устройство для испытания материалов на трение

Формула изобретения

1. Устройство для испытания материалов на трение, содержащее установленные на основании держатель с образцом и держатель с контробразцом, узел нагружения образцов, опирающийся катками на держатель контробразца, привод перемещения держателя образца, индикатор усилий, соединенный с держателем контробразца, индикатор перемещения образца, соединенный с его держателем, датчик регистрации усилий и датчик перемещения образца, каждый из которых выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, и соединен через порт мыши с компьютером, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит индикатор подаваемой нагрузки, соединенный с узлом нагружения образцов, и третий датчик, соединенный через порт мыши с компьютером и выполненный, как и первые два, оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки индикатора подаваемой нагрузки между излучателем и фотодатчиком, причем держатель образца выполнен в виде вала, а привод его перемещения - в виде привода возвратно-вращательного движения, при этом последний выполнен с возможностью задания угла поворота вала и скорости его вращения при повороте на заданный угол.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатель контробразца и опирающаяся на него плоскость узла нагружения выполнены сферическими, а катки расположены по обе стороны держателя контробразца и выполнены в виде игольчатых подшипников.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что узел нагружения снабжен полусферическим телом, опирающимся на держатель контробразца, при этом катки закреплены на сферической плоскости этого тела.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вал снабжен втулкой с пазом для установки образца.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел нагружения выполнен в виде винтового домкрата, соединенного с динамометром и посредством червячной передачи с реверсивным двигателем.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передаточный механизм привода выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств материалов, а более конкретно к области исследования их трибологических свойств вращающихся тел, и может быть использовано для количественного определения составляющих сил сухого и вязкого трения.

Известно устройство для измерения сил трения, авторское свидетельство №1714467, МПК G 01 N 19/02. Устройство содержит корпус, соединенный с помощью упругого шарнира жесткий элемент с образцами и жестко соединенный с корпусом измеритель перемещения жесткого элемента. В направляющей с возможностью перемещения установлен корпус и упругий элемент, одним концом связанный с корпусом, а другим - с направляющей.

Недостатком устройства является ограниченность области применения. Это устройство не позволяет осуществлять испытание полимерных материалов, в том числе элементов конструкций изделий и машин на трение, т.к. отсутствие держателей делает невозможным испытание отдельных элементов конструкций.

Также известно устройство для испытания материалов на трение и износ, патент РФ на изобретение №2073846, МПК G 01 N 3/56, опубл. 20.02.1997 г.

Устройство содержит основание, размещенные на нем держатель контробразца, взаимодействующий с приводом вращения, держатель образца, узел нагружения и тензодатчики измерения момента трения и износа.

К недостатком устройства следует отнести: ограниченность области применения; сигналы, полученные от тензодатчиков, требуют обработки, что влияет на точность измерений; невозможно получить все трибологические характеристики материалов в зависимости от параметров эксперимента в реальном масштабе времени.

По совокупности существенных признаков наиболее близким является устройство для испытания материалов на трение, патент РФ на изобретение №2244290, МПК G 01 N 19/02, опубл. 10.01.2005 г. Это устройство принято за прототип заявляемому.

Известное устройство содержит основание, установленную на основании платформу на катках с расположенным на ней держателями с пазами, в которых размещаются образец и контробразец. Устройство также содержит привод возвратно-поступательного перемещения, узел нагружения образцов, датчики регистрации усилий и перемещения, совмещенные с индикаторами и соединенные с держателями, компьютер в качестве регистрирующей аппаратуры, с которым связаны датчики. Каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, и соединен с компьютером через порт мыши.

Это устройство обладает большой точностью исследований и позволяет быстро исследовать трибологические характеристики материалов.

Однако это устройство не дает более полную информацию об изменении сил трения (не регистрирует автоматически) в зависимости от параметров эксперимента, изменении закона движения, а также не позволяет оценить точность измерения трибологических характеристик, к тому же этим устройством невозможно получить информацию о трибологических характеристиках вращающихся тел, а также тел, имеющих круглую и сферическую формы, например оболочки кабелей, колодки тормозных механизмов и т.д.

Задача изобретения - исследовать трибологические характеристики элементов конструкций круглых и сферических тел при их вращении и повысить информативность исследований.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении достоверности и точности снятых трибологических характеристик.

Задача решена следующим образом. Общим с прототипом является то, что устройство содержит основание, установленные на основании держатель с образцом и держатель с контробразцом, узел нагружения образцов, опирающийся катками на держатель контробразца, привод перемещения держателя образца, индикатор усилий, соединенный с держателем контробразца, индикатор перемещения образца, соединенный с его держателем, датчик регистрации усилий и датчик перемещения образца, каждый из которых выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, и соединен через порт мыши с компьютером.

Но в отличие от прототипа заявляемое устройство дополнительно содержит индикатор подаваемой нагрузки, соединенный с узлом нагружения образцов, и третий датчик, соединенный через порт мыши с компьютером и выполненный, как и первые два, оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки индикатора подаваемой нагрузки между излучателем и фотодатчиком. При этом держатель образца выполнен в виде вала, а привод его перемещения - в виде привода возвратно-вращательного движения с возможностью задания угла поворота вала и скорости его вращения при повороте на заданный угол. Отличием является также то, что держатель контробразца и опирающаяся на него плоскость узла нагружения выполнены сферическими, а катки расположены по обе стороны держателя контробразца и выполнены в виде игольчатых подшипников. Для этого, в частном случае выполнения, узел нагружения снабжен полусферическим телом, опирающимся на держатель контробразца, а катки закреплены на сферической плоскости этого тела. Кроме этого, вал снабжен втулкой с пазом для установки образца, узел нагружения выполнен в виде винтового домкрата, соединенного с динамометром и посредством червячной передачи с реверсивным двигателем, а передаточный механизм привода выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма.

Таким образом, отличительными признаками от прототипа, подтверждающим новизну заявляемого устройства, являются следующие признаки:

- оно дополнительно содержит индикатор подаваемой нагрузки, соединенный с узлом нагружения образцов, и третий датчик, соединенный через порт мыши с компьютером и выполненный оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки индикатора подаваемой нагрузки между излучателем и фотодатчиком;

- держатель образца выполнен в виде вала;

- привод вала выполнен в виде привода возвратно-вращательного движения с возможностью задания угла поворота вала и скорости его вращения при повороте на заданный угол;

- держатель контробразца и опирающаяся на него плоскость узла нагружения выполнены сферическими, а катки расположены по обе стороны держателя контробразца и выполнены в виде игольчатых подшипников;

- узел нагружения снабжен полусферическим телом, опирающимся на держатель контробразца, а катки закреплены на сферической плоскости этого тела;

- вал снабжен втулкой с пазом для установки образца;

- узел нагружения выполнен в виде винтового домкрата, соединенного с динамометром и посредством червячной передачи с реверсивным двигателем;

- передаточный механизм привода выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма.

В заявляемом устройстве держатель образца выполнен в виде вала, а его привод - привод возвратно-вращательного движения, и, поскольку узел нагружения опирается катками (игольчатыми подшипниками) на сферический держатель контробразца, это дает возможность без влияния узла нагружения, т.е. исключая силу сопротивления движения, оценить силы, возникающие между образцами в паре трения при их вращении. Щупы индикаторов соединены непосредственно с держателями образцов, что влияет на точность измерений.

Благодаря наличию отличительных признаков у заявляемого устройства появляется возможность получить двухмерные и трехмерные графики, задавать различные законы движения образца и в зависимости от этих законов и при различных величинах нагрузки получить более полную картину трибологических характеристик, тем самым расширить область исследований, повысить информативность исследований, достоверность полученных результатов, а следовательно, более точно исследовать трибологические характеристики материалов. Заявляемое устройство позволяет определить законы движения образца и контробразца и при наличии соответствующих математических программ сверить эти законы движения и оценить точность исследований.

Устройство компактно и удобно при проведении исследований. Из уровня техники не выявлены технические решения, которые при простоте конструкции могли бы обеспечить такую широкую область исследования трибологических характеристик вращающихся тел, как заявляемое устройство. Оно явным образом не следует из уровня техники. Это дает основание считать заявляемое устройство соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид устройства, на фиг.2 - датчик (вид сбоку), фиг.3 - датчик (вид спереди).

Устройство состоит из механизмов привода возвратно-вращательного движения образцов, узла нагружения, держателей образцов и измерительной системы.

На основании 1 установлен привод возвратно-вращательного движения, состоящий из двигателя 2 и кривошипно-шатунного механизма 3, который соединяет вал 4. Вал 4 является держателем образца 5. Вал 4 снабжен сверху втулкой (на чертеже не показана) с пазом для установки образца 5. Сверху образца 5 установлен контробразец 6 со своим держателем 7. Держатели и втулка выполнены съемными для расширения диапазона испытуемых элементов конструкций и материалов. Узел нагружения состоит из винтового домкрата 9, который жестко соединен с полусферическим телом 8. Домкрат размещен на стойке 10. Домкрат 9 соединен с динамометром 11 и реверсивным двигателем 12 посредством червячной передачи (на чертеже не показана).

Измерительная система устройства состоит из датчика перемещения 13, совмещенного с индикатором перемещения. Щуп 14 измерительного индикатора датчика 13 жестко соединен с держателем 4 образца 5. Измерительная система также состоит из датчика регистрации усилий 15, совмещенного с соответствующим индикатором, щуп 16 которого жестко соединен с держателем 7 контробразца 6.

Регистрацию задаваемой нагрузки можно осуществлять как по динамометру, так и через индикатор-датчик 17, щуп которого 18 реагирует на изменение подаваемой нагрузки. Совмещенные датчики-индикаторы размещены на стойке 19, которая установлена на основании 1. В измерительную систему входит также регистрирующая аппаратура 20, роль которой выполняет компьютер. Датчики 13, 15, 17 соединены с компьютером 20 через порт мыши (на чертеже не показано). Датчики-индикаторы выполнены оптико-механическими (фигура 2, 3): на ось стрелки 21 индикатора надет легкий диск 22 с прорезями 23. Диск 22 установлен между излучателем инфракрасного излучения 24, роль которого выполняет инфракрасный излучающий диод, и фотодатчиком 25 (фототранзистором). Фотодатчик 25 и излучатель 24 соединены с компьютером через порт мыши.

Устройство работает следующим образом. От двигателя 2 движение передается через кривошипно-шатунный механизм к валу с держателем 4, который в свою очередь приводит в движение образец 5. Вертикальная нагрузка на образцы создается винтовым домкратом 9, приводимым в движение реверсивным двигателем 12 через червячную передачу. Нагрузка передается через динамометр 11, который показывает фиксированную нагрузку. Так как полусферическое тело 8, которое передает нагрузку на держатель контробразца 7, имеет катки в виде игольчатых подшипников, то держатель 7 имеет возможность двигаться за счет сил трения между образцами.

В результате взаимодействия сил трения между образцами 5, 6 будет двигаться щуп 16 индикатора регистрации усилий. Измеряемые перемещения преобразуются в электрические импульсы в датчиках 13, 15. Возвратно-вращательное движение держателей 4, 7 образцов 5, 6 преобразуется во вращательное движение осей стрелок 21 индикаторов, следовательно, и дисков 22 с прорезями 23 (прерывателем), через который проходит (или не проходит) поток инфракрасного излучения от излучателя 24 (фигура 2). Таким образом, при вращении диска 22 поток излучения прерывается, что регистрируется соответствующим фотодатчиком 25.

Информация от датчиков 13, 15, 17 вводится в компьютер 20 (фигура 1) через порт мыши. Каждый импульс прошедшего излучения рассматривается как перемещение на один шаг по одной из координат (координате перемещения или усилия). Питание инфракрасного излучателя и фотодатчика осуществляется от компьютера через порт мыши.

Непосредственная связь датчиков 13, 15, 17 через порт мыши с компьютером 22 дает возможность, используя соответствующие программы, на мониторе получить графики: усилие трения - перемещения - нагрузка; усилие - нагрузка и перемещение - время, а обрабатывая их с помощью математических программ, - трибологические характеристики: коэффициенты сухого и вязкого трения, коэффициент демпфирования системы; логарифмический декремент; частоту свободных и затухающих колебаний и т.д.

Закон движения задается скоростью вращения привода, величиной кривошипа на валу привода и положением конца шатуна на сферическом держателе образца.

Предлагаемое устройство позволяет составит суждение о влиянии параметров движения - угла поворота держателя образца, угловой и линейной скорости его движения в зависимости от времени при различном уровне нагружения поверхности трения. На основании наблюдений за входным и выходным сигналами и их обработки с помощью математических программ получают трибологические характеристики материалов.

Для контроля точности возможна запись осциллограммы в координатах усилие трения - перемещение, а также оценка точности измерений самого устройства с помощью компьютера при наличии специальных математических программ.