|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[RU] 1. Способ испытания материала на трение и износ, в котором образец-индентор со сферической поверхностью прижимают по нормали к противолежащей рабочей поверхности контробразца и возвратно-поступательно перемещают их друг относительно друга с определением при этом износа и коэффициента трения, отличающийся тем, что испытание на трение и износ проводят в вакуумной камере, в которой предварительно контробразец, выполненный с двумя параллельными противолежащими рабочими поверхностями, жестко соединяют с постоянным магнитом, и со стороны каждой из них симметрично друг другу устанавливают по нормали к рабочей поверхности по меньшей мере по три образца-индентора, фиксируя при этом положение контробразца, и образцы-инденторы, размещенные со стороны одной рабочей поверхности контробразца, жестко фиксируют по отношению к вакуумной камере, а образцы-инденторы, размещенные со стороны другой рабочей поверхности контробразца, устанавливают с возможностью перемещения в направлении по нормали к рабочей поверхности контробразца при фиксации их положения в параллельной рабочей поверхности контробразца плоскости и взаимодействия с упругоподатливым элементом, деформированием которого их прижимают к этой рабочей поверхности контробразца с усилием прижатия, соответствующим его статической составляющей, причем упругоподатливый элемент связывают с программно-управляемым модулем для создания переменной составляющей усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, например пьезоактюатором, и постоянный магнит размещают с радиальным зазором в отверстии магнитоэлектрического модуля, который жестко фиксируют в вакуумной камере, и создают в ней контролируемую атмосферу или вакуум, а последующие возвратно-поступательные перемещения контробразца обеспечивают путем воздействия магнитного поля, создаваемого магнитоэлектрическим модулем, на постоянный магнит, и одновременно с этим программно-управляемым модулем создают переменное усилие прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, при этом коэффициент трения, характеризующий антифрикционные свойства испытываемой пары трения, рассчитывают как отношение силы трения к усилию прижатия образцов-инденденторов к ответной поверхности контробразца, а силу трения определяют по параметрам электропитания магнитоэлектрического модуля с учетом того, что при стабилизированном напряжении сила трения прямо пропорциональна потребляемому магнитоэлектрическим модулем току, при этом износ определяют по тренду параметров электропитания программно-управляемого нагружателя в процессе испытаний, регистрируемому при одинаковых по амплитуде и частоте параметрах прижатия образцов-инденторов к соответствующим рабочим поверхностям контробразца, для чего перед проведением испытаний регистрируют параметры электропитания программно-управляемого нагружателя при создании требуемой силы прижатия образцов-инденторов к рабочим поверхностям контробразца и при ее уменьшении, пропорциональном величине интегрального износа образцов-инденторов при проведении испытаний, осуществляют компенсацию величины этого уменьшения изменением параметров электропитания магнитоэлектрического модуля, обеспечивающим соответствующее перемещение штока магнитоэлектрического модуля при деформировании упругоподатливого элемента до исходного напряженно-деформированного состояния, а системой обратной связи магнитоэлектрического модуля регистрируют величину перемещения его штока, соответствующую интегральной величине износа пары трения. 2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее привод, включающий установленные с радиальным зазором статор и ротор, последний выполнен с возможностью жесткого закрепления на нем контробразца, выполненного в виде призмы с параллельными гранями и устанавливаемого на роторе с возможностью взаимодействия с группами образцов-инденторов, устанавливаемых в жестком креплении на соответствующие две плоскости симметрично друг другу со стороны каждой из двух противолежащих параллельных граней контробразца, средство для измерения силы трения, упругоподатливый элемент, установленный с возможностью регулируемого нагружения образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, и вакуумную камеру, в которой размещены статор, ротор, упругоподатливый элемент, средство для определения силы трения и средство для нагружения образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, отличающееся тем, что ротор выполнен в виде постоянного магнита, статор выполнен в виде магнитоэлектрического модуля, установленного в жесткой связи с вакуумной камерой с возможностью регулирования положения относительно ротора, и создания переменного по амплитуде и скорости скольжения возвратно-поступательного перемещения контробразца вдоль оси постоянного магнита, при этом устройство снабжено дополнительными модулем для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, например пьезоактюатором, двумя модулями контроля электрических параметров и программируемым модулем, при этом первый выход программируемого модуля связан с входом магнитоэлектрического модуля, второй выход программируемого модуля связан с входом модуля для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответным поверхностям контробразца, выход магнитоэлектрического модуля связан с входом первого модуля контроля электрических параметров, выход которого связан с первым входом программируемого модуля, выход модуля для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца связан с входом второго модуля контроля электрических параметров, выход которого связан со вторым входом программируемого модуля, причем одна группа образцов-инденторов является устанавливаемой в жесткой связи с вакуумной камерой, а упругоподатливый элемент размещен с возможностью взаимодействия в направлении по нормали к поверхности контробразца между другой группой образцов-инденторов и дополнительным модулем для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что снабжено вакуумным насосом, связанным с вакуумной камерой, и модулем управления вакуумным насосом, вход которого связан с третьим выходом программно-управляемого модуля, а выход связан с вакуумным насосом.
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
1. Способ испытания материала на трение и износ, в котором образец-индентор со сферической поверхностью прижимают по нормали к противолежащей рабочей поверхности контробразца и возвратно-поступательно перемещают их друг относительно друга с определением при этом износа и коэффициента трения, отличающийся тем, что испытание на трение и износ проводят в вакуумной камере, в которой предварительно контробразец, выполненный с двумя параллельными противолежащими рабочими поверхностями, жестко соединяют с постоянным магнитом, и со стороны каждой из них симметрично друг другу устанавливают по нормали к рабочей поверхности по меньшей мере по три образца-индентора, фиксируя при этом положение контробразца, и образцы-инденторы, размещенные со стороны одной рабочей поверхности контробразца, жестко фиксируют по отношению к вакуумной камере, а образцы-инденторы, размещенные со стороны другой рабочей поверхности контробразца, устанавливают с возможностью перемещения в направлении по нормали к рабочей поверхности контробразца при фиксации их положения в параллельной рабочей поверхности контробразца плоскости и взаимодействия с упругоподатливым элементом, деформированием которого их прижимают к этой рабочей поверхности контробразца с усилием прижатия, соответствующим его статической составляющей, причем упругоподатливый элемент связывают с программно-управляемым модулем для создания переменной составляющей усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, например пьезоактюатором, и постоянный магнит размещают с радиальным зазором в отверстии магнитоэлектрического модуля, который жестко фиксируют в вакуумной камере, и создают в ней контролируемую атмосферу или вакуум, а последующие возвратно-поступательные перемещения контробразца обеспечивают путем воздействия магнитного поля, создаваемого магнитоэлектрическим модулем, на постоянный магнит, и одновременно с этим программно-управляемым модулем создают переменное усилие прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, при этом коэффициент трения, характеризующий антифрикционные свойства испытываемой пары трения, рассчитывают как отношение силы трения к усилию прижатия образцов-инденденторов к ответной поверхности контробразца, а силу трения определяют по параметрам электропитания магнитоэлектрического модуля с учетом того, что при стабилизированном напряжении сила трения прямо пропорциональна потребляемому магнитоэлектрическим модулем току, при этом износ определяют по тренду параметров электропитания программно-управляемого нагружателя в процессе испытаний, регистрируемому при одинаковых по амплитуде и частоте параметрах прижатия образцов-инденторов к соответствующим рабочим поверхностям контробразца, для чего перед проведением испытаний регистрируют параметры электропитания программно-управляемого нагружателя при создании требуемой силы прижатия образцов-инденторов к рабочим поверхностям контробразца и при ее уменьшении, пропорциональном величине интегрального износа образцов-инденторов при проведении испытаний, осуществляют компенсацию величины этого уменьшения изменением параметров электропитания магнитоэлектрического модуля, обеспечивающим соответствующее перемещение штока магнитоэлектрического модуля при деформировании упругоподатливого элемента до исходного напряженно-деформированного состояния, а системой обратной связи магнитоэлектрического модуля регистрируют величину перемещения его штока, соответствующую интегральной величине износа пары трения. 2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее привод, включающий установленные с радиальным зазором статор и ротор, последний выполнен с возможностью жесткого закрепления на нем контробразца, выполненного в виде призмы с параллельными гранями и устанавливаемого на роторе с возможностью взаимодействия с группами образцов-инденторов, устанавливаемых в жестком креплении на соответствующие две плоскости симметрично друг другу со стороны каждой из двух противолежащих параллельных граней контробразца, средство для измерения силы трения, упругоподатливый элемент, установленный с возможностью регулируемого нагружения образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, и вакуумную камеру, в которой размещены статор, ротор, упругоподатливый элемент, средство для определения силы трения и средство для нагружения образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, отличающееся тем, что ротор выполнен в виде постоянного магнита, статор выполнен в виде магнитоэлектрического модуля, установленного в жесткой связи с вакуумной камерой с возможностью регулирования положения относительно ротора, и создания переменного по амплитуде и скорости скольжения возвратно-поступательного перемещения контробразца вдоль оси постоянного магнита, при этом устройство снабжено дополнительными модулем для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, например пьезоактюатором, двумя модулями контроля электрических параметров и программируемым модулем, при этом первый выход программируемого модуля связан с входом магнитоэлектрического модуля, второй выход программируемого модуля связан с входом модуля для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответным поверхностям контробразца, выход магнитоэлектрического модуля связан с входом первого модуля контроля электрических параметров, выход которого связан с первым входом программируемого модуля, выход модуля для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца связан с входом второго модуля контроля электрических параметров, выход которого связан со вторым входом программируемого модуля, причем одна группа образцов-инденторов является устанавливаемой в жесткой связи с вакуумной камерой, а упругоподатливый элемент размещен с возможностью взаимодействия в направлении по нормали к поверхности контробразца между другой группой образцов-инденторов и дополнительным модулем для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что снабжено вакуумным насосом, связанным с вакуумной камерой, и модулем управления вакуумным насосом, вход которого связан с третьим выходом программно-управляемого модуля, а выход связан с вакуумным насосом.
Евразийское 023900 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2016.07.29
(21) Номер заявки 201300885
(22) Дата подачи заявки 2013.06.24
(51) Int. Cl. G01N3/56 (2006.01) G01N19/02 (2006.01)
(54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛА НА ТРЕНИЕ И ИЗНОС И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(43) 2014.12.30
(96) 2013/EA/0039 (BY) 2013.06.24
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY)
(72) Изобретатель:
Басинюк Владимир Леонидович, Мардосевич Елена Ивановна, Папина Сергей Степанович, Ломако Василий Геннадьевич, Лобкова Майя Петровна
(BY)
(56) RU-C1-2328721 SU-A1-1305574 SU-A-1173269 US-A1-20030000282
(57) Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам и средствам триботехнических испытаний. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение достоверности определения противоизносных и (или) антифрикционных свойств пар трения скольжения. Поставленная задача решается тем, что в способе испытания материала на трение и износ контробразец жестко соединяют с постоянным магнитом и фиксируют в пространстве образцами-инденторами, которые прижимают к нему с усилием, соответствующим статической составляющей нагрузки, а упругоподатливый элемент, связанный с образцами-инденторами, связывают с программно-управляемым модулем для создания переменной составляющей усилия прижатия, при этом постоянный магнит размещают с радиальным зазором в отверстии магнитоэлектрического модуля, которым создают возвратно-поступательные перемещения контробразца путем воздействия на него магнитного поля. Отсутствие направляющих или опор качения позволяет исключить связанные с этим погрешности котроля сил трения и повысить достоверность определения противоизносных и (или) антифрикционных свойств пар трения скольжения в условиях нестационарных нагрузок и скоростей скольжения.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам и средствам триботехни-ческих испытаний и может быть использовано для определения противоизносных и (или) антифрикционных свойств в условиях нестационарных нагрузок и скоростей скольжения при температурах от -110 до 120°С в контролируемой атмосфере или вакууме пар трения скольжения, включающих композиционные, в том числе полимерные, материалы, ориентированные на использование в подшипниках и направляющих скольжения, работающих в специальных средах и вакууме при повышенных до 120°С или пониженных до -110°С температурах.
Основной износ и потери на трение пары трения скольжения современных работающих в широком диапазоне нагрузок с частотами вращения 60000 об/мин и более приводов техники для экстремальных условий эксплуатации (атмосфере с агрессивными компонентами или вакууме) возникают во время разгонов и торможения, при вибрационном воздействии и в условиях действия чрезмерно высоких и низких температур. Достоверность прогнозирования ресурса таких пар трения во многом определяется степенью достоверности информации об их противоизносных и антифрикционных свойствах, полученной в процессе триботехнических испытаний.
При определении противоизносных свойств пар трения, как правило, в процессе испытаний оценивается изменение в результате изнашивания линейных размеров (как это делается в предлагаемом техническом решении) или массы, антифрикционные свойства определяются путем измерения силы (как это делается в предлагаемом техническом решении) или момента трения (см., например, Мышкин Н.К., Пет-роковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. - М.: ФИЗМАЛИТ, 2007, 368 с., с. 206).
Известен способ испытаний материалов на трение и износ, в котором осуществляют трение путем движения образца-индентора и его скольжения по поверхности контробразца при постоянной протяженности контакта с созданием нагрузки на контакте по нормали к трущимся поверхностям, при этом трение осуществляют поэтапно: на первом этапе осуществляют трение новой поверхности контробразца по новой поверхности образца-индентора заданное время при выбранных постоянных нагрузке и скорости; на втором этапе контробразцом осуществляют трение той же поверхностью по новой поверхности образца-индентора на тех же или измененных режимах; каждый следующий этап повторяет предыдущий, а на последнем этапе трение осуществляют в течение времени, превышающего время осуществления трения на первых этапах, при этом оценивают параметры трения и износа трибосистемы [патент РФ № 2279660, 2006 г.].
Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является выбранный в качестве прототипа способ испытаний на трение и износ [Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник/под ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. - М.: Машиностроение, 2008, 384 с., с. 284], в котором образец-индентор со сферической поверхностью прижимают по нормали к противолежащей рабочей поверхности контробразца и возвратно-поступательно перемещают их друг относительно друга с определением при этом износа и коэффициента трения.
К существенным недостаткам выше перечисленных способов можно отнести недостоверность результатов испытаний материалов на трение скольжения и износ в условиях нестационарных нагрузок и скоростей скольжения при температурах от -110°С (от -110 до - 60°С) до 120°С (от 90 до 120°С) в атмосфере с агрессивными компонентами или вакууме из-за крайне нелинейных триботехнических свойств системы, обеспечивающей относительное возвратно-поступательное перемещение образца-индентора относительно контробразца.
Известно устройство для испытаний материалов на трение и износ в вакууме и газовых средах в широком диапазоне температур, содержащее вал для установки сменного контробразца, размещенный на подшипниках и выполненный полым для подвода охлаждающей жидкости, герметичный корпус, в котором устанавливается с возможностью взаимодействия с контробразцом вкладыш, и инфракрасная лампа для нагрева испытываемой пары трения [Комбалов B.C. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов: справочник/под ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. - М.:
Машиностроение, 2008, 384 с., с. 326-327, рис. 10.14].
Из известных устройств для испытаний на трение и износ в вакууме наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является выбранное в качестве прототипа устройство для испытаний материалов на трение и износ, содержащее привод вращения в виде высокомоментного электродвигателя, статор которого через подшипник соединен с полым ротором, в котором закреплены с промежутком между ними два испытуемых диска, каждый из которых взаимодействует с испытуемыми образцами-инденторами, расположенными на тензометрических балках, закрепленных на статоре и осуществляющих за счет собственной упругости прижатие образцов-инденторов к плоской поверхности соответствующего диска и данного диска к ротору, и тензодатчики, установленные на балках, соединенные с регистрирующим прибором [патент РФ № 2279057, 2006 г.].
К существенным недостаткам выше перечисленных устройств можно отнести недостоверность результатов испытаний материалов на трение скольжения и износ в условиях нестационарных нагрузок и скоростей скольжения при температурах от -110°С (от -110 до - 60°С) до 120°С (от 90 до 120°С) в атмо
сфере с агрессивными компонентами или вакууме из-за крайне нелинейных триботехнических свойств системы, обеспечивающей относительное возвратно-поступательное перемещение образца-индентора относительно контробразца.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение достоверности определения противоизносных и (или) антифрикционных свойств пар трения скольжения, включающих композиционные, в том числе полимерные, материалы, в условиях нестационарных нагрузок и скоростей скольжения при температурах от -110 до 120°С в атмосфере с агрессивными компонентами или вакууме путем расширения функциональных возможностей способа испытаний и устройства для его реализации.
Решение поставленной задачи в способе испытаний материала на трение и износ, в котором обра-зец-индентор со сферической поверхностью прижимают по нормали к противолежащей рабочей поверхности контробразца и возвратно-поступательно перемещают их друг относительно друга с определением при этом износа и коэффициента трения, согласно техническому решению испытание на трение и износ проводят в вакуумной камере, в которой предварительно контробразец, выполненный с параллельными противолежащими рабочими поверхностями, жестко соединяют с постоянным магнитом, и со стороны каждой из них симметрично друг другу устанавливают по нормали к рабочей поверхности по меньшей мере по три образца, фиксируя при этом положение контробразца, и образцы-инденторы, размещенные со стороны одной рабочей поверхности контробразца, жестко фиксируют по отношению к вакуумной камере, а образцы-инденторы, размещенные со стороны другой рабочей поверхности контробразца, устанавливают с возможностью перемещения в направлении по нормали к рабочей поверхности контробразца при фиксации их положения в параллельной рабочей поверхности контробразца плоскости и взаимодействия с упругоподатливым элементом, деформированием которого их прижимают к этой поверхности с усилием прижатия, соответствующим его статической составляющей, причем упругоподатливый элемент связывают с программно-управляемым модулем для создания переменной составляющей усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, например, пьезоак-тюатором, и постоянный магнит размещают с радиальным зазором в отверстии магнитоэлектрического модуля, который жестко фиксируют в вакуумной камере и создают в ней контролируемую атмосферу или вакуум, а последующие возвратно-поступательные перемещения контробразца обеспечивают путем воздействия магнитного поля, создаваемого магнитоэлектрическим модулем, на постоянный магнит, и одновременно с этим программно-управляемым модулем создают переменное усилие прижатия образ-цов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца.
Коэффициент трения определяют по параметрам электропитания магнитоэлектрического модуля, а износ определяют по тренду параметров электропитания программно-управляемого нагружателя в процессе испытаний, регистрируемому при одинаковых по амплитуде и частоте параметрах прижатия об-разцов-инденторов к соответствующим рабочим поверхностям контробразца.
Решение поставленной задачи в устройстве для испытания материала на трение и износ, содержащем привод, включающий установленные с радиальным зазором статор и ротор, на котором жестко закреплен контрообразец, выполненный в виде призмы с параллельными гранями и установленный с возможностью взаимодействия с группами образцов-инденторов, размещенных симметрично друг другу со стороны каждой из противолежащих параллельных граней контробразца, средство для измерения силы трения, упругоподатливый элемент, установленный с возможностью взаимодействия с образцами-инденторами, средство для нагружения образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца и вакуумную камеру, в которой размещены статор, ротор, упругоподатливый элемент, средство для определения силы трения и средство для нагружения образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, согласно техническому решению ротор выполнен в виде постоянного магнита, статор выполнен в виде магнитоэлектрического модуля, установленного с возможностью регулирования положения относительно ротора, жесткой связи с вакуумной камерой и создания переменного по амплитуде и скорости скольжения возвратно-поступательного перемещения контробразца вдоль оси постоянного магнита, при этом устройство снабжено дополнительными модулем для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, например пье-зоактюатором, двумя модулями контроля электрических параметров и программируемым модулем, при этом первый выход программируемого модуля связан с входом магнитоэлектрического модуля, второй выход программируемого модуля связан с входом модуля для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответным поверхностям контробразца, выход магнитоэлектрического модуля связан с входом первого модуля контроля электрических параметров, выход которого связан с первым входом программируемого модуля, выход модуля для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца связан с входом второго модуля контроля электрических параметров, выход которого связан со вторым входом программируемого модуля, причем одна группа образцов-инденторов жестко связана с вакуумной камерой, а упругоподатливый элемент размещен с возможностью взаимодействия в направлении по нормали к поверхности контробразца между другой группой образцов-инденторов и дополнительным модулем для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца.
Устройство снабжено вакуумным насосом, связанным с вакуумной камерой, и модулем управления вакуумным насосом, вход которого связан с третьим выходом программно-управляемого модуля, а выход связан с вакуумным насосом.
При значительных амплитудах возвратно-поступательных перемещений контробразца (+3--15 мм) на его рабочих поверхностях выполняются продольные (в направлении возвратно-поступательного перемещения контробразца) направляющие желобки. Желобки выполнены с радиусом R в сечении, перпендикулярном оси контробразца. Радиус R выполнен большим радиуса r образцов-инденторов (R> r).
При реализации предлагаемого способа и устройства повышение достоверности определения про-тивоизносных и (или) антифрикционных свойств пар трения скольжения, включающих композиционные, в том числе полимерные, материалы, в условиях нестационарных нагрузок и скоростей скольжения при температурах от -110 до 120°С в атмосфере с агрессивными компонентами или вакууме, а также расширение функциональных возможностей способа и устройства достигаются в результате следующего:
предварительное жесткое соединение контробразца, имеющего взаимно параллельные противолежащие рабочие поверхности, с ротором и его фиксация через контробразец в пространстве образцами-инденторами, симметрично расположенными со стороны параллельных рабочих поверхностей контробразца, позволяет разместить ротор внутри статора (статор создает программно-изменяющееся магнитное поле, обеспечивающее осевое возвратно-поступательное перемещение ротора с контробразцом) с требуемым гарантированным зазором, исключив из конструкции привода возвратно-поступательного движения контробразца между ротором и статором подшипник, для работы которого требуется смазочный материал, создающий нелинейную (в зависимости от температуры и скорости перемещения) величину сопротивления перемещению, по которому определяется сила трения, снижающую достоверность результатов испытаний материалов на трение и износ в вакууме или агрессивной газовой среде при пониженных до - 110°С и повышенных до 120°С (рабочий диапазон смазок таких направляющих составляет от -60° до 80- 90°) с динамически изменяющимися по заданным зависимостям скоростями и нагрузками;
использование программно-управляемого практически безинерционного пьезоактюатора, создающего нагружение заданным перемещением нажимной поверхности и ее воздействием на предварительно упруго деформированный упругоподатливый элемент, позволяет исключить влияние подшипникового узла пьезоактюатора на результаты испытаний и обеспечить создание программируемого циклически изменяющегося усилия прижатия образцов-инденторов к ответным рабочим поверхностям контробразца в широком диапазоне значений амплитуд и частот при испытаниях материалов на трение и износ в вакууме или агрессивной газовой среде при пониженных до -110°С и повышенных до 120°С;
в предлагаемом техническом решении при определении коэффициента трения и износа не используются размещенные в агрессивной среде или вакууме средства контроля (первичные преобразователи), что позволяет также существенно расширить его функциональные возможности.
В основу определения величины износа по тренду параметров электропитания программно-управляемого нагружателя в процессе испытаний, регистрируемому при одинаковых по амплитуде и частоте параметрах прижатия образцов-инденторов к соответствующим рабочим поверхностям контробразца, положено следующее.
Перед испытаниями деформированием упругоподатливого элемента создается статическая составляющая Fc силы прижатия образцов-инденторов с одной и другой стороны (как реакции опор) к рабочим поверхностям контробразца, при этом сила прижатия пропорциональна величине упругой деформации упругоподатливого элемента. С момента начала испытаний пьезоактюатором создается согласованная по фазе с возвратно-поступательным движением, например, синусоидально изменяющаяся с круговой частотой ю, дополнительная сила Fd(t) прижатия образцов-инденторов, расположенных как с одной, так и с другой стороны контробразца, по нормали к его ответным рабочим поверхностям.
Таким образом, суммарная сила F(t) прижатия образцов-инденторов к рабочим поверхностям контробразца с одной и другой стороны составит
F(t) = Fc + Fa(t) = к} -А + AFj - sin ( &t + где kf - коэффициент пропорциональности между силой Fc, создаваемой упругоподатливым элементом, и его предварительной деформацией А перед проведением испытаний, Н/мм;
А - предварительная деформация упругоподатливого элемента перед проведением испытаний, мм;
AFd - амплитуда дополнительной силы Fd(t) прижатия образцов-инденторов, расположенных как с одной, так и с другой стороны контробразца, по нормали к его ответным рабочим поверхностям, Н;
Fk - статическая составляющая силы, создаваемой пьезоактюатором для прижатия образцов-инденторов, расположенных как с одной, так и с другой стороны контробразца, по нормали к его ответным рабочим поверхностям, до начала испытаний и при отсутствии износа образцов равная нулю, Н;
ю - круговая частота изменения во времени t дополнительной силы Fd(t) прижатия образцов-инденторов по нормали к рабочей поверхности контробразца, (рад/с);
Ф - смещение фазы изменения дополнительной силы Fd(t) прижатия образцов-инденторов по нормали к рабочей поверхности контробразца, рад;
t - текущее время, с.
При интегральном износе на величину 5 образцов-инденторов, расположенных со стороны каждой из рабочих поверхностей контробразца, пропорционально величине kf • 2 • 5 изменяется значение статической составляющей силы прижатия Fc образцов-инденторов к ответным поверхностям контробразца по нормали к их поверхности.
Для компенсации изменения силы Fc изменяют параметры электропитания пьезоактюатора, обеспечивая поддержание величины исходного усилия Fc, создаваемого пьезоактюатором. При этом перемещается (выдвигается вперед) нажимная поверхность пьезоактюатора, деформируя упругоподатливый элемент до исходного напряженно-деформированного состояния.
При перемещении нажимной поверхности пьезоактюатора системой его обратной связи регистрируется величина этого перемещения и она соответствует интегральной величине износа, равной 25 (суммарной величине среднего износа образцов-инденторов, расположенных со стороны одной рабочей поверхности контробразца, и среднего износа образцов-инденторов, расположенных со стороны другой рабочей поверхности контробразца).
Таким образом, по изменению параметров электропитания пьезоактюатора определяют величину 5 износа пары трения, характеризующую ее противоизносные свойства.
Значения коэффициента трения kf, характеризующего антифрикционные свойства испытываемой пары трения, определяют по силе трения и усилию прижатия образцов-инденторов к ответной поверхности контробразца (отношению этих параметров). Изменение силы трения пропорционально изменению параметров электропитания магнитоэлектрического модуля.
Необходимо отметить, что при анализе результатов исследований, проведенных в Объединенном институте машиностроения НАН Беларуси, было установлено, что погрешность определения величин коэффициента трения и износа по параметрам электропитания не превышает 3-5%.
На фиг. 1 показана схема устройства для реализации предлагаемого способа;
на фиг. 2 - разрез Б-Б фиг. 1;
на фиг. 3 - схема взаимодействия четырех образцов-инденторов с одной из ответных рабочих поверхностей контробразца;
на фиг. 4 - схема взаимодействия трех образцов-инденторов с одной из ответных рабочих поверхностей контробразца.
Устройство для испытания материалов на трение и износ содержит (фиг. 1) вакуумную камеру 1, в которой размещен привод, например линейный электромагнитный двигатель, включающий статор 2, выполненный в виде кольцевого электромагнитного модуля с цилиндрическим сквозным отверстием, и ротор 3, выполненный в виде постоянного магнита, например, цилиндрической формы, расположенного в отверстии статора 2 с радиальным зазором (не показан) и установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси О-О статора 2.
Контробразец 4 выполнен в виде прямоугольной призмы с параллельными гранями, из которых две противолежащие (грани I и II контробразца 4 на фиг. 1) являются его рабочими поверхностями.
Контробразец 4 жестко закреплен на роторе 3. Его рабочие поверхности I и II установлены с возможностью взаимодействия, например, с двумя группами образцов-инденторов 5, расположенных симметрично друг другу по нормали к рабочим поверхностям I и II контрообразца 4.
Каждая группа содержит одинаковое число образцов-инденторов 5. Целесообразно использовать в каждой группе не менее трех образцов-инденторов 5.
Образцы-инденторы 5 имеют форму полусферы, опирающейся сферической поверхностью на плоскую ответную рабочую поверхность контробразца 4.
Каждый из полусферических образцов-инденторов 5 закреплен в соответствующей державке 6а или 6б. Державки 6а жестко связаны с жесткой пластиной 7, державки 6б жестко связаны с жесткой пластиной 8. Пластина 7 жестко связана с внутренней стенкой вакуумной камеры 1, пластина 8 установлена с возможностью перемещения по нормали к рабочим поверхностям контробразца 4 и взаимодействия в этом направлении с противоположной державкам 6б стороны с упругоподатливым дугообразным элементом 9.
Упругоподатливый элемент 9 размещен между жесткими пластинами 8 и 10, пластина 10 установлена с возможностью перемещения по нормали к рабочим поверхностям контробразца 4 и взаимодействия обратной упругоподатливому элементу 9 поверхностью с программно-управляемым модулем 11 (пьезоактюатором 11) для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов 5 по нормали к ответной поверхности контробразца 4.
Для возможности создания требуемой статической составляющей силы Fk прижатия образцов-инденторов 5 к ответной рабочей поверхности контробразца 4 пьезоактюатор 11 установлен с возможностью перемещения как одно целое по нормали к рабочим поверхностям контробразца 4 и жесткой фиксации в этом положении по отношению к вакуумной камере 1, например, посредством герметизируемого резьбового соединения (не показано).
Для контроля и управления процессом испытаний устройство снабжено модулями контроля электрических параметров 12 и 13 и программируемым модулем 14. Первый выход программируемого моду
ля 14 связан через исполнительное устройство 15 с входом статора 2, второй выход программируемого модуля 14 связан с входом пьезоактюатора 11 для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов 5 по нормали к ответным поверхностям контробразца 4. Выход статора 2 связан с входом первого модуля контроля электрических параметров 12, выход которого связан с первым входом программируемого модуля 14. Выход пьезоактюатора 11 связан с входом второго модуля 13 контроля электрических параметров, выход которого связан с вторым входом программируемого модуля 14, причем одна группа образцов-инденторов 5 (не показаны) жестко связана с вакуумной камерой 1, а упругоподат-ливый элемент 9 размещен с возможностью взаимодействия по нормали к поверхности контробразца 4 между другой группой образцов-инденторов 5 (не показаны) и пьезоактюатором 11.
Третий выход программируемого модуля 14 связан с входом модуля управления 16 вакуумным насосом 17, соединенным с вакуумной камерой 1.
Для контроля конечных положений ротора 3 устройство снабжено двумя датчиками Холла 18 и 19, выходы которых соединены соответственно с третьим и четвертым входами программируемого модуля
14.
Фиксация (с возможностью перемещения по нормали к контробразцу 4) жесткой пластины 8 с державками 6б осуществляется посредством призматических качающихся опор 20 (фиг. 1 и 2), не позволяющих пластине 8 смещаться параллельно рабочим поверхностям контробразца 4. Трение качения в этих опорах не оказывает влияния на определяемые в процессе испытаний коэффициенты трения.
При значительных амплитудах возвратно-поступательных перемещений контробразца 4 (+5- 15 мм) на его рабочих поверхностях выполняются продольные (в направлении возвратно-поступательного перемещения ротора 3) направляющие желобки 21 (фиг. 2-4). В сечении, перпендикулярном направлению возвратно-поступательного перемещения ротора 3 (оси статора 2), направляющие желобки 21 выполнены радиусом R (фиг. 2), большим радиуса r сферической поверхности образцов-инденторов 5.
Пример осуществления способа.
Для испытаний на трение и износ материалов пары трения модифицированный фторопласт-сталь ШХ15 были изготовлены восемь штук образцов-инденторов 5 из модифицированного фторопласта и контробразец 4 из стали ШХ15 с твердостью рабочей поверхности 62-65 HRC и шероховатостью Ra=0,4. Противолежащие рабочие поверхности контробразца 4 были выполнены взаимно параллельными (контробразец 4 имел прямоугольное сечение). Образцы-инденторы 5 имели сферическую поверхность с радиусом r=2,5 мм.
Предварительно контробразец 4 устанавливался (по скользящей посадке) на ротор 3 и жестко фиксировался на нем резьбовой шпилькой со шлицевой прорезью под отвертку (не показаны). Со стороны каждой из рабочих поверхностей контробразца 4 симметрично друг другу устанавливались попарно на четырех осях по нормали к рабочей поверхности по четыре образца-индентора 5 (фиг. 3) и прижимались к его рабочим поверхностям. Державки 6а четырех образцов-инденторов 5 жестко крепились на пластине 7, державки 6б других четырех образцов-инденторов 5 жестко крепились на пластине 8, устанавливались совместно с ней с возможностью перемещения по нормали к рабочей поверхности контробразца 4 и фиксировались опорами 20 в плоскости, параллельной рабочей поверхности контробразца 4, с возможностью взаимодействия с упругоподатливым элементом 9.
В соответствии со значением коэффициента kf = 3 Н/мкм и требуемой для испытаний величиной силы Fc = 18 Н определялась величина Д
А = Fc I kf = 6 мкм. (2)
Затем пьезоактюатор 11 (мод. NAC2122-Hxx, изготовитель Noliac A/Sc http://www.noliac.com/Platestacks-60.aspx) с выдвинутой на 60 мкм нажимной (опорной) поверхностью (не показана) подводился к упругоподатливому элементу 9 и с использованием микрорезьбового соединения (не показано) упругоподатливый элемент 9 деформировался на величину А = 6 мкм. При этом одновременно нагружались образцы-инденторы 5, а нажимная (опорная) поверхность (не показана) пьезоактюа-тора 11 оставалась в среднем положении (выдвинута с вылетом 60 мкм) и усилие ее удержания составляло 18 Н.
После установки статической составляющей силы Fk = 18 Н (усилие контролировалось по удерживающему нажимную (опорную) поверхность пьезоактюатора 11 напряжению его электропитания при постоянном токе) ротор 3 перемещением статора 2 размещался с радиальным зазором 0,5 мм в его цилиндрическом отверстии и жестко фиксировался в вакуумной камере 1.
Осуществлялась коммутация первого выхода программируемого модуля 14 с входом статора 2, второго выхода программируемого модуля 14 с входом пьезоактюатора 11, выхода статора 2 с входом первого модуля контроля электрических параметров 12, выхода модуля контроля электрических параметров 12 с первым входом программируемого модуля 14, выхода пьезоактюатора 11с входом второго модуля 13 контроля электрических параметров и выхода второго модуля 13 контроля электрических параметров с вторым входом программируемого модуля 14, первого выхода программируемого модуля 14с исполнительным устройством 15, его выхода с входом статора 2, третьего выхода программируемого модуля 14 с входом модуля управления 16 вакуумным насосом 17 (НВМ-3), соединенного с вакуумной
камерой 1, выходов датчиков Холла 18 и 19 с соответственно третьим и четвертым входами программируемого модуля 14.
Осуществлялась герметизация соединений (не показаны), программируемым модулем 14 подавалась команда на вход модуля управления 16 вакуумным насосом 17, которым в вакуумной камере 1 создавалась разряженная атмосфера, и температура в вакуумной камере снижалась до температуры минус
110°С.
Датчиками Холла 18 и 19 осуществлялся контроль крайних положений ротора 3 и связанного с ним контробразца 4, после чего контробразец 4 ротором 3 перемещался в заданное положение.
В соответствии с зависимостью (1) программируемым модулем 14 на исполнительное устройство 15 подавалась команда, формирующая посредством изменения тока при постоянном стабилизированном напряжении электропитания требуемые параметры магнитного поля, создаваемого статором 2, обеспечивающие возвратно-поступательные перемещения ротора 3 и жестко связанного с ним контробразца 4 со скоростью 0,36 м/мин, амплитудой + 3 мм и частотой 0,5 Гц. Одновременно с этим в соответствии с командой программируемого модуля 14, поступающей на пьезоактюатор 11 и изменяющей с требуемой амплитудой напряжение его электропитания при стабилизированном токе, возвратно-поступательным перемещением его нажимной поверхности с амплитудой + 4 мкм и частотой 2 Гц (с = 12,56 рад/с) создавалось переменное усилие прижатия образцов-инденторов 5 по нормали к ответной поверхности контробразца 4 с амплитудой колебаний AFd = 12 H и сдвигом фазы Ф=0, т.е. был реализован режим нагру-жения
F(t) = 18+12 sin cot. (3)
В процессе проведения испытаний на трение и износ по параметрам тока электропитания статора 2, пропорционального силе сопротивления перемещению ротора 3, равной силе трения, и стабилизированному напряжению его электропитания определялась в реальном масштабе времени сила трения и, по ее отношению к силе F, создаваемой пьезоактюатором 11, рассчитывались и фиксировались в памяти программируемого модуля 14 мгновенные значения коэффициентов трения скольжения.
При интегральном износе образцов-инденторов 5 на 25 =2 мкм, статическая сила, удерживающая нажимную поверхность пьезоактюатора 11 в положении вылета 60 мкм, уменьшилась на величину 6 Н, соответствующую снижению упругой деформации упругоподатливого элемента 9.
Для восстановления исходного значения силы FC по команде программируемого модуля 14 на пье-зоактюатор 11 была подана автоматизированная команда на выдвижение его нажимной (опорной) поверхности до восстановления величины удерживающей силы 18 Н. При этом программируемым модулем 14 по внутреннему датчику пьезоактюатора 11 контролировалась величина выдвижения его нажимной (опорной) поверхности. Эта величина составила 2 мкм, что соответствовало величине интегрального износа образцов-инденторов 5. Величина этого износа фиксировалась в памяти программируемого модуля
14.
После достижения величины интегрального износа 6 мкм испытания останавливались, испытываемая пара трения нагревалась до температуры 120°С и проводился приведенный выше цикл испытаний с определением коэффициента трения по параметрам электропитания статора 2 и износа по тренду параметров электропитания пьезоактюатора 11, регистрируемому при одинаковых по амплитуде и частоте параметрах прижатия образцов-инденторов 5 к соответствующим рабочим поверхностям контробразца 4.
Одновременно с приведенными выше испытаниями, осуществленными в соответствии с предлагаемым техническим решением, были проведены испытания в вакууме пар трения из аналогичных материалов на трение и износ при скорости скольжения 0,36 м/мин, FC = 18 Н и температурах -110 и 120°С в соответствии со способом, предлагаемым в прототипе, и подшипника скольжения с диаметром вала 3,8 мм, для которого создавалось статическое давление, соответствующее давлению, создаваемому силой FC в сопряжении образцов-инденторов 5 и контробразца 4, и синусоидально изменяющееся с частотой 2 Гц и амплитудой давление, амплитуда которого соответствовала амплитуде давления 12 Н, создаваемой силой Fd(t) при испытаниях в соответствии с предлагаемым способом.
По полученным результатам испытаний на трение и износ определялись коэффициенты трения f, величины износостойкости I и их отношения к аналогичным параметрам fP и IP, полученным при испытаниях подшипника скольжения.
Результаты сравнительных исследований противоизносных (износостойкости) и антифрикционных свойств в условиях нестационарных нагрузок и скоростей скольжения при температурах -110 и 120°С приведены в таблице.
Анализ результатов сравнительных испытаний (см. таблицу) показал, что реализация предлагаемых способа и устройства для испытаний на трение и износ позволяет существенно повысить достоверность определения противоизносных и антифрикционных свойств в условиях нестационарных нагрузок и скоростей скольжения при температурах от -110 до 120°С в контролируемой атмосфере или вакууме пар трения скольжения, включающих композиционные, в том числе полимерные, материалы.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ испытания материала на трение и износ, в котором образец-индентор со сферической поверхностью прижимают по нормали к противолежащей рабочей поверхности контробразца и возвратно-поступательно перемещают их друг относительно друга с определением при этом износа и коэффициента трения, отличающийся тем, что испытание на трение и износ проводят в вакуумной камере, в которой предварительно контробразец, выполненный с двумя параллельными противолежащими рабочими поверхностями, жестко соединяют с постоянным магнитом, и со стороны каждой из них симметрично друг другу устанавливают по нормали к рабочей поверхности по меньшей мере по три образца-индентора, фиксируя при этом положение контробразца, и образцы-инденторы, размещенные со стороны одной рабочей поверхности контробразца, жестко фиксируют по отношению к вакуумной камере, а образцы-инденторы, размещенные со стороны другой рабочей поверхности контробразца, устанавливают с возможностью перемещения в направлении по нормали к рабочей поверхности контробразца при фиксации их положения в параллельной рабочей поверхности контробразца плоскости и взаимодействия с упруго-податливым элементом, деформированием которого их прижимают к этой рабочей поверхности контробразца с усилием прижатия, соответствующим его статической составляющей, причем упругоподат-ливый элемент связывают с программно-управляемым модулем для создания переменной составляющей усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, например пье-зоактюатором, и постоянный магнит размещают с радиальным зазором в отверстии магнитоэлектрического модуля, который жестко фиксируют в вакуумной камере, и создают в ней контролируемую атмосферу или вакуум, а последующие возвратно-поступательные перемещения контробразца обеспечивают путем воздействия магнитного поля, создаваемого магнитоэлектрическим модулем, на постоянный магнит, и одновременно с этим программно-управляемым модулем создают переменное усилие прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, при этом коэффициент трения, характеризующий антифрикционные свойства испытываемой пары трения, рассчитывают как отношение силы трения к усилию прижатия образцов-инденденторов к ответной поверхности контробразца, а силу трения определяют по параметрам электропитания магнитоэлектрического модуля с учетом того, что при стабилизированном напряжении сила трения прямо пропорциональна потребляемому магнитоэлектрическим модулем току, при этом износ определяют по тренду параметров электропитания программно-управляемого нагружателя в процессе испытаний, регистрируемому при одинаковых по амплитуде и частоте параметрах прижатия образцов-инденторов к соответствующим рабочим поверхностям контробразца, для чего перед проведением испытаний регистрируют параметры электропитания программно-управляемого нагружателя при создании требуемой силы прижатия образцов-инденторов к рабочим поверхностям контробразца и при ее уменьшении, пропорциональном величине интегрального износа об-разцов-инденторов при проведении испытаний, осуществляют компенсацию величины этого уменьшения изменением параметров электропитания магнитоэлектрического модуля, обеспечивающим соответствующее перемещение штока магнитоэлектрического модуля при деформировании упругоподатливого элемента до исходного напряженно-деформированного состояния, а системой обратной связи магнитоэлектрического модуля регистрируют величину перемещения его штока, соответствующую интегральной величине износа пары трения.
2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее привод, включающий установленные с радиальным зазором статор и ротор, последний выполнен с возможностью жесткого закрепления на нем контробразца, выполненного в виде призмы с параллельными гранями и устанавливаемого на роторе с возможностью взаимодействия с группами образцов-инденторов, устанавливаемых в жестком креплении на соответствующие две плоскости симметрично друг другу со стороны каждой из двух противолежащих параллельных граней контробразца, средство для измерения силы трения, упругоподатливый элемент, установленный с возможностью регулируемого нагружения образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, и вакуумную камеру, в которой размещены статор, ротор, упруго
1.
податливый элемент, средство для определения силы трения и средство для нагружения образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, отличающееся тем, что ротор выполнен в виде постоянного магнита, статор выполнен в виде магнитоэлектрического модуля, установленного в жесткой связи с вакуумной камерой с возможностью регулирования положения относительно ротора, и создания переменного по амплитуде и скорости скольжения возвратно-поступательного перемещения контробразца вдоль оси постоянного магнита, при этом устройство снабжено дополнительными модулем для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца, например пьезоактюатором, двумя модулями контроля электрических параметров и программируемым модулем, при этом первый выход программируемого модуля связан с входом магнитоэлектрического модуля, второй выход программируемого модуля связан с входом модуля для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответным поверхностям контробразца, выход магнитоэлектрического модуля связан с входом первого модуля контроля электрических параметров, выход которого связан с первым входом программируемого модуля, выход модуля для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца связан с входом второго модуля контроля электрических параметров, выход которого связан со вторым входом программируемого модуля, причем одна группа образцов-инденторов является устанавливаемой в жесткой связи с вакуумной камерой, а упругоподатливый элемент размещен с возможностью взаимодействия в направлении по нормали к поверхности контробразца между другой группой образцов-инденторов и дополнительным модулем для создания переменного усилия прижатия образцов-инденторов по нормали к ответной поверхности контробразца.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что снабжено вакуумным насосом, связанным с вакуумной камерой, и модулем управления вакуумным насосом, вход которого связан с третьим выходом программно-управляемого модуля, а выход связан с вакуумным насосом.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
023900
- 1 -
(19)
023900
- 1 -
(19)
023900
- 1 -
(19)
023900
- 4 -
023900
- 9 -
|
