Установка для испытания пары сухого трения на износ при возвратно-поступательном движении
Владельцы патента RU 2745799:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИГиЛ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам и средствам триботехнических испытаний, в частности к способам и устройствам для испытания узлов с парами сухого трения. Возвратно-поступательное движение одному из испытываемых элементов пары трения в установке задает кулачковый механизм с геометрическим замыканием высшей пары, содержащий кулачок с пазом специального профиля и ролик, взаимодействующий с боковыми поверхностями паза кулачка и связанного с подвижным элементом ПТ, обеспечивая его возвратно-поступательное движение с постоянной скоростью. Контактное давление в ПТ задают грузами через рычажную систему. Технический результат заключается в создании установки для подбора и испытания материалов для оптимальных пар трения, работающих в условиях, максимально близких к реальным условиям. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к способам и устройствам для испытания материалов на трение и износ применительно к условиям работы узлов с парами сухого трения, без смазки, при возвратно-поступательном движении с постоянной скоростью и постоянной величине нагрузки, например, по поверхности твердой, закаленной стали перемещают таблетки из твердого сплава. Такие пары трения применяют в установках машиностроения, где использование цветных металлов, а также смазка не допускается, в частности, в радиохимической промышленности, в узлах, предназначенных для использования в технологических линиях промышленной переработки отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), облученных в ядерных реакторах.
В известной конструкции (см. Авторское свидетельство SU №1428996, G01N 3/56 1986) испытание материалов на износ производят в устройстве для испытания материалов на трение и износ применительно к условиям работы узлов трения прокатных станов. Испытание пары трения производят путем вращения одного из образцов. Устройство не предназначено для испытания пар трения при возвратно поступательном движении.
В известной конструкции (см. Авторское свидетельство SU 1516881, G01N 3/56 1987) возвратно-поступательное движение испытываемого образца обеспечивают гидроцилиндром от встроенной насосной станции, а величину нагрузки на пару трения меняют в зависимости от частоты его двойных ходов, при этом невозможно обеспечить постоянную фиксированную нагрузку. В данной установке применение гидропривода существенно усложняет ее конструкцию, кроме того, не предусмотрено испытание пар сухого трения при различной температуре. Применение гидравлики для длительных испытаний приводит к нагреву масла и изменению его вязкости, что меняет скорость движения гидроцилиндров.
За прототип принята конструкция машины 77МТ-1 для исследования на износ (см. Крагельский И.В. Трение и износ. Издание 2-е, переработанное и дополненное. М.: Машиностроение, 1968, 479 с. - с. 390-391). В ней испытываемый верхний образец прижимают рычажным устройством к самоустанавливающемуся ползуну, на котором расположен нижний испытываемый образец. Ползун движется возвратно-поступательно от кривошипного механизма. Длина хода может изменяться от 30 до 70 мм, число двойных ходов в минуту настраивается и составляет 100, 200, 300 или 400. Нагрузку изменяют в интервале от 10 до 60 кГ. Испытания возможно проводить в различных жидких средах, помещая образцы в ванну, заполненную необходимой жидкостью. Применение кривошипного механизма задает переменную скорость перемещения образца, изменение скорости которого близко к синусоиде. Машина 77МТ-1 не позволяет проводить испытания образцов пары трения на износ при постоянной скорости. А так как износ при сухом трении зависит от скорости перемещения испытываемых образцов относительно друг друга и нагрузки в зоне контакта, поэтому не возможно получить на машине 77МТ-1 достоверные данные по износу при необходимой постоянной скорости для проектирования реальной установки.
В предлагаемом техническом решении задача состоит в совершенствовании конструкции, обеспечивающей испытания элементов пары сухого трения с постоянной скоростью их относительного перемещения при выполнении двойных ходов, при постоянной величине нагрузки в зоне контакта и постоянной температуре с возможностью назначения разной величины температуры элементов пары сухого трения при ее испытании.
В предлагаемом техническом решении при подборе и испытании элементов пары сухого трения на износ для обеспечения постоянной скорости относительного перемещения одного из элементов при выполнении двойных ходов, привод перемещения его выполнен в виде кулачкового механизма с геометрическим замыканием высшей пары, представляющего собой кулачок, снабженный пазом специального профиля, и ролика, взаимодействующего с боковыми поверхностями паза кулачка. Ролик связан с нижним элементом пары трения и обеспечивает его возвратно-поступательное движение с постоянной скоростью при вращении кулачка с постоянным числом оборотов в единицу времени. Величину нагрузки в зоне контакта пары трения задают грузами на рычажном устройстве через верхний неподвижный элемент пары трения. Температуру пары трения задают нагревательными элементами, установленными в основании, в пазу которого перемещается ползун с закрепленным нижним подвижным элементом пары трения.
Предлагаемое техническое решение поясняется графическим материалом.
На фиг. 1 показана установка в сборе.
На фиг. 2 показано сечение А-А.
На фиг. 3 показано сечение В-В.
На фиг. 4 показан график скорости движения нижнего подвижного элемента пары трения при полном обороте кулачка.
Установка (см. фиг. 1, 2 и 3) содержит станину 1, на верхней плоскости которой установлены: блок привода возвратно-поступательного движения 2 и блок испытываемой пары трения 3.
Блок привода 2 собран на монтажной плите 4, на которой установлен электродвигатель 5 и редуктор 6. Вал электродвигателя 5 взаимодействует с входным валом редуктора 6 посредством клиноременной передачи 7. На выходной вал редуктора 6 закреплен фланец 8, в котором установлен (см. фиг. 3) плоский кулачок 9 с пазом 10 специального профиля, который выполнен с наружной поверхностью 11 и внутренней поверхностью 12. В пазу расположен ролик 13, взаимодействующий с наружной 11 и внутренней 12 поверхностями паза кулачка 9. Ролик 13 закреплен на подвижной каретке 14, перемещающейся по линейной шариковой направляющей 15.
Блок испытываемой пары трения 3 (см. фиг. 1 и 2) состоит из основания 16, на боковых плоскостях которого закреплены две планки 17, содержащие теплоэлектронагреватели (ТЭНы) 18. В верхней части основания 16 выполнен паз 19, по которому перемещается ползун 20. На ползуне 20 закреплен подвижный элемент 21 испытываемой пары трения. Паз 19 смачивается термостойким маслом для уменьшения коэффициента трения скольжения ползуна 20 в пазу 19. На основании 16 установлен корпус 22 рычажного устройства. В корпусе 22 помещен шток 23, на нижнем торце которого закреплена кассета 24 с установленным в ней неподвижным элементом испытываемой пары трения, например: твердосплавной таблеткой 25, взаимодействующей с испытываемым подвижным элементом 21. Сверху на корпусе 22 на шарнире установлен рычаг 26, создающий необходимое контактное давление в испытываемой паре трения при помощи тарированных грузов 27. Ползун 20 соединен тягой 28 с перемещающейся кареткой 14 с роликом 13. Для фиксации в вертикальной плоскости перемещающегося ползуна 20 установлена дополнительная опора 29. На стойках корпуса 22 наклеены тензометрические датчики 30 для измерения усилия в контакте пары трения для вычисления коэффициента трения.
Установка (см. фиг. 1, 2, 3) для испытания пар сухого трения на износ при возвратно-поступательном движении работает следующим образом.
В блок 3 испытываемой пары трения устанавливают элементы пары трения - подвижный элемент 21 и твердосплавную таблетку 4. Нагружают контакт испытываемой пары трения грузами 27 через рычаг 26 до расчетного контактного давления. Включают ТЭНы 18 для нагрева элементов пары трения до необходимой температуры испытания. Регистрацию температуры осуществляют термодатчиком, размещенным на ползуне 20. После достижения температуры до установленной величины включают электродвигатель 5, который через клиноременную передачу 7 вращает валы редуктора 6. При этом кулачок 9, выполненный с пазом 10, образованным наружной поверхностью 11 и внутренней поверхностью 12, размещенный на выходном валу редуктора 6 вращается с заданной угловой скоростью. Ролик 13 расположенный в пазу кулачка 9 и закрепленный на подвижной каретке 14 линейной шариковой направляющей 15, взаимодействуя с наружной 11 и внутренней 12 поверхностями паза кулачка 9, перемещается вдоль линейной шариковой направляющей 15. Подвижная каретка 14 при помощи тяги 28 перемещает ползун 20 с закрепленным в нем подвижным элементом 21. Профиль поверхностей 11 и 12 паза 10 кулачка 9 выполнен таким образом, чтобы при вращении кулачка 9 с постоянным числом оборотов ролику 13 и связанными с ним: подвижной каретке 14, тяге 28, ползуну 20 и подвижному элементу 21 испытываемой пары трения придать постоянную линейную скорость.
График скорости перемещения подвижного элемента 21 показан на фиг. 4. На графике видно, что разгон подвижного элемента 21 от начальной точки производится при повороте кулачка 9 на 15°, далее подвижный элемент 21 движется с постоянной скоростью при повороте до 165°, после чего происходит его торможение до конечной точки, соответствующей повороту кулачка 9 до 180°. Аналогично происходит движение подвижного элемента в обратную сторону, при вращении кулачка 9 до полного оборота на 360°. Полный оборот кулачка 9 соответствует одному двойному ходу подвижного элемента 21. Скорость движения подвижного элемента 21 возможно изменить путем: изменения скорости вращения электродвигателя, подбором шкивов клиноременной передачи или установкой редуктора 6 с другим, необходимым передаточным числом.
В процессе испытаний автоматикой поддерживается постоянная температура образцов.
Замер усилия в контакте пары трения производится тензометрическими датчиками 30, наклеенными на стойках корпуса 22, с целью вычисления усилия и коэффициента трения в испытываемой паре трения. Расположение тензометрических датчиков на стойках корпуса 22 позволяет выделить изгибные напряжения на стойках только от усилия трения в испытываемой паре трения без учета трения ползуна 20 в пазу 19 основания 16, так как изгиб стоек корпуса 22 происходит только от усилия трения в контакте испытываемой пары трения.
После набора необходимого количества двойных ходов, выключают ТЭНы, электродвигатель, снимают грузы 27. Элементы 21 и 25 пары трения вынимают из блока 3 и производят замеры параметров их износа.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении подбора материалов для оптимальных пар трения, работающих без смазки при возвратно-поступательном движении с постоянной скоростью. Это позволит повысить надежность установок, работающих в радиохимической промышленности, предназначенных для использования в технологических линиях промышленной переработки отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), облученных в ядерных реакторах.
На Установку разработана конструкторская документация, изготовлен и испытан опытный образец. Испытания пар сухого трения на износ из различных материалов проводят в КТФ ИГиЛ СО РАН.
1. Установка для испытания пар сухого трения на износ при возвратно-поступательном движении, содержащая станину, размещенные на ней: блок испытываемой пары трения, включающий рычажное устройство с корпусом, штоком в нем, грузами, систему подогрева элементов пары трения, тензометрические датчики, и блок привода возвратно-поступательного движения одного из элементов пары трения, включающий электродвигатель, клиноременную передачу, редуктор, отличающаяся тем, что выходной вал редуктора блока привода возвратно-поступательного движения элемента пары трения снабжен кулачковым механизмом с геометрическим замыканием высшей пары, содержащим плоский кулачок с пазом специального профиля относительно оси вращения кулачка, и ролик, попеременно взаимодействующий с боковыми поверхностями паза кулачка и связанный с подвижным элементом пары трения, закрепленным на ползуне в верхней части основания, при этом неподвижный элемент пары трения закреплен на штоке корпуса рычажного устройства, размещенного на основании, снабженного электронагревательными элементами, а тензометрические датчики расположены на стойках корпуса рычажного устройства.
2. Способ испытания пар сухого трения на износ при возвратно-поступательном движении, включающий размещение элементов испытываемой пары трения, нагружение пары трения до расчетного контактного давления, осуществление движения, остановку и замер параметров износа, отличающийся тем, что до начала движения подвижного элемента пары трения включают нагрев пары трения до необходимой температуры испытания и далее производят его движение, включающее разгон подвижного элемента от нуля до заданной скорости при повороте кулачка на 15°, при повороте кулачка до 165° подвижный элемент движется с постоянной скоростью, при повороте кулачка далее до 180° происходит его торможение до полной остановки в конечной точке и далее также в обратном направлении до полного оборота кулачка на 360°, при этом испытываемый подвижный элемент совершает возвратно-поступательное движение с постоянной скоростью на участках поворота кулачка: прямой ход - от 15° до 165°, обратный ход - от 195° до 345°, а кулачок вращается при этом с постоянным числом оборотов в единицу времени.
