устройство для испытания материалов на трение

Формула изобретения

1. Устройство для испытания материалов на трение, содержащее основание, установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик регистрации перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчики регистрации перемещения и усилий, отличающийся тем, что каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, а в качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, причем датчики соединены с последним через порт мыши, кроме этого механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения снабжен тележкой с катками, размещенными на держателе контрообразца.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел нагружения выполнен в виде винтового домкрата, установленного на тележке и соединенного с реверсивным двигателем и динамометром.

Описание изобретения к патенту

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

Известно, устройство для определения коэффициента трения материалов, авторское свидетельство №930081, МКИ G 01 N 19/02. Устройство содержит основание, ползун для прикрепления на нем контробразца, на котором устанавливается образец, регулируемый привод возвратно-поступательного перемещения. Кроме того, устройство содержит датчик ускорения ползуна, датчик перемещения образца относительно контробразца и контрольно-измерительную аппаратуру из виброизмерительного блока и светолучевого осциллографа.

Недостатком устройства является ограниченность области применения. Это устройство не позволяет осуществлять испытания полимерных материалов, в том числе элементов гибких кабелей на трение, т.к. в них происходит сложный процесс при эксплуатации, и применение датчика ускорения не дает наглядной картины процесса, к тому же отсутствие держателей делает невозможным испытание гибких кабелей.

Прототипом является устройство для испытания материалов на трение, авторское свидетельство №1821689, МКИ G 01 N 19/02.

Устройство содержит основание, размещенный на основании ползун, на котором помещены держатели с пазами. В пазах установлены образец и взаимодействующий с ним контробразец. Устройство также содержит привод возвратно-поступательного движения ползуна, датчик перемещения образца, соединенный с регистрирующей аппаратурой и индикаторы перемещения образцов, а ползун снабжен регулятором его перемещения, при этом индикатор и датчик присоединены к держателям образцов. Благодаря держателям с пазами появилась возможность расширить диапазон исследований, исследовать не только твердые, но и упругие материалы.

Однако этим устройством невозможно получить информацию о трибологических характеристиках материала, т.к. необходима дальнейшая обработка данных. На это требуется много времени, возможны погрешности при расчете этих характеристик. Кроме этого, наличие дополнительных элементов, соединяющих держатели с датчиками влияют на точность исследований.

Задача - быстро и с большой точностью исследовать трибологические характеристики материалов.

Задача решена следующим образом. Также, как и прототип, заявляемое устройство содержит основание, установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчик перемещения и датчик регистрации усилий. Но в отличие от прототипа в заявляемом устройстве каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, а в качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, причем датчики соединены с последним через порт мыши, кроме этого, механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения снабжен тележкой с катками, размещенными на держателе контробразца.

Узел нагружения в заявляемом устройстве выполнен в виде винтового домкрата, установленного на тележке и соединенного с реверсивным двигателем и динамометром.

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

- каждый датчик выполнен в виде диска с прорезями;

- диск надет на ось стрелки соответствующего индикатора;

- диск расположен между излучателем и фотодатчиком;

- в качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер;

- датчики соединены с компьютером через порт мыши;

- механизм для размещения образцов выполнен в виде платформы на катках;

- узел нагружения снабжен тележкой с катками;

- катки размещены на держателе контробразца;

- узел нагружения выполнен в виде винтового домкрата, установленного на тележке и соединенного с реверсивным двигателем и динамометром.

В заявляемом устройстве и механизм для размещения держателей образцов, и узел нагружения опирается катками, что дает возможность без влияния узла нагружения, т.е. исключая силы сопротивления движению, оценить силы, возникающие между образцами в паре трения, что влияет на точность измерений. Щупы индикаторов соединены непосредственно с держателями образцов, что влияет на точность измерений.

Поскольку датчики соединены с персональным компьютером через порт мыши, становится возможным быстро и точно исследовать трибологические характеристики материалов, т.е. решить поставленную задачу.

Установленный на ось стрелки индикатора и размещенный между излучателем и фотодатчиком диск с прорезями, и соединение излучателя и фотодатчика с портом мыши позволили без дополнительного блока согласования преобразовать механические перемещения в электрический сигнал, воспринимаемый компьютером. По сути, датчики-индикаторы являются одновременно и датчиком регистрации усилия и перемещения, и блоком согласования (преобразователем) с компьютером. Это явным образом не следует из уровня техники и подтверждает наличие изобретательского уровня у заявляемого устройства.

На фигуре 1 показана общая схема устройства, на фигуре 2 - вид датчика сбоку, на фигуре 3 - вид датчика спереди.

Устройство состоит из механизмов привода платформы возвратно-поступательного перемещения образцов, узла нагружения, держателей образцов и измерительной системы.

На основании 1 выполнены направляющие 2, на которых установлена платформа 3 с держателем 4 образца 5. Сверху образца 5 установлен контробразец 6 со своим держателем 7. Образец 5 и контробразец 6 образуют пару трения. Держатели образцов 4, 7 выполнены съемными. Съемные держатели образцов расширяют диапазон испытуемых элементов конструкций и материалов. Платформа 3 снабжена четырьмя катками 8. Приводом возвратно-поступательного перемещения служит кривошипно-шатунный механизм 9 с двигателем 10. Узел нагружения устройства состоит из винтового домкрата 11, установленного на тележке 12 с катками 13. Домкрат 11 соединен с динамометром 14 и реверсивным двигателем 15 посредством червячной передачи (на чертеже не показана). Домкрат 11 размещен на стойке 16. Тележка 12 установлена на держателе 7 контробразца 6. Катки 13 тележки выполнены подобными каткам 8 платформы 3. Измерительная система устройства состоит из датчика перемещения 17, совмещенного с индикатором перемещения (на чертеже не показан). Щуп 18 измерительного индикатора-датчика 17 жестко соединен с держателем 4 образца 5. Измерительная система состоит также из датчика регистрации усилий 19, совмещенного с соответствующим индикатором (на чертеже не показан), щупа 20, который жестко соединен с держателем 7 контробразца 6. Датчики 17, 19 размещены на стойке 21, которая установлена на основании 1. В измерительную систему входит также регистрирующая аппаратура 22, роль которой выполняет компьютер. Датчики 17, 19 соединены с компьютером 22 через порт мыши (на чертеже не показано). Датчики 17, 19 (фиг.2, 3) выполнены оптико-механическими: на ось стрелки 23 индикатора надет легкий диск 24 с прорезями 25. Диск 24 установлен между излучателем инфракрасного излучения 26, роль которого выполняет инфракрасный излучающий диод, и фотодатчикам 27 (фоторезистором). Фотодатчик 27 и излучатель 26 соединены с компьютером 22 через порт мыши.

Устройство работает следующим образом. От двигателя 10 движение передается через кривошипно-шатунный механизм 9 к платформе 3, которая, в свою очередь, приводит в движение держатель образца 4 с образцом 5. Вертикальная нагрузка на образцы создается винтовым домкратом 11, приводимым в движение реверсивным двигателем 15 через червячную передачу. Нагрузка передается через динамометр 14, который показывает фиксированную нагрузку. Так как тележка 12, которая передает нагрузку на держатель 7, имеет катки 13, и платформа 3, которая совершает возвратно-поступательное движение с держателем 4 образца 5, имеет аналогичные катки 8, то верхний держатель 7 имеет возможность двигаться за счет сил трения между образцами, и механизм нагружения не оказывает влияние на измерения.

В результате взаимодействия сил трения между образцами 5, 6 будет двигаться щуп 18 и щуп 20 индикаторов. Измеряемые перемещения преобразуются в электрические импульсы в датчиках 17, 19. Происходит это следующим образом. Возвратно-поступательное движение держателей 4, 7 образцов 5, 6 преобразуется во вращательное движение осей стрелок 23 индикаторов, а следовательно, и дисков 24 с прорезями 25 (прерывателем), через который проходит (или не проходит) поток инфракрасного излучения от излучателя 26 (фиг.2) (инфракрасный излучающий диод). Таким образом при вращении диска 24 поток излучения прерывается, что регистрируется соответствующим фотодатчиком 27 (фототранзистором).

Информация от датчиков 17, 19 вводится в компьютер 22 (фиг.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 26 и фотодатчика 27 осуществляется от компьютера через порт мыши.

Непосредственная связь датчиков 17, 19 через порт мыши с компьютером 22 дает возможность, используя соответствующие программы, на мониторе получить диаграммы: усилие трения - перемещения; усилие - время 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.