Устройство для определения коэффициента трения порошков в неметаллических средах

Устройство для определения коэффициента трения порошков в неметаллических средах с повышенной точностью содержит полую обойму, установленные с обеих сторон обоймы с возможностью относительного перемещения верхний и нижний пуансоны, силоизмерительный механизм для регистрации момента трения, контробразец, изготовленный в виде втулки из эластичного материала с цилиндрической наружной поверхностью и эластичные формующие элементы. Торцы пуансонов образуют с внутренней поверхностью обоймы глухую рабочую полость, предназначенную для установки в ней исследуемого образца из порошка. Контробразец жестко закреплен на металлическом держателе. Металлический держатель размещен в расположенных напротив друг друга отверстиях обоймы с возможностью вращения вокруг своей оси. Рабочие поверхности эластичных формующих элементов выполнены коаксиальными наружной поверхности контробразца. Полость обоймы может быть выполнена прямоугольной. Силоизмерительный механизм может быть соединен с держателем контробразца. Отверстия обоймы могут быть снабжены установочными втулками. Отверстия обоймы могут быть снабжены упорными подшипниками, установленными соосно установочным втулкам. Обойма может быть подпружинена со стороны нижнего пуансона.

Полезная модель относится к устройствам для определения параметров трения и может быть использована для определения коэффициента трения порошков в неметаллических средах, например, эластомерах, резинах, пластмассах и др.

Известно устройство для определения силы трения эластомеров [Авторское свидетельство СССР 896513, кл. G01N 19/02, 1982], содержащее корпус, размещенный в нем держатель контробразца, установленный в корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения, установленные перпендикулярно направлению перемещения держателя контробразца по обе стороны от него держатели испытуемых образцов, выполненные в виде полых цилиндров с фланцами на одном конце и острыми скосами - на втором, узлы нагружения испытуемых образцов и измеритель силы трения, снабженное узлами регулирования нагружения, расположенными относительно оси держателя образца во фланцах и взаимодействующими с корпусом.

Недостатком известного устройства является ограниченный интервал давлений, при котором устройство можно использовать для определения силы трения эластомера по порошковому материалу. Только при небольших давлениях можно поместить порошок в полые цилиндры, прижать его к контробразцу из эластомера, и измерить силу трения при их относительном перемещении. При реальных давлениях, соизмеримых с давлениями прессования порошка в эластичной пресс-форме, необходимо и порошок, и эластомер помещать в замкнутый объем, что в известном устройстве невозможно.

Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения сил трения при деформировании металлов [Авторское свидетельство СССР 373593, кл. G01N 19/02, 1973], содержащее полую цилиндрическую обойму и установленные с обеих сторон обоймы с возможностью относительного перемещения пуансоны, торцы которых образуют с внутренней поверхностью обоймы глухую рабочую полость, высота которой равна или меньше ее диаметра, предназначенную для установки в ней исследуемого образца, при этом обойма установлена с возможностью вращения относительно пуансонов, и силоизмерительный рычаг для регистрации момента трения, закрепленный на обойме.

Недостатком известного устройства является то, что при больших давлениях, соизмеримых с реальными давлениями в технологических процессах, например, при прессовании порошков эластичными средами, невозможно определять коэффициент трения порошков по неметаллическим материалам. Это обусловлено тем, что в качестве контробразца невозможно использовать непосредственно обойму из эластичного материала, так как при больших давлениях порошок попадает в зазор между пуансонами и обоймой и искажает определяемые параметры.

Кроме того, работа известного устройства основана на определении силы трения на боковой поверхности образца по контробразцу, что требует знания коэффициента бокового давления, который меняется при изменении нагрузки, что также вносит погрешности в определение коэффициента трения.

Задачей полезной модели является расширение арсенала технических средств, предназначенных для определения с высокой точностью коэффициентов трения порошков в неметаллических средах при давлениях, соизмеримых с реальными давлениями прессования порошков.

Поставленная задача решается следующим образом.

Устройство для определения коэффициента трения порошков в неметаллических средах, включающее полую обойму, установленные с обеих сторон обоймы с возможностью относительного перемещения верхний и нижний пуансоны, торцы которых образуют с внутренней поверхностью обоймы глухую рабочую полость, предназначенную для установки в ней исследуемого образца, и силоизмерительный механизм для регистрации момента трения, содержит контробразец, изготовленный в виде втулки из неметаллического материала (например, полиуретана) с цилиндрической наружной поверхностью, жестко закрепленной на металлическом держателе, и эластичные формующие элементы с рабочими поверхностями, коаксиальными наружной поверхности втулки, а в средней части обоймы предусмотрены два расположенных напротив друг друга отверстия для размещения держателя с возможностью вращения вокруг своей оси.

Полость обоймы может быть выполнена прямоугольной, тогда давление образца из порошка на контробразец из неметаллического материала по всей поверхности контакта будет более равномерным, чем при круглом поперечном сечении полости контейнера.

Держатель контробразца может быть соединен с силоизмерительным механизмом (например, датчиком момента, динамометрическим ключом и т.п.), либо присоединяться к нему в процессе измерений.

Отверстия обоймы могут быть снабжены установочными втулками, которые повышают точность фиксации и центрирования держателя с контробразцом.

Применение упорных подшипников, установленных соосно втулкам, может уменьшить трение на торцевых поверхностях установочных втулок.

Обойма может быть подпружинена со стороны нижнего пуансона для реализации двухстороннего прессования по принципу «плавающей матрицы» и, следовательно, уравновешивания усилий верхнего и нижнего пуансонов на металлический держатель с контробразцом.

Применение контробразца, изготовленного в виде втулки с цилиндрической наружной поверхностью, жестко закрепленной на металлическом держателе, и формование в процессе проведения измерения трения образца из порошка в виде коаксиальной втулки, охватывающей контробразец, обеспечивает возможность создания равномерного давления по всей поверхности контакта. Указанная форма в виде втулки технологична при изготовлении контробразца и удобна в процессе измерения.

Рабочие поверхности эластичных формующих элементов, передающих усилие от пуансонов на порошок, выполнены коаксиальными наружной поверхности контробразца, поэтому давление эластичной среды на образец из порошка и, соответственно, порошка на контробразец из неметаллического материала приближено к изостатическому, что повышает точность измерений.

Исследуемые материалы помещены в жесткую прочную обойму, поэтому исследования параметров трения можно проводить во всем интервале реальных давлений прессования изделий из порошков в неметаллических средах.

Устройство в предложенной совокупности существенных признаков расширяет арсенал технических средств, предназначенных для определения с высокой точностью коэффициентов трения порошков в неметаллических средах при давлениях, соизмеримых с реальными давлениями прессования порошков.

Благодаря вышеуказанным преимуществам конструкции нового устройства расширяются технологические возможности определения коэффициента трения порошков в неметаллических средах, т.е. определение параметров трения может осуществляться с высокой точностью в широком диапазоне давлений от 50 до 600 МПа и более для различных марок полиуретанов, резин, пластмасс и других неметаллических сред.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами.

Фиг.1 - принципиальная схема устройства для определения коэффициента трения порошка в неметаллических средах (фронтальный вид).

Фиг.2 - принципиальная схема устройства для определения коэффициента трения порошка в неметаллических средах (сечение А-А).

Фиг.3 - принципиальная схема устройства для определения коэффициента трения порошка в неметаллических средах (сечение Б-Б).

Устройство содержит полую обойму 1 (фиг.1), установленные с обеих сторон обоймы 1 с возможностью относительного перемещения верхний и нижний пуансоны 2, 3, торцы которых образуют с внутренней поверхностью обоймы 1 глухую рабочую полость, предназначенную для установки в ней исследуемого образца, верхний 4 и нижний 5 эластичные формующие элементы. В средней части обоймы 1 предусмотрены два расположенных напротив друг друга отверстия, в которых помещены установочные втулки 6 и 7. Контробразец 9, изготовленный в виде втулки из неметаллического материала (например, полиуретана) с цилиндрической наружной поверхностью, жестко закрепленной на средней части металлического держателя 8, размещен внутри цилиндрической обоймы 1, таким образом, чтобы концевые части держателя 8 находились в отверстиях втулок 6 и 7. Со стороны нижнего пуансона 3 обойма 1 снабжена пружиной 10. Концевая часть держателя 8 соединена с силоизмерительным механизмом для регистрации момента трения, например, динамометрическим ключом. Эластичные формующие элементы 4, 5 выполнены с рабочими поверхностями, коаксиальными наружной поверхности втулки контробразца 9 (фиг.2). Для уменьшения влияния трения на торцевых поверхностях контробразца установочные втулки 6 и 7 помещены на упорные подшипники 11, установленные в отверстиях обоймы 1 и зафиксированы крепежными элементами 12.

Устройство работает следующим образом.

В полость обоймы 1 помещают нижний пуансон 3, нижний эластичный элемент 5 и устанавливают обойму на плите силового устройства (пресса) на пружине 10. В полость обоймы 1 засыпают исследуемый образец 13 из порошка таким образом, чтобы он был распределен коаксиально контробразцу 9. Верхний эластичный формующий элемент 4 устанавливают в полость обоймы и вводят верхний пуансон 2. При работе силового устройства (например, пресса) верхний пуансон 2 и нижний пуансон 3 практически одновременно уплотняют образец 13 до требуемой плотности вокруг контробразца 9. Требуемое усилие Q поддерживают постоянным в процессе измерения момента трения.

Момент трения определяют с помощью силоизмерительного устройства, соединенного с держателем 8, при вращении которого происходит относительное перемещение контробразца 9 по образцу 13.

Момент М на силоизмерительном устройстве складывается из момента M₁ сил трения по цилиндрической поверхности контакта образца 13 и контробразца 9, момента M₂ сил трения контробразца 9 по металлическим поверхностям торцов установочных втулок 4, 5 и момента M₃ сил трения концевых частей металлического держателя 8 в установочных втулках 4, 5.

Момент M₃ сил трения концевых частей металлического держателя 8 в установочных втулках 4, 5 можно определить в предварительном эксперименте путем вращения держателя 8 во втулках 4, 5 при отсутствии образца 13.

В случае вращения торцов контробразца 9 по торцам втулок 4, 5, возникающий момент M₂ трения можно определить расчетным путем по формуле:

где µ₂ - коэффициент трения неметаллического материала по стали;

Q - сжимающее усилие, H;

k_б - коэффициент бокового давления неметаллического материала;

d - внешний диаметр установочной втулки 4 или 5, м;

d ₀ - внутренний диаметр установочной втулки 4 или 5, м;

a и b - длины сторон прямоугольного сечения полости обоймы 1, м (фиг.3).

В случае отсутствия вращения торцов контробразца 9 по торцам втулок 4, 5 (при применении упорных подшипников 11), момент трения M₃ будет являться удвоенным моментом трения в подшипниках 11:

M ₂=2·M_П,

где Mп - момент трения в упорном подшипнике 11 при осевом сжатии с усилием Q. Момент трения Mп можно определить предварительно экспериментальным путем.

Коэффициент трения порошка в неметаллической среде может быть определен по формуле:

где µ - коэффициент трения порошка в неметаллической среде;

l - длина образца 13 из неметаллического материала, м.

Предлагаемое устройство позволяет определить связь между давлением прессования и коэффициентом трения прессуемого порошка в неметаллических средах, что необходимо при расчете технологических процессов изготовления изделий из порошков.

1. Устройство для определения коэффициента трения порошков в неметаллических средах, включающее полую обойму, установленные с обеих сторон обоймы с возможностью относительного перемещения верхний и нижний пуансоны, торцы которых образуют с внутренней поверхностью обоймы глухую рабочую полость, предназначенную для установки в ней исследуемого образца, и силоизмерительный механизм для регистрации момента трения, отличающееся тем, что оно содержит контробразец, изготовленный в виде втулки из эластичного материала с цилиндрической наружной поверхностью, жестко закрепленной на металлическом держателе, эластичные формующие элементы с рабочими поверхностями, коаксиальными наружной поверхности втулки, в средней части обоймы предусмотрены два расположенных напротив друг друга отверстия для размещения держателя с возможностью вращения вокруг своей оси.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость обоймы выполнена прямоугольной.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что силоизмерительный механизм соединен с держателем контробразца.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия обоймы снабжены установочными втулками.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что отверстия обоймы снабжены упорными подшипниками, установленными соосно установочным втулкам.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обойма подпружинена со стороны нижнего пуансона.