Устройство для определения состояния и упругих свойств поверхностей трения

 

Изобретение относится к технике определения механических характеристик материалов и позволяет обеспечить определение диссипативных свойств, а также общего состояния поверхностей трения. Устройство содержит основание, смонтированную на основании опорукассету, индентор с известными свойствами , токопроводящую нить, на которой подвешен индентор, регулируемый упор, два кабеля, исследуемую деталь и электронный блок, включающий формирователь 10

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sris G 01 N 3/56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4835622/28 (22) 07.06.90 (46) 30.06.92. Бюл. М 24 (71) Рыбинский авиационный технологический институт (72) Ю.П.Замятин, А.Ю, Замятин, А.С.Новиков и Б.М.Драпкин (53) 620.128.154.5 (088.8) (56) Крагельский И;В. Добычин М.Н.. Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ.

М.: Машиностроение, 1977. с. 442, 454.

Суворова З.В. Шувалов В.В, Определение времени и энергии удара. Рыбинск, РАТИ, 1988.. Ы 1744587 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СОСТОЯНИЯ И УПРУГИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике определения механических характеристик материалов и позволяет обеспечить определение диссипативных свойств, а также общего состояния поверхностей трения, Устройство содержит основание, смонтированную на основании опорукассету, индентор с известными свойствами, токопроводящую нить, на которой подвешен индентор, регулируемый упор, два кабеля, исследуемую деталь и электронный блок, включающий формирователь 10

1744587

r =R С In

01

Е—

5 п1 g цотс сигнала соударения, два триггера 11 и 12, два логических элемента И 13 и 14, четыре логических элемента ИЛИ 15-18, счетчик 19 защитного интервала, счетчик 20 интервалов времени, дешифратор 21, счетчик 22 соударений, счетчик 23 бит, блок 24 индикаторов, последовательно-параллельный регистр 25, счетчик 26 блоков, селектор

27 частот, последовательный регистр 28 сдвига, оперативное запоминающее устройство 29 (ОЗУ), счетчи к 30 адреса, блок 31

Изобретение относится к испытаниям материалов, основанным на времени и повторяемости свободного ударного взаимодействия, и может быть использовано для неразрушающей послойной оценки технологического и эксплуатационного состояния, величины нормального модуля упругости, степени рассеяния энергии поверхностей твердых тел, прежде всего поверхностей трения.

Известно устройство, включающее корпус, шар-индентор с заданными физико-механическими свойствами, исследуемый образец, механизм раскручивания и сбрасывания шара на образец, измеритель длины и максимальной высоты отскока шара.

Оно позволяет с помощью соударения получать результаты, исходя из которых можно оценить динамический модуль упругости, При оценке модуля Е одинаковых поверхностей может быть использована формула:

Где Нуд = 6ГпЯ(Ьнад, horc)/(

m — масса индентора;

g — ускорение свободного падения; — глубина восстановленного отпечатка образца; го — радиус восстановленного отпечатка образца;

Ьнад — высота падения индентора;

hove — высота отскока индентора; и — коэффициент Пуанссона.

Недостатками этого устройства являются сложность конструкции, вызванная необходимостью определения нескольких трудноизмеримых величин, в частности го, r., Ьото малая производительность, невозможность определения диссипативных свойств управления и генератор 32 опорной частоты. Соединения элементов устройства выполнены таким образом, чтобы обеспечить запись в ОЗУ 29 времени и номера всех соударений между индентором и деталью в реальном масштабе времени. При определении требуемых характеристик осуществляют пошаговый вывод информации иэ ОЗУ

29 с отображением ее на блоке 24 индикации. Вычисления производят по известным формулам. 3 ил, (в частности, внутреннего трения Q><) и общего состояния поверхностей, Известно также устройство, содержащее основание, смонтированную на основании

5 заданно ориентированную опору-кассету для закрепления исследуемой детали (образца), маятник, включающий шар-индентор с известными физико-механическими свойствами и токопроBoäÿùóþ нить, на которой

10 подвешен шар, регулируемый упор, систему измерения, позволяющую определять время соударения шара.и исследуемого тела.

Основу системы измерения составляет последовательная RC-цепь, Время соударения

15 находится из соотношения:

20 где R — величина сопротивления;

С вЂ” емкость конденсатора;

Ui, U2 — напряжение на обкладках конденсатора соответственно до и после удара.

По найденному r может быть оценен

25 модуль Юнга поверхностей, например, трения.

Основными недостатками устройства являются невозможность определения длительностей второго и последующих соуда30 рений, а значит диссипативных свойств, в частности Оан, и общего состояния поверхностей трения. а также высокая погрешность определения времени первого соударения, в частности из-эа отсутствия

35 элементов, учитывающих так называемый

"дребезг" контакта.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения автоматического и более

40 точного измерения времени не только первого, но и всех последующих свободных ударных взаимодействий эталонного ин1744587 дентора с исследуемой поверхностью, а так- счетчик 20 интервалов времени производит же общего числа соударений, подсчет поступающих на его счетный вход

На фиг. 1 представлена схема устрой- со второго выхода селектора 27 частот такства; на фиг, 2 — схема его электронного товых интервалов определения времени соблока; на фиг. 3 — временные диаграммы 5 ударения. работы предлагаемого устройства (где а— Второй триггер 12 предназначен для временная зависимость электрического выделения интервала времени, в течение сопротивления R между кабелями 7 и 8, которого на счетный вход счетчика 23 бит, передаваемого на вход формирователя 10; счетный вход счетчика 30 адреса, тактовый б — напряжение на выходе формирователя 10 вход последовательного сдвига регистра 25

10; в — напряжение на выходе триггера 11, г и тактовый вход регистра 28 сдвига поступа— напряжение на выходе счетчика 19, д — ет тактовая частота чтения/записи ОЗУ 29. напряжение на выходе триггера 12, е — на- . Первый элемент 13 И предназначен для пряжение на выходе элемента 18; ж- напря- разрешения. счета счетчику 19 защитного жение на выходе счетчика 23, з — 15 интервала только в случае, если первый напряжение на сбросовом входе счетчика триггер 11 установлен, а с выхода формиро26;и,к,л — напряжениенаинформационных вателя 10 поступает сигнал логического выходах счетчика 26; м — напряжение на уровня, соответствующего отсутствию конвыходе переполнения счетчика 26, такта.

Устройство содержит основание 1, за- 20 Четвертый элемент 18 ИЛИ предназна- . данно ориентируемую опору-кассету 2, по- чен для того, чтобы второй триггер 12 устадвижно смонтированную на основании 1, навливался как по сигналу переполнения исследуемый образец 3, закрепленный в счетчика 19 защитного интервала, так и покассете 2, воздействующий на образец 3 сигналу "Шагчтения", поступающему с периндентор4с известными физико-механиче- 25 вого выхода блока 31 управления (при скими свойствами, регулируемый упор 5, то- пошаговом чтении полученной информакопроводящую нить 6, кабели 7 и 8 и ции). электронный модуль блок 9. Упор 5 предназ- Первый элемент 15 ИЛИ служит для тоначен для строго заданного отклонения ма- го, чтобы первый триггер 11 сбрасывался ятника, образованного индентором 4 и 30 как по сигналу переполнения счетчика 19 токопроводящей нитью 6, от вертикали и защитного интервала, так и по сигнал У

"Сброс", поступающему с второго выхода

Электронный блок содержит формиро- блока 31 управления(сброс состояния после ватель 10 сигнала соударения, два триггера включения прибора, для перехода в режим

11 и 12,два логических элемента 13 и 14 И, 35 чтения, для новой записи информации и четыре логических элемента 15-18 ИЛИ, т.д,). счетчик 19 защитного интервала, счетчик 20 Второй элемент 16 ИЛИ управляет счет- . интервалов времени, дешифратор 21, счет- чиком 23 бит. чик 22 соударений, счетчик 23 бит, блок 24 Третий элемент 17 ИЛИ предназначен индикаторов, последовательно-параллель- 40 для того, чтобы счетчик 26 блоков сбрасыный регистр 25, счетчик 26 блоков, селектор вался как по сигналу переполнения, посту27 частот, последовательный регистр 28 пающему с его выхода, так и по сигналу сдвига, оперативное запоминающее уст- "Сброс", поступающему с второго выхода рой тво 29 (ОЗУ). счетчик 30 адреса, блок 31 блока 31 управления. управления, генератор32опорной частоты. 45 Второй элемент 14 И выполняет роль

Входы формирователя 10 сигнала соу- ключа для тактового сигнала чтения/записи дарения посредством кабелей 7 и 8 соеди- ОЗУ 29, поступающего на его второй вход. нены с токопроводящей нитью 6 и Счетчик 19 защитного интервала предисследуемой деталью 3. назначен для подсчета защитного интерваФормирователь 10 сигнала соударения 50 ла, необходимого для устранения . предназначен для преобразования электри- возможного "дребезга" контакта индентора ческого сопротивления участка контакта ис- 4 и образца 3, следуемого образца 3 и индентора 4 при их Счетчик 20 интервалов времени предсоударении в сигнал логического уровня "0" назначен для подсчета количества тактовых или "1" на выходе формирователя 10. При 55 интервалов определения времени соудареэтом порог электрического сопротивления, ния, поступающих в течение времени, пока разделяющего существование контакта или первый триггер 11 установлен. Рассматриего отсутствие, может быть изменяемым, ваемый элемент является десятичным. Его

Первый триггер 11 служит для выделе- разрядность равна: ния интервала времени, в течение которого Nz=-4 ni, 1744587 где п1 — количество десятичных разрядов для определения времени контакта исследуемого образца 3 и индентора 4.

Дешифратор 21 служит для определения блока 24 индикаторов, отображающего десятичный знак, код которого установлен на выходах регистра 28 сдвига, Выход дешифратора 21, преобразующего двоичный код, поступающий с информационных выходов счетчика 26 блоков в десятичный, имеет число разрядов:

N5 = п1+ п2, где nz — количество десятичных разрядов для числа соударений.

Счетчик 22 соударений предназначен для определения числа соударений индентора 4 об исследуемое тело 3, Имеет разрядность:

N> =4 nz.

Счетчик 23 бит служит для выделения групп по 4 тактовых сигналам чтения/записи ОЗУ 29.

Блок 24 индикаторов предназначен для отображения информации, записываемой или считываемой из ОЗУ 29, содержит Ns индикаторов. Информация отображается в виде номера и времен ного интервала соударения.

Регистр 25 предназначен для параллельной записи информации с выходов счетчиков 20 и 22 и посЛедующего побитового сдвига информационной последовательности для записи в ячейки ОЗУ 29.

Счетчик 26 блоков предназначен для подсчета числа четырехбитовых блоков, каждый иэ которых соответствует одному десятичному знаку.

Селектор 27 частот служит для формирования сетки частот из опорной частоты, поступающей с выхода генератора 32 опорной частоты. Формируемые селектором 27 частоты используются в качестве тактовых интервалов определения времени соударения исследуемого образца 3 и индентора 4 (возможно использование нескольких поддиапазонов измерения, т.е; различных тактовых интервалов, которые выбираются по сигналу с третьего выхода блока 31 управления), в качестве тактовой частоты подсчета защитного интервала для счетчика 19 защитного интервала и в качестве тактовой частоты чтения/записи ОЗУ 29.

Регистр 28 сдвига предназначен для преобразования последовательной двоичной информации. поступающей с выхода

ОЗУ 29, в четырехразрядные двоичные слова, которые с выходов регистра 28 поступают на информационные входы блока 24 индикаторов для отображения в десятичном виде на одном из его индикаторов.

55 ции. При подаче сигнала "Запись" с четвертого выхода блока 31 управления ОЗУ 29 переводится в режим записи.

Включается в работу маятник, состоящий иэ индентора 4 и токопроводящей нити

6. Индентор 4 отклоняется до упора 5 и отпускается. В момент соприкосновения (контакта) индентора 4 с исследуемым образцом 3 электрическое сопротивление участка индентор — образец падает ниже порогового сопротивления (фиг, 3a). На выходе формирователя 10 вырабатывается сигнал, соответствующий замыканию (фиг.

Зб).

В этот момент первый триггер 11 устанавливается (фиг; Зв) и разрешает тем.самым счет счетчику 20. Регистр 25 переводится в режим параллельной загрузки, Содержимое счетчика 22 увеличивается на 1 бит.

При возникновении "дребезга" контакта (фиг. Зб — момент 1 и 2) содержимое счетчиков 20 и 22 заносится в регистр 25.

Счетчик 20 при этом не останавливает счета.

ОЗУ 29 предназначено для записи и чтения информации, поступающей из регистра

25. Режим работы ОЗУ (запись или считывание) определяется сигналом, поступающим с четвертого выхода блока 31 управления.

ОЗУ имеет битовую структуру, т.е. по одному адресу, поступающему с N 3-выходов счетчика 30 адреса, записывается только один бит информации, Разрядность ОЗУ onределяет число соударений, время и номер которых могут быть зафиксированы электронным блоком 9.

Счетчик 30 адреса служит для выбора адреса ячейки ОЗУ 29, в которую записывается (считывается) бит информации.

Блок 31 управления предназначен для управления режимами работы электронного блока 9.

Генератор 32 опорной частоты служит для формирования высокостабильной опорной IBCTOTbt.

Устройство работает следующим образом, При его включении в.сеть производится сброс состояния электронного модуля 9, Сигнал с второго выхода блока 31 управления поступает на сбросовые входы счетчика

23 бит (через элемент 16 ИЛИ), счетчика 26 (через элемент 17 ИЛИ) и счетчиков 22 и 30, а также на обнуляющий вход первого триггера 11 (через элемент 15 ИЛИ). Таким образом сбрасываются счетчики 22, 23, 26 и 30, а также первый триггер 11, который обнуляет счетчик 19 (через элемент 13 И) и счетчик

20, а также устанавливает для регистра 25 режим последовательного сдвига информа1744587

Переход в режим пошагового чтения записанной информации производится путем сброса состояния блока 9. Подачей сигнала

"Шаг чтения" с первого выхода блока управ5 ления 31 осуществляется установка второго триггера 12 через элемент 18 ИЛИ. Считывание и отображение информации производится аналогично режиму записи (установкой второго триггера 12 при этом

10 управляет не сигнал переполнения счетчика

19, а сигнал "Шаг чтения" блока 31 управления).

Изображенная на фиг. 1 схема устройства соответствует испытанию токопрово15 дящих поверхностей трения.

При анализе нетокопроводящих поверхностей роль индентора выполняет, например, пьезоэлемент, выходы которого подключаются к входам.формиро20 вателя 10 сигналов соударения.

После того, как с помощью устройства определены время первого соударения х1, второго х, ..., 1-го tj, ..., последнего хп, а также общее число свободных соу25 дарений искомые количественные упруго-диссипэтивные характеристики поверхности трения рассчитываются из соответствующих соотношений. В частности, для сферического индентора 4 и

30 плоского образца 3 такие соотношения .имеют вид:

Еповз

Ь m4

Enos4

3PV вн—

ГдЕ ЕповЗ, Епов4 — МОдуЛЬ КЗНГа ПОВЕрХНОСтных слоев испытуемой детали (образца) 3 и индентора 4; г4, пц — радиус и масса индентора;

9 — ускорение свободного падения;

h — высота подъема индентора;

Ь вЂ” коэффициент, зависящий. от вида материалов; а = 2,5; с = 10;

Р с а удара;

Ч вЂ” упругая постоянная Кирхгофа;

hs — глубина внедрения индентора в исследуемую поверхность (толщина исследуемого слоя);

Так как интервал "дребезга" не превышает защитного интервала (звщ, счетчик 19, который начинает счет. при появлении сигнала отсутствия контакта сбрасывается по. приходу сигнала существования контакта, не успев достигнуть состояния переполнения.

В стадии размыкания образца 3 и индентора 4 (фиг. Зб, момент 3) информация иэ счетчиков 20 и 22 заносится в регистр 25.

Счетчик 19 в третий раз начинает счет и в момент переполнения вырабатывает на выходе сигнал переполнения (фиг. Зг).

Этот сигнал сбрасывает первый триггер

11 и устанавливает второй триггер 12. Со сбросом первого триггера 11 счетчик 19 также сбрасывается, сигнал переполнения на его выходе исчезает.

Установленный второй триггер 12 (фиг.

Зд) разрешает передачу тактового сигнала с второго входа элемента 14 И íà его выход (фиг. Зе). При этом регистр 25 начинает побитовый сдвиг информации в ячейки ОЗУ

29, выбираемые счетчиком 30. Сдвиг информации с выхода ОЗУ осуществляет также регистр 28. После. четырех тактовых сигналов счетчик 23 вырабатывает сигнал переполнения (фиг. Зз), В этот момент в индикатор блока 24, выбранный дешифратором 21 по коду на выходе счетчика 26, заносится четырехбитовое слово с информационных выходов регистра 28.

По окончании сигнала переполнения счетчика 23 счетчик 26 изменяет свое содержание на. 1 бит (см. фиг. Зм, к.л.).

Подобным образом записываются в 35

ОЗУ 29 и выводятся для отображения на индикаторы блока 24 еще пять четы рехбитовых.слов, После прихода двадцать четвертого тактового сигнала производится вывод послед- 40 него (иэ шести) десятичных знаков на блок

24 индикаторов.

На выходе переполнения счетчика 26 вырабатывается сигнал переполнения (фиг. Зм).

Этот сигнал поступает на обнуляющий вход второго триггера 12 и сбрасывает его, защищая тем самым поступление тактового сигнала с второго входа элемента 14 И на его выход, Все элементы блока 9 приведены в состояние, предшествующее первому саударению, эа исключением того, что счетчик 22 содержит 1 (единицу), счетчик 30 содержит

24 (адрес последнего записанного бита), а на блоке 24 отображается номер соударения (в данном случае 1) и его время в тактовых интервалах.

B момент следующего соударения элементы электронного блока 9 действуют аналогично.

Овн — (1 (. ) ):

2л х +

1744587

S

20

40

50 т — время I-ro соударения в одном испытании.

Общее состояние изучаемых поверхностей трения устанавливается по измеренным величинам путем сопоставления их с подобными величинами, полученными для эталонных образцов.

Таким образом, применение предлагаемой схемы позволяет значительно расширить его функциональные возможности.

Предлагаемое устройство позволяет в полуавтоматическом режиме быстро определять (с использованием эталонов) общее состояние и качество поверхностей трения и покрытий на них, устанавливать (c использованием формул типа приведенных и аналогичных) Епр8 и Q>< материала, составляющего слой заданной толщины.

Другие устройства, известные из различных источников, такой возможности (при реализации ударного воздействия) не дают.

Формула изобретения

Устройство для определения состояния и упругих свойств поверхностей трения, содержащее основание, смонтированную на основании .заданно ориентированную опору-кассету для закрепления исследуемого образца, индентор с известными физикомеханическими свойствами,, токопроводящую нить, на которой подвешен индентор, регулируемый упор, электронный блок и два кабеля, соединяющих электронный блок с токопроводящей нитью и исследуемым образцом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью расширения функциональных возможностей за счет более точного измерения времени соударения, электронный модуль содержит формирователь сигнала соударения, два триггера, два логических элемента

И, четыре логических элемента ИЛИ, счетчик.защитного интервала, счетчик интервалов времени, дешифратор, счетчик соударений, счетчик бит, блок индикаторов, последовательно-параллельный регистр, счетчик блоков, селектор частот, последовательный регистр сдвига, оперативное запоминающее устройство, счетчик адреса, блок управления и генератор опорной частоты, выход формирователя сигнала соударения соединен с установочным входом первого триггера, первым входом первого логического элемента И и тактовым входом параллельной загрузки последовательно-параллельного регистра, выход первого триггера соединен.с вторым входом первого элемента И, обнуляющим входом счетчика интервалов времени, счетным входом счетчика соударений и входом выбора режима работы последовательнопараллельного регистра, выход второго триггера — с первым входом второго элемента И, выход первого элемента И вЂ” с обнуляющим входом счетчика защитного интервала, выход первого элемента ИЛИ— с установочным входом второго триггера, выход второго элемента ИЛИ вЂ” с обнуляющим входом первого триггера, выход третьего элемента ИЛИ вЂ” с обнуляющим входом счетчика бит, выход четвертого элемента

ИЛИ вЂ” с обнуляющим входом счетчика блоков, выход второго элемента И вЂ” со счетным входом счетчика бит, тактовым входом последовательного сдвига последовательнопараллельного регистра, тактовым входом регистра сдвига и счетным входом счетчика адреса, выход переполнения счетчика защитного интервала соединен с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ, выходы счетчика интервалов времени — с первой .группой информационных входов последовательно-параллельного регистра, выходы дешифратора — с адресными входами блока индикаторов, выходы счетчика соударений — с второй группой информационных входов последовательно-параллельного регистра, выход переполнения счетчика бит — с первым входом третьего элемента ИЛИ, входом записи информации блока индикаторов и счетным входом счетчика блоков, выход последовательно-параллельного регистра — с информационным входом оперативного запоминающего устройства, информационные выходы счетчика блоков -с входами дешифратора, выход переполнения счетчика блоков-.с обнуляющим входом второго триггера и первым входом четвертого элемента ИЛИ, первый выход селектора частот-со счетным входом счетчика защитного интервала, второй выход-со счетным входом счетчика интервала времени, третий выход— с вторым входом второго элемента И, выходы .регистра сдвига соединены с информационными входами блока индикаторов, выход one" ративного запоминающего устройства — с информационным входом регистра сдвига, выходы счетчика адреса — с адресными входами оперативного запоминающего устройства, первый выход. блока управления с вторым входом первого элемента ИЛИ, второй выход — с вторыми входами второго, третьего и четвертого элементов ИЛИ, обнуляющими входами счетчика соударений и счетчика адреса, третий выход блока управления— с входом выбора поддиапазона селектора частот, четвертый выход — с входом выбора режима работы оперативного запоминающего устройства, выход генератора опорной частоты соединен с тактовым входом селектора частот.

1744587

uz

Составитель К. Тавлинов

Редактор Н. Киштулинец Техред М.Моргентал Корректор. А. Осауленко

Заказ 2193 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород. ул.Гагарина, 101