Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к методам исследования коэффициента трения различных по составу смазочных материалов.
Известно устройство для испытания трущихся материалов и масел (А.с. СССР №983522, МПК G01N 19/02. Устройство для испытания трущихся материалов и масел. Бюл. №47, 1982 г. Аналог), содержащее станину, установленные на ней держатели образца и контробразца, узлы измерения момента трения и нагружения образцов и привод вращения образцов, плиту, установленную перпендикулярно к станине с возможностью перемещения вдоль нее, три платформы, из которых средняя закреплена на плите шарнирно, а две другие установлены под углом 45° к средней, которые расположены на платформах и взаимодействующие с держателями контробразцов, направляющие и поджимные ролики, установленные на плите с возможностью поворота в плоскости держателей, передаточные звенья, взаимодействующие через подшипники качения соответственно с держателями контробразцов и узлами нагружения, а последние снабжены штоками, имеющими две степени свободы (механизмы для передачи нагрузки на контробразцы).
Основной недостаток известного устройства заключается в сложной и точной установке передаточных звеньев под прямым углом к направляющим, что приводит к большим погрешностям получаемых результатов при испытаниях.
Известно устройство для испытания материалов на трение и износ в условиях космоса, содержащий узел трения «диск-индентор», который представляет собой диск с двумя поверхностями трения и по которым скользят два полусферических индентора (см. Журнал «Трение и износ», т.24, №6,2003 г., с. 626-635. Аналог). При этом диск жестко закреплен на приводном валу, а инденторы - на специальных рычагах. Нагрузка на инденторы осуществляется с помощью тарированной пружины.
Все узлы трения приводятся во вращение с помощью выходного вала привода через зубчатые колеса. Момент трения в паре «диск-индентор» измеряется упругой тензометрической балкой. Электрические сигналы поступают на два тензометрических преобразователя, с которых они передаются на регистрирующий прибор.
Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, обусловленная использованием большого количества элементов, сложностью его использования из-за постоянной тарировки нагружающих пружин, влияющие на погрешность измерения, а также невысокие скорости скольжения и удельные давления в контакте индентора и диска.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов (патент на полезную модель РФ №200036 МПК G01N 19/02, опубл. 01.10.2020. Бюл. №28. Прототип), содержащее подвижный вал, на котором расположены направляющая втулка, направляющая коническая втулка, контртело в виде конической втулки, направляющая цилиндрическая втулка, индентор, линейные подшипники, направляющие винты, при этом на подвижном валу расположено кольцо подачи смазывающей технологической среды (СТС) с установленным в нем соплом для возможности подачи СТС в распыленном состоянии, при этом в подвижном валу выполнен канал для подачи СТС в контактную зону.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Индентор, установленный перпендикулярно оси подвижного вала, контактирует с контртелом в виде конической втулки, которая установлена в отверстии направляющей конической втулки и зафиксирована при помощи направляющей втулки и направляющих винтов, которыми создается нагрузка на контактную пару, образованную индентором и контртелом в виде конической втулки. В свою очередь, направляющие винты установлены в направляющей цилиндрической втулке, линейное перемещение которой предотвращает упорный подшипник и упорное кольцо, зафиксированное при помощи установочных винтов. Подача СТС осуществляется через каналы, расположенные в подвижном валу, в которые среда поступает через кольцо подачи СТС и сопло, герметично установленного в отверстии кольца подачи СТС при помощи резиновых прокладок. В свою очередь, кольцо подачи СТС герметично закреплено на подвижном валу при помощи уплотнительных кольцевых прокладок, обеспечивающие подачу СТС в контактную зону при вращении подвижного вала, в котором также закреплен винт с потайной головкой и внутренним шестигранником для предотвращения от попадания СТС в шпиндель токарного станка. Для вторичного использования отработанной СТС конструкция предусматривает наличие специальной гильзы, герметично установленной в направляющей конической втулке и направляющей цилиндрической втулке при помощи уплотнительных прокладок, через которую отработанная СТС поступает в трубку для отбора смазочного материала для повторного использования.
Недостатками известного устройства является тот факт, что наличие цельного индентора может привести к возможному заклиниванию, в результате контакта с конической втулкой (контртело) по двум точкам, также при подаче СТС поливом, ввиду не герметичности системы, возможно проникновение СТС через линейные подшипники и направляющие винты, в связи с чем снижается эффективность использования СТС.
Техническим результатом полезной модели является необходимость расширения арсенала технических средств для повышения точности определения коэффициента трения смазочных материалов и работоспособности устройства.
Это достигается тем, что заявляемое устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов, содержащее подвижный вал, на котором расположены направляющая втулка, направляющая цилиндрическая втулка, направляющая коническая втулка, контртело в виде конической втулки, инденторы, причем направляющая втулка и направляющая цилиндрическая втулка содержат линейные подшипники и направляющие винты, контактирующие с направляющими отверстиями, расположенными в направляющей конической втулке подвижного вала, причем инденторы выполнены в виде металлического шарика, установленные в отверстия подвижного вала перпендикулярно его оси и расположены между собой под углом 120°, что обеспечивает автоматическое их центрирование относительно контртела в виде конической втулки и исключается их перекос, что ведет к стабилизации процесса трения.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства для определения коэффициента трения смазочных материалов в осевом сечении.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез устройства для определения коэффициента трения смазочных материалов.
Устройство для определения коэффициента трения смазочных материалов содержит вращающийся центр 1, подвижный вал 2, стопорные кольца 3, 24, 27, 38, направляющую втулку 4, направляющие винты 5, державку 6, подшипники качения 7, 10, шпильку 8, фиксирующие кольца 9, электронный динамометр 11, упорный шарик 12, кольцевые прокладки 13, 28, 31, пружины 14, кран для сброса СТС 15, установочные винты 16, 23, упорное кольцо 17, 22, упорный подшипник 18, 20, гильзу 19, кулачки токарного патрона 21, направляющую цилиндрическую втулку 25, линейные подшипники 26, 39, сальники 29, 37, кран для подачи СТС 30, направляющую коническую втулку 32, металлический шарик 33, контртело в виде конической втулки 34, корпус индентора 35, нагрузочную пружину 36, прижимной винт 40.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Подвижный вал 2 одним концом закрепляется в кулачках токарного патрона 21, а другим поджимается вращающимся центром 1, при этом инденторы, выполненные в виде металлического шарика 33, корпуса индентора 35, прижимного винта 40, устанавливаются в отверстия подвижного вала 2 перпендикулярно его оси, контактирующие с контртелом в виде конической втулки 34, которая установлена в отверстии направляющей конической втулки 32 и зафиксирована при помощи направляющей втулки 4, а также направляющих винтов 5. Путем подбора жесткости нагрузочной пружины 36, устанавливаемых в отверстия подвижного вала 2, куда заранее устанавливается упорный шарик 12, создается необходимая контактная нагрузка между инденторами, выполненными в виде металлического шарика 33, и контртелом в виде конической втулки 34, которая в свою очередь устанавливается в направляющую коническую втулку 32, установленную на подвижном валу 2. Далее устанавливается на подвижный вал 2 направляющая втулка 4, фиксируемая при помощи направляющих винтов 5, содержащая сальники 37. В свою очередь направляющие винты 5 установлены в направляющей цилиндрической втулке 25, линейное перемещение которой предотвращают упорные подшипники 18, 20 и упорные кольца 17, 22, зафиксированные при помощи установочных винтов 16, 23 на подвижном валу 2. Для снижения сил трения, на подвижном валу 2 расположены линейные подшипники 26, 39, установленные в отверстии направляющей втулки 4 и направляющей цилиндрической втулки 25, зафиксированные стопорными кольцами 3, 24, 27, 38.
Необходимое усилие контакта между инденторами, выполненными в виде металлического шарика 33, установленного в корпусе индентора 35, зафиксированного при помощи прижимного винта 40 ,и контртелом в виде конической втулки 34 обеспечивается путем подбора по жесткости нагрузочных пружин 36, контактирующих одним концом с корпусом индентора 35, а другим с упорным шариком 12.
Перпендикулярное расположение инденторов, выполненных в виде металлического шарика 33 относительно оси вала 2 между собой под углом 120°, обеспечивает автоматическое их центрирование и позволяет исключить их перекос относительно контртела в виде конической втулки 34, а также стабилизировать процесс трения, что ведет к повышению точности определения коэффициента трения смазочных материалов и работоспособности устройства.
Перемещение инденторов, выполненных в виде металлического шарика, по длине образующей контртела в виде конической втулки 34, осуществляется направляющими винтами 5, а также пружинами 14, расположенными в направляющих винтах 5, контактирующих одним концом с направляющей цилиндрической втулкой 25, а другим с направляющей конической втулкой 32.
Подача СТС осуществляется через кран для подачи СТС 30, расположенный на гильзе 19, которая в свою очередь герметично установлена в направляющей конической втулке 32 и направляющей цилиндрической втулке 25 при помощи кольцевых прокладок 28, 31. В свою очередь СТС полностью заполняет контактную зону инденторов, выполненных в виде металлического шарика, и контртела в виде конической втулки 34. Герметичность системы обеспечивается сальниками 29, 37, установленными в отверстии направляющей цилиндрической втулки 25 и направляющей конической втулки 32, контактирующие с подвижным валом 2, также в отверстиях направляющей конической втулки 32 установлены кольцевые прокладки 13, контактирующие с направляющими винтами 5. Для удаления отработанной СТС, на гильзе 19 расположен кран для сброса СТС 15.
На направляющей втулке 4 имеется лапка (на чертеже позиция отсутствует), в которую устанавливается шпилька 8 с подшипниками качения 7, 10, имеющая кинематическую связь с державкой 6, установленной в электронном динамометре 11, при помощи которого производится регистрация значений коэффициента трения.
Устройство работает следующим образом. Эксплуатация устройства осуществляется на токарном станке (на чертеже не указан), в котором предусмотрен частотный преобразователь (на чертеже не указан), позволяющий в широком диапазоне регулировать частоту вращения шпинделя. Подвижный вал 2 одним концом устанавливается в кулачках токарного патрона 21, а противоположным концом поджимается вращающимся центром 1.
Инденторы, выполненные в виде металлического шарика, корпуса индентора и прижимного винта, расположены в отверстиях подвижного вала перпендикулярно его оси под углом 120°, где нагрузка контактной пары регулируется путем подбора пружин различной жесткости, контактируют с контртелом в виде конической втулки, установленной в отверстии направляющей конической втулки, зафиксированной при помощи направляющей втулки и направляющих винтов.
Направляющие винты в свою очередь установлены в направляющей цилиндрической втулке, линейное перемещение которой предотвращают упорные кольца с упорными подшипниками, установленные на подвижном валу при помощи установочных винтов. Для снижения сил трения при вращении подвижного вала, в отверстиях направляющей втулки и направляющей цилиндрической втулки установлены линейные подшипники, зафиксированные при помощи стопорных колец.
Путем подбора жесткости нагрузочных пружин 36, устанавливаемых в отверстия подвижного вала 2, контактирующих одним концом с корпусом индентора 35, а другим с упорным шариком 12, создается необходимая контактная нагрузка между инденторами, выполненных в виде металлического шарика 33 и контртелом в виде конической втулки 34, которая устанавливается в направляющую коническую втулку 32, которая в свою очередь установлена на подвижном валу 2.
Подача СТС осуществляется через кран для подачи СТС установленный на гильзе, которая в свою очередь герметично установлена в направляющей конической втулке и направляющей цилиндрической втулке. Герметичность установки обеспечивают кольцевые прокладки. СТС полностью заполняет контактную зону инденторов, выполненных в виде металлического шарика, и контртела в виде конической втулки. Для предотвращения от проникновения СТС через линейные подшипники и отверстия, расположенные в направляющей конической втулке, устройство содержит кольцевые прокладки, а также сальники, установленные в отверстия направляющей цилиндрической втулки и направляющей конической втулки. Для удаления СТС с рабочей зоны, устройством предусмотрен кран для сброса СТС, установленный на гильзе.
Для более точного позиционирования контртела в виде конической втулки относительно инденторов, выполненных в виде металлического шарика, дополнительно используются пружины, расположенные на направляющих винтах, между направляющей цилиндрической втулкой и направляющей конической втулкой. В направляющей втулке расположена специальная лапка, с закрепленной на ней шпилькой, на которую устанавливаются подшипники качения, контактирующие с державкой, установленной в электронном динамометре.
Перед началом испытаний необходимо произвести тарировку устройства в условиях, когда инденторы, выполненные в виде металлического шарика не контактируют с контртелом в виде конической втулки, с целью исключения влияния дополнительных пар трения, образованных линейными подшипниками, упорными подшипниками, сальниками, на показания электронного динамометра. В свою очередь тарировку необходимо производить с необходимым видом СТС, и в рабочем временном диапазоне.
При вращении подвижного вала в контактной зоне, образованной инденторами, выполненными в виде металлического шарика, и контртелом в виде конической втулки, создается крутящий момент, который передается через лапку с расположенной в ней шпилькой к державке, установленной в электронном динамометре, при помощи которого производится регистрация показаний.