RU213413U1

RU213413U1 - MACHINE FOR TESTING MATERIALS FOR FRICTION AND WEAR

Info

Publication number: RU213413U1
Application number: RU2021135928U
Authority: RU
Inventors: Татьяна Леонидовна Мухачева; Артем Олегович Комаров; Сергей Александрович Кусманов
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-09-12

Abstract

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания материалов на трение и износ (машины трения). Машина трения содержит два соосных вала: ведущий и ведомый. Малогабаритный цилиндрический образец закрепляется на торце ведущего вала, а контробразец закрепляется на ведомом валу вместе с системой нагружения посредством кривошипа, что исключает нарушения соосности валов по мере изнашивания пары трения. Контробразец выполняется в форме пластины с полукруглой выемкой и в процессе испытания охватывает половину дуги окружности образующей цилиндрической поверхности образца, оставляя свободной дорожу трения для бесконтактного измерения температуры сразу на выходе из зоны сопряжения образца и контробразца. Система нагружения состоит из малогабаритного пневматического цилиндра и направляющих, по которым движется держатель контробразца, это делает возможным плавное изменение нагрузки и автоматизацию процесса нагружения. Вращение ведущего вала осуществляется с помощью бесколлекторного электродвигателя с блоком управления, что позволяет плавно изменять скорость вращения и при этом поддерживать ее, несмотря на изменяющуюся нагрузку на валу.

The utility model relates to testing equipment, namely to machines for testing materials for friction and wear (friction machines). The friction machine contains two coaxial shafts: driving and driven. A small-sized cylindrical sample is fixed on the end of the drive shaft, and the counter-sample is fixed on the driven shaft together with the loading system by means of a crank, which eliminates misalignment of the shafts as the friction pair wears out. The countersample is made in the form of a plate with a semicircular recess and during the test it covers half of the circular arc of the generatrix of the cylindrical surface of the sample, leaving a free friction path for non-contact temperature measurement immediately at the exit from the interface between the sample and the countersample. The loading system consists of a small-sized pneumatic cylinder and guides along which the counter-sample holder moves, which makes it possible to smoothly change the load and automate the loading process. The rotation of the drive shaft is carried out using a brushless electric motor with a control unit, which allows you to smoothly change the rotation speed and at the same time maintain it, despite the changing load on the shaft.

Description

Полезная модель относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания материалов на трение и износ (машины трения). The utility model relates to testing equipment, namely to machines for testing materials for friction and wear (friction machines).

Известен ряд серийных машин для испытания материалов на трение и износ такие как СМЦ-1, 2070 СМТ-1, ИИ-5018 (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, с. 93-97).A number of serial machines for testing materials for friction and wear are known, such as SMTs-1, 2070 SMT-1, II-5018 (Kombalov V.C. Methods and tools for testing friction and wear of structural and lubricants: reference book / edited by K.V. Frolova, E.A. Marchenko, M.: Mashinostroenie, 2008, pp. 93-97).

Перечисленные машины позволяют проводить испытания по схемам «вал-втулка» и «диск-колодка». Их недостатком является:The listed machines allow to carry out tests according to the "shaft-sleeve" and "disk-shoe" schemes. Their disadvantage is:

- большие габариты и вес, что делает возможным только стационарное применение;- large dimensions and weight, which makes only stationary use possible;

- невозможность проведения испытаний на образующей поверхности малогабаритных цилиндрических образцов диаметром до 10 мм, т.к. диаметр применяемых образцов составляет не менее 24 мм.- the impossibility of testing on the generatrix of small-sized cylindrical samples with a diameter of up to 10 mm, because the diameter of the samples used is at least 24 mm.

Прототипом к заявляемой полезной модели является машина «Kewat-4» (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, с. 114), содержащая образец и контробразец, образующие пару трения, электродвигатель, ступенчатую ременную передачу, систему нагружения, динамометр для определения силы трения. Цилиндрический образец закрепляется на ведущем валу, соединенном с электродвигателем переменного тока через ступенчатую ременную передачу. Контробразец, устанавливается во внутреннюю обойму шарикоподшипника и вместе с ним прижимается к образцу. Нагружение пары трения производится рычажной системой. За счет сил трения контробразец стремится вращаться вместе с образцом и воздействует на рычаг, связанный с динамометром, который регистрирует силу трения.The prototype for the claimed utility model is the machine "Kewat-4" (Kombalov B.C. Methods and tools for testing friction and wear of structural and lubricants: a reference book / edited by K.V. Frolov, E.A. Marchenko. - M .: Mashinostroenie, 2008, p. 114), containing a sample and a counter-sample that form a friction pair, an electric motor, a stepped belt drive, a loading system, and a dynamometer for determining the friction force. The cylindrical sample is mounted on a drive shaft connected to an AC motor through a stepped belt drive. The counter-sample is installed in the inner race of the ball-bearing and together with it is pressed against the sample. The friction pair is loaded by a lever system. Due to friction forces, the countersample tends to rotate with the sample and acts on the lever connected to the dynamometer, which registers the friction force.

Прототип имеет ряд недостатков:The prototype has several disadvantages:

- нагружение пары трения посредством системы рычагов и грузов делает невозможным автоматизацию испытаний, в том числе испытаний со ступенчатым изменением нагрузки.- loading a friction pair by means of a system of levers and weights makes it impossible to automate tests, including tests with a step load change.

- использование двигателя переменного тока и ступенчатой передачи ограничивает выбор скорости скольжения, делает невозможным ее плавное регулирование, препятствует проведению испытаний со ступенчатым изменением скорости.- the use of an AC motor and a stepped transmission limits the choice of sliding speed, makes it impossible to smoothly regulate it, and prevents testing with a step change in speed.

- конструкция узла трения затрудняет измерение температуры в зоне сопряжения пары трения.- the design of the friction unit makes it difficult to measure the temperature in the interface zone of the friction pair.

- по мере изнашивания образца и контробразца в неподвижном контрообразце образуется углубление, нарушается соосность вала, несущего образец, и подшипника, с которым сопряжен контробразец. Это приводит к невозможности свободного вращения подшипника, появлению вибраций, влияющих на результат измерения силы трения.- as the sample and the counter-sample wear out, a recess is formed in the fixed counter-sample, the alignment of the shaft carrying the sample and the bearing with which the counter-sample is mated is disturbed. This leads to the impossibility of free rotation of the bearing, the appearance of vibrations that affect the result of measuring the friction force.

Задачей заявляемой полезной модели является создание машины для испытания на трение и износ, позволяющей использовать цилиндрические образцы диаметром до 10 мм в паре с малогабаритными контробразцами при этом лишенной недостатков прототипа.The objective of the claimed utility model is to create a machine for testing friction and wear, allowing the use of cylindrical samples with a diameter of up to 10 mm paired with small-sized counter-samples, while devoid of the disadvantages of the prototype.

Поставленная задача решается тем, что машина содержит два соосных вала: ведущий и ведомый. Малогабаритный цилиндрический образец закрепляется на торце ведущего вала, а контробразец, закрепленный на ведомом валу вместе с системой нагружения посредством кривошипа, может свободно вращаться вместе с системой нагружения, что исключает нарушения соосности валов по мере изнашивания пары трения. Контрообразец выполняется в форме пластины с полукруглой выемкой, и в процессе испытания охватывает половину дуги окружности образующей цилиндрической поверхности образца, оставляя свободной дорожу трения для бесконтактного измерения температуры сразу на выходе из зоны сопряжения образца и контробразца. В отличие от прототипа система нагружения состоит из малогабаритного пневматического цилиндра и направляющих, по которым движется держатель контробразца. Такое решение способствует перемещению по мере износа пары трения только контробразца, с сохранением соосности валов. Применение пневматического цилиндра делает возможным плавное изменение нагрузки и автоматизацию процесса нагружения. Вращение ведущего вала осуществляется с помощью бесколлекторного электродвигателя с блоком управления, что позволяет плавно изменять скорость вращения и при этом поддерживать ее, несмотря на изменяющуюся нагрузку на валу.The problem is solved by the fact that the machine contains two coaxial shafts: driving and driven. A small-sized cylindrical sample is fixed on the end of the drive shaft, and the counter-sample, fixed on the driven shaft together with the loading system by means of a crank, can freely rotate together with the loading system, which eliminates misalignment of the shafts as the friction pair wears out. The counter sample is made in the form of a plate with a semicircular recess, and during the test it covers half of the circular arc of the generatrix of the cylindrical surface of the sample, leaving a free friction path for non-contact temperature measurement immediately at the exit from the sample and counter sample mating zone. Unlike the prototype, the loading system consists of a small-sized pneumatic cylinder and guides along which the holder of the counter-sample moves. This solution contributes to the movement of only the counter-sample as the friction pair wears out, while maintaining the alignment of the shafts. The use of a pneumatic cylinder makes it possible to smoothly change the load and automate the loading process. The rotation of the drive shaft is carried out using a brushless electric motor with a control unit, which allows you to smoothly change the rotation speed and at the same time maintain it, despite the changing load on the shaft.

При этом достигается технический результат, заключающийся в возможности проведения испытаний малогабаритных цилиндрических образцов диаметром до 10 мм с возможностью бесступенчатого задания нагрузки и скорости вращения с исключением влияния износа пары трения на результат измерения силы трения и контролем температуры в зоне трения.At the same time, a technical result is achieved, which consists in the possibility of testing small-sized cylindrical samples with a diameter of up to 10 mm with the possibility of stepless setting of the load and rotation speed, eliminating the effect of wear of the friction pair on the result of measuring the friction force and controlling the temperature in the friction zone.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. изображен общий вид предлагаемой машины с указанием основных элементов конструкции.The essence of the claimed utility model is illustrated by the drawing, where in Fig. a general view of the proposed machine is shown, indicating the main structural elements.

Предлагаемое устройство содержит станину 1 с закрепленным на ней электродвигателем 2. К станине в подшипниковых опорах 4 подвешен ведущий вал 3. Соосно ведущему валу в подшипниковых опорах 6 подвешен ведомый вал 5. На ведущем валу закреплен исследуемый цилиндрический образец 7. На ведомом валу закреплен кривошип 9, на котором попарно размещены четыре вертикальные цилиндрические направляющие 11. На направляющих посредством линейных подшипников качения 12 установлен столик 10, на котором размещен контробразец 8 и тензодатчик 13, отвечающий за регистрацию прижимающего усилия. За перемещение столика и создание прижимающей нагрузки отвечает пневматический цилиндр 15. За регистрацию момента силы трения отвечает тензодатчик 14. За нагнетание воздуха в цилиндр отвечает компрессор (на чертеже не показан). За регистрацию температуры в зоне трения отвечает инфракрасный цифровой термометр с малым углом обзора, закрепляемый на станину сбоку от пары трения и направленный в точку выхода дорожки трения из зоны сопряжения пары трения (на чертеже не показан). Компрессор, блок управления электродвигателем, тензодатчики и термометр подключаются к микроконтроллеру для осуществления связи с компьютером и возможности автоматического управления циклом испытаний.The proposed device contains a frame 1 with an electric motor 2 fixed on it. A drive shaft 3 is suspended from the frame in bearings 4. A driven shaft 5 is suspended coaxially to the drive shaft in bearings 6. The test cylindrical sample 7 is fixed on the drive shaft. A crank 9 is fixed on the driven shaft , on which four vertical cylindrical guides 11 are placed in pairs. On the guides, by means of linear rolling bearings 12, a table 10 is installed, on which a counter-sample 8 and a load cell 13 are placed, which is responsible for registering the pressing force. The pneumatic cylinder 15 is responsible for moving the table and creating a pressing load. The load cell 14 is responsible for registering the moment of friction force. The compressor (not shown in the drawing) is responsible for pumping air into the cylinder. An infrared digital thermometer with a small viewing angle is responsible for registering the temperature in the friction zone, mounted on the frame on the side of the friction pair and directed to the exit point of the friction track from the friction pair interface zone (not shown in the drawing). The compressor, motor control unit, strain gauges and thermometer are connected to the microcontroller for communication with the computer and the possibility of automatic control of the test cycle.

Машина трения функционирует следующим образом. Ведущий вал вместе с исследуемым образцом приводится во вращение с требуемой частотой. Далее в пневматическую систему с помощью компрессора нагнетается воздух, что приводит к перемещению штока цилиндра вместе со столиком, на котором установлен контробразец. Давление в цилиндре повышается до тех пор, пока сила, прижимающая контробразец к образцу, не достигнет требуемого значения. Сила трения, возникающая при взаимодействии образца и контробразца, стремится вывести кривошип из вертикального положения. Этому препятствует тензодатчик, соединяющий кривошип со станиной. Момент силы, действующей со стороны тензодатчика, уравновешивает момент силы трения.The friction machine operates as follows. The drive shaft, together with the test sample, is rotated at the required frequency. Further, air is injected into the pneumatic system with the help of a compressor, which leads to the displacement of the cylinder rod together with the table on which the countersample is installed. The pressure in the cylinder is increased until the force pressing the counter-sample to the sample reaches the required value. The friction force arising from the interaction of the sample and the counter-sample tends to bring the crank out of the vertical position. This is prevented by a load cell connecting the crank to the frame. The moment of force acting from the side of the load cell balances the moment of the friction force.

M_F= M_ƒ M _F = M _ƒ

,

где F - сила, действующая со стороны кривошипа на тензодатчик,where F is the force acting from the side of the crank on the load cell,

- длина проекции расстояния от оси вращения кривошипа до оси тензодатчика на вертикальную ось,

- the length of the projection of the distance from the axis of rotation of the crank to the axis of the strain gauge on the vertical axis,

k - коэффициент трения,k - coefficient of friction,

N - сила прижатия контробразца,N - counter-sample pressing force,

r - радиус образца.r is the sample radius.

Откуда можно определить коэффициент тренияWhere can you find the coefficient of friction?

Размеры машины трения не превышают 800×300×300 мм. Масса не превышает 25 кг.The dimensions of the friction machine do not exceed 800×300×300 mm. Weight does not exceed 25 kg.

Испытания готового изделия показали пригодность машины трения для выполнения испытаний на трение и износ пар трения, изготовленных из различных материалов, с нанесенными покрытиями или после химико-термической обработки.Tests of the finished product have shown the suitability of the friction machine to perform tests on friction and wear of friction pairs made of various materials, coated or after chemical-thermal treatment.

Claims

1. A friction machine containing an electric motor fixed on the frame, driving the drive shaft in rotation, configured to be fixed on its end face of a cylindrical sample, containing a counter-sample that can rotate coaxially with the sample, a loading system, characterized in that it contains a driven shaft mounted coaxially the drive shaft, moreover, the counter-sample, made in the form of a plate with a semicircular recess and fixed on the driven shaft, together with the loading system by means of a crank, has the ability to freely rotate together with the loading system, and the loading system consists of a small-sized pneumatic cylinder and guides along which the holder of the counter-sample moves , equipped with a strain gauge responsible for recording the pressing force, and the electric motor of the friction machine is a brushless electric motor with a control unit.

2. The friction machine according to claim 1, characterized in that it contains a non-contact infrared thermometer directed at the surface of the sample to a point on the border of its contact with the counter-sample.

3. The friction machine according to claim 1, characterized in that it contains a strain gauge responsible for registering the moment of friction force and connecting the frame with the crank.