Стенд для испытания механизмов возвратно-поступательного действия
TEST BENCH FOR RECIPROCATING MECHANISMS

Изобретение относится к испытательным устройствам деталей машин, в частности механизмов возвратно-поступательного действия.
Известен «Стенд для испытания гидроцилиндров» (патент РФ на изобретение №2234004, опубликовано 10.08.2004). Стенд для испытания гидроцилиндров содержит бак, регулируемый гидронасос, предохранительный клапан с манометром, электрогидравлический распределитель, реверсируемый конечными выключателями, штоковое и поршневое нагружающее устройство, измерители утечки рабочей жидкости, гидроцилиндры, соединенные между собой штоками посредством каретки, установленной в направляющих рамы. Штоковые полости посредством штоковых расходомеров присоединены к рабочей секции электрогидравлического распределителя, сливная гидромагистраль которого посредством штокового нагружающего устройства соединена с баком, а поршневые полости испытуемых гидроцилиндров соединены между собой посредством последовательно соединенных поршневых расходомеров и поршневого нагружающего устройства, расположенного между ними. Причем к одному из входов поршневого нагружающего устройства подключен подпиточный обратный клапан с помощью дополнительной гидромагистрали, сообщающей поршневые полости испытуемых гидроцилиндров с баком, а рукоятки управления штоковых и поршневых нагружающих устройств посредством кулачковых механизмов кинематически связаны с соответствующими сменными шаблонами - профилями, закрепленными на каретке.
Недостатком вышеописанной конструкции является:
- отсутствие возможности испытания механизмов возвратно-поступательного действия не гидравлического типа;
- сложная перенастройка нагружающего устройства.
Из исследованного заявителем уровня техники известен «Стенд для испытаний шлицевых соединений на изностойкость» (патент РФ на изобретение №2735259, опубл. 29.10.2020, Бюл. №31). Стенд для испытаний шлицевых соединений на износостойкость, состоящий из станины, механизма осевой нагрузки с серводвигателем и распределителем, устройства нагружения крутящим моментом шлицевой детали (стакан), соединенных системой рычагов, держателей образцов, отличающийся тем, что механизм осевого возвратно-поступательного перемещения, состоящий из гидроцилиндра, шток которого соединен вилкой и поводком со шлицевой деталью (наконечник), и узел нагружения крутящим моментом, выполненный в виде шпинделя шлицевой детали (стакан), соединенного рычагом со штоком гидроцилиндра, выполнены с возможностью обеспечения комплексного воздействия высокой удельной нагрузки до 100 МПа, крутящего момента до 10 кНм, осевой импульсной нагрузки с задаваемой частотой в диапазоне 10-50 Гц и постоянной амплитуды перемещения 100 мкм, для измерения усилий, развиваемых гидроцилиндрами осевой нагрузки, и крутящего момента установлены силоизмерительные датчики, подключенные к тензометрической станции для контроля и записи параметров испытаний.
Данный стенд может использоваться только для испытания шлицевых соединений и не подходит для испытания различных механизмов возвратно-поступательного типа. Также отметим, что в данном стенде серводвигатель используется в качестве привода для возвратно-поступательного движения штока гидроцилиндра, в отличие от предлагаемого стенда испытания механизмов возвратно-поступательного действия, в котором серводвигатель используется для создания нагружающего усилия.
Из уровня техники известна «Машина испытательная сервомеханическая для механических испытаний образцов материалов на растяжение, сжатие и изгиб» (патент РФ на изобретение РФ №2642557, опубл. 25.01.2018, Бюл. №3). Машина испытательная сервомеханическая для механических испытаний образцов материалов на растяжение, сжатие и изгиб, включающая двухзонное нагружающее устройство, содержащее основание и неподвижную траверсу, жестко связанные между собой двумя гладкими колоннами, по которым с помощью серводвигателя и двух червячно-винтовых передач перемещается подвижная траверса, образуя зоны растяжения и сжатия, датчик силы, закрепленный к подвижной траверсе со стороны зоны сжатия, два захвата для закрепления испытуемых образцов в зоне растяжения: верхний, зафиксированный в неподвижной траверсе двумя шарнирными узлами в положении, соосном с осью приложения силы к испытуемому образцу, и нижний - сочлененный с подвижной траверсой через датчик силы, две опоры для испытания на сжатие (или приспособление для испытания на изгиб), установленные в зоне сжатия, датчик перемещения, а также включающая насосную установку, содержащую насос низкого давления, насос высокого давления, клапаны предохранительные низкого и высокого давления, распределители для управления закрытием и открытием захватов, манометры для регистрации давления в магистралях низкого и высокого давления, отличающаяся тем, что при испытании на растяжение нижний захват, сочлененный с подвижной траверсой через датчик силы шарнирным узлом, устанавливается в положение, соосное с осью приложения силы к образцу и при разрушении образца шарнир, связывающий датчик силы с нижним захватом, размыкается, освобождая датчик силы от динамического воздействия массы нижнего захвата, которое воспринимает корпус подвижной траверсы через демпфирующую прокладку.
Данная машина не предназначена для испытания механизмов возвратно-поступательного действия. Кроме этого, в данной испытательной машине серводвигатель используется в качестве привода червячно-винтовых передач, в отличие от предлагаемого стенда испытания механизмов возвратно-поступательного действия, в котором серводвигатель используется для создания нагружающего усилия.
Техническую задачу, которую решает предлагаемое изобретение, является создание стенда, позволяющего проводить испытания широкого ряда различных механизмов возвратно-поступательного действия согласно требованиям на испытания, задавая и контролируя при этом нормированное сопротивление перемещению рабочего органа в широком диапазоне, перемещение рабочего органа на заданную величину, а также количество циклов перемещения рабочего органа испытуемого механизма возвратно-поступательного действия.
Техническим результатом, заявляемого стенда является возможность задавать и контролировать нормированное сопротивление перемещению рабочего органа в широком диапазоне значений, перемещение рабочего органа на заданную величину, а также количество циклов перемещения рабочего органа испытуемого механизма возвратно-поступательного действия различного типа.
Указанный технический результат достигается за счет того, что стенд содержит электромеханическое нагружающее устройство, позволяющее создавать необходимое сопротивление перемещению рабочего органа в широком диапазоне значений, комплекс управляющей и контрольно-измерительной аппаратуры, задающей условия испытания (значение сопротивления перемещению, ход рабочего органа, количество циклов перемещения рабочего органа) в зависимости от типа испытуемого-механизма возвратно-поступательного действия, а также средства визуализации и сохранения контролируемых параметров.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом:
ФИГ. 1 - Структурно-функциональная схема стенда испытания механизмов возвратно-поступательного действия.
Предлагаемый стенд содержит электромеханическое нагружающее устройство, предназначенное для создания нормированного сопротивления перемещению рабочего органа при испытании механизмов возвратно-поступательного действия; комплекс контрольно-измерительной аппаратуры, служащий для измерения необходимых параметров и контроля за ходом испытания; комплекс аппаратуры, управляющей испытуемым механизмом возвратно-поступательного действия; комплекс аппаратуры, управляющий электромеханическим нагружающим устройством.
Комплекс контрольно-измерительной аппаратуры содержит датчик измерения усилия 1, датчик линейных перемещений 2, датчик исходного положения 3.
Электромеханическое нагружающее устройство состоит из синхронного серводвигателя 4 и редуктора 5, на выходном валу которого установлена шестерня 6, входящая в зацепление с рейкой 7, которая перемещается по жестко зафиксированной направляющей 8 и соединена с рабочим органом 19 механизма возвратно-поступательного действия 9. Корпус механизма возвратно-поступательного действия 9 соединен с датчиком измерения усилия 1, второй конец которого зафиксирован на неподвижной опоре (не показана).
Нагружающее усилие создается синхронным серводвигателем 4, питание и управление работой которого осуществляется при помощи частотного преобразователя 10, состоящего из модуля управления, карты памяти, силового модуля и дросселя (не показаны). Частотный преобразователь 10 при помощи программируемого логического контроллера 11 настраивается на определенную функцию поддержания крутящего момента в зависимости от перемещения и скорости движения рабочего органа 19 механизма возвратно-поступательного действия 9. Крутящий момент на выходном валу редуктора 5 при помощи шестерни 6 и зубчатой рейки 7 преобразуется в линейное усилие, направленное против усилия, создаваемого рабочим органом 19 механизма возвратно-поступательного действия 9. Комплекс управляющей аппаратуры 14 приводит в движение рабочий орган 19 механизма возвратно-поступательного действия 9, при этом связанная с ним рейка 7 перемещается по неподвижной направляющей 8 и вращает шестерню 6, которая через редуктор 5 вращает вал серводвигателя 4. Серводвигатель 4 работает при этом в режиме торможения (генератора). Генерируемая при этом электрическая энергия рассеивается на тормозном резисторе 12. Серводвигатель 4 может создавать нагружающее усилие как в одном, так и в обоих направлениях движения рабочего органа 19 механизма возвратно-поступательного действия 9 в зависимости от требований к испытаниям.
Величина тока, вырабатываемая серводвигателем 4, стабилизируется преобразователем частоты 10 на таком уровне, при котором создаваемый тормозной крутящий момент на валу серводвигателя равен заданной величине в данный момент времени. В серводвигателе 4 установлен датчик угловой скорости (энкодер), а частотный преобразователь 10 содержит шунты для измерения силы тока. Частотный преобразователь 10 получает данные о текущей скорости вращения вала серводвигателя 4 и текущем токе нагрузки, анализирует и вносит необходимую корректировку в параметры электрической энергии, рассеиваемой на тормозном резисторе 12, для поддержания заданного в данный момент времени нагружающего крутящего момента на валу серводвигателя 4 и, соответственно, нагружающего усилия на рабочем органе 19 механизма возвратно-поступательного действия 9.
При достижении необходимого хода механизма возвратно-поступательного действия 9, отслеживаемого при помощи датчика линейных перемещений 2, центральный процессор 13 при помощи комплекса управляющей аппаратуры 14 останавливает движение рабочего органа 19 механизма возвратно-поступательного действия 9, а затем возвращает его в исходное положение. При испытании механизмов одностороннего действия во время остановки рабочего органа 19 на валу серводвигателя 4 исчезает внешний крутящий момент, после чего серводвигатель 4 переключается в режим привода и самостоятельно возвращает рабочий орган 19 механизма возвратно-поступательного действия 9 в начальное положение. В начальном положении срабатывает датчик исходного положения 3, который через модуль ввода/вывода дискретных сигналов 15 передает информацию о завершении одного цикла испытания в центральный процессор 13. Датчик измерения усилия 1 и датчик линейных перемещений 2 передают измеряемые значения центральному процессору через преобразователи сигналов 16 и модуль ввода аналоговых сигналов 17.
Логическое управление стендом выполняет программируемый логический контроллер 11 состоящий из процессора центрального 13, модуля ввода аналоговых сигналов 17, модуля ввода/вывода дискретных сигналов 15 и панели оператора 18.
Процесс испытания происходит в автоматическом режиме в соответствии с программным обеспечением. На панели оператора 18 выбирается программа, соответствующая типу механизма возвратно-поступательного действия 9, которая определяет необходимый режим и порядок испытания (задает требуемое нагружающее усилие, ход рабочего органа 19, количество циклов (повторений), а также функциональную зависимость нагружающего усилия от перемещения рабочего органа 19 механизма возвратно-поступательного действия 9). Также на панели оператора 18 отображаются измеряемые параметры, кнопки управления, необходимые индикаторы, график изменения нагрузки от перемещения и прочие необходимые для испытания параметры и инструменты. Функциональный набор панели управления 18 при помощи программного обеспечения может быть изменен или дополнен в зависимости от типа испытуемого механизма возвратно-поступательного действия, требований к испытанию и пожеланий заказчика (пользователя).
Порядок проведения испытаний на предлагаемом стенде:
Необходимо установить и закрепить на стенде механизм возвратно-поступательного действия 9, соединив его рабочий орган 19 с рейкой 7. Подключить к механизму возвратно-поступательного действия 9 комплекс управляющей аппаратуры 14, с помощью которой будет осуществляться рабочий ход механизма возвратно-поступательного действия 9. Далее необходимо на панели оператора 18 выбрать программу, соответствующую типу испытуемого механизма возвратно-поступательного действия, и запустить процесс испытания. На экране панели оператора 18 будут отображаться необходимые измеряемые и контролируемые параметры (текущее перемещение и скорость перемещения рабочего органа 19 механизма возвратно-поступательного действия 9, нагружающее усилие механизма возвратно-поступательного действия 9, количество циклов испытания и т.д.). Если контролируемые параметры находятся в допуске, то на панели оператора загорятся сигнальные лампы, соответствующие успешному прохождению одного цикла испытания. Дальнейшие циклы будут повторяться в автоматическом режиме, пока их число не станет равным числу, указанному в требованиях на испытание механизма возвратно-поступательного действия 9. Если контролируемые параметры выходят за пределы допускаемых значений, то процесс испытания останавливается, а на панели оператора 18 выводится предупреждающий сигнал.
Таким образом, предлагаемый стенд позволяет проводить испытания широкого ряда различных механизмов возвратно-поступательного действия согласно требованиям на испытания, задавая и контролируя при этом нормированное сопротивление перемещению рабочего органа в широком диапазоне, перемещение рабочего органа на заданную величину, а также количество циклов перемещения рабочего органа испытуемого механизма возвратно-поступательного действия.