МАШИНА ТРЕНИЯ

Полезная модель относится к технике испытаний триботехнических свойств материалов.
Известна машина трения для испытания смазочных материалов, содержащая основание, закрепленную на нем стойку, установленные в ней соосно друг другу два вала, предназначенные для размещения на их торцах двух сферических образцов, охватывающее валы кольцо, предназначенное для размещения в нем трех опорных шаров-контробразцов, контактирующих со сферическими образцами, охватывающую кольцо чашу, размещенную внутри разъемного электрообогревателя, привод вращения и узлы нагружения шаров и регистрации момента трения [1].
Известна четырехшариковая машина трения для испытания смазочных материалов, верхний шар которой фиксируют шпилькой в патроне, вращающегося с определенной скоростью шпинделя [2]. Три нижних шара закрепляют неподвижно в чашке при помощи гайки и шайбы. Чашку заполняют испытуемой смазкой и полностью погружают в нее три нижних шара. Нижние шары прижимаются к верхнему усилием, передающимся на чашку через диск, упорный подшипник, втулку, бронзовую и резиновую прокладки, ножевую опору рычага от сменных грузов и задают определенную скорость вращения верхнего шара.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является четырехроликовая машина трения, предназначенная для исследования триботехнических характеристик смазочных материалов при граничном трении [3]. В четырехроликовой машине трения верхний конический образец с углом конуса 45° устанавливается в цанге сменного шпинделя и с помощью привода вращения осуществляется контакт с тремя цилиндрическими контробразцами. Эти контробразцы-ролики центрированы относительно оси вращения шпинделя с помощью сепаратора и галтели «грибка» и зажаты между «грибком» и крышкой в оправке. Вся оправка с контробразцами-роликами устанавливается в снабженной нагревателем масляной чашке машины трения. Нагружение узла трения осуществляется через стакан и упорный подшипник, которые могут свободно перемещаться в осевом направлении. Величина момента трения определяется по углу закручивания торсиона, центрированного относительно оси вращения и расположенного внутри стакана.
Недостатком известных машин трения является низкая точность определения силы трения, особенно при длительных испытаниях, из-за дрейфа нуля, возникающего при изгибе упругого чувствительного элемента, например, торсиона и невозможности учета и корректировки его (т.е. нулевого отчета силы трения) непосредственно в процессе испытаний. Кроме того, другим недостатком таких машин трения является ограниченный диапазон измерения силы трения, поскольку в них во время испытаний может использоваться только один с определенным пределом скручивания упругий элемент, который труднодоступен, так как находится внутри стакана и, поэтому, его замена возможна только при остановке машины трения, а, следовательно, нарушении фрикционного контакта, что, несомненно, отрицательно будет сказываться как на самих результатах испытаний, так и дополнительных трудностях их получения.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение точности и расширение диапазона измерений силы трения за счет использования прецизионной системы измерения силы трения с адаптирующей базой отчета и обеспечения в ней возможности поочередного использования нескольких разной чувствительности упругих элементов и контроля и учета их дрейфа нуля непосредственно в процессе испытаний.
Решение поставленной задачи достигается тем, что, согласно изобретению, машина трения содержит основание, две платформы с установленными в них соосно друг другу двумя валами, предназначенными для закрепления оправок-держателей образцов и контробразцов, узлы нагружения, нагрева и измерения скорости вращения, привод вращения и систему измерения силы трения, причем система измерения силы трения выполнена в виде плоского упругого элемента, размещенного на горизонтальной пластине, жестко закрепленной на валу, имеющем возможность свободного перемещения в осевом направлении, на верхнем торце которого в подшипнике качения расположена конусообразная пластина, центрированная относительно оси вращения оправки-держателя контробразца и взаимодействующая через первую сферическую опору и жестко закрепленные в ее верхней конусообразной части два вертикальных упора-штифта с нижней частью оправки-держателя контробразца и через шарнирно закрепленный в нижней плоской части конусообразной пластины поводок - с упругим элементом системы измерения силы трения, причем перпендикулярно к поводку в двух взаимно противоположных направлениях через два блока присоединены две тяги с грузами, соответственно, для тарировки силы трения и для ее компенсации в процессе испытаний, а нижний торец вала через вторую сферическую опору соединен с узлом нагружения. Для расширения диапазона измерения силы трения система измерения силы трения содержит несколько плоских разнотолщинных упругих элементов и такое же количество шарнирно закрепленных на нижней плоской части конусообразной пластины поводков, расположенных на одной окружности, например, под углом 120° к оси вращения, один из которых в процессе испытаний находится в рабочем положении, а другие - ждущем и взаимодействующие только со своими упругими элементами.
На фиг.1 представлен общий вид машины трения, а на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Машина трения содержит основание 1, закрепленные на нем через стойки 2 и 3, две платформы 4 и 5 с установленными в них соосно друг другу двумя валами 6 и 7, предназначенными для закрепления оправок-держателей 8 и 9, соответственно, пальчиковых образцов 10 и диска-контробразца 11, узел нагружения 12, систему измерения силы трения 13, узел измерения скорости вращения 14, привод вращения 15 и узел нагрева 16, причем система измерения силы трения выполнена в виде плоского упругого элемента 17, размещенного на горизонтальной пластине 18, жестко закрепленной на валу 6, имеющем возможность свободного перемещения в осевом направлении, на верхнем торце которого в подшипнике качения 19 расположена конусообразная пластина 20, центрированная относительно оси вращения оправки-держателя контробразца 9 и взаимодействующая через первую сферическую опору 21 и жестко закрепленные в ее верхней конусообразной части два вертикальных упора-штифта 22 с нижней частью оправки-держателя контробразца 9 и через шарнирно закрепленный в нижней плоской части конусообразной пластины 20 поводок 23 - с упругим элементом 17 системы измерения силы трения, причем перпендикулярно к поводку 23 в двух взаимно противоположных направлениях через два блока 24 и 25 присоединены две тяги 26 и 27 с грузами 28 и 29, соответственно, для тарировки силы трения и для ее компенсации в процессе испытаний, а нижний торец вала 6 через вторую сферическую опору 30 соединен с рычагом 31, шарнирно закрепленном в кронштейне 32, установленном на нижней части плиты 4 и предназначенном для закрепления грузов 33 узла нагружения 12. Для расширения диапазона измерения силы трения система измерения силы трения 13 содержит несколько плоских разнотолщинных упругих элементов, например, 17, 34, 35 и такое же количество шарнирно закрепленных на нижней плоской части конусообразной пластины поводков 23, 36 и 37 расположенных на одной окружности, например, под углом 120° к оси вращения, один из которых в процессе испытаний находится в рабочем положении, а другие поводки - в ждущем и взаимодействующие только со своими упругими элементами. При этом на каждый из упругих элементов наклеиваются тензодатчики или они могут, например, взаимодействовать с индуктивными датчиками линейных перемещений, которые также необходимо располагать на горизонтальной пластине 18, жестко закрепленной на валу 6 и по сигналу с которых судят о моменте вращения, возникающем в процессе испытаний при трении пальчиковых образцов 10 и диска-контробразца 11 как без смазки, так и со смазочным материалом в зоне трения. Вал 6 установлен в подшипнике скольжения 38, закрепленном на платформе 4 и имеет осевое перемещение. Вал 7, наоборот, не имеет осевого перемещения и установлен в подшипниках качения 39, размещенных в цилиндрической направляющей 40, закрепленной на платформе 5. Вращение на вал 7 передается от привода 15 через клиноременную передачу 41.
Машина трения работает следующим образом.
В оправках-держателях 8 и 9, соответственно, закрепляют пальчиковые образцы 10 и диск-контробразец 11 и при необходимости исследуют либо их сухое трение, либо в пространство между ними помещают исследуемый смазочный материал. Затем с помощью грузов 29 и тяги 27, а также шарнирно закрепленных в нижней плоской части конусообразной пластины 20 поводков 23, 36 и 37 расположенных на одной окружности и имеющих возможность взаимодействовать только со своим упругим элементом независимо и поочередно делают тарировку момента вращения, возникающего при приложении грузов 29, соответственно, для упругих элементов 17, 34 и 35. Далее устанавливают в рабочее положение один из шарнирно закрепленных в нижней плоской части конусообразной пластины 20 поводков, причем взаимодействующий с самым тонким упругим элементом системы измерения силы трения. Пусть это будут поводок 23 и упругий элемент 17 и для них регистрируют нулевой отчет момента вращения или, иначе говоря, нулевой отчет силы трения. Устанавливают на рычаге 31 узла нагружения 12 наименьший из грузов 33 и через сферическую опору 30 и вал 6, перемещая последний в осевом направлении, осуществляют контакт пальчиковых образцов 10 с диском-контробразцом 11. С помощью привода вращения 15 задают определенную скорость вращения вала 7 и закрепленных на нем посредством оправки-держателя 8 пальчиковых образцов 10. Испытание проводят в течение определенного промежутка времени, при этом регистрируют момент вращения, а с помощью тарировочного графика для данного упругого элемента судят о силе трения возникающей при фрикционном взаимодействии пальчиковых образцов 10 с диском-контробразцом 11. По окончании данного промежутка времени с помощью грузов 28 через блок 24 и тягу 26 разгружают упругий элемент 17, т.е. компенсируют силу трения, возникающую в процессе испытаний, и полученные данные сверяют с нулевым отчетом силы трения для данного упругого элемента. Если эти показания не изменяются, т.е. не происходит дрейфа нуля, например, за счет остаточной деформации упругого элемента, то полученные результаты берут за основу. В противном случае с помощью грузов 28 и 29 делают соответствующую поправку на ошибку, возникшую при испытаниях вследствие дрейфа нуля для данного упругого элемента. Далее эксперименты продолжают при большем грузе 33 узла нагружения 12 и описанные процессы измерений и контроля силы трения повторяют. При значительном изгибе упругого элемента 17 с помощью другого шарнирно закрепленного в нижней плоской части конусообразной пластины 20 поводка, например, поводка 36 переходят на другой более толстый упругий элемент, т.е. в данном случае элемент 34. Причем этот переход с одного упругого элемента на другой может быть осуществлен непосредственно в ходе испытаний, т.е. не нарушая фрикционного контакта исследуемых образцов и контробразца. Далее при значительном изгибе упругого элемента 34 с помощью уже следующего шарнирно закрепленного в нижней плоской части конусообразной пластины 20 поводка 37 переходят на еще более толстый упругий элемент 35 и описанные процессы измерений силы трения и контроля ее нулевого отчета повторяют.
Поскольку упругие элементы 17, 34 и 35 размещаются на горизонтальной пластине 18, жестко закрепленной на валу 6 и, в результате этого, имеют возможность свободного перемещения в осевом направлении при изнашивании контактирующих образцов, то предлагаемая система измерения силы трения является по сути дела системой с адаптирующей базой отчета, принцип действия которой состоит в том, что база, относительно которой производится измерение момента трения, получает дополнительное перемещение, совпадающее по направлению и равное по абсолютной величине линейному перемещению динамически контактирующих образцов, вызванному их износом или биениями диска-контробразца, и, вследствие этого, исключающей влияние угловых и вертикальных перемещений упругих элементов в процессе испытаний на точность измерения силы трения.
Таким образом, с помощью предложенных в данной машине трения оригинальных конструктивных особенностей, позволяющих получить прецизионную систему измерения силы трения с адаптирующей базой отчета, и обеспечения в ней возможности поочередного использования нескольких разной чувствительности упругих элементов, а также контроля и учета их дрейфа нуля непосредственно в процессе испытаний добиваются повышения точности и расширения диапазона измерений силы трения.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1250920, кл. G01N 19/02, заявлен. 05.03.85 г., опубл. 15.08.86 г., Бюл. №30.
2. Пластичные смазки и оценка их качества (зарубежные стандарты и спецификации). Синицин В.В. - М.: Изд-во стандартов, 1975. - 192 с.
3. Матвеевский P.M., Буяновский И.А., Лазовская О.В. Противозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме граничной смазки. - М.: Наука, 1978. - 192 с.