МАШИНА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ТРЕНИЕ И ИЗНОС

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания материалов на трение и износ (машины трения).
Известен ряд серийных машин для испытания материалов на трение и износ такие как СМЦ-1, 2070 СМТ-1, ИИ-5018 (Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник / под. ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. - М.: Машиностроение, 2008, с. 93-97).
Перечисленные машины позволяют проводить испытания по схемам «вал-втулка» и «диск-колодка». Их недостатком является:
- большие габариты и вес, что делает возможным только стационарное применение;
- невозможность проведения испытаний на образующей поверхности малогабаритных цилиндрических образцов диаметром до 10 мм, т.к. диаметр применяемых образцов составляет не менее 24 мм.
Прототипом к заявляемой полезной модели является машина «Kewat-4» (Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник / под. ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. - М.: Машиностроение, 2008, с. 114), содержащая образец и контробразец, образующие пару трения, электродвигатель, ступенчатую ременную передачу, систему нагружения, динамометр для определения силы трения. Цилиндрический образец закрепляется на ведущем валу, соединенном с электродвигателем переменного тока через ступенчатую ременную передачу. Контробразец, устанавливается во внутреннюю обойму шарикоподшипника и вместе с ним прижимается к образцу. Нагружение пары трения производится рычажной системой. За счет сил трения контробразец стремится вращаться вместе с образцом и воздействует на рычаг, связанный с динамометром, который регистрирует силу трения.
Прототип имеет ряд недостатков:
- нагружение пары трения посредством системы рычагов и грузов делает невозможным автоматизацию испытаний, в том числе испытаний со ступенчатым изменением нагрузки.
- использование двигателя переменного тока и ступенчатой передачи ограничивает выбор скорости скольжения, делает невозможным ее плавное регулирование, препятствует проведению испытаний со ступенчатым изменением скорости.
- конструкция узла трения затрудняет измерение температуры в зоне сопряжения пары трения.
- по мере изнашивания образца и контробразца в неподвижном контрообразце образуется углубление, нарушается соосность вала, несущего образец, и подшипника, с которым сопряжен контробразец. Это приводит к невозможности свободного вращения подшипника, появлению вибраций, влияющих на результат измерения силы трения.
Задачей заявляемой полезной модели является создание машины для испытания на трение и износ, позволяющей использовать цилиндрические образцы диаметром до 10 мм в паре с малогабаритными контробразцами при этом лишенной недостатков прототипа.
Поставленная задача решается тем, что машина содержит два соосных вала: ведущий и ведомый. Малогабаритный цилиндрический образец закрепляется на торце ведущего вала, а контробразец, закрепленный на ведомом валу вместе с системой нагружения посредством кривошипа, может свободно вращаться вместе с системой нагружения, что исключает нарушения соосности валов по мере изнашивания пары трения. Контрообразец выполняется в форме пластины с полукруглой выемкой, и в процессе испытания охватывает половину дуги окружности образующей цилиндрической поверхности образца, оставляя свободной дорожу трения для бесконтактного измерения температуры сразу на выходе из зоны сопряжения образца и контробразца. В отличие от прототипа система нагружения состоит из малогабаритного пневматического цилиндра и направляющих, по которым движется держатель контробразца. Такое решение способствует перемещению по мере износа пары трения только контробразца, с сохранением соосности валов. Применение пневматического цилиндра делает возможным плавное изменение нагрузки и автоматизацию процесса нагружения. Вращение ведущего вала осуществляется с помощью бесколлекторного электродвигателя с блоком управления, что позволяет плавно изменять скорость вращения и при этом поддерживать ее, несмотря на изменяющуюся нагрузку на валу.
При этом достигается технический результат, заключающийся в возможности проведения испытаний малогабаритных цилиндрических образцов диаметром до 10 мм с возможностью бесступенчатого задания нагрузки и скорости вращения с исключением влияния износа пары трения на результат измерения силы трения и контролем температуры в зоне трения.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. изображен общий вид предлагаемой машины с указанием основных элементов конструкции.
Предлагаемое устройство содержит станину 1 с закрепленным на ней электродвигателем 2. К станине в подшипниковых опорах 4 подвешен ведущий вал 3. Соосно ведущему валу в подшипниковых опорах 6 подвешен ведомый вал 5. На ведущем валу закреплен исследуемый цилиндрический образец 7. На ведомом валу закреплен кривошип 9, на котором попарно размещены четыре вертикальные цилиндрические направляющие 11. На направляющих посредством линейных подшипников качения 12 установлен столик 10, на котором размещен контробразец 8 и тензодатчик 13, отвечающий за регистрацию прижимающего усилия. За перемещение столика и создание прижимающей нагрузки отвечает пневматический цилиндр 15. За регистрацию момента силы трения отвечает тензодатчик 14. За нагнетание воздуха в цилиндр отвечает компрессор (на чертеже не показан). За регистрацию температуры в зоне трения отвечает инфракрасный цифровой термометр с малым углом обзора, закрепляемый на станину сбоку от пары трения и направленный в точку выхода дорожки трения из зоны сопряжения пары трения (на чертеже не показан). Компрессор, блок управления электродвигателем, тензодатчики и термометр подключаются к микроконтроллеру для осуществления связи с компьютером и возможности автоматического управления циклом испытаний.
Машина трения функционирует следующим образом. Ведущий вал вместе с исследуемым образцом приводится во вращение с требуемой частотой. Далее в пневматическую систему с помощью компрессора нагнетается воздух, что приводит к перемещению штока цилиндра вместе со столиком, на котором установлен контробразец. Давление в цилиндре повышается до тех пор, пока сила, прижимающая контробразец к образцу, не достигнет требуемого значения. Сила трения, возникающая при взаимодействии образца и контробразца, стремится вывести кривошип из вертикального положения. Этому препятствует тензодатчик, соединяющий кривошип со станиной. Момент силы, действующей со стороны тензодатчика, уравновешивает момент силы трения.
F
ƒ
M= M
,
где F - сила, действующая со стороны кривошипа на тензодатчик,
- длина проекции расстояния от оси вращения кривошипа до оси тензодатчика на вертикальную ось,
k - коэффициент трения,
N - сила прижатия контробразца,
r - радиус образца.
Откуда можно определить коэффициент трения
Размеры машины трения не превышают 800×300×300 мм. Масса не превышает 25 кг.
Испытания готового изделия показали пригодность машины трения для выполнения испытаний на трение и износ пар трения, изготовленных из различных материалов, с нанесенными покрытиями или после химико-термической обработки.