КОНТРОБРАЗЕЦ ПАРЫ ТРЕНИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛАСТОМЕРОВ НА ФРИКЦИОННУЮ УСТАЛОСТЬ

Полезная модель относится к области испытаний полимеров, в частности эластомеров, на изнашивание и касается конструкции контробразца пары торцевого трения, предназначенной для испытаний на фрикционную усталость.
Сопротивление разрушению эластомеров при наличии знакопеременных напряжений, обусловленных контактным взаимодействием при скольжении, характеризуется кривой фрикционной усталости, иллюстрирующей связь между амплитудой действующего напряжения (σ) и количеством знакопеременных циклов (N) до отделения частиц износа, которая в общем случае имеет вид
i
i
Испытания проводят на «Циклометре» [И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, B.C. Комбалов «Основы расчетов на трение и износ», М. Машиностроение 1977, 525 с], пара трения для которого представляет собой вращающийся диск с закрепленными на его торцевой поверхности образцом испытуемого материала, в который под действием нормальной нагрузки внедрен единичный шаровой индентер на глубину h. По мере наработки некоторого числа циклов n при данном относительном внедрении (h/R) происходит интенсивное разрушение материала под действием напряжения σ определяемого расчетным путем.
0
Напряжение σ, при котором начинается разрушение материала на первом же цикле, определяется экстраполяцией экспериментальной кривой до n=1, а коэффициент «t» динамической усталости (выносливости) определяется по углу наклона кривой, представленной в логарифмических координатах.
Недостаток этого технического решения состоит в том, что за один оборот при относительном перемещении образцов происходит лишь один цикл передеформирования. За пределами зоны контакта материал успевает отрелаксировать в течение времени, существенно большего времени контакта.
ц
8
5
В то же время в соответствии с ГОСТ [ГОСТ 3722-2014 - Шарики для подшипников.] нормативная база циклов (N), которая должна быть наработана при определении предела выносливости при мало- или многоцикловой усталости материала, составляет порядка 10…10 циклов, что и предопределяет длительность экспериментов.
В значительной степени этого недостатка лишен известный способ испытания полимерных материалов на износостойость, в соответствии с которым в качестве контробразца используется металлическая сетка [С.Б. Ратнер, "О роли усталостных процессов при истирании (износе) полимерных материалов", Докл. АН СССР, 150:4 (1963), 848-851].
Система «тупых выступов», образованных ячейками сетки, позволяет существенно сократить время испытаний, но практика показала, что сетка достаточно быстро забиватеся продуктами изнашивания, что влияет на точность оценки износостойкости исследуемых материалов.
Известны также конструкции узлов трения для испытаний эластомеров на фрикционную усталость, в которых контробразцы выполнены в виде тел вращения с регулярными макропрофилями рабочей поверхности, представляющим собой закругленные выступы. Конструктивно узлы трения могут быть выполнены как по схеме «вал-втулка», так и по схеме торцевого трения [И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, B.C. Комбалов «Основы расчетов на трение и износ», М. Машиностроение 1977, 525 с]. В первом случае такие выступы создаются навивкой калиброванной проволоки на гладкий вал, во втором случае - на торце диска выполняется однозаходная торцевая спираль, образованная трапецевидным выступом с закругленной вершиной. (принято за прототип).
Общим недостатком этих оригинальных технических решений является тот факт, что частота циклов передеформирования (f) оказывается непосредственно равной угловой скорости вращения (n), хотя это не всегда оправдано. Шероховатость поверхности контробразца в реальном сопряжении имеет не меньшее значение. При моделировании процесса изнашивания эти эксплуатационные параметры играют самостоятельную роль и являются независимыми факторами.
Таким образом, задача состоит в сокращении времени испытательного цикла на фрикционную усталость при наработке требуемой нормативной базы циклов без ущерба для точности и достоверности получаемых результатов.
Технический результат состоит в кратном сокращении времени испытательного цикла при всех прочих равных эксплуатационных параметрах, в частности, скорости скольжения и контактном давлении.
Результат достигается тем, что у контробразца пары трения для испытания эластомеров на фрикционную теплостойкость, выполненного в виде диска, торцевая поверхность которого оснащена индентором с закругленной вершиной, на торце диска выполнена кольцевая канавка, индентеры выполнены в виде жестко закрепленных в ней шаров, при этом длина канавки по ее среднему диаметру, а также профиль ее поперечного сечения выбраны из условия беззазорного сопряжения в ней целого количества упомянутых шаров, образующих на поверхности диска шаровые сегменты, высота которых не больше радиуса их сферы.
ш
Предложение иллюстрируется чертежом, на котором представлен контробразец пары трения, выполненный в виде диска, на одном из торцев которого имеется кольцевая канавка. В канавке вплотную друг к другу уложен комплект шаровых индентеров одного типоразмера (d), жесткая фиксация которых обеспечивается, в частности, эпоксидным термостойким компаундом. Средний диаметр канавки рассчитан из условия беззазорного сопряжения целого числа шаров (т) выбранного типоразмера в соответствии с выражением
Длина канавки по ее среднему диаметру, необходимая для беззазорного сопряжения т-го количества шариков, определена с учетом ряда граничных условий.
стол
Во-первых, исходя из конструктивных соображений, она должна укладываться на предметном столике применительно к ряду типовых настольных триботестеров, в частности, типа UMT-2, у которого D≤100 мм.
Во-вторых, количество шариков, плотно уложенных в канавке, должно выражаться целым числом в соответствии с выражением (1).
В-третьих, желательно подобрать такую длину, которая позволила бы плотно укладывать в канавке шарики не одного, а разных типоразмеров.
Анализ данных сводной таблицы шариков по ГОСТ 3722-2014 «Шарики для подшипников», в котором их размеры представлены в метрической и в дюймовой системах измерения, позволил определить оптимальную длину канавки, удовлетворяющую вышеуказанным условиям. Она оказалась равной 6-ти дюймам (152,4 мм).
K
Таким образом на длине канавки L=6'', что соответствует ее среднему диаметру  вплотную друг к другу можно разместить 12 шариков диаметром 1/2'', 24 шарика диаметра 1/4'' или 48 шариков диаметром 1/8''.
Тем самым при использовании многопозиционных индентеров разных типоразмеров автоматически соблюдается постоянство относительной скорости скольжения образцов.
k
k
ш
Профиль поперечного сечения канавки имеет призматическую форму, что обеспечивает расположение шаровых индентеров в одной диаметральной плоскости, не превышающей уровень торцевой поверхностьи диска. Из геометрических соображений, при угле развала призмы равном 90° глубина канавки (h) определяется из соотношения h≥0,71d.
В окончательном виде контробразец представляет собой диск, на торцевой поверхности которого имеются полусферические индентеры, расположенные по круговой траектории.
За один оборот такого многопозиционного контробразца каждая точка на дорожке трения исследуемого материала подвергается знакопеременному нагружению (деформации) с частотой, равной количеству индентеров, что позволяет существенно, не меньше, чем на порядок, сократить время испытаний при наработке необходимой базы циклов.
Кроме того, комплект таких многопозиционных индентеров с шариками разных типоразмеров позволяет расширить диапазон варьирования такой важной характеристики, как относительное внедрение (h/R) и использовать его как параметр (наряду с давлением (Р) и угловой скоростью вращения (n)) при моделировании процессов фрикционной усталости эластомеров.