УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
TRIBOTECHNICAL MATERIAL TEST DEVICE

Изобретение относится к области исследования триботехнических свойств конструкционных и смазочных материалов, а именно к приспособлениям для проведения испытаний на трение и износ, позволяющим использовать в качестве привода токарные или сверлильные станки.
Известно аналогичное устройство, описанное в патенте [1]. Устройство содержит основание, держатель контробразца (сферическая пята), держатель образца, связанный с приводом вращения, датчики силы, выполненные в виде упругих элементов с установленными на них тензорезисторами, узел нагружения, состоящий из пневмосистемы, а приложение нагрузки к контробразцу осуществляется сжатым воздухом.
Недостатки аналога заключаются в сложности устройства и ограниченности функциональных возможностей.
В качестве прототипа выбрано устройство для испытаний на трение и износ, описанное в патенте [2]. Устройство содержит привод вращения в виде высокомоментного электродвигателя, статор которого через подшипник соединен с полым ротором, в котором закреплен испытываемый диск, взаимодействующий с индентором, закрепленным в U-образном моноблоке, содержащем тензометрические датчики нормальных и касательных сил, связанном со статором. Прижатие индентора к боковой поверхности диска осуществляется за счет собственной упругости U-образного моноблока, а тензометрические датчики соединены с регистрирующим прибором.
Недостатками прототипа являются: сложность реализации устройства, недостаточная точность оценки определяемых характеристик (нормальных и касательных сил) вследствие того, что нагружение осуществляется благодаря упругой деформации относительно жесткого датчика нормальных сил, а также функциональной ограниченности данного устройства, которая охватывает только схемы трения «палец-диск», «шар-диск». Кроме того, нагрев U-образного моноблока за счет трения приведет к искажениям показаний датчиков.
Технический результат настоящего изобретения заключается в упрощении устройства для проведения испытаний на трение и износ, расширении его функциональных возможностей, а также в повышении точности оценки определяемых характеристик.
Технический результат достигается тем, что устройство для триботехнических испытаний материалов, включающее привод вращения, тензодатчики нормальных и касательных сил, размещенные в U-образном моноблоке, представляющем собой балку с концентраторами сил, регистрирующий блок, контробразец, узел фиксации контробразца, также дополнительно содержит следующие элементы: сменные вставки для установки в U-образный моноблок; сменные узлы крепления образцов, соответствующие различным схемам триботехнических испытаний; второй тензодатчик касательных сил, причем в U-образном моноблоке оси датчиков нормальной и касательной сил расположены перпендикулярно друг к другу, концентраторы сил выполнены в виде цилиндрических пазов, а сменные вставки содержат упругий элемент, жесткость которого меньше, чем жесткость U-образного моноблока.
Указанный результат достигается также тем, что устройство дополнительно содержит охладитель.
Указанный результат достигается также тем, что устройство дополнительно содержит датчик температуры.
Указанный результат достигается также тем, что устройство дополнительно содержит электронный ключ, связанный с приводом.
Заявляемое устройство (фиг.1) содержит привод 1, на котором установлены U-образный моноблок 2 и узел крепления образца 3, которые связанны с входом блока усилителей 4, выход которого связан с аналоговой частью системы сбора данных 5, выход которой связан с персональным компьютером 6, на котором установлена рабочая программа; электронный ключ 7, вход которого связан с цифровой частью системы сбора данных 5, а выход - с приводом 1; сменные вставки 8, имеющие возможность их установки в U-образном моноблоке 2 или в приводе 1.
В качестве привода 1 могут использоваться стандартные металлорежущие станки токарной и сверлильной группы.
U-образный моноблок (фиг.2) содержит корпус 9, имеющий хвостовик, обеспечивающий возможность закрепления U-образного моноблока в тисках сверлильного станка или в резцедержателе токарного станка. В корпус вставлен поводковый штырь 10, обеспечивающий возможность передачи нагрузки на первый датчик касательных сил, конструктивно выполненный в виде локального сужения корпуса 9 за счет двух цилиндрических пазов, на боковые поверхности которых наклеены тензорезисторы 11, 12. На корпусе имеется отверстие с фиксирующим винтом 13 для возможности закрепления в U-образном моноблоке сменных вставок 8. В плоскости изгиба первого датчика касательных сил дополнительно имеется второй датчик касательных сил, конструктивно выполненный аналогично первому на базе тензорезисторов 14, 15. Перпендикулярно плоскости изгиба вышеописанных датчиков касательных сил находится датчик нормальных сил, выполненный на базе тензорезисторов 16, 17. Корпус 9 расположен внутри защитного кожуха 18, который выполнен в виде тонкостенной оболочки с прорезями и воздушным охладителем 19, обеспечивающими возможность циркуляции воздуха внутри кожуха для охлаждения тензометрических датчиков нормальных и касательных сил измерительного узла.
Узел крепления образца 3 выполнен в шести вариантах.
Первый вариант - чашка с прижимным кольцом (фиг.3) - содержит чашку 20 с боковой стороны которого имеется глухое отверстие для установки в него термопары 21, подключенной к блоку усилителей 4. На дне в центре чашки имеется коническое углубление для установки чашки в U-образный моноблок, а на периферии - глухое отверстие для установки в него свободного конца поводкового штыря. Внутри чашки устанавливается плоский образец 22 (с размерами, не превышающими размеры внутренней полости чашки), прижимаемый ко дну чашки тремя винтами 23 через прижимное кольцо 24.
Второй вариант - чашка с оправкой для шариков (фиг.4) - содержит вышеописанную чашку 20, внутри которой в три глухих резьбовых отверстия ввинчены штыри 25, на которые насаживается стандартная обойма, используемая для триботехнических испытаний смазочных материалов по четырехшариковой схеме. Обойма для фиксации трех шариковых образцов 26 содержит корпус 27 и прижимную резьбовую гайку 28. На дне корпуса обоймы 27 имеются три отверстия для возможности установки обоймы на штыри 25.
Третий вариант - диск с прижимным кольцом (фиг.5) - аналогичен первому варианту (фиг.3), в котором вместо чашки 20 используется диск 29, конструктивно выполненный как чашка 20 без боковых стенок. Данный узел позволяет фиксировать плоские образцы 30 с габаритами, превышающими размер диска.
Четвертый вариант - оправка для роликов (фиг.6) - содержит цилиндрический корпус 31, хвостовик которого фиксируется в патроне токарного станка, а на противоположную часть надевается роликовый образец 32 и фиксируется на корпусе с помощью болта 33 через прижимную шайбу 34.
Пятый вариант - оправка для дисков (фиг.7) - содержит корпус 35, имеющий хвостовик для фиксации оправки в патроне сверлильного или токарного станка, а также полость для размещения образца 36 дисковой формы, который фиксируется внутри полости тремя винтами 37.
Шестой вариант - чашка со штоком (фиг.8) - содержит чашку 20, в дно которой ввинчены штыри 25, на который надевается роликовый образец 38, Сверху в отверстие образца 38 вставлен конец штыря 39, хвостовик которого зажимается в патрон сверлильного станка. На буртике штыря имеется штырь 40, на который насаживается до упора в буртик роликовый контробразец 41. Для предотвращения возможности выпадения контробразца 41 в буртик штока вделан постоянный магнит 42.
Блок усилителей 4 включает тензоусилители двух тензодатчиков касательных сил и одного тензодатчика нормальной нагрузки, а также усилитель сигнала термопары 21.
Система сбора данных 5 устройства реализована на базе серийных устройств, например LA-50USB, Е14-140, Е14-440 и т.п., имеющих аналоговую и цифровую части, а также порт для связи с персональным компьютером 6.
На персональный компьютер устанавливают рабочую программу (например, коммерческий программный продукт «PowerGraph») для проведения испытаний, в которую входят функции мониторинга, преобразования (например, калибровки, фильтрации и т.д.) и сохранения полученных экспериментальных данных в постоянной памяти компьютера.
Электронный ключ, выполненный на базе, например, семисторов, связанный с цифровой частью системы сбора данных и приводом, обеспечивает возможность управлять приводом устройства посредством рабочей программы. При этом запуск устройства синхронизируется с началом регистрации экспериментальных данных, а отключение устройства происходит по достижении времени испытаний, момента трения или температуры заданных предельных значений.
Сменные вставки 8 выполнены в шести вариантах.
Первый вариант (фиг.9) - коническая вставка - состоит из игольчатой опоры 43, имеющей хвостовик для его установки в корпусе U-образного моноблока, и коническую вершину, а также упругий элемент 44 с жесткостью, меньшей, чем жесткость корпуса U-образного моноблока. Упругий элемент 44 предназначен для демпфирования динамических нагрузок, возникающих из-за биения привода и неровностей на поверхностях испытываемых образцов, что повысит точность и повторяемость триботехнических испытаний. Данная вставка служит в качестве опоры для чашки 20 или диска 29, используемых для крепления плоских образцов при относительно малых нормальных нагрузках (до 20 кгс) при триботехнических испытаниях.
Второй вариант (фиг.10) - сферическая вставка - конструктивно и по назначению аналогична вышеописанной конической вставке и содержит сферическую опору 45 с упругим элементом 44. Отличие состоит в том, что сферическая вставка имеет большую опорную поверхность, чем конус. Это позволяет использовать данную вставку при высоких нормальных нагрузках (более 20 кгс) при триботехнических испытаниях.
Третий вариант (фиг.11) - вставка с вращающимся шариком - состоит из корпуса 46, относительно которого имеет возможность вращаться шариковый контробразец 47 через промежуточный слой опорных шариков 48. От выпадения шарики 47 и 48 удерживаются крышкой 49, привинченной к корпусу винтами 50. Корпус 46 вставлен в хвостовик 51 через упругий элемент 44 и зафиксирован винтом 52. Данная вставка используется для проведения триботехнических испытаний образцов на трение качения.
Четвертый вариант (фиг.12) - вставка с невращающимся шариком - состоит из корпуса 53, на котором с помощью гайки 54 неподвижно фиксируется шариковый контробразец 47. Корпус, аналогично предыдущему варианту устанавливается в хвостовик 51 через упругий элемент 44 и зафиксирован винтом 52.
Пятый вариант (фиг.13) - вставка с трубчатым контробразцом - содержит трубчатый контробразец 55, установленный в хвостовике 51 через упругий элемент 44 аналогично третьему и четвертому вариантам. Данная вставка при испытаниях закрепляется в патроне сверлильного станка.
Шестой вариант (фиг.14) - вставка со стержневым контробразцом - содержит стержневой контробразец 56, установленный в хвостовике 51 аналогично предыдущему варианту. Вставка используется при испытаниях по схеме «палец-диск».
Особенностью трубчатого 55 и стержневого 56 контробразцов является то, что при износе с одной стороны их можно перевернуть и использовать с другой стороны.
Работа устройства в динамике.
Устройство в вышеописанной комплектации позволяет реализовать 19 вариантов триботехнических испытаний, указанных в таблице.
Первый вариант (фиг.15). В U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку качения. Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в резцедержателе токарного станка. Для триботехнических испытаний берут цилиндрический образец, изготовленный из испытуемого материала, и фиксируют в патроне токарного станка (без использования специальных узлов крепления образца). Шариковый контробразец прижимают к боковой поверхности цилиндрического образца под заданной нормальной нагрузкой (величина нагрузки контролируется по эпюре величины нормального нагружения, выводимой на экран компьютера в режиме реального времени). На поверхности трения наносят слой требуемого смазочного материала. При запуске токарного станка образец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения качения между цилиндрическим образцом и шариковым контробразцом определяют вторым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. Этот вариант испытаний служит для воспроизведения условий работы дорожек качения в радиальных шарикоподшипниках. Каждое новое испытание производят на новом участке цилиндрического образца и с новым шариком (контробразцом).
Второй вариант (фиг.15). Данный вариант во всем аналогичен первому варианту, но при этом в U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку скольжения. Данный вариант используют для имитации условий работы радиальных подшипников скольжения.
Третий вариант (фиг.16). В U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку качения. Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в резцедержателе токарного станка. Для триботехнических испытаний берут цилиндрический образец, изготовленный из испытуемого материала, и фиксируют в патроне токарного станка (без использования специальных узлов крепления образца). Шариковый контробразец прижимают к торцевой поверхности цилиндрического образца под заданной нормальной нагрузкой (величина нагрузки контролируется по эпюре величины нормального нагружения, выводимой на экран компьютера в режиме реального времени). На торцевую поверхность цилиндрического образца наносят слой требуемого смазочного материала. При запуске токарного станка образец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения качения между цилиндрическим образцом и шариковым контробразцом определяют вторым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. Этот вариант испытаний служит для воспроизведения условий работы дорожек качения в упорных шариковых подшипниках. Каждое новое испытание производят после удаления изношенной части образца с новым шариком (контробразцом).
Четвертый вариант (фиг.16). Данный вариант во всем аналогичен предыдущему (третьему) варианту, но при этом в U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку скольжения. Данный вариант используют для имитации условий работы упорных подшипников скольжения.
Пятый вариант (фиг.17). В U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку качения. Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в резцедержателе токарного станка. Для триботехнических испытаний берут цилиндрический образец с отверстием, изготовленный из испытуемого материала, и устанавливают в оправку для роликов, которую в свою очередь фиксируют в патроне токарного станка. Шариковый контробразец прижимается к боковой поверхности образца под заданной нормальной нагрузкой (величина нагрузки контролируется по эпюре величины нормального нагружения, выводимой на экран компьютера в режиме реального времени). На боковую поверхность образца наносят слой требуемого смазочного материала. При запуске токарного станка образец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения качения между цилиндрическим образцом и шариковым контробразцом определяют вторым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. Этот вариант испытаний служит для воспроизведения условий работы дорожек качения в радиальных шариковых подшипниках. Каждое новое испытание производят на новом участке образца и с новым шариком (контробразцом). Кроме того, в данном варианте имеется возможность проведения натурных испытаний с использованием в качестве образцов внутренних колец радиальных шариковых подшипников.
Шестой вариант (фиг.17). Данный вариант аналогичен предыдущему (пятому) варианту, но при этом в U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку скольжения. Данный вариант используют для имитации условий работы радиальных подшипников скольжения. При этом в качестве образцов могут быть использованы натурные образцы втулок скольжения.
Седьмой вариант (фиг.18). В U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку качения. Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в резцедержателе токарного станка. Для триботехнических испытаний берут образец в виде диска, изготовленного из испытуемого материала, устанавливают его в оправке для дисков, которую фиксируют в патроне токарного станка. Шариковый контробразец прижимают к торцевой поверхности образца под заданной нормальной нагрузкой (величина нагрузки контролируется по эпюре величины нормального нагружения, выводимой на экран компьютера в режиме реального времени). На торцевую поверхность образца наносят слой требуемого смазочного материала. При запуске токарного станка образец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения качения между цилиндрическим образцом и шариковым контробразцом определяют вторым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. Этот вариант испытаний служит для воспроизведения условий работы дорожек качения в упорных шариковых подшипниках. Каждое новое испытание производится после удаления изношенной части образца и с новым шариком (контробразцом).
Восьмой вариант (фиг.18). Данный вариант аналогичен предыдущему (седьмому) варианту, но при этом в U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку скольжения. Данный вариант используют для имитации условий работы упорных подшипников скольжения. При этом в качестве образцов могут быть использованы натурные детали упорных подшипников скольжения.
Девятый вариант. Данный вариант аналогичен предыдущим двум (седьмому и восьмому) вариантам, но при этом в U-образный моноблок устанавливают вставку со стержневым образцом. Данный вариант реализует стандартную схему триботехнических испытаний «палец-диск».
Десятый вариант (фиг.19). В U-образный моноблок устанавливают коническую или сферическую вставку. Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в тисках сверлильного станка так, чтобы ось вставки совпадала с осью вращения шпинделя станка. Для триботехнических испытаний берут три шарика и устанавливают их в чашке с оправкой для шариков. Чашку устанавливают на вершину конической или сферической вставки так, чтобы поводковый штырь вошел в углубление на дне чашки. В патроне сверлильного станка зажимают хвостовик шариковой вставки скольжения. В чашку заливают требуемый смазочный материал. На три закрепленных в обойме шарика опускают шариковый контробразец, установленный в шариковой вставке скольжения. Далее реализуют стандартное триботехническое испытание (ГОСТ 9490-75), проводимое на четырехшариковых машинах трения. При запуске сверлильного станка шариковый контробразец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения скольжения между цилиндрическим образцом и шариковым контробразцом определяют первым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения.
Одиннадцатый вариант (фиг.20). В U-образный моноблок устанавливают коническую или сферическую вставку (в зависимости от требуемой величины нормальной нагрузки). Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в тисках сверлильного станка так, чтобы ось вставки совпадала с осью вращения шпинделя станка. Выбирают из комплекта оснастки оправку со штоком. Для триботехнических испытаний берут кольцевой образец и устанавливают его внутри чашки, насаживая образец на три штыря, ввернутых в дно чашки. Чашку устанавливают на вершину конической или сферической вставки так, чтобы поводковый штырь вошел в углубление на дне чашки. В патроне сверлильного станка зажимают шток. На шток снизу надевают кольцевой контробразец до упора его в буртик, обеспечивая попадание штыря, ввинченного в буртик в соответствующее отверстие в контроборазце. При этом кольцо фиксируется на штоке за счет постоянного магнита, вделанного в буртик штока. В чашку помещают требуемый смазочный материал. Опускают шток с контробразцом на образец, установленный в чашке так, чтобы выступающая часть штока вошла в отверстие образца. Нагружают пару трения за счет подвешивания требуемой нагрузки на рукоятку вертикального перемещения шпинделя сверлильного станка. При запуске сверлильного станка контробразец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения скольжения между торцевыми поверхностями образца и контробразца определяют первым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. В данном варианте (торцевой трибометр) имитируются условия работы упорных подшипников скольжения.
Двенадцатый вариант (фиг.21). В U-образный моноблок устанавливают коническую или сферическую вставку (в зависимости от требуемой величины нормальной нагрузки). Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в тисках сверлильного станка так, чтобы ось вставки совпадала с осью вращения шпинделя станка. Выбирают из имеющейся оснастки чашку с кольцевым прижимом. Для триботехнических испытаний берут плоский образец и устанавливают его по центру внутренней полости чашки, прижимая ко дну прижимным кольцом с помощью трех винтов, вворачиваемых в дно чашки. Чашку устанавливают на вершину конической или сферической вставки так, чтобы поводковый штырь вошел в углубление на дне чашки. В патроне сверлильного станка зажимают оправку с трубчатым образцом. В чашку помещают требуемый смазочный материал. Опускают торец трубчатого контробразца на образец и нагружают стык за счет подвешивания требуемой нагрузки на рукоятку вертикального перемещения шпинделя сверлильного станка. При запуске сверлильного станка контробразец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения скольжения определяют первым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. В данном варианте (торцевой трибометр) имитируются условия работы упорных подшипников скольжения.
Тринадцатый вариант (фиг.22). В U-образный моноблок устанавливают коническую или сферическую вставку (в зависимости от требуемой величины нормальной нагрузки). Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в тисках сверлильного станка так, чтобы ось вставки совпадала с осью вращения шпинделя станка. Выбирают из имеющейся оснастки диск с кольцевым прижимом. Для триботехнических испытаний берут плоский образец и устанавливают его по центру верхней части диска, прижимая к нему прижимным кольцом с помощью трех винтов, вворачиваемых в диск. Диск устанавливают на вершину конической или сферической вставки так, чтобы поводковый штырь вошел в углубление на дне диска. В патроне сверлильного станка зажимают оправку с трубчатым образцом. На поверхность испытуемого образца наносят слой требуемого смазочного материала. Опускают торец трубчатого контробразца на образец и нагружают стык за счет подвешивания требуемой нагрузки на рукоятку вертикального перемещения шпинделя сверлильного станка. При запуске сверлильного станка контробразец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения скольжения определяют первым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. В данном варианте (торцевой трибометр) имитируются условия работы упорных подшипников скольжения.
Четырнадцатый вариант (фиг.23). В U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку качения. Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в тисках на столике сверлильного станка так, чтобы ось вставки располагалась параллельно оси вращения шпинделя станка, но с поперечным смещением, равным требуемому радиусу дорожки трения. Для триботехнических испытаний берут образец в виде диска, изготовленного из испытуемого материала, устанавливают его в оправке для дисков, которую фиксируют в патроне сверлильного станка. На диск наносят слой смазочного материала. Оправку с образцом опускают на контробразец и прижимают к нему под заданной нормальной нагрузкой за счет подвешивания требуемой нагрузки на рукоятку вертикального перемещения шпинделя сверлильного станка (величина нагрузки контролируется по эпюре величины нормального нагружения, выводимой на экран компьютера в режиме реального времени). При запуске сверлильного станка образец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения качения между торцом дискового образца и шариковым контробразцом определяют вторым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. Этот вариант испытаний служит для воспроизведения условий работы дорожек качения в упорных шариковых подшипниках. Каждое новое испытание производится после удаления изношенной части образца и с новым шариком (контробразцом).
Пятнадцатый вариант (фиг.23). Данный вариант аналогичен предыдущему (четырнадцатому) варианту, но при этом в U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку скольжения. Данный вариант используют для имитации условий работы упорных подшипников скольжения. При этом в качестве образцов могут быть использованы натурные детали упорных подшипников скольжения.
Шестнадцатый вариант. Данный вариант аналогичен предыдущим двум (четырнадцатому и пятнадцатому) вариантам, но при этом в U-образный моноблок устанавливают вставку со стержневым образцом. Данный вариант реализует стандартную схему триботехнических испытаний «палец-диск».
Семнадцатый вариант (фиг.24). В U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку качения. Хвостовик U-образного моноблока закрепляют в тисках на столике сверлильного станка так, чтобы ось вставки располагалась параллельно оси вращения шпинделя станка, но с поперечным смещением, равным требуемому радиусу дорожки трения. Для триботехнических испытаний берут цилиндрический образец, изготовленный из испытуемого материала, и фиксируют в патроне токарного станка (без использования специальных узлов крепления образца). На торец цилиндрического образца наносят слой смазочного материала. Образец опускают на контробразец и прижимают к нему под заданной нормальной нагрузкой за счет подвешивания требуемой нагрузки на рукоятку вертикального перемещения шпинделя сверлильного станка (величина нагрузки контролируется по эпюре величины нормального нагружения, выводимой на экран компьютера в режиме реального времени). При запуске сверлильного станка образец начинает вращаться с заданной частотой. Возникающую силу трения качения между торцом цилиндрического образца и шариковым контробразцом определяют вторым датчиком касательных сил U-образного моноблока. Сигналы с датчиков нормальной и касательной сил усиливают блоком усилителей, оцифровывают в системе сбора данных и передают в компьютер. Испытания автоматически прекращают по достижении одного из контролируемых параметров (длительности испытаний, силы трения) заданного максимального значения. Этот вариант испытаний служит для воспроизведения условий работы дорожек качения в упорных шариковых подшипниках. Каждое новое испытание производится после удаления изношенной части образца и с новым шариком (контробразцом).
Восемнадцатый вариант (фиг.24). Данный вариант аналогичен предыдущему (семнадцатому) варианту, но при этом в U-образный моноблок устанавливают шариковую вставку скольжения. Данный вариант используют для имитации условий работы упорных подшипников скольжения.
Девятнадцатый вариант (фиг.24). Данный вариант аналогичен предыдущим двум (семнадцатому и восемнадцатому) вариантам, но при этом в U-образный моноблок устанавливают вставку со стержневым образцом. Данный вариант реализует схему триботехнических испытаний «палец-диск».
Пример. Испытывали антифрикционные и противоизносные свойства посеребренной шайбы, применяемой в серийном производстве опор буровых долот в ОАО «Волгабурмаш». Размеры шайбы: наружный диаметр 54 мм, диаметр отверстия 20 мм, толщина 2,5 мм. Толщина серебряного покрытия - 20 мкм. Условия эксплуатации шайбы: смазочный материал - штатная долотная пластичная смазка JBL; нормальное давление - 13 МПа; вид трения - граничное трение скольжения. Для испытаний шайбы выбрали вариант 13. Трубчатый образец имел наружный диаметр 6 мм, диаметр отверстия 4 мм. Площадь поверхности трения составила 15,7 мм. Расчетная нормальная нагрузка для воспроизведения при испытаниях рабочего нормального давления составляет 204,1 Н. Испытываемую шайбу закрепили с помощью прижимного кольца на диске. На поверхность шайбы, расположенную внутри кольца, нанесли слой смазки JBL толщиной 1 мм. В патрон сверлильного станка установили оправку с трубчатым контробразцом. В отверстие U-образного моноблока вставили сферическую вставку и установили U-образный моноблок в тисках на столике сверлильного станка так, чтобы вершина сферической вставки расположилась по оси вращения трубчатого контробразца. Затем опустили трубчатый контробразец на поверхность испытуемой шайбы и прижали их под нагрузкой 200 Н (фиг.22). В боковое отверстие на диске вставили термопару. Из рабочей программы одновременно привели в действие станок и начали регистрацию экспериментальных данных в виде эпюр «нормальная нагрузка - время наработки», «температура разогрева - время наработки». Полученные экспериментальные данные приведены на фиг.25.
После длительности наработки 1 час произошло автоматическое выключение стенда. Образец сняли с диска и оценили величину линейного износа на кольцевом участке трения профилографированием (методом искусственных баз). Износ в зоне трения составил 14 мкм. Средний момент трения составил 0,025 Н·м. Температура разогрева образца составила 55°С.
Графические материалы заявки содержат:
Фиг.1 - блок-схема устройства для триботехнических испытаний материалов;
Фиг.2 - схема U-образного моноблока;
Фиг.3 - схема первого варианта исполнения узла крепления образца;
Фиг.4 - схема второго варианта исполнения узла крепления образца;
Фиг.5 - схема третьего варианта исполнения узла крепления образца;
Фиг.6 - схема четвертого варианта исполнения узла крепления образца;
Фиг.7 - схема пятого варианта исполнения узла крепления образца;
Фиг.8 - схема шестого варианта исполнения узла крепления образца;
Фиг.9 - схема первого варианта исполнения сменной вставки;
Фиг.10 - схема второго варианта исполнения сменной вставки;
Фиг.11 - схема третьего варианта исполнения сменной вставки;
Фиг.12 - схема четвертого варианта исполнения сменной вставки;
Фиг.13 - схема пятого варианта исполнения сменной вставки;
Фиг.14 - схема шестого варианта исполнения сменной вставки;
Фиг.15 - схема первого и второго вариантов комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.16 - схема третьего и четвертого вариантов комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.17 - схема пятого и шестого вариантов комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.18 - схема седьмого, восьмого и девятого вариантов комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.19 - схема десятого варианта комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.20 - схема одиннадцатого варианта комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.21 - схема двенадцатого варианта комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.22 - схема тринадцатого варианта комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.23 - схема четырнадцатого, пятнадцатого и шестнадцатого вариантов комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.24 - схема семнадцатого, восемнадцатого и девятнадцатого вариантов комплектации устройства для реализации триботехнических испытаний;
Фиг.25 - эпюры экспериментальных данных «нормальная нагрузка - время наработки», «температура разогрева - время наработки».
Используемая литература
1. Патент РФ №2379648. Устройство для испытания материалов на трение и износ / Броновец М.А., Володин М.В. Опубл. 20.01.2010, бюл. №2.
2. Патент РФ №2279057. Устройство для испытания материалов на трение и износ / Броновец М.А. Опубл. 27.06.2006, бюл. №18.