ТРИБОМЕТР

Полезная модель относится к средствам испытания материалов на трение и износ.
Экспериментальные триботехнические исследования проводят на машинах трения (трибометрах, триботестерах) самого различного типа, воспроизводящих вполне определенные схемы механического контакта (точечный, линейный, плоскостной, поверхностный) [1, 2]. Однако есть ряд сопряжений, геометрия поверхности контакта в которых изменяется по мере их износа, что приводит к перераспределению контактных давлений.
К сопряжениям такого типа относится, в частности, и передача «винт-гайка», для триботехнических испытаний которых существующие трибометры не предназначены. Под них создаются специальные стенды, на которых проводятся стендовые (натурные) испытания.
Так, например, известен стенд для испытаний передаточного механизма типа винт-гайка, состоящий из станины, смонтированных на ней с возможностью относительного перемещения держателей элементов испытуемой винтовой передачи, реверсивного привода вращения одного из элементов испытуемой винтовой передачи вокруг своей оси, направляющих прямолинейного перемещения одного из держателей вдоль оси испытуемой передачи, измерительного устройства и нагружающего устройства [3].
Недостаток стенда заключается в том, что грузовые элементы нагружающего устройства связаны с одним из держателей тросом, вследствие чего при частых реверсах привода вращения возникают самопроизвольные автоколебания грузов, а следовательно, и изменение нагружающего усилия, что не позволяет достичь высокой точности оценки фрикционных характеристик испытуемой пары.
В значительной мере этого недостатка лишен другой известный стенд для испытаний передачи винт-гайка, содержащий станину, установленные на ней с возможностью относительного перемещения держатели элементов испытуемой винтовой передачи, жестко укрепленное на станине измерительное устройство, реверсивный привод вращения одного из этих элементов вокруг своей оси, установленные параллельно из осям и кинематически связанные с одним из держателей передачи направляющую и нагружающее устройство, включающее в себя силовой гидроцилиндр и камеру давления с регулятором [4].
Однако в нем также не исключены автоколебания нагружающего усилия, поскольку корпус силового гидроцилиндра жестко связан в осевом направлении с держателем, вследствие чего силы трения, возникающие между поршнем и корпусом силового гидроцилиндра, уменьшают или увеличивают развиваемое нагружающим устройством усилие в зависимости от направления относительного перемещения элементов испытуемого винтового механизма.
В то же время в современных трибометрах, оснащенных программными комплексами, проблема стабилизации осевого усилия на пару трения решается применением следящей системы нагружения, т.е. системы слежения с обратной связью по нагрузке.
Ближайшим аналогом предложенного решения является трибометр [5], содержащий установленный в корпусе шпиндель с планшайбой, держатели испытуемых образца и контробразца, следящую систему нагружения их нормальной нагрузкой, причем держатель контробразца жестко связан с силоизмерителем действующих сил и моментов. Он предназначен для испытаний на трение и изнашивание образцов по традиционным схемам трения: «диск по диску» (Квз=1) или «пальчик-диск» (Квз->0) и не предназначен для испытания винтовых сопряжений, несмотря на наличие в нем необходимых для этого степеней свободы (вращательного и поступательного движения).
Предложенное решение позволяет проводить такие испытания на типовом трибометре, расширяя тем самым его функциональные возможности и обеспечивая высокую точность регистрируемых триботехнических параметров путем стабилизации осевой нагрузки.
Указанный результат достигается тем, что в известном трибометре, содержащем установленный в корпусе шпиндель с планшайбой, держатели испытуемых образца и контробразца, следящую систему нагружения их нормальной нагрузкой, держатель контробразца которой жестко связан с силоизмерителем действующих сил и моментов, держатель образца выполнен в виде жестко закрепленного на планшайбе стакана, с открытой стороны в котором неподвижно закреплены втулка-водило с шестигранным отверстием под испытуемую гайку и фиксаторы, ограничивающие ее от осевого смещения в процессе испытаний.
Указанный результат достигается также тем, что трибометр снабжен установленным внутри стакана и соосно с ним резервуаром со смазкой, охватывающим испытуемый винт.
Благодаря наличию этих признаков вращательное (реверсивное) движение гайки преобразуется в возвратно-поступательное движение винта, при этом осевая нагрузка на винт сохраняется постоянной.
Снабжение трибометра установленным внутри стакана и соосно с ним резервуаром со смазкой, охватывающим испытуемый винт, позволяет в частных случаях реализации проводить исследование пары «винт-гайка» с использованием различных смазок и с оценкой из эффективности.
Предложенный трибометр иллюстрируется примерами реализации и чертежами.
На фиг. 1 показана принципиальная схема триботехнических испытаний пары «винт-гайка».
На фиг. 2 - схема испытаний пары «винт-гайка» в смазочной среде.
Пример 1. Трибометр содержит корпус (показан условно), в котором смонтирован с возможностью реверсивного вращения шпиндель с планшайбой 1, держатели испытуемых винта 2 и гайки 3, механизм их нормального нагружения со следящей измерительной системой, содержащей силоизмеритель 4 осевой нагрузки, которая создается посредством винтовой передачи 5, приводимой в движение электродвигателем 6 через редуктор 7.
Силоизмеритель 4 представляет собой шестикомпонентный датчик всех действующих на испытуемую пару сил (Fx, Fy, Fz) и моментов (Tx, Ty, Tz).
Держатель винта 2 выполнен в виде оправки 8, жестко связанной с силоизмерителем. Держатель гайки 3 выполнен в виде жестко закрепленного на планшайбе 1 стакана 9, с открытой стороны в котором неподвижно закреплены втулка-водило 10 с шестигранным отверстием под испытуемую гайку.
Установочные винты 11 позиционируют ее в гнезде в свободном положении, тем самым обеспечивая ее самоустановку относительно подвижного испытуемого винта 2 при возможном его радиальном биении.
Подготовка к испытаниям на трибометре осуществляется в следующем порядке. С помощью винта 12 стакан центрируется на планшайбе и периферийными винтами (не показаны) жестко крепится на ней. Винт 2 с предварительно навернутой испытуемой гайкой 3 вводится внутрь стакана 9 так, чтобы гайка 3 свободно вошла в шестигранное отверстие втулки 10, винты 11 вворачиваются поверх гайки, предотвращая тем самым ее осевое смещение в процессе испытаний. Свободный конец испытуемого винта 2 крепится в держателе 8, жестко связанном с силоизмерителем 4 осевой нагрузки, действующей на испытуемый винт.
Для проведения испытаний на программном комплексе трибометра задаются требуемые осевая нагрузка (Fz) и скорость вращения (n об/мин). Включается привод вращения шпинделя, а следовательно, и гайки 3, которая, будучи зафиксированной в осевом направлении, преобразует его в поступательное движение винта (при реверсировании гайки - в возвратно-поступательное).
Работая в режиме поддержания нормальной нагрузки Fz на постоянном уровне, следящая измерительная система прибора вырабатывает сигнал рассогласования в том случае, если происходит износ и, следовательно, относительное смещение элементов испытуемой пары. Этот сигнал поступает на привод винтовой передачи 7, которая смещает гайку 3 вдоль направляющей 13 до тех пор, пока не будет восстановлено прежнее значение нормальной нагрузки Fz. Таким образом, обеспечивается постоянство осевой нагрузки на винт при его движении вверх-вниз, в том числе и во время реверса планшайбы.
В процессе испытания непрерывно регистрируется действующая осевая нагрузка (Fz), момент (T) и коэффициент трения (f).
На данном трибометре были проведены триботехнические испытания пары «винт-гайка», выполненных из одноименных материалов (нержавеющая сталь твердостью HRc 33…38). По условиям испытания определялась зависимость статического (покоя) и кинематического (движения) коэффициентов трения от нормальной нагрузки для сопряженных материалов в их исходном состоянии, а также после нанесения на них защитного покрытия, предотвращающего их схватывание в вакууме.
Показано, что коэффициент трения покоя пары «винт-гайка» в исходном состоянии составляет порядка f=0,9 и падает до 0,5 с ростом нагрузки в пределах N=20…1000 Н.
Кинематический коэффициент трения при этих же условиях находится в пределах f=1,3…0,5.
Пример 2. Трибометр содержит корпус (показан условно), в котором смонтирован с возможностью реверсивного вращения шпиндель с планшайбой 1, держатели испытуемых винта 2 и гайки 3, механизм их нормального нагружения со следящей измерительной системой, содержащей силоизмеритель 4 осевой нагрузки, которая создается посредством винтовой передачи 5, приводимой в движение электродвигателем 6 через редуктор 7.
Силоизмеритель 4 представляет собой шестикомпонентный датчик всех действующих на испытуемую пару сил (Fx, Fy, Fz) и моментов (Tx, Ty, Tz). Держатель винта 2 выполнен в виде оправки 8, жестко связанной с силоизмерителем. Держатель гайки 3 выполнен в виде жестко закрепленного на планшайбе 1 стакана 9, с открытой стороны в котором неподвижно закреплены втулка-водило 10 с шестигранным отверстием под испытуемую гайку.
Установочные винты 11 позиционируют ее в гнезде в свободном положении, тем самым обеспечивая ее самоустановку относительно подвижного испытуемого винта 2 при возможном его радиальном биении.
При необходимости проведения испытаний винтовой пары в смазочной среде внутри стакана целесообразно установить резервуар 14 со смазкой так, чтобы свободный конец перемещающегося вверх-вниз винта был бы постоянно погружен в смазку.
Таким образом, можно проводить длительные испытания на износ винтовых пар или исследовать смазочную способность различных смазок, в том числе резьбовых.
Источники информации
1. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. Киев «НАВУКОВА ДУМКА», 1979 г., 187 с.
2. Крагельский И.В., Любарский И.М. и др., Трение и износ в вакууме, Москва, «Машиностроение», 1975 г.
3. Авторское свидетельство СССР №416587 км. G01M, 13/02, 1972 г.
4. Авторское свидетельство СССР №263965 км. G01M, 13/02 1968 г.
5. Сборник трудов VI Международного симпозиума по трибофатике, Минск, 2010, т. 1, стр. 481-484. (прототип).