новым является то, что приспособление для установки образцов выполнено в виде двух опор с соосными центрами, один из которых выполнен поводковым и оснащен приводом вращения, а также оправки, имеющей возможность установки в центрах и предназначенной для размещения образцов, а приспособление для установки контробразцов выполнено в виде закрепленных на плите стоек, на которых закреплена обойма с гнездами для контробразцов, каждый из контробразцов оснащен штоком, предназначенным для установки на него грузов, размещаемых в гнезде, а измерительные элементы размещены на обойме, у каждого ее гнезда, и каждый из них выполнен в виде тензодатчика, состоящего из тензорезистра и упругой мембраны, тензорезистр установлен на упругой мембране и имеет возможность контакта с грузом, а упругая мембрана закреплена на обойме.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - устройство для трибологических исследований материалов пар трения, вид в плане;
- на фиг. 2 - устройство, вид сверху;
- на фиг. 3 - разрез а-а по фиг. 1.
Устройство для трибологических исследований материалов пар трения состоит из плиты 1, на которой размешены приспособление для размещения образцов и приспособление для размещения контробразцов.
Приспособление для размещения образцов выполнено в виде установленных на плите 1 передней 2 и задней 3 опор с соосными центрами, соответственно 4 и 5. Центр 4 выполнен поводковым и оснащен регулируемым приводом 6 его вращения. В состав приспособления входит оправка 7, имеющая возможность установки в центры 4 и 5 опор и предназначенная для размещения на ней образцов - втулок 8, контактирующих поверхностью «А» (фиг. 3) с поверхностью контробразцов 9.
Приспособление для размещения контробразцов выполнено в виде обоймы 10 с гнездами для контробразцов 9, установленной и закрепленной на плите 1 с помощью стоек 11.
Каждый из контробразцов выполнен в виде сегмента, имеющего контактирующую с поверхностью «А» образца 8 поверхность (фиг. З). На каждом контробразце установлен шток 12, на который при проведении исследований устанавливаются грузы 13, располагаемые в гнездах 14 обоймы 10.
На обойме 10 у каждого ее гнезда размещены измерительные элементы, каждый из которых выполнен в виде тензодатчика, состоящего из тензорезистра 15 и упругой мембраны 16. Тензорезистр установлен на упругой мембране и имеет возможность контакта с грузом 13, а упругая мембрана 16 закреплена на обойме 10.
Устройство работает следующим образом.
Перед проведением исследований производят определение шероховатости трущихся поверхностей и взвешивание предварительно обезжиренных испытуемых образцов и контробразцов.
Для проведения исследований в центры 4 и 5 устанавливают оправку 7, на которую надеты и закреплены посредством стяжной гайки (позицией не обозначена) испытуемые образцы - втулки 8.
Сверху через гнезда 14 на цилиндрическую поверхность образцов 8 устанавливают контробразцы 9, штоки 12 которых располагают в гнездах 14. На штоки 9 устанавливают грузы 13, располагая их в гнездах 14 обоймы 10, без касания с тензорезистром 15. Количеством грузов 13 обеспечивается заданное усилие прижима контробразцов 9 к образцам 8. Регулируя усилие прижима контробразцов к образцам количеством грузов, возможно за один установ провести весь цикл исследований условий контакта образцов и контробразцов в зависимости от усилия их контакта, что существенно повышает производительность процесса исследований.
Включают привод 6 вращения оправки 7 с образцами 8. В момент страгивания (в начале движения образца) при работе привода с остановкой в течение 5 секунд через каждые 15 секунд работы производится контроль наибольшей силы трения покоя. Во время вращения оправки с образцами производится контроль величины силы трения.
После заданного времени испытаний производят обезжиривание испытуемых образцов и контробразцов, их взвешивание, измерение шероховатости поверхностей трения и определение по пятну износа на поверхности контробразцов давления между трущимися поверхностями.
При вращении оправки с образцами 8 контробразцы 9 из-за трения скольжения перемещаются в направлении вращения образцов и упираются в мембрану 16 с тензорезисторами 15, сопротивление которых изменяется пропорционально упругой деформации мембраны под действием силы трения.
При проведении испытаний сила трения между трущимися поверхностями образцов и контробразцов, соответствующая изменению сопротивления тензорезисторов 15, отображается на тензометрическом модуле - преобразователе сигналов тензорезисторов (не показан).
В соответствии с ГОСТ 30480-97 (Обеспечение износостойкости изделий) с помощью устройства проводятся испытания на износ с целью исследования закономерностей трения и изнашивания, к которым относится комплекс работ по подбору смазки и материалов пар трения, в том числе с покрытиями; определению скорости изнашивания - отношения значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник (ГОСТ 27674-88); определению влияния скорости движения и силы трения на скорость изнашивания; определению шероховатости трущейся поверхности после приработки (процесса изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, ГОСТ 27674-88), которую следует обозначать на соответствующих чертежах деталей с целью уменьшения их износа.
Данные о величине силы трения и наибольшей силе трения покоя могут быть использованы для подбора материалов пар трения с наибольшей износостойкостью, в том числе покрытий, по величине износа и минимальной силе трения покоя или минимальному коэффициенту трения, равного отношению силы веса образца к силе трения.