Испытательная установка реверсивного трения
TEST INSTALLATION OF REVERSIBLE FRICTION

Область техники, к которой относится изобретение.
Заявляемое изобретение относится к области испытательной техники и может быть применено при испытании материалов на трение и износ, а также для определения коэффициентов трения в парах скольжения при возвратно-поступательном движении.
Уровень техники.
Известен стенд для испытания образцов на износ (патент РФ №60218, кл. МПК G01N 3/56, U1, дата публикации 10.01.2007), содержащий раму с установленными на ней пневмоцилиндром и устройством для статического нагружения, пластину для включения концевых выключателей, установленную на штоке пневмоцилиндра, при этом стенд дополнительно содержит пневмопривод, соединенный с пневмоцилиндром, устройство для моделирования динамического нагружения, состоящее из пружины, соединенной одним концом с натяжным механизмом, а другим через динамометр - со штоком пневмоцилиндра, который шарнирно закреплен на раме и опирается на кулачок устройства для моделирования динамического нагружения. Недостатком известного стенда является возможность испытания образцов исключительно в форме манжеты, а также невозможность приложения значительных нагрузок ввиду конструктивных особенностей стенда.
Из известных устройств наиболее близким, по достигаемому техническому результату, является установка для испытания образцов на трение при плоском напряженном состоянии (патент РФ №2376579, кл. МПК G01N 3/56, U1, дата публикации 20.12.2009), содержащая основание, установленные на нем захваты образца и контробразца, дугообразную направляющую с размещенной на ней платформой, привод перемещения платформы по направляющей, механизм нагружения, установленный на направляющей и выполненный в виде гидроцилиндра, шток которого связан с захватом образца, а также механизм относительного перемещения захватов, установленный на платформе и выполненный в виде гидроцилиндра, шток которого связан с захватом образца, и источник давления, сообщенный с полостями гидроцилиндров, при этом дугообразная направляющая выполнена с возможностью углового поворота и имеет привод для реализации указанного поворота. Недостатком известной установки является невозможность приложения значительных нагрузок ввиду конструктивных особенностей установки, отсутствие возможности измерения коэффициента трения.
Раскрытие сущности изобретения.
Задачей изобретения является получение достоверных данных о характеристиках материалов, работающих как слои скольжения при возвратно-поступательном движении в условиях значительной сжимающей нагрузки, направленной перпендикулярно направлению перемещения образца.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение возможностей для создания условий испытания образцов полимерных материалов, максимально приближенное к реальным условиям их эксплуатации при значительных сжимающих нагрузках и возвратно-поступательном движении, например, в опорных частях мостов.
Технический результат достигается тем, что конструкция предлагаемой установки содержит основание, установленные на нем блоки прямого и обратного ходов, образующие сдвигающие усилия, систему нагружения, создающую прижимающее усилие образцов к контробразцам, систему образцов и контробразцов, гидравлический блок, систему охлаждения, блок управления, при этом блок прямого хода включает гидроцилиндр прямого хода, включающий, шток прямого хода, на свободном конце которого жестко закреплен захват контробразцов, с противоположной стороны гидроцилиндр прямого хода соединен с корпусом системы измерения сдвигающей силы, второй конец корпуса системы измерения сдвигающей силы жестко соединен с пластиной регулирования оси, которая крепится к, перпендикулярному к оси, упору. Блок прямого хода включает также датчик положения, жестко закрепленный на гидроцилиндре прямого хода и включатель датчика положения, жестко закрепленный на захвате контробразцов.
Технический результат достигается также тем, что блок обратного хода включает гидроцилиндр обратного хода, жестко соединенный с основанием, при этом гидроцилиндр содержит шток обратного хода, на свободном конце которого жестко закреплен захват контробразцов, при этом блок обратного хода также включает датчик положения, жестко закрепленный на гидроцилиндре обратного хода и включатель датчика положения, жестко закрепленный на захвате контробразцов.
Указанный технический результат достигается также тем, что система нагружения, создающая прижимающее усилие образцов к контробразцам, включает корпус системы нагружения, содержащий гидроцилиндр, жестко закрепленный в корпусе системы нагружения, включающий шток гидроцилиндра, на свободном конце которого жестко закреплен захват первого образца а также содержит винтовой механизм, на свободном конце которого жестко закреплен захват второго образца,, кроме того захваты первого и второго образцов объединены штифтами, обеспечивающими сохранение плоскостей расположения образцов.
Указанный технический результат достигается также тем, что система образцов и контробразцов включает первый и второй образцы, первый и второй контробразцы, а также размещенный между ними радиатор, при этом захваты контробразцов соединены между собой по наружной торцевой поверхности рамкой жесткости, а на первом и втором образцах, и первом и втором контробразцах закреплены датчики температуры.
Технический результат достигается также тем, что гидравлический блок включает гидравлический бак, с установленным на нем гидравлическим насосом, который сообщается с гидроаппаратурой прямого и обратного ходов и гидроаппаратурой системы нагружения, при этом гидравлический бак соединен с системой охлаждения жидкости, включающей датчик температуры жидкости и обеспечивающей поддержание допустимой рабочей температуры жидкости в гидравлическом блоке при длительной работе установки.
Технический результат достигается также тем, что система охлаждения, обеспечивающая поддержание допустимой температуры образцов и контробразцов, включает вентиляторы системы охлаждения и внешний радиатор системы охлаждения соединенный с радиатором, расположенным между контробразцами гибкими шлангами.
Технический результат достигается также тем, что блок управления соединен с датчиком положения и системой измерения сдвигающей силы блока прямого хода, датчиком положения блока обратного хода, датчиками температуры образцов и контробразцов, гидроаппаратурой прямого и обратного ходов и гидроаппаратурой системы нагружения, с гидравлическим насосом, датчиком температуры жидкости.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 представлена общая схема испытательной установки реверсивного трения с подробной детализацией блока основания, блока прямого хода, блока обратного хода, гидравлического блока.
На Фиг. 2 представлена детализация системы нагружения, системы образцов и контробразцов, системы охлаждения, испытательной установки реверсивного трения.
На Фиг. 3 представлена схема системы управления испытательной установки реверсивного трения.
Осуществление изобретения.
Конструкция предлагаемой установки содержит основание 1, установленные на нем блок 2 прямого хода и блок 3 обратного хода, образующие сдвигающие усилия, систему 4 нагружения, создающую прижимающее усилие образцов к контробразцам, систему 5 образцов и контробразцов, гидравлический блок 6, систему охлаждения 7, блок управления 8.
Блок 2 прямого хода (Фиг. 1), образующий сдвигающее усилие, включает гидроцилиндр прямого хода 9, соединенный с основанием 1 через подставки 10 и антифрикционные подставки 11 болтовым соединением 12, обеспечивающим возможность жесткой фиксации или свободного перемещения гидроцилиндра прямого хода 9 относительно основания 1. Гидроцилиндр прямого хода 9 включает шток прямого хода 13, на свободном конце которого жестко закреплен захват контробразцов 14. С противоположной стороны гидроцилиндр прямого хода 9 соединен с корпусом системы измерения сдвигающей силы 15, второй конец которого жестко соединен с пластиной регулирования оси 16, которая крепится к, перпендикулярному к оси, упору 17, с возможностью регулировки местоположения, болтовым соединением 18.
Блок 2 прямого хода включает также датчик положения 19, жестко закрепленный на гидроцилиндре прямого хода 9 и включатель датчика положения 20, жестко закрепленный на захвате контробразцов 14.
Блок 3 обратного хода (Фиг. 1), образующий сдвигающее усилие, включает гидроцилиндр обратного хода 21, жестко соединенный с основанием 1 через подставки 22. Гидроцилиндр обратного хода 21 содержит шток обратного хода 23, на свободном конце которого жестко закреплен захват контробразцов 24.
Блок 3 обратного хода также включает датчик положения 25, жестко закрепленный на гидроцилиндре обратного хода 21 и включатель датчика положения 26, жестко закрепленный на захвате контробразцов 24.
Система 4 нагружения (Фиг. 2), создающая прижимающее усилие образцов к контробразцам, включает корпус системы нагружения 27, содержащий винтовой механизм 28, на свободном конце которого жестко закреплен захват 29 второго образца 30, а также включает гидроцилиндр 31, жестко закрепленный в корпусе системы нагружения 27, шток гидроцилиндра 32, на свободном конце которого жестко закреплен захват 33 первого образца 34.
Захват 33 первого образца 34 соединен с захватом 29 второго образца 30 штифтами 35, жестко соединенными с торцевой поверхностью захвата 33, с возможностью линейного перемещения по их боковой поверхности сквозь сквозные отверстия захвата 29.
Система 5 образцов и контробразцов (Фиг. 2), включает первый 34 и второй ЗС образец, первый 37 и второй 36 контробразцы, а также размещенный между ними радиатор 38, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, например, меди, имеющий форму плоской пластины прямоугольной или квадратной формы. Первый 37 и второй 36 контробразцы закрепленные болтовыми соединениями 39 и 40 в захватах контробразцов 14 и 24, которые соединены между собой по наружной торцевой поверхности рамкой жесткости 41. На первом 34 и втором 30 образцах и первом 37 и втором 36 контробразцах закреплены датчики температуры 42.
Гидравлический блок 6 (Фиг. 1) включает гидравлический бак 43, с установленным на нем гидравлическим насосом 44, который сообщается с гидроаппаратурой прямого и обратного ходов 45 и гидроаппаратурой системы нагружения 46. Гидравлический бак 43 соединен с системой охлаждения жидкости 47, включающей датчик температуры жидкости 48 и обеспечивающей поддержание допустимой рабочей температуры жидкости в гидравлическом блоке 6 при длительной работе установки.
Гидроаппаратуру прямого и обратного ходов 45 соединяют с гидроцилиндрами прямого 9 и обратного 21 хода, рукавами высокого давления 49 и с гидравлическим баком 43 рукавами высокого давления 50. Гидроаппаратуру системы нагружения 46 соединяют с гидроцилиндром 31 рукавами высокого давления 49 и с гидравлическим баком 43 рукавами высокого давления 50.
Система охлаждения 7 (Фиг. 2) включает вентиляторы системы охлаждения 51, внешний радиатор системы охлаждения 52, подключаемый гибкими шлангами 53 при помощи разъемного соединения к радиатору 38. В разрыве гибкого шланга 53 установлен насос системы охлаждения 54.
Блок управления 8 (Фиг. 3) соединен с датчиком положения 19, системой измерения сдвигающей силы 15 блока 2 прямого хода и датчиком положения 25 блока 3 обратного хода, датчиками температуры 42, гидроаппаратурой прямого и обратного ходов 45 и гидроаппаратурой системы нагружения 46, с гидравлическим насосом 44, с датчиком температуры жидкости 48.
Установка работает следующим образом:
Через блок управления 8 контролируется: включение и выключение гидравлического насоса 44, режим работы гидроаппаратуры прямого и обратного ходов 45 и гидроаппаратуры системы нагружения 46. На приборной панели блока управления 8 отображаются данные: о величине усилия в системе измерения сдвигающей силы 15, о количестве циклов возвратно-поступательных движений с датчиков положения 19, 25, о скорости движения контробразцов 36, 37 вычисляемой по данным о количестве циклов возвратно-поступательных движений, о температуре образцов 30, 34 и контробразцов 36, 37 с датчиков температуры 42, о давлении жидкости распределяемом гидроаппаратурой прямого и обратного ходов 45 и гидроаппаратурой системы нагружения 46, о температуре жидкости с датчика температуры жидкости 48.
В исходном положении гидравлический насос 44 выключен, давление в рукавах высокого давления 49, 50 отсутствует, шток прямого хода 13 и шток обратного хода 23 неподвижны и находятся в одном из крайних положений. Винтовой механизм 28 находится в своем крайнем положении. Шток 32 гидроцилиндра системы нагружения неподвижен и находится в своем крайнем положении. Захваты первого 34 и второго 30 образцов расположены на максимально удаленном расстоянии друг от друга.
Производят сборку пакета контробразцов 36, 37 и радиатора 38. На первый контробразец 37 укладывают радиатор 38, затем на радиатор 38 укладывают второй контробразец 36. Пакет контробразцов 36, 37 и радиатора 38 закрепляют концами в захватах контробразцов 14, 24 при помощи болтовых соединений 39, 40. В захвате 29 размещают второй образец 30, в захвате 33 размещают первый образец 34.
На первом 34 и втором 30 образцах, а также на первом 37 и втором 36 контробразцах закрепляют датчики температуры 42.
Используя винтовой механизм 28 второй образец 30 перемещают до плотного соприкосновения с вторым контробразцом 36. Включается гидравлический насос 44, гидроаппаратура системы нагружения 46, подает жидкость в гидроцилиндр 31 системы нагружения через рукава высокого давления 49. Шток гидроцилиндра системы нагружения 32 прижимает первый образец 34 к первому контробразцу 37 с заданным усилием. Расчетное усилие прижима образцов 30, 34 с контробразцами 36, 37 регулируют в процессе испытаний при помощи гидроаппаратуры системы нагружения 46. Усилие прижима второго образца 30 равно усилию прижима первого образца 34 за счет определенной степени свободы пакета из контробразцов 36, 37 и радиатора 38. Установка находится в состоянии готовности к испытаниям.
Предлагаемая установка может использоваться для двух видов испытаний, при возвратно-поступательном движении:
- определение коэффициента трения в паре скольжения «образец-контробразец»;
- испытание образцов материалов на трение и износ.
Определение коэффициента трения в парах скольжения «образец-контробразец» производят следующим образом при условии, что установка находится в состоянии готовности к испытаниям.
Выкручивают и удаляют болты соединения 12, фиксирующие гидроцилиндр прямого хода 9 к основанию 1 через антифрикционные подставки 11 и подставки 10, тем самым обеспечивая минимальное влияние силы трения в паре «гидроцилиндр прямого хода 9 - антифрикционные подставки 11». При помощи пластины регулирования оси 16 производят регулировку положения оси системы измерения сдвигающей силы 15. После регулировки пластину регулирования оси 16 жестко закрепляют болтовым соединением 18 к упору 17.
На гидроцилиндр прямого хода 9, через рукав высокого давления 4 9, подают давление жидкости, контролируя подачу гидроаппаратурой прямого и обратного ходов 45 задают скорость движения штока прямого хода 13. Система измерения сдвигающей силы 15 отображает значения сдвигающей силы. Полученные значения сдвигающей силы и прижимного усилия записывают и на основании этих данных производят расчет коэффициента трения в паре скольжения «образец-контробразец».
Испытание образцов материалов на трение и износ, при условии, что установка находится в состоянии готовности к испытаниям, производят следующим образом.
Гидроцилиндр прямого хода 9 жестко закреплен к основанию 1 через антифрикционные подставки 11 и подставки 10 болтовым соединением 12.
На гидроцилиндр прямого хода 9, через рукав высокого давления 4 9, подают давление жидкости, контролируя подачу гидроаппаратурой прямого и обратного ходов 45 задают скорость движения штока прямого хода 13. Шток прямого хода 13 через захват контробразцов 14 придает поступательное линейное движение пакету из контробразцов 36, 37 и радиатора 38. Как только включатель датчика положения 26 касается датчика положения 25 блока 3 обратного хода, гидроаппаратура прямого и обратного ходов 45 сбрасывает давление в гидроцилиндре прямого хода 9 и подает давление в гидроцилиндр обратного хода 21, гидроцилиндр обратного хода 21 придает пакету из контробразцов 36, 37 и радиатора 38 возвратное линейное движение до того момента, когда включатель датчика положения 20 коснется датчика положения 19.
Один испытательный цикл закончен, начинается следующий испытательный цикл. Скорость линейного перемещения пакета контробразцов 36, 37 и радиатора 38 регулируют гидроаппаратурой прямого и обратного ходов 45.
Подсчет количества возвратно поступательных циклов ведется по данным с датчиков положения 19, 25. Температура образцов 30, 34 и контробразцов 36, 37 контролируется при помощи датчиков температуры 42. При необходимости понижения температуры контробразцов 36, 37 и образцов 30, 34 включают вентиляторы системы охлаждения 51, воздушный поток при этом направляют в зону контакта образцов и контробразцов.
При необходимости более эффективного охлаждения контробразцов 36, 37 и образцов 30, 34 подключают гибкие шланги системы охлаждения 53 к радиатору 38, включают насос системы охлаждения 54, охлаждающая жидкость циркулирует через внешний радиатор системы охлаждения 52, обеспечивая охлаждение контробразцов 36, 37 и образцов 30, 34.
При превышении рабочей температуры жидкости в гидравлическом блоке 6, система охлаждения жидкости 47 понижает температуру жидкости.
После выполнения, заданного количества циклов с определенными сжимающими нагрузками и заданной линейной скоростью производят оценку износа образцов и контробразцов известными методами.
В частном случае установка может быть использована в качестве испытательного стенда для полимерных материалов, используемых в опорных частях мостов, изготавливаемых в соответствии с СП 46.13330.2 012 «Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 3.06.04-91» и «Техническими требованиями к опорным частям с шаровым сегментом ОАО «РЖД» №2755р от 12.12.2013 г.
Опорная часть моста передает нагрузку от пролетного строения на опору моста, с возможностью обеспечения требуемого коэффициента трения при поворотных, и горизонтальных возвратно-поступательных в заданных пределах и направлениях перемещениях пролетного строения относительно опоры за счет попарно контактирующих между собой слоев скольжения, один из которых выполнен из металла, а другой из полимерного материала.
Испытания проводятся в следующих условиях:
- скорость движения в парах скольжения составляет до 2 мм/с, с амплитудой не менее 25 мм;
- коэффициент истирания определяется на базе испытаний не менее 1-2 км перемещения образца относительно контробразца;
- количество циклов возвратно-поступательных движений при относительном перемещении образцов 100 мм в одну сторону, составит от 1000 000 мм/100 мм*2=5000 циклов до 2000 000 мм/100 мм*2=10000 циклов;
- расчетное давление на образец до 65МПа, действует с постоянным усилием;
- температурный режим работы материалов от -60 до +50 градусов Цельсия;
- сохраняется неизменность осей образцов и контробразцов относительно осей нагружения и перемещения.
Предлагаемая к защите конструкция установки обеспечивает создание условий испытаний, максимально приближенное к условиям работы полимерных слоев скольжения в опорных частях мостов.
Предлагаемая к защите установка изготовлена и используется в научно-исследовательских целях при разработке опорных частей мостов в ООО «АльфаТех» (г. Пермь).