Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов
DEVICE FOR DETERMINING THE COEFFICIENT OF FRICTION OF LUBRICANTS

Изобретение 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, влияющие на погрешность измерения, а также невысокие скорости скольжения и удельные давления в контакте индентора и диска.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов (патент на полезную модель РФ №200036 МПК G01N 19/02, опубл. 01.10.2020. Бюл. №28. Прототип), содержащее подвижный вал, на котором расположены направляющая втулка, направляющая коническая втулка, контртело в виде конической втулки, направляющая цилиндрическая втулка, индентор, линейные подшипники, направляющие винты при этом на подвижном валу расположено кольцо подачи смазывающей технологической среды (СТС) с установленным в нем соплом для возможности подачи СТС в распыленном состоянии, при этом в подвижном валу выполнен канал для подачи СТС в контактную зону. Для предотвращения от вращения кольца подачи СТС и гильзы предусмотрена пластина, установленная на торце кольца подачи СТС, кинематически связанная с неподвижным основанием. Измерение значений крутящего момента осуществляется при помощи электронного динамометра, кинематически связанного с направляющей втулкой. С целью снижения сил трения на подвижном валу установлены линейные подшипники между направляющей цилиндрической и направляющей втулками.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Подвижный вал одним концом устанавливается в кулачках токарного патрона, а противоположным концом поджимается вращающимся центром. Индентор, расположенный перпендикулярно оси подвижного вала, контактирует с контртелом в виде конической втулки, установленной в отверстии направляющей конической втулки, зафиксированной при помощи направляющей втулки и направляющих винтов. Направляющие винты в свою очередь установлены в направляющей цилиндрической втулке, линейное перемещение которой предотвращает упорное кольцо, расположенное на подвижном валу и закрепленное при помощи установочных винтов. Для снижения сил трения при вращении подвижного вала, в отверстиях направляющей втулки и направляющей цилиндрической втулки установлены линейные подшипники, зафиксированные при помощи стопорных колец, при этом между торцовой поверхностью направляющей цилиндрической втулки и упорным кольцом установлен упорный подшипник, служащий также для снижения сил трения. Подача СТС осуществляется через каналы, расположенные в подвижном валу и сопла, герметично установленного при помощи резиновых прокладок в отверстии кольца подачи СТС, где последнее герметично установлено на подвижном валу, при помощи уплотнительных кольцевых прокладок, обеспечивающих бесперебойную подачу СТС в контактную зону при вращении подвижного вала. Для предотвращения попадания СТС в шпиндель токарного станка (на чертеже не указан), предусмотрен винт с потайной головкой и внутренним шестигранником, установленный в отверстии подвижного вала. Для экономичного использования СТС и предотвращения от загрязнения оборудования, конструкцией предусмотрено использование специальной гильзы, герметично установленной на направляющей конической втулке и направляющей цилиндрической втулке при помощи уплотнительных прокладок, с установленной трубкой для отбора смазочного материала. Конструкцией также предусмотрена специальная пластина, установленная на торцевой поверхности кольца подачи СТС при помощи фиксирующих винтов и специальная лапка (на чертеже позиция отсутствует), расположенная на направляющей втулке, к которым прикреплена штанга при помощи установочных колец, с установленными фторопластовыми вставками, контактирующими с упором, зафиксированным в неподвижном основании, что предотвращает вращение кольца подачи СТС и гильзы при вращении подвижного вала. При вращении подвижного вала, в контактной паре образованной индентором и контртелом в виде конической втулки, возникает крутящий момент, который передается на электрический динамометр, которым производится регистрация показаний, через направляющую втулку посредством кинематической связи.
Недостатком такого устройства является отсутствие возможности исследования трибологических свойств многокомпонентных составов смазывающих технологических сред (СТС).
Техническим результатом изобретения является высокая точность определения коэффициента трения смазочных материалов и универсальность замены испытуемых образцов, а для исследования трибологических свойств многокомпонентных составов СТС, конструкцией предусмотрено наличие специальных крыльчаток, установленных в емкости для СТС, которые обеспечивают непрерывное смешивание жидкости.
Это достигается тем, что заявляемое устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов, содержащее подвижный вал, на котором расположены направляющая втулка, направляющая коническая втулка, контртело в виде конической втулки, направляющая цилиндрическая втулка, индентор, при этом на подвижном валу расположено кольцо подачи смазывающей технологической среды (СТС) и канал для подачи СТС в контактную зону индентора и конической втулки (контртело), в свою очередь, измерение значений крутящего момента осуществляется при помощи электронного динамометра, кинематически связанного с направляющей втулкой, при этом, на подвижном валу установлены линейные подшипники, контактирующие с направляющей цилиндрической и направляющей втулками, также устройство содержит сопло для подачи СТС в контактную зону индентора и контртела, а также канал для подачи СТС в сопло, канал для подачи сжатого газа, который соединен с соплом, выполненным с возможностью смешивания сжатого газа с многокомпонентной СТС, образуя аэрозоль, вал с крыльчатками, погруженный в объем СТС, соединенный с редуктором, установленным на крышке при помощи фиксирующих винтов, и электродвигателем, включенным через частотный преобразователь и выключатель, в цепь питания.
Отличием данного технического решения от прототипа является тот факт, что для возможности использования многокомпонентных СТС, устройство содержит крыльчатки, расположенные в емкости для СТС, при этом вал с крыльчатками приводит в движение электродвигатель, соединенный с редуктором, установленным на крышке емкости для СТС, в свою очередь управление электродвигателем осуществляется при помощи частотного преобразователя, подключенного через выключатель в цепь питания.
На чертеже представлена конструктивная схема устройства для определения коэффициента трения смазочных материалов в осевом сечении.
Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержит вращающийся центр 1, подвижный вал 2, линейные подшипники 3, 26, стопорные кольца 4, 18, 31, 60, направляющие винты 5, направляющую втулку 6, подшипники качения 7, шпильку 8, фиксирующие кольца 9, электронный динамометр 10, державку 11, индентор 12, гильзу 13, установочные винты 14, упорное кольцо 15, трубку для отбора смазочного материала 16, упорный подшипник 17, уплотнительные кольцевые прокладки 19, 29, 36, основание 20, упор 21, фторопластовые вставки 22, штангу 23, установочные кольца 24, направляющую цилиндрическую втулку 25, пластину 27, кольцо подачи СТС 28, кулачки токарного патрона 30, винт с потайной головкой и внутренним шестигранником 32, фиксирующие винты 33, 47, 50, сопло 34, направляющую гильзу 35, канал для подачи СТС 37, каналы для подачи сжатого газа 38, 51, датчик расхода СТС 39, винт для регулировки подачи СТС 41, выключатель 42, датчик уровня СТС 43, частотный преобразователь 44, электродвигатель 45, редуктор 46, крышку 48, прокладку 49, крыльчатки 52, емкость для СТС 53, манометры 40, 54, 57, винты для регулировки подачи сжатого газа 55, 56, направляющую коническую втулку 58, коническую втулку (контртело) 59.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Индентор 12, установленный перпендикулярно оси подвижного вала 2, контактирует с конической втулкой (контртелом) 59, которая установлена в отверстии направляющей конической втулки 58 и зафиксирована при помощи направляющей втулки 6 и направляющих винтов 5, которыми создается нагрузка на контактную пару, образованную индентором 12 и конической втулкой (контртелом) 59. В свою очередь направляющие винты 5 установлены в направляющей цилиндрической втулке 25, от линейного перемещения которой, предотвращает упорный подшипник 17 и упорное кольцо 15, зафиксированное при помощи установочных винтов 14. Для снижения сил трения, на подвижном валу 2 расположены линейные подшипники 3, 26, установленные в отверстии направляющей втулки 6 и направляющей цилиндрической втулки 25, зафиксированные стопорными кольцами 4, 18, 32, 60. Подача СТС осуществляется через каналы, расположенные в подвижном валу 2, в которые среда поступает через кольцо подачи СТС 28 и сопло 34, которое герметично установлено в отверстии кольца подачи СТС 28 при помощи направляющей гильзы 35 и уплотнительных кольцевых прокладок 36. В свою очередь кольцо подачи СТС 28 герметично закреплено на подвижном валу 2 при помощи уплотнительных кольцевых прокладок 29, обеспечивающие подачу СТС в контактную зону при вращении подвижного вала 2, в котором также установлен винт с потайной головкой и внутренним шестигранником 32 для предотвращения от попадания СТС в шпиндель токарного станка.
Для вторичного использования отработанной СТС, конструкцией предусмотрено наличие специальной гильзы 13, герметично установленной в направляющей конической втулке 58 и направляющей цилиндрической втулке 25 при помощи уплотнительных кольцевых прокладок 19, через которую отработанная СТС поступает в трубку для отбора смазочного материала 16 для повторного использования.
Вращение подвижного вала 2 осуществляется при помощи токарного станка (на чертеже не указан), имеющего в наличии частотный преобразователь (на чертеже не указан), обеспечивающий регулировку частоты вращения шпинделя в необходимом диапазоне. Фиксация подвижного вала 2 осуществляется при помощи кулачков токарного патрона 30 и вращающегося центра 1. Для предотвращения от проворачивания кольца подачи СТС 28 и гильзы 13, предусмотрена пластина 27 с лапкой, которая установлена на торце кольца подачи СТС 28 при помощи фиксирующих винтов 33, а также лапка (на чертеже позиция отсутствует) расположенная на гильзе 13, на которые, при помощи установочных колец 24 закреплена штанга 23 с фторопластовыми вставками 22, контактирующая с упором 21, установленным в неподвижном основании 20.
При вращении подвижного вала 2, индентор 12 контактирует с конической втулкой (контртелом) 59, в результате чего, на направляющей втулке 6 возникает крутящий момент, передаваемый через расположенную на направляющей втулке 6 лапку (на чертеже позиция отсутствует), с установленной при помощи фиксирующих колец 9 шпилькой 8, и расположенными в ней подшипниками качения 7, контактирующие с державкой 11, установленной в электронном динамометре 10, при помощи которого производится регистрация значений крутящего момента.
В свою очередь, для исследования коэффициента трения модифицированных СТС, состоящих из нескольких компонентов которые необходимо непрерывно смешивать, конструкция устройства снабжена системой подачи СТС, содержащей емкость для СТС 53, в которой расположены крыльчатки 52, имеющие разно ориентированные лопатки (на чертеже позиция не указана), в свою очередь крыльчатки, расположены на валу (на чертеже позиция не указана) который соединен с редуктором 46, расположенным на крышке 48 и установленным при помощи фиксирующих винтов 47. Вращение вала с крыльчатками обеспечивается при помощи электродвигателя 45, управление которого в свою очередь осуществляется при помощи частотного преобразователя 44, включенного через выключатель 42 в сеть питания. Подготовленная СТС через канал для подачи СТС 37 поступает в сопло 34, расход которой регулируется при помощи винта для регулировки подачи СТС 41, датчика расхода СТС 39 и датчика уровня СТС 43, находящейся в емкости для СТС 53. При помощи винта для регулировки подачи сжатого газа 56 и винта для регулировки подачи СТС 41, обеспечиваются необходимые параметры аэрозоли. Давление сжатого газа в канале для подачи сжатого газа 38 регулируется при помощи манометра 57. Давление СТС в канале для подачи СТС регулируется при помощи манометра 40.
Для подачи СТС свободно падающей струей блокируется подача сжатого газа при помощи винта для регулировки подачи сжатого газа 56, а винт для регулировки подачи СТС 41 остается открытым.
Для подачи СТС струей под давлением, через канал для подачи сжатого газа 51, который соединен с штуцером (позиция на чертеже не указана) расположенным на крышке 48, в емкость для СТС 53 подается сжатый газ, который вытесняет СТС. Герметичность установки крышки 53 обеспечивается при помощи прокладки 49 и фиксирующих винтов 50.
Давление сжатого газа в емкости для СТС 53, регулируется при помощи манометра 54 и винта для регулировки сжатого газа 55.
Устройство работает следующим образом. Подвижный вал одним концом устанавливается в кулачках токарного патрона, а противоположным концом поджимается вращающимся центром.
Индентор, расположенный перпендикулярно оси подвижного вала, контактирует с конической втулкой (контртелом), установленной в отверстии направляющей конической втулки и зафиксированной при помощи направляющей втулки а также направляющих винтов. Направляющие винты в свою очередь установлены в направляющей цилиндрической втулке, линейное перемещение которой предотвращает упорное кольцо, закрепленное на подвижном валу при помощи установочных винтов. Для снижения сил трения при вращении подвижного вала, в отверстиях направляющей втулки и направляющей цилиндрической втулки установлены линейные подшипники, зафиксированные при помощи стопорных колец, при этом между торцовой поверхностью направляющей цилиндрической втулки и упорным кольцом установлен упорный подшипник, служащий также для снижения сил трения.
Подача СТС осуществляется через каналы, расположенные в подвижном валу в сопло, герметично установленного при помощи направляющей гильзы и резиновых прокладок в отверстии кольца подачи СТС, где последнее герметично установлено на подвижном валу, при помощи уплотнительных кольцевых прокладок, обеспечивающих бесперебойную подачу СТС в контактную зону при вращении подвижного вала.
Для предотвращения попадания СТС в шпиндель токарного станка (на чертеже не указан), предусмотрен винт с потайной головкой и внутренним шестигранником, установленный в отверстии подвижного вала. Для повторного использования СТС и предотвращения от загрязнения оборудования, конструкцией предусмотрено использование специальной гильзы, которая устанавливается на направляющей конической втулке и направляющей цилиндрической втулке при помощи уплотнительных кольцевых прокладок, в свою очередь, в гильзу устанавливается трубка для отбора смазочного материала.
Также конструкцией предусмотрено наличие специальной пластины, которая устанавливается на торцевой поверхности кольца подачи СТС при помощи фиксирующих винтов, и лапки (на чертеже позиция отсутствует), расположенной на направляющей втулке, к которым прикреплена штанга при помощи установочных колец, с установленными фторопластовыми вставками, контактирующими с упором, зафиксированным в неподвижном основании, что предотвращает проворачивание кольца подачи СТС и гильзы при вращении подвижного вала.
Конструкция устройства позволяет исследовать трибологические свойства модифицированных СТС. Для этого СТС погружается в емкость для СТС, затем герметично закрывается крышкой. Герметичность установки крышки обеспечивается при помощи прокладки и фиксирующих винтов. Через выключатель подается питание на частотный преобразователь, при помощи которого осуществляется управление электродвигателем и устанавливаются необходимые обороты, далее крутящий момент передается через редуктор на вал с крыльчатками, при помощи которых осуществляется смешивание компонентов СТС.
Подача СТС в контактную зону индентора и конической втулки (контртело) в виде аэрозоли осуществляется при помощи винта для регулировки подачи СТС, где СТС, через канал для подачи СТС подается в сопло, затем подается сжатый газ в сопло, который смешивается с СТС, образуя аэрозоль. Расход СТС регулируется при помощи датчика расхода СТС, манометра и датчика уровня СТС.
Параметры аэрозоли регулируется при помощи винта для подачи сжатого газа и винта для регулировки подачи СТС. Для подачи СТС свободно падающей струей блокируется подача сжатого газа при помощи винта для регулировки подачи сжатого газа, а винт для регулировки подачи СТС остается в открытом положении.
Для подачи СТС струей под давлением, через канал для подачи сжатого газа в емкость для СТС подается сжатый газ, который вытесняет СТС.
Регистрация величины крутящего момента, образованного в результате контакта индентора и конической втулки (контртело) посредством сил трения, осуществляется при помощи электронного динамометра, соединенного через шпильку с направляющей втулкой, кинематически связанной с направляющей конической втулкой и конической втулкой (контртело).