RU2191996C1 - Specimen for friction test of materials - Google Patents
Specimen for friction test of materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2191996C1 RU2191996C1 RU2001105760/28A RU2001105760A RU2191996C1 RU 2191996 C1 RU2191996 C1 RU 2191996C1 RU 2001105760/28 A RU2001105760/28 A RU 2001105760/28A RU 2001105760 A RU2001105760 A RU 2001105760A RU 2191996 C1 RU2191996 C1 RU 2191996C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- friction
- test
- working surface
- steps
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к испытанию материалов на трение и может быть использовано при определении контактной прочности различных материалов, поверхностных слоев и покрытий при трении качения. The invention relates to testing materials for friction and can be used to determine the contact strength of various materials, surface layers and coatings during rolling friction.
Основной проблемой современного машиностроения является повышение надежности и долговечности высоконагруженных деталей и узлов механизмов. Основной причиной выхода из строя машин (более 80%) является износ их подвижных соединений. Поэтому одной из важнейших задач в обеспечении долговечности машин, экономии материалов и ресурса является повышение износостойкости тяжелонагруженных узлов трения. Для повышения износостойкости трибосопряжений в настоящее время используются как прогрессивные технологические, так и конструктивные способы. При этом исключительно важное значение в общей проблеме повышения износостойкости, изучения и объяснения природы и закономерностей разрушения твердых тел при их взаимодействии уделяется разработке новых и усовершенствованию известных методов испытания материалов на изнашивание. Одним из требований, предъявляемых к разрабатываемым методам, наряду с возможностью проведения испытаний в широком диапазоне удельных нагрузок и скоростей, является обеспечение конструктивной технологичности исследуемых образцов и удобства проведения последующих металлографических и профилографических анализов изношенной поверхности материала. The main problem of modern engineering is to increase the reliability and durability of highly loaded parts and components of mechanisms. The main reason for the failure of machines (more than 80%) is the wear of their movable joints. Therefore, one of the most important tasks in ensuring the durability of machines, saving materials and resources is to increase the wear resistance of heavily loaded friction units. To increase the wear resistance of tribological conjugations, both progressive technological and constructive methods are currently used. Moreover, it is extremely important in the general problem of increasing wear resistance, studying and explaining the nature and laws of destruction of solids during their interaction that is given to developing new and improving known methods for testing wear materials. One of the requirements for the developed methods, along with the possibility of testing in a wide range of specific loads and speeds, is to ensure the constructive manufacturability of the samples and the convenience of subsequent metallographic and profilographic analyzes of the worn surface of the material.
Для исследования триботехнических свойств материалов, поверхностных слоев и покрытий используются образцы различных конструкций. To study the tribological properties of materials, surface layers and coatings, samples of various designs are used.
Известен цилиндрический образец для испытания материалов на трение, содержащий наружную рабочую контактную поверхность [Тушинский Л.И., Плохов А.В. Исследование структуры и физико-механических свойств покрытий. - Новосибирск: Наука, 1986. - 100 с., рис. 6.5б]. Known cylindrical sample for testing materials for friction, containing the outer working contact surface [Tushinsky LI, Plokhov A.V. Study of the structure and physico-mechanical properties of coatings. - Novosibirsk: Nauka, 1986.- 100 p., Fig. 6.5b].
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является невозможность получения на одном образце полной информации о механизме и кинетике процесса разрушения поверхностного слоя при трении. The reason that impedes the achievement of the required technical result is the impossibility of obtaining on one sample complete information about the mechanism and kinetics of the process of destruction of the surface layer during friction.
Известен образец для испытания материалов на трение, содержащий наружную цилиндрическую рабочую поверхность, длина образующих испытуемой поверхности выполнена плавно изменяющейся в диапазоне от минимального значения до максимального в зависимости от условий нагружения образца [А.С. 712729, кл. G 01 N 3/56, опубл. 30.01.80, Бюллетень 4]. A known sample for testing materials for friction, containing an external cylindrical working surface, the length of the generatrix of the test surface is made smoothly changing in the range from a minimum to a maximum depending on the loading conditions of the sample [A.S. 712729, cl. G 01
Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является невозможность получения на одном образце полной информации о механизме и кинетике процесса разрушения поверхностного слоя при трении. The reason that impedes the achievement of the required technical result is the impossibility of obtaining on one sample complete information about the mechanism and kinetics of the process of destruction of the surface layer during friction.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является образец для испытания материалов на трение, выполненный в виде цилиндрического ролика, рабочая поверхность которого состоит из секторных участков с одинаковыми дугами, длина образующей цилиндрической рабочей поверхности в пределах каждого секторного участка выбрана изменяющейся по одинаковой для всех участков зависимости, кроме того, участки рабочей поверхности ограничены цилиндрическими поверхностями одинакового радиуса, центры которых расположены на линиях, совпадающих с образующими минимальной длины соответствующих участков [А.С. 1714418, кл. G 01 N 3/56, опубл. 23.02.92, Бюллетень 7]. The closest in technical essence to the present invention is a sample for testing friction materials made in the form of a cylindrical roller, the working surface of which consists of sector sections with the same arcs, the length of the generatrix of the cylindrical working surface within each sector section is selected varying in the same way for all sections dependences, in addition, sections of the working surface are bounded by cylindrical surfaces of the same radius, the centers of which are located on lines coinciding with generators of the minimum length of the corresponding sections [A.S. 1714418, class G 01
Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, являются вероятность получения необъективных результатов испытаний в результате возникновения биения в связи с неравномерным износом рабочей поверхности образца в процессе изнашивания, а также невозможность проведения оценки характера повреждаемости на одном образце. The reasons that impede the achievement of the required technical result are the probability of biased test results as a result of runout due to uneven wear of the working surface of the sample during wear, and the inability to assess the nature of damage on one sample.
Задачей изобретения является разработка конструкции образца для испытания материалов на износ, позволяющей получить на одном образце полную информацию о механизме и кинетике процесса разрушения поверхностного слоя, соответствующую различным стадиям износа при трении качения с сохранением изношенных поверхностей. The objective of the invention is to develop the design of the sample for testing materials for wear, which allows to obtain on one sample complete information about the mechanism and kinetics of the process of destruction of the surface layer, corresponding to the various stages of wear during rolling friction while maintaining worn surfaces.
Технический результат - повышение информативности, производительности и достоверности результатов испытаний. The technical result is an increase in information content, productivity and reliability of test results.
Поставленный технический результат достигается тем, что в образце для испытания материалов на трение, выполненном в виде цилиндрического ролика с рабочей поверхностью, состоящей из участков, рабочая поверхность состоит из участков, образованных ступеньками, выполненными со скошенной под углом 12o. .. 20o боковой поверхностью, длины рабочих поверхностей ступенек равны между собой и определяются расстоянием между вершинами углов, образованных скошенными боковыми поверхностями, а разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца, образованной ступеньками, определяется соотношением
Δd = Zτmax,
где Δd=dmax-dmin - разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца, образованной ступеньками;
Zτmax - - глубина расположения максимальных касательных напряжений, возникающих при испытаниях; Zτmax = 0,5b; где b - полуширина площадки контакта в пределах каждой ступеньки, зависящая от условий испытания, размеров испытуемых образцов и свойств материала.The technical result is achieved in that in the sample for testing friction materials made in the form of a cylindrical roller with a working surface consisting of sections, the working surface consists of sections formed by steps made with beveled angle of 12 o . .. 20 o the side surface, the lengths of the working surfaces of the steps are equal to each other and are determined by the distance between the vertices of the angles formed by the beveled side surfaces, and the difference between the maximum and minimum diameters of the working surface of the sample formed by the steps is determined by the ratio
Δd = Zτ max ,
where Δd = d max -d min is the difference between the maximum and minimum diameters of the working surface of the sample formed by steps;
Zτ max - is the depth of the maximum tangential stresses arising during the tests; Zτ max = 0.5b; where b is the half width of the contact area within each step, depending on the test conditions, dimensions of the test samples and material properties.
Полученные условия повышения информативности, производительности и достоверности результатов испытаний в предложенном образце основаны на следующем. The obtained conditions for increasing the information content, productivity and reliability of the test results in the proposed sample are based on the following.
Необходимость выполнения условия, при котором рабочая поверхность образца для испытания материалов на трение предложенной конструкции состоит из участков, образованных ступеньками, можно объяснить следующим. При выполнении этого условия в процессе испытания имеется возможность на одном испытуемом образце получать полную фиксированную информацию о механизме и кинетике процесса разрушения поверхностного слоя материала. В результате взаимодействия с испытуемым образцом каждого из участков рабочей поверхности образца для испытания материалов на трение, образованной ступеньками разного диаметра, происходит поэтапное увеличение величины износа участков исследуемой поверхности испытуемого образца в результате увеличения числа циклов нагружения при вступлении в контакт рабочих поверхностей различных ступенек образца для испытания материалов на трение. The need to meet the conditions under which the working surface of the sample for testing the materials for friction of the proposed design consists of sections formed by steps, can be explained as follows. If this condition is met during the test, it is possible to obtain complete fixed information on the mechanism and kinetics of the process of destruction of the surface layer of the material on one test sample. As a result of the interaction with the test sample of each of the sections of the working surface of the sample for testing materials for friction, formed by steps of different diameters, there is a gradual increase in the amount of wear of the sections of the test surface of the test sample as a result of an increase in the number of loading cycles when the working surfaces of the various steps of the test friction materials.
При последующих металлографических исследованиях поперечного шлифа, изготовленного из испытуемого образца, имеется возможность изучать механизм и кинетику развития трещины в поверхностном слое, соответствующей различным стадиям нагружения. In subsequent metallographic studies of a transverse section made from a test specimen, it is possible to study the mechanism and kinetics of crack development in the surface layer corresponding to different loading stages.
Необходимость выполнения условия, при котором ступеньки образца для испытания материалов на трение выполнены со скошенной под углом 12o...20o боковой поверхностью, можно объяснить следующим.The need to fulfill the condition under which the steps of the sample for testing materials for friction are made with a side surface that is beveled at an angle of 12 o ... 20 o can be explained as follows.
При угле меньше 12o может сказываться отрицательное влияние краевого эффекта, вызванного контактом скошенных боковых поверхностей ступенек с поверхностью испытуемого образца, на достоверность результатов. В данном случае из-за недостаточной величины угла в процессе испытания продукты износа могут не успевать удаляться из зоны контакта и будут наволакиваться на скошенные боковые поверхности ступенек, тем самым способствовать их соприкосновению с поверхностью испытуемого образца, приводя к возникновению дополнительных температур и неконтролируемых биений.When the angle is less than 12 o , a negative effect of the edge effect caused by the contact of the beveled side surfaces of the steps with the surface of the test sample can affect the reliability of the results. In this case, due to the insufficient angle during the test, the wear products may not have time to be removed from the contact zone and will be enveloped on the beveled side surfaces of the steps, thereby contributing to their contact with the surface of the test sample, leading to the occurrence of additional temperatures and uncontrolled beating.
При угле, равном 12o. . .20o, независимо от условий испытаний отрицательное влияние краевого эффекта не будет сказываться на достоверности результатов испытаний, т.к. продукты износа успевают удаляться из зоны контакта и скошенные боковые поверхности ступенек не будут соприкасаться с поверхностью испытуемого образца.With an angle of 12 o . . .20 o , regardless of the test conditions, the negative effect of the edge effect will not affect the reliability of the test results, because wear products manage to be removed from the contact zone and the beveled side surfaces of the steps will not come into contact with the surface of the test sample.
При угле больше 20o в процессе испытания возможно смятие или скалывание его вершины, что будет влиять на достоверность полученных результатов вследствие возникновения значительных биений.At an angle of more than 20 o during the test, crushing or chipping of its top is possible, which will affect the reliability of the results due to the occurrence of significant beats.
Необходимость выполнения условия, при котором длины рабочих поверхностей ступенек равны между собой и определяются расстоянием между вершинами углов, образованных скошенными боковыми поверхностями, можно объяснить следующим. The need to fulfill the condition under which the lengths of the working surfaces of the steps are equal to each other and are determined by the distance between the vertices of the angles formed by the beveled side surfaces can be explained as follows.
При невыполнении этого условия, т.е. при разной длине рабочей поверхности ступенек, в процессе испытания происходит нарушение условий контактного взаимодействия, изменение напряженного и деформированного состояния поверхностных слоев испытуемого образца, что влияет на достоверность полученных результатов испытаний. If this condition is not met, i.e. at different lengths of the working surface of the steps, during the test there is a violation of the conditions of contact interaction, a change in the stress and strain state of the surface layers of the test sample, which affects the reliability of the test results.
Следует особо отметить, что изменение в незначительных пределах диаметра образца для испытания материалов на трение, связанное с наличием на его рабочей поверхности ступенек, не влияет на достоверность полученных результатов, что подтверждается многочисленными исследованиями. Так, например, в работе Доценко В. А. Изнашивание твердых тел. - Москва, 1990. - 48 с. при сопоставлении изношенных образцов различного диаметра принципиального различия в качественной картине микрорельефа поверхности не обнаружено. It should be specially noted that a change in insignificant limits of the diameter of the specimen for testing materials for friction due to the presence of steps on its working surface does not affect the reliability of the results, which is confirmed by numerous studies. So, for example, in the work of Dotsenko V. A. Wear of solids. - Moscow, 1990. - 48 p. When comparing worn samples of different diameters, no fundamental differences in the qualitative picture of the surface microrelief were found.
Необходимость выполнения условия, при котором разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца, образованной ступеньками, определяется соотношением
Δd = Zτmax,
где Δd=dmax-dmin - разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца, образованной ступеньками;
Zτmax - глубина расположения максимальных касательных напряжений, возникающих при испытаниях; Zτmax = 0,5b; где b - полуширина площадки контакта в пределах каждой ступеньки, зависящая от условий испытания, размеров испытуемых образцов и свойств материала,
можно объяснить следующим.The need to fulfill the conditions under which the difference between the maximum and minimum diameters of the working surface of the sample formed by the steps is determined by the ratio
Δd = Zτ max ,
where Δd = d max -d min is the difference between the maximum and minimum diameters of the working surface of the sample formed by steps;
Zτ max - the depth of the maximum tangential stresses arising during the tests; Zτ max = 0.5b; where b is the half width of the contact area within each step, depending on the test conditions, the size of the test samples and the properties of the material,
can be explained as follows.
При невыполнении этого условия не удается получить полную фиксированную информацию о механизме и кинетике процесса разрушения при трении качения, определяемого зарождением первичной трещины, ее ростом и распространением в зоне действия максимальных касательных напряжений с последующим выходом на поверхность испытуемого образца и отделением частицы металла от основной массы материала. If this condition is not fulfilled, it is not possible to obtain complete fixed information about the mechanism and kinetics of the fracture process during rolling friction, determined by the nucleation of the primary crack, its growth and propagation in the zone of action of maximum tangential stresses, followed by exit to the surface of the test sample and separation of the metal particle from the bulk of the material .
Приведенная выше формула позволяет при конкретных условиях испытания целенаправленно подходить к выбору глубины внедрения образца для испытания материалов на трение в поверхность испытуемого образца, определяемой разностью между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца для испытания материалов на трение, образованной ступеньками, тем самым получать полную фиксированную информацию о начальной стадии усталостного повреждения при трении качения, определяемой образованием первичной выкрошки, что в большинстве случаев оказывается определяющим при выборе конструкторских и технологических мероприятий, направленных на повышение качества высоконагруженных трибосопряжений. The above formula allows, under specific test conditions, to purposefully approach the choice of the penetration depth of the sample for testing materials for friction in the surface of the test sample, determined by the difference between the maximum and minimum diameters of the working surface of the sample for testing materials for friction formed by steps, thereby obtaining complete fixed information about the initial stage of fatigue damage during rolling friction, determined by the formation of the primary crumb, which in most In all cases, it turns out to be decisive in the choice of design and technological measures aimed at improving the quality of highly loaded tribo-couplings.
Так, например, при Δd, меньшей Zτmax, глубины внедрения образца для испытания материалов на трение в поверхность испытуемого образца, а значит, и числа циклов нагружения недостаточно, чтобы образовавшаяся первичная трещина достигла своего критического размера, продолжала расти и вышла на поверхность. Таким образом, полное отделение частицы металла от основной массы материала не происходит.So, for example, at Δd less than Zτ max , the depth of penetration of the specimen for testing materials for friction in the surface of the test specimen, and hence the number of loading cycles, is not enough for the resulting primary crack to reach its critical size, continue to grow and come to the surface. Thus, the complete separation of the metal particle from the bulk of the material does not occur.
При Δd, равной Zτmax, рабочая поверхность образца для испытания материалов на трение, образованная ступеньками, полностью проходит зону действия максимальных касательных напряжений, возникающих при испытании, и число циклов нагружения оказывается достаточным для зарождения первичной трещины, ее роста и выхода на поверхность испытуемого образца с отделением частицы металла от основной массы материала, что позволяет при дальнейших металлографических исследованиях на поперечном шлифе, вырезанном из одного испытуемого образца, получать полную фиксированную информацию о механизме и кинетике образования первичного разрушения.At Δd equal to Zτ max , the working surface of the specimen for testing friction materials formed by steps completely passes the zone of action of the maximum tangential stresses arising during the test, and the number of loading cycles is sufficient for the initiation of the primary crack, its growth and exit to the surface of the test sample with the separation of the metal particle from the bulk of the material, which allows for further metallographic studies on a transverse section cut from one test sample to obtain complete fixed information on the mechanism and kinetics of primary fracture formation.
При Δd, большей Zτmax, в процессе изнашивания участвуют не только зона с действием максимальных касательных напряжений, определяемых конкретными условиями испытания, но и более глубокие поверхностные слои испытуемого образца. Таким образом, образование первичного повреждения с отделением частицы металла от основной массы материала происходит в ходе испытания, что не позволяет зафиксировать и провести последующие исследования наиболее важной стадии начального разрушения поверхностного слоя.For Δd greater than Zτ max , not only the zone with the action of maximum tangential stresses determined by the specific test conditions, but also the deeper surface layers of the test sample participate in the wear process. Thus, the formation of primary damage with the separation of the metal particle from the bulk of the material occurs during the test, which does not allow us to fix and conduct subsequent studies of the most important stage of the initial destruction of the surface layer.
Следует отметить, что количество ступенек на рабочей поверхности образца для испытания материалов на трение определяется шириной контакта трибосопряжения, а также получением требуемой информации о механизме и кинетике разрушения. It should be noted that the number of steps on the working surface of the specimen for testing materials for friction is determined by the contact width of the tribological conjugation, as well as by obtaining the required information about the mechanism and kinetics of fracture.
Рассчитаем глубину расположения максимальных касательных напряжений, учитывая условия испытания, геометрические размеры образцов и постоянные коэффициенты для конструкционных сталей [Перель Л.Я., Фиалатов А.А. Подшипники качения: Справочник. - М.: Машиностроение, 1992. - 606 с., Парусевич А.И. Контактная прочность деталей машин. - М.: Машиностроение, 1970. - 64 с. ]. We calculate the depth of the maximum tangential stresses, taking into account the test conditions, the geometric dimensions of the samples and constant coefficients for structural steels [Perel L.Ya., Fialatov A.A. Rolling Bearings: A Guide. - M.: Mechanical Engineering, 1992. - 606 p., Parusevich A.I. Contact strength of machine parts. - M.: Mechanical Engineering, 1970. - 64 p. ].
Образец для испытания материалов на трение - ст. ШХ 15. Sample for testing materials for friction - Art. SH 15.
Испытуемый образец - ст. 45. Test sample - Art. 45.
F=900 кгс - испытательная нагрузка;
R1=R2=40 мм,
где R1 и R2 - радиусы образца для испытания материалов на трение и испытуемого образца соответственно;
L= 3 мм - длина рабочей поверхности ступенек образца для испытания материалов на трение;
μ1 = μ2 = 0,3,
где μ1 и μ2 - коэффициент Пуассона материала образца для испытания материалов на трение и испытуемого образца соответственно (постоянный для конструкционных сталей);
E1=E2=2,1•105 MПa,
где E1 и E2 - модуль упругости материала образца для испытания материалов на трение и испытуемого образца соответственно (постоянный для конструкционных сталей);
Q1=Q2=(1-0,32)/(2,1•105),
где Q1 и Q2 - упругая постоянная материала образца для испытания материалов на трение и испытуемого образца соответственно.F = 900 kgf - test load;
R 1 = R 2 = 40 mm
where R 1 and R 2 are the radii of the sample for testing materials for friction and the test sample, respectively;
L = 3 mm - the length of the working surface of the steps of the sample for testing materials for friction;
μ 1 = μ 2 = 0.3,
where μ 1 and μ 2 - Poisson's ratio of the material of the sample for testing materials for friction and the test sample, respectively (constant for structural steels);
E 1 = E 2 = 2.1 • 10 5 MPa,
where E 1 and E 2 - the elastic modulus of the material of the sample for testing materials for friction and the test sample, respectively (constant for structural steels);
Q 1 = Q 2 = (1-0.3 2 ) / (2.1 • 10 5 ),
where Q 1 and Q 2 - the elastic constant of the material of the sample for testing materials for friction and the test sample, respectively.
Рассчитаем распределение нагрузки, действующей по ширине площадки контакта:
q=F/L=900/3=300 кгс/мм.We calculate the distribution of the load acting across the width of the contact area:
q = F / L = 900/3 = 300 kgf / mm.
Рассчитаем полуширину площадки контакта:
Рассчитаем глубину расположения максимальных касательных напряжений:
Zτmax=0,5b=0,5•0,83≈0,4 мм.Calculate the half width of the contact area:
We calculate the depth of the maximum shear stresses:
Zτ max = 0.5b = 0.5 • 0.83≈0.4 mm.
Установлено, что глубина расположения максимальных касательных напряжений при выбранных условиях испытания Zτmax=0,4 мм.It was found that the depth of the maximum shear stresses under the selected test conditions Zτ max = 0.4 mm.
Таким образом, разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца для испытания материалов на трение, образованной ступеньками, должна равняться
Δd ==dmax-dmin = Zτmax = 0,4 мм.
В нашем случае принимаем максимальный диаметр образца для испытания материалов на трение dmax=80 мм, минимальный диаметр dmin=79,6 мм, промежуточный диаметр dn=79,8 мм.Thus, the difference between the maximum and minimum diameters of the working surface of the sample for testing the materials for friction formed by the steps should be equal to
Δd == d max -d min = Zτ max = 0.4 mm.
In our case, we accept the maximum diameter of the sample for testing materials for friction d max = 80 mm, the minimum diameter d min = 79.6 mm, the intermediate diameter d n = 79.8 mm.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволили установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объеме, изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patents and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention, and the definition of the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the totality of the characteristics of the analogue, allowed to identify the set of essential in relation to discretion Momo applicant technical result in the claimed hallmarks extent set forth in the claims.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизны" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательного уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. To verify the conformity of the claimed invention to the requirement of an inventive step, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow from the prior art defined by the applicant, not the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of technical th result.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизны" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, на котором представлено: фиг.1 - образец для испытания материалов на трение - поперечный разрез; фиг. 2 - узел трения на начальной стадии испытания - поперечный разрез; фиг.3 - узел трения на завершающей стадии испытания - поперечный разрез, пунктирной линией показан вид испытуемого образца на начальной стадии испытания, сплошной линией - на завершающей стадии испытания. The invention is illustrated in the drawing, which shows: figure 1 - sample for testing materials for friction - cross section; FIG. 2 - friction unit at the initial stage of the test — transverse section; figure 3 - the friction unit at the final stage of the test is a transverse section, the dashed line shows the type of test sample at the initial stage of the test, the solid line at the final stage of the test.
Образец для испытания материалов на трение 1 (фиг.1) выполнен в виде цилиндрического ролика, рабочая поверхность которого состоит из участков, образованных ступеньками 2, выполненными со скошенной под углом α, равным 12o. . . 20o, боковой поверхностью 3. Длины рабочих поверхностей ступенек L равны между собой и определяются расстоянием между вершинами А и В углов, образованных скошенными боковыми поверхностями 3. Разность Δd между максимальным dmax и минимальным dmin диаметрами рабочей поверхности образца для испытания материалов на трение 1, образованной ступеньками 2, равна глубине расположения максимальных касательных напряжений, возникающих при конкретных условиях испытания. Количество ступенек 2 на рабочей поверхности образца для испытания материалов на трение 1 определяется исходя из условий получения требуемой информации о механизме и кинетике разрушения. В нашем случае выбираем количество ступенек равным трем.A sample for testing materials for friction 1 (Fig. 1) is made in the form of a cylindrical roller, the working surface of which consists of sections formed by
На фиг. 2 представлен узел трения, содержащий образец для испытания материалов на трение 1 и испытуемый образец 4, на начальной стадии испытания. Образец для испытания материалов на трение 1 рабочей поверхностью L ступеньки 2 с максимальным диаметром dmax с определенным усилием F поджимается к испытуемому образцу 4. Образец для испытания материалов на трение 1 и испытуемый образец 4 приводятся во вращение с угловыми скоростями ω1 и ω2 соответственно.In FIG. 2 shows a friction assembly containing a sample for testing materials for
На фиг. 3 представлен узел трения, содержащий образец для испытания материалов на трение 1 и испытуемый образец 4, на завершающей стадии испытания. После определенного числа циклов нагружения происходит последующий контакт с испытуемым образцом 4 рабочей поверхности L ступеньки 2 образца для испытания материалов на трение 1 с промежуточным диаметром dn. При этом продолжается контакт с испытуемым образцом 4 рабочей поверхности L ступеньки 2 с максимальным диаметром dmax. При дальнейшем увеличении числа циклов нагружения в контакт с поверхностью испытуемого образца 4 вступает рабочая поверхность L ступеньки 2 образца для испытания материалов на трение 1 с минимальным диаметром dmin. При этом продолжается контакт с испытуемым образцом 4 рабочих поверхностей L ступенек 2 образца для испытания материалов на трение 1 с максимальным dmax и промежуточным dn диаметрами.In FIG. 3 shows a friction assembly comprising a sample for testing materials for
Таким образом, при использовании предложенной конструкции образца для испытания материалов на трение в процессе непрерывных испытаний осуществляется поэтапный контакт, определяемый различным числом циклов нагружения, рабочих поверхностей образца для испытания материалов на трение с испытуемым образцом, что и позволяет на одном испытуемом образце исследовать механизм и кинетику разрушения поверхностных слоев. Thus, when using the proposed design of the specimen for testing friction materials during continuous tests, phased contact is determined, which is determined by the different number of loading cycles, the working surfaces of the specimen for testing friction materials with the test specimen, which makes it possible to study the mechanism and kinetics on one test specimen destruction of the surface layers.
Пример. Испытания проводились на машине трения СМТ-1 по схеме диск по диску с модернизированным узлом нагружения, позволяющим в широком диапазоне изменять контактную нагрузку. Example. The tests were carried out on a SMT-1 friction machine according to the disk-by-disk scheme with a modernized loading unit, which allows a wide range of contact load changes.
Условия испытания: смазочно-охлаждающая жидкость - масло индустриальное; угловая скорость вращения образцов ω = 1500 об/мин; контактная нагрузка 900 кгс. Test conditions: cutting fluid - industrial oil; angular velocity of rotation of the samples ω = 1500 rpm; contact load 900 kgf.
Образец для испытания материалов на трение изготавливали из ст. ШХ 15 с твердостью 62 НRСэ. Рабочую поверхность образца для испытания материалов на трение, состоящую из участков, образованных ступеньками, выполненными со скошенной под углом 12o...20o боковой поверхностью, подготавливали механическим способом с использованием специального алмазного инструмента. Длина рабочей поверхности каждой ступеньки равнялась 3 мм. Для исследования механизма и кинетики разрушения поверхности испытуемого образца, определяемых следующими стадиями: образованием первичной трещины, ее развитием и выходом на поверхность с отделением частицы металла от основной массы материала, количество ступенек изготавливалось равным трем.A sample for testing friction materials was made from Art. ШХ 15 with a hardness of 62 НРС э . The working surface of the specimen for testing friction materials, consisting of sections formed by steps made with a side surface beveled at an angle of 12 o ... 20 o , was prepared mechanically using a special diamond tool. The length of the working surface of each step was 3 mm. To study the mechanism and kinetics of destruction of the surface of the test sample, determined by the following stages: the formation of the primary crack, its development and exit to the surface with the separation of the metal particles from the bulk of the material, the number of steps was made equal to three.
Разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца Δd, образованной ступеньками, определяемая глубиной расположения максимальных касательных напряжений Zτmax, возникающих при выбранных условиях испытания, согласно приведенным выше расчетам составляет Δd = Zτmax = 0,4 мм. Максимальный диаметр образца для испытания материалов на трение dmax=80 мм, промежуточный диаметр dn=79,8 мм, минимальный диаметр dmin=79,6 мм.The difference between the maximum and minimum diameters of the working surface of the sample Δd formed by steps, determined by the depth of the maximum tangential stresses Zτ max arising under the selected test conditions, according to the above calculations, is Δd = Zτ max = 0.4 mm. The maximum diameter of the sample for testing materials for friction d max = 80 mm, the intermediate diameter d n = 79.8 mm, the minimum diameter d min = 79.6 mm.
Испытуемый образец, представляющий собой ролик диаметром 80 мм с шириной рабочей поверхности 9 мм, изготавливали из ст. 45 с твердостью 50 НRСэ.The test sample, which is a roller with a diameter of 80 mm with a width of the working surface of 9 mm, was made from st. 45 with a hardness of 50 HRC e .
Механизм и кинетику разрушения изучали металлографическим методом с использованием микроскопа МИМ-8 на поперечных шлифах, изготовленных из испытуемых образцов. The mechanism and kinetics of destruction were studied by the metallographic method using a MIM-8 microscope on transverse sections made from test samples.
Испытания, смысл которых заключается в поэтапном контактировании рабочих поверхностей ступенек образца для испытания материалов на трение с рабочей поверхностью испытуемого образца, осуществляются следующим образом. Tests, the meaning of which is the phased contact of the working surfaces of the steps of the sample for testing materials for friction with the working surface of the test sample, are carried out as follows.
На начальной стадии испытания (фиг.2) образец для испытания материалов на трение 1 рабочей поверхностью L ступеньки 2 с максимальным диаметром dmax с определенным усилием F поджимается к испытуемому образцу 4. Образец для испытания материалов на трение 1 и испытуемый образец 4 приводятся во вращение с угловыми скоростями, равными ω1 и ω2 соответственно.At the initial stage of the test (figure 2), the sample for testing materials for
После определенного числа циклов нагружения происходит последующий контакт с испытуемым образцом 4 рабочей поверхности L ступеньки 2 образца для испытания материалов на трение 1 с промежуточным диаметром dn. При этом продолжается контакт с испытуемым образцом 4 рабочей поверхности L ступеньки 2 с диаметром dmax. При дальнейшем увеличении числа циклов нагружения в контакт с поверхностью испытуемого образца 4 вступает рабочая поверхность L ступеньки 2 образца для испытания материалов на трение 1 с минимальным диаметром dmin. При этом продолжается контакт с испытуемым образцом 4 рабочих поверхностей L ступенек 2 образца для испытания материалов на трение 1 с максимальным dmax и промежуточном dn диаметрами.After a certain number of loading cycles, subsequent contact occurs with the
Таким образом, в процессе испытания осуществился поэтапный контакт, определяемый различным числом циклов нагружения, рабочих поверхностей образца для испытания материалов на трение с испытуемым образцом, что и позволяет на одном испытуемом образце исследовать механизм и кинетику разрушения поверхностных слоев. Thus, step-by-step contact was made during the test, which is determined by the different number of loading cycles of the working surfaces of the specimen for testing materials for friction with the test specimen, which allows one to study the mechanism and kinetics of destruction of surface layers on one test specimen.
При завершении испытания из испытуемого образца изготавливали поперечный шлиф для проведения металлографических исследований с целью изучения механизма и кинетики разрушения поверхностного слоя при трении качения. At the end of the test, a transverse section was made from the test sample for metallographic studies in order to study the mechanism and kinetics of destruction of the surface layer during rolling friction.
Установлено, что после определенного числа циклов нагружения, определяемого временем контакта рабочей поверхности ступеньки образца для испытания материалов на трение с диаметром dmin, на поверхности испытуемого образца образуется первичная трещина (фиг.4а). При увеличении числа циклов нагружения, когда в контакте с испытуемым образцом участвует рабочая поверхность ступеньки с диаметром dn, в трещину проникает масло. Когда трещина закрывается сопряженной поверхностью образца для испытания материалов на трение, выход масла из нее становится невозможным. В масле под нагрузкой в месте контакта возникает высокое давление, расширяющее стенки трещины. При увеличении числа циклов нагружения (контакт рабочей поверхности ступеньки образца для испытания материалов на трение с диаметром dn) трещина углубляется и продолжает расти наклонно к испытуемой поверхности (фиг.4б). При последующем увеличении числа циклов нагружения, когда в контакте с испытуемым образцом участвует рабочая поверхность ступеньки образца для испытания материалов на трение с диаметром dmax, трещина выходит на поверхность испытуемого образца, отделяя частицы металла от основной массы материала (фиг.4в).It was found that after a certain number of loading cycles, determined by the contact time of the working surface of the step of the sample for testing materials for friction with a diameter d min , a primary crack is formed on the surface of the test sample (Fig. 4a). With an increase in the number of loading cycles, when a working surface of a step with a diameter d n is involved in contact with the test sample, oil penetrates into the crack. When a crack is closed by the conjugated surface of the specimen for testing materials for friction, the exit of oil from it becomes impossible. In the oil under load at the contact point, high pressure appears, expanding the walls of the crack. With an increase in the number of loading cycles (contact of the working surface of the step of the specimen for testing materials for friction with a diameter d n ), the crack deepens and continues to grow obliquely to the test surface (Fig. 4b). With a subsequent increase in the number of loading cycles, when the working surface of the step of the sample for testing materials for friction with a diameter d max is involved in contact with the test sample, the crack extends to the surface of the test sample, separating metal particles from the bulk of the material (Fig. 4c).
Таким образом, используя предложенную конструкцию образца для испытания материалов на трение, можно на одном испытуемом образце получать полную информацию о механизме и кинетике разрушения поверхностного слоя, соответствующую различным стадиям процесса износа при трении качения с сохранением изношенных поверхностей. Thus, using the proposed design of the specimen for testing materials for friction, it is possible to obtain complete information on the mechanism and kinetics of fracture of the surface layer on one test specimen, corresponding to the various stages of the wear process during rolling friction while maintaining worn surfaces.
Одновременно проведены испытания на трение образца-прототипа. Результаты исследования образцов для испытания материалов на трение приведены в таблице. At the same time, friction tests of the prototype sample were carried out. The results of the study of samples for testing friction materials are given in the table.
Из таблицы видно, что применение предложенной конструкции образца для испытания материалов на трение приводит к повышению информативности, производительности и достоверности результатов испытаний по сравнению с образцом-прототипом. The table shows that the use of the proposed design of the sample for testing materials for friction leads to an increase in the information content, productivity and reliability of the test results compared to the prototype sample.
Итак, использование предлагаемой конструкции образца для испытания материалов на трение обеспечивает:
повышение информативности испытаний на одном испытуемом образце;
повышение производительности в 3 раза;
повышение достоверности результатов испытаний (отсутствие биений) по сравнению с образцом-прототипом.So, the use of the proposed design of the sample for testing materials for friction provides:
increasing the information content of tests on one test sample;
3 times productivity increase;
increasing the reliability of test results (lack of beats) compared with the prototype sample.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в машиностроении при восстановлении работоспособности и повышения ресурса плоских металлических изделий небольших толщин, имеющих остаточные деформации, возникающие после лазерной обработки;
- для заявленного изобретение в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is intended for use in mechanical engineering when restoring health and increasing the resource of flat metal products of small thicknesses having residual deformations that occur after laser processing;
- for the claimed invention in the form described in the claims, the possibility of its implementation using the means and methods described above in the application is confirmed;
- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is able to ensure the achievement of the perceived by the applicant technical result.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability" under applicable law.
Claims (1)
Δd = Zτmax,
где Δd = dmax-dmin - разность между максимальным и минимальным диаметрами рабочей поверхности образца, образованной ступеньками;
Zτmax - глубина расположения максимальных касательных напряжений, возникающих при испытаниях;
Zτmax = 0,5b;
b - полуширина площадки контакта в пределах каждой ступеньки, зависящая от условий испытания, размеров испытуемых образцов и свойств материала.Sample for testing materials for friction, made in the form of a cylindrical roller with a working surface consisting of sections, characterized in that the working surface consists of sections formed by steps made with a side surface beveled at an angle of 12-20 o , the length of the working surface of each step equal to each other and is determined by the distance between the vertices of the angles formed by the beveled side surfaces, and the difference between the maximum and minimum diameter of the working surface of the sample formed oh steps, determined by the ratio
Δd = Zτ max ,
where Δd = d max -d min is the difference between the maximum and minimum diameters of the working surface of the sample formed by steps;
Zτ max - the depth of the maximum tangential stresses arising during the tests;
Zτ max = 0.5b;
b is the half-width of the contact area within each step, depending on the test conditions, dimensions of the test samples and material properties.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001105760/28A RU2191996C1 (en) | 2001-02-28 | 2001-02-28 | Specimen for friction test of materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001105760/28A RU2191996C1 (en) | 2001-02-28 | 2001-02-28 | Specimen for friction test of materials |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2191996C1 true RU2191996C1 (en) | 2002-10-27 |
Family
ID=20246702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001105760/28A RU2191996C1 (en) | 2001-02-28 | 2001-02-28 | Specimen for friction test of materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2191996C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2465565C1 (en) * | 2011-05-06 | 2012-10-27 | Открытое акционерное общество "Техдиагностика" | Manufacturing method of specimens of high-rate metal of oil-gas equipment for cyclic crack resistance testing |
-
2001
- 2001-02-28 RU RU2001105760/28A patent/RU2191996C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2465565C1 (en) * | 2011-05-06 | 2012-10-27 | Открытое акционерное общество "Техдиагностика" | Manufacturing method of specimens of high-rate metal of oil-gas equipment for cyclic crack resistance testing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Neale et al. | A guide to wear problems and testing for industry | |
| Schedin | Galling mechanisms in sheet forming operations | |
| US7677070B2 (en) | Shot-peening process | |
| Mohamed et al. | Effect of a moving automated shot peening and peening parameters on surface integrity of Low carbon steel | |
| Luo | Effect of the geometry and the surface treatment of punching tools on the tool life and wear conditions in the piercing of thick steel plate | |
| Groche et al. | Potential of mechanical surface treatment for mould and die production | |
| Al-Tameemi et al. | Damage characterisation of white etching cracks in a black oxide coated wind turbine gearbox bearing | |
| Adamus et al. | A study of the impact of anti-adhesive coatings on the sheet-titanium forming processes | |
| Kang et al. | The “breaking-in” of lubricated surfaces | |
| RU2191996C1 (en) | Specimen for friction test of materials | |
| Hasegawa et al. | Estimation Method of Micropitting Life from SN Curve Established by Residual Stress Measurements and Numerical Contact Analysis | |
| da Silva et al. | Relationship between mechanical and metallurgical properties with machinability when drilling high-strength cast irons | |
| Ratia et al. | The role of edge-concentrated wear in impact-abrasion testing | |
| Masen | Abrasive tool wear in metal forming processes | |
| Gerstenmeyer et al. | Influence of Complementary Machining on fatigue strength of AISI 4140 | |
| Chintamani et al. | Sheared edge characterization of steel products used for closure panel applications | |
| Lopes et al. | Influence of machining parameters on fatigue endurance limit of AISI 4140 steel | |
| Hardell et al. | High temperature tribological studies on surface engineered tool steel and high strength boron steel | |
| Gao et al. | Disc machine testing to assess the life of surface-damaged railway track | |
| Krishnakumar et al. | Enhancement of fatigue strength on SAE 1541 steel link plate with slip ball burnishing technique | |
| Bell et al. | Mid-life scuffing failure in automotive cam-follower contacts | |
| Lara et al. | Effect of sandblasting on low and high-cycle fatigue behaviour after mechanical cutting of a twinning-induced plasticity steel | |
| Hoeprich | Analysis of micropitting of prototype surface fatigue test gears | |
| Beskopylny et al. | The Contact Mechanics of Novikov’s Surface‐Hardened Gearing during Running‐in Process | |
| Saito et al. | Galling and friction in ironing of thin aluminum cups |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050301 |