Устройство для испытания материалов на трение
Изобретение относится к области исследования трибологических свойств материалов. Решается задача повышения качества измерений трибологических характеристик (таких, как коэффициенты сухого и вязкого трения, коэффициент демпфирования системы; логарифмический декремент; частоту свободных и затухающих колебаний и т.д.) материалов за счет увеличения точности нагружения и точности результатов измерения, с одновременным увеличением быстродействия. Задача решена следующим образом. Заявляемое устройство содержит основание, установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов с динамометром, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик регистрации перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчики регистрации перемещения и усилий, при этом, каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, а в качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, причем датчики соединены с последним через порт мыши, кроме того механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения снабжен тележкой с катками, размещенными на держателе контробразца, но в отличие от прототипа, в узле нагружения динамометр, выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки индикатора между излучателем и фотодатчиком, соединен с компьютером, при этом между динамометром и тележкой помещен пьезо-электро двигатель, вход которого соединен с выходом компьютера.
Полезная модель относится к области исследования физико-механических свойств материалов, а более конкретно - к области исследования их трибологических свойств, и может быть использовано для количественного определения составляющих сил сухого и вязкого трения.
Известно, устройство для определения коэффициента трения материалов, авторское свидетельство №930081, МКИ G 01 N 19/02, 23.05.82. Устройство содержит основание, ползун для прикрепления на нем контробразца, на котором устанавливается образец, регулируемый привод возвратно-поступательного перемещения. Кроме того, устройство содержит датчик ускорения ползуна, датчик перемещения образца относительно контробразца и контрольно-измерительную аппаратуру из виброизмерительного блока и светолучевого осциллографа.
Недостатком устройства является ограниченность области применения. Это устройство не позволяет осуществлять испытания полимерных материалов, в том числе элементов гибких кабелей на трение, т.к. в них происходит сложный процесс при эксплуатации, и применение датчика ускорения не дает наглядной картины процесса, к тому же отсутствие держателей делает невозможным испытание гибких кабелей.
Известно устройство для испытания материалов на трение, авторское свидетельство №1821689, МКИ G 01 N 19/02, 15.06.93. Устройство содержит основание, размещенный на основании ползун, на котором помещены держатели с пазами. В пазах установлены образец и взаимодействующий с ним контробразец. Устройство также содержит привод возвратно-поступательного движения ползуна, датчик перемещения образца, соединенный с регистрирующей аппаратурой и индикаторы перемещения образцов, а ползун снабжен регулятором его перемещения, при этом индикатор и датчик присоединены к держателям образцов. Благодаря держателям с пазами появилась возможность расширить диапазон исследований, исследовать не только твердые, но и упругие материалы.
Однако этим устройством невозможно получить информацию о трибологических характеристиках материала, т.к. необходима дальнейшая обработка данных. На это требуется много времени, возможны погрешности при расчете этих характеристик. Кроме этого, наличие дополнительных элементов, соединяющих держатели с датчиками влияют на точность исследований.
Прототипом является устройство для испытания материалов на трение, патент РФ №2244290, МПК G 01 N 19/02, от 10.01.05. Устройство содержит основание,
установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов с динамометром, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчик перемещения и датчик регистрации усилий. Каждый датчик выполнен оптико-механическим, в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, а в качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, причем датчики соединены с последним через порт мыши, кроме этого, механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения снабжен тележкой с катками, размещенными на держателе контробразца.
Узел нагружения в устройстве выполнен в виде винтового домкрата, установленного на тележке и соединенного с реверсивным двигателем и динамометром.
Но это устройство обладает рядом недостатков, а именно низким качеством измерений из-за недостаточной точности нагружения образцов, а также малого быстродействия изменения нагружения в ходе трибологического процесса.
Решается задача повышения качества измерений трибологических характеристик (таких, как коэффициенты сухого и вязкого трения, коэффициент демпфирования системы; логарифмический декремент; частоту свободных и затухающих колебаний и т.д.) материалов за счет увеличения точности нагружения и точности результатов измерения, с одновременным увеличением быстродействия.
Задача решена следующим образом. Заявляемое устройство для испытания материалов на трение, содержит основание, установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов с динамометром, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик регистрации перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчики регистрации перемещения и усилий, динамометр, при этом, каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, а в качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, причем датчики соединены с последним через порт мыши, кроме того механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения выполнен в виде винтового
домкрата, который установлен на тележке с катками, размещенными на держателе контробразца, но в отличии от прототипа, в узле нагружения динамометр, выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки индикатора между излучателем и фотодатчиком, соединен с компьютером, при этом между динамометром и тележкой с катками помещен пьезо-электро двигатель вход которого соединен с выходом компьютера.
Таким образом, отличительными признаками полезной модели от прототипа, являются следующие признаки:
- в узле нагружения динамометр, выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки индикатора между излучателем и фотодатчиком
- узел нагружения имеет пьезо-электро двигатель в качестве точного нагружения образцов;
- пьезо-электро двигатель подключен через обратную связь к компьютеру;
- параметры обратной связи задаются с компьютера.
В заявляемом устройстве, установлен пьезо-электро двигатель включенный через обратную связь к компьютеру, что позволяет более точно контролировать усилие нагружения на образцы (точность перемещения пьезо-электро двигателя достигает 50 мкм), при этом постоянно поддерживать это усилие в не зависимости от изменения параметров и характеристик образцов в течении всего процесса трибологического трения, и так как время срабатывания у пьезо-электро двигателя достигает 5 мс, что значительно повышает быстродействие срабатывания усилия нагружения при изменении параметров и характеристик образцов. Поскольку пьезо-электро двигатель подключен через обратную связь, становится возможным исключить погрешность оператора на качество снимаемых характеристик с образцов, что влияет на точность и качество измерений, т.е. решить поставленную задачу.
На фигуре 1 показана общая схема устройства, на фигуре 2 - вид датчика сбоку и спереди.
Устройство состоит из механизмов привода платформы возвратно-поступательного перемещения образцов, узла нагружения, держателей образцов и измерительной системы.
На основании 1 выполнены направляющие 2, на которых установлена платформа 3 с держателем 4 образца 5. Сверху образца 5 установлен контробразец 6 со своим держателем 7. Образец 5 и контробразец 6 образуют пару трения. Держатели образца 4 и контробразца 7, выполнены съемными. Платформа 3 снабжена четырьмя катками 8. Приводом возвратно-поступательного перемещения служит кривошипно-шатунный
механизм 9 с двигателем 10. Узел нагружения устройства состоит из пьезо-электро двигателя 11 установленного на тележке 12 с катками 13, и винтового домкрата 14. Пьезо-электро двигатель 11 жестко соединен с динамометром 15, который, в свою очередь жестко соединен с домкратом 14. Домкрат 14 соединен с реверсивным двигателем 16 посредством червячной передачи 17. Домкрат 14 размещен на стойке 18. Держатель 7 контробразца 6 установлен на тележке 12. Катки 13 тележки 12 выполнены подобными каткам 8 платформы 3. Измерительная система устройства состоит из датчика перемещения 19, совмещенного с индикатором перемещения (на чертеже не показано). Щуп 20 измерительного индикатора - датчика 19 жестко соединен с держателем 4 образца 5. Измерительная система состоит также из датчика регистрации усилий 21, совмещенного с соответствующим индикатором (на чертеже не показан). Щуп 22 - датчика регистрации усилий 21 жестко соединен с держателем 7 контробразца 6. Датчики 20, 21 размещены на стойке 23, которая установлена на основании 1. В измерительную систему входит также компьютер 24. Пьезо-электро двигатель 11 соединен с компьютером 24. Датчики 19, 21 и динамометр 15 (фиг.2) выполнены опто-механическими: на ось стрелки 25 индикатора надет легкий диск с прорезями 26. Диск с прорезями 26 установлен между излучателем инфракрасного излучения 27, роль которого выполняет инфракрасный излучающий диод, и фотодатчиком 28 (фоторезистом). Фотодатчик 28 и излучатель инфракрасного излучения 27 соединены с компьютером 24 через порт мыши.
Устройство работает следующим образом. От двигателя 10 движение передается через кривошипно-шатунный механизм 9 к платформе 3, которая, в свою очередь, приводит в движение держатель образца 4 с образцом 5. Вертикальная нагрузка на образцы создается пьезо-электро двигателем 11 и домкратом 14, приводимым в движение реверсивным двигателем 16, через червячную передачу 17. Нагрузка передается через динамометр 15, который показывает фиксированную нагрузку, при этом эта нагрузка преобразовывается в электрический сигнал и поступает в компьютер 24. При этом в компьютере 24, соединенным с пьезо-электро двигателем 11, выставляется определенное значение усилия догружения образцов непосредственно пьезо-электро двигателем 11, в следствии чего, независимо от протекаемых процессов между образцами, на них воздействует фиксируемое усилие нагружения. Так как тележка 12, которая передает нагрузку на держатель 7, а соответственно и контробразец 6, имеет катки 13, и платформа 3, которая совершает возвратно-поступательное движение с держателем 4 образца 5, имеет аналогичные катки 8, то верхний держатель 7 имеет возможность двигаться за счет
сил трения между образцом 5 контробразцом 6, и механизм нагружения не оказывает влияние на измерения.
В результате взаимодействия сил трения между образцом 5 и контробразцом 6, будет двигаться щуп 20 и щуп 22 индикаторов. Измеряемые перемещения преобразуются в электрические импульсы в датчиках 19 и 21. Происходит это следующим образом. Возвратно-поступательное движение держателей 4, 7 образца 5 и контробразца 6 преобразуется во вращательное движение осей стрелок 25 индикаторов, а следовательно, и дисков с прорезями 26 (прерывателем), через которые проходит (или не проходит) поток инфракрасного излучения от излучателя 27 (фиг.2) (инфракрасный излучающий диод). Таким образом при вращении диска с прорезями 26 поток излучения прерывается, что регистрируется соответствующим фотодатчиком 28 (фоторезистором).
Информация с датчиков 19 и 21 вводится в компьютер 24 (фиг.1) через порт мыши. Каждый импульс прошедшего излучения рассматривается как перемещение на один шаг по одной из координат (координате усилия или перемещения). Питание инфракрасного излучателя 27 и фотодатчика 28 осуществляется от компьютера через порт мыши.
Работа динамометра 15 осуществляется подобно датчикам 19 и 21. При необходимости ввода в компьютер 24 диаграммы нагружения с динамометра 15 необходимо отсоединить датчик 19 и подсоединить динамометр 15.
Это дает возможность используя соответствующие программы, на мониторе получить диаграммы усилие трения-перемещения; усилие-время и перемещение-время, а обрабатывая их с помощью математических программ - трибологические характеристики: коэффициенты сухого и вязкого трения, коэффициент демпфирования системы; логарифмический декремент; частоту свободных и затухающих колебаний и т.д.
В качестве конкретного примера выполнения предлагается устройство для испытания материалов на трение все датчики перемещений которого выполнены оптико-механическими в виде дисков с прорезями 26 (фиг.2), устанавливаемых на оси индикаторов 25 между сопряженными инфракрасными излучателями 27 и фотодатчиками 28 [Патент РФ №2244290, МПК G 01 N 19/02, опубликованный 10.01.2005 в Бюл. №1].
В качестве двигателей 10 и 16 используются двигатели VEB Elmo Hartha DDR 24 V.
Использован пьезо-электро двигатель 11 марки PL 140.10 характеристики которого: управляющее напряжение - 0-60 В; номинальное смещение - ±1000 мкм ±20%; размеры - 45×11×0,6 мм; создаваемое усилие - 0,5 Н.
В качестве грубого нагружения, в узле нагружения использован винтовой домкрат 17.
Катки 8 и 12 выполнены в виде подшипников качения.
На основании выше изложенного, заявляемая полезная модель за счет совокупности признаков позволяет проводить более качественные измерения трибологических характеристик материалов, за счет увеличения точности нагружения и точности результатов измерения, с одновременным увеличением быстродействия.
Устройство для испытания материалов на трение, содержащее основание, установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов с динамометром, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик регистрации перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчики регистрации перемещения и усилий, при этом, каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком, а в качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, причем датчики соединены с последним через порт мыши, кроме того механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения снабжен тележкой с катками, размещенными на держателе контробразца, отличающееся тем, что в узле нагружения динамометр выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось для стрелки индикатора между излучателем и фотодатчиком, соединен с компьютером, при этом между динамометром и тележкой помещен пьезо-электродвигатель вход которого также соединен с выходом компьютера.
