Устройство для испытания материалов на трение
Устройство для испытания материалов на трение может найти применение при исследовании трибологических свойств материалов. Устройство содержит установленную на основании с возможностью возвратно-поступательного перемещения платформу на катках. На платформе расположен держатель испытуемого образца. Сверху образца установлен контробразец со своим держателем. На держателе контробразца, на тележке, установлен узел нагружения испытуемых образцов. Измерительная система включает датчик регистрации перемещения, датчик регистрации усилия, датчик изменения усилия и компьютер. Датчик регистрации перемещения установлен напротив держателя образца, датчик регистрации усилий - напротив держателя контробразца, датчик регистрации изменения усилия - напротив узла нагружения. Все датчики выполнены оптическими и каждый из них содержит излучатель, фокусирующие линзы и приемник излучения, выполненный в виде оптического сенсора. Одна из фокусирующих линз датчика установлена с возможностью фокусирования света от излучателя. Другая - с возможностью фокусирования отраженного света от соответствующей поверхности на оптический сенсор, который непосредственно или через порт мыши соединен с компьютером. С помощью датчиков происходит фотографирование соответствующей его положению поверхности. В результате на монитор компьютера поступает информация о всех видах перемещения испытуемых объектов, прилагаемом усилии и изменении величины прилагаемого усилия, что повышает точность трибологических исследований.
1 н.з. и 4 з.п. ф-лы, 2 илл.
Полезная модель относится к области исследования физико-механических свойств материалов, а более конкретно - к области исследования их трибологических свойств, и может быть использована для количественного определения составляющих сил сухого и вязкого трения.
Известно, устройство для испытания материалов на трение, авторское свидетельство 
1821689, МПК G01N 19/02.
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, влияет на точность исследований.
Прототипом является устройство для испытания материалов на трение по патенту РФ 2244290, МПК G01N 19/02.
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, 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. Каждый датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фотодатчиком. 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.
Однако этим устройством невозможно получить полную информацию о трибологических характеристиках материала при изменении параметров испытаний. Кроме этого, наличие дополнительных деталей (диска с прорезями, насаженного на ось стрелки) в оптико-механическом датчике влияют на точность исследований.
Задача - с большой точностью исследовать трибологические характеристики материалов и расширить функциональные возможности устройства.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в передаче информации о всех видах перемещения, изменения усилий непосредственно на монитор компьютера путем фотографирования соответствующей поверхности с помощью датчиков.
Устройство для испытания материалов на трение, как и прототип, содержит установленную на основании платформу на катках, на которой расположены держатели, выполненные с пазами для соответствующего расположения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения платформы с катками, которая расположена на держателе контробразца, датчик регистрации усилий и датчик регистрации перемещения, установленные на основании, и компьютер, соединенный с указанными датчиками, в состав каждого из которых входит излучатель и приемник излучения. В отличие от прототипа оно дополнительно содержит датчик регистрации изменения усилия, установленный напротив узла нагружения, при этом датчик регистрации перемещения установлен напротив держателя образца, датчик регистрации усилий - напротив держателя контробразца. Все датчики выполнены оптическими, для чего каждый из них дополнительно содержит фокусирующие линзы, одна из которых установлена с возможностью фокусирования света от излучателя, а другая - с возможностью фокусирования отраженного света от соответствующей поверхности на приемник излучения, кроме этого, приемник излучения выполнен в виде оптического сенсора, который соединен с компьютером.
Оптические сенсоры датчиков могут быть соединены с компьютером беспроводной или посредством проводной связи, т.е. через порт мыши.
Узел нагружения в заявляемом устройстве выполнен в виде передачи винт-гайка и пружины, между верхним концом которой и гайкой с возможностью вертикального перемещения установлена Г-образная пластина, при этом винт одним концом через гайку и полку указанной пластины упирается в пружину, а вторым соединен с реверсивным мотор-редуктором, причем датчик регистрации изменения усилия расположен напротив второй полки Г-образной пластины. Держатели образцов устройства выполнены съемными.
В заявляемом устройстве узел нагружения, как и в прототипе, опирается катками, что дает возможность без влияния узла нагружения, т.е. исключая силы сопротивления движению, оценить силы, возникающие между образцами в паре трения, что влияет на точность измерений. В заявляемом устройстве отсутствие механической связи между держателями и узлом нагружения, т.е. применение оптических датчиков повышает точность измерений.
Поскольку оптические датчики соединены с персональным компьютером посредством проводов, т.е. через порт мыши или без них (непосредственно, т.е. беспроводной связью), становится возможным быстро и точно исследовать трибологические характеристики материалов, т.е. решить поставленную задачу.
Установленные оптические датчики вблизи держателей образцов без дополнительного блока согласования могут преобразовать механические перемещения в электрический сигнал, воспринимаемый компьютером. По сути, оптические датчики являются одновременно и датчиком регистрации усилий и перемещения, и блоком согласования (преобразователем) с компьютером. Дополнительный датчик регистрации усилия нагружения позволяет фиксировать задаваемые значения нагрузки с большой точностью и автоматически регистрировать изменение параметров трения от изменения нагрузки.
На фиг.1. показана общая схема устройства, на фиг.2. - блок схема оптического датчика.
Устройство состоит из механизмов привода платформы возвратно-поступательного перемещения образцов, узла нагружения, держателей образцов и измерительной системы (фиг.1).
На основании выполнены направляющие, на которых установлена платформа 1 с катками, на которой расположен держатель 2 образца 3. Сверху образца 3 установлен контробразец 4 со своим держателем 5. Образец 3 и контробразец 4 образуют пару трения. Держатели 2,5 образцов 3, 4 выполнены съемными. Съемные держатели образцов расширяют диапазон испытуемых элементов конструкций и материалов. Тележка 1 снабжена четырьмя катками. Приводом возвратно-поступательного перемещения служит кривошипно-шатунный механизм, соединенный с реверсивным двигателем 6 через червячную передачу 7. Узел нагружения устройства состоит из передачи винт-гайка, винт 8 которого упирается одним концом через гайку 9 в пружину 10, а другим соединен реверсивным мотор-редуктором 11. Во втулке 12 выполнены направляющие (прорези по длине) для движения Г-образной пластины 13 и гайки 9 со штифтом по вертикали.
Пластина 13 установлена между верхним концом пружины 10 и гайкой 9 для регистрации деформации пружины 10. Нижний конец пружины 10 упирается в нагрузочную площадку 14 с направляющими, установленной на катках верхней тележки 15. Механизм нагружения присоединен к направляющим (стойкам) с возможностью регулировки по-вертикали. Катки верхней тележки 15 выполнены подобными каткам тележки 1.
Измерительная система устройства состоит из датчиков перемещения 16 и регистрации усилий 17 и регистрации изменения усилий 18. Датчики 16, 17, 18 размещены на стойке, которая установлена на основании. В измерительную систему входит также регистрирующая аппаратура, роль которой выполняет компьютер. Датчики 16, 17, 18 соединены с компьютером. Все датчики 16, 17, 18 (фиг.2) выполнены оптическими и по сути являются датчиками-преобразователями.
Датчик-преобразователь содержит систему фокусирующих линз 19. Линза 20 установлена так, что свет от излучателя 21 сфокусирован на поверхности исследуемого объекта 22, т.е. на поверхности держателей 2, 3 или Г-образной пластины 13 (фиг.1). В качестве излучателя 21 может быть использован любой излучатель света, например, светодиод, инфракрасный излучатель. Вторая линза 23 системы фокусирующих линз 19 установлена таким образом, чтобы отраженный с поверхности исследуемого объекта 22 свет был направлен на оптический сенсор 24. Оптический сенсор 24 соединен через интерфейс с компьютером 25 и выполнен в виде микросхемы, преобразующей световые сигналы в электрические.
Устройство работает следующим образом. От двигателя 6 и червячного редуктора 7 движение передается через кривошипно-шатунный механизм к платформе 1, которая в свою очередь приводит в движение держатель образца 2 с образцом 3. Вертикальная нагрузка на образцы 3, 4 создается передачей винт-гайка приводимой в движение реверсивным мотор-редуктором 11. Нагрузка передается через пружину 10, которая деформируется при нагружении. Деформацию пружины 10 регистрирует датчик 18. Так как нагрузочная площадка 14, размещена на тележке с катками 15, которая передает нагрузку на держатель 5 контробразца 4, и платформа 1, которая совершает возвратно-поступательное движение с держателем 2 образца 3, имеет аналогичные катки, то верхний держатель 5, как и в прототипе, имеет возможность двигаться за счет сил трения между образцами, и механизм нагружения не оказывает влияние на измерения.
В результате взаимодействия сил трения между образцами 3, 4 будет двигаться и верхний держатель 5 с тележкой 15. Измеряемые перемещения преобразуются в электрические импульсы в оптических датчиках 16, 17. Задаваемая величина усилия нагружения регистрируются датчиком 18. Информация от датчиков 16, 17, 18 вводится в компьютер.
Датчик работает следующим образом (фиг.1). В результате перемещения держателей 2, 5 образцов 3, 4 и перемещения пластины 18 под действием нагрузки, свет будет отражаться с каждого участка перемещаемой поверхности указанных элементов. Световые импульсы преобразуются в электрические импульсы в оптическом сенсоре 24 (фиг.2). Происходит это следующим образом. С помощью излучателя света 21 и линзы 20 подсвечивается участок соответствующей поверхности исследуемого объекта 22. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается другой линзой 23 и попадает на оптический сенсор 24. Микросхема сенсора 24 по сути является процессором обработки изображений. На основании череды последовательных снимков оптический сенсор 24 высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о перемещении объекта вдоль осей Х и У, и передает результаты своей работы через интерфейс непосредственно в компьютер. Таким образом, при возникших в процессе испытания движениях соответствующего объекта 22 выполняются снимки поверхности, а именно поверхности держателей 2, 5, пластины 13, которые регистрируются оптическим сенсором 24, отображаются на мониторе компьютера 25.
Непосредственная связь датчиков 16, 17, 18 (фиг.1) с компьютером дает возможность, используя соответствующие программы, на мониторе получить диаграммы: усилие трения - перемещения - нагрузка; усилие - нагрузка, 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.
1. Устройство для испытания материалов на трение, содержащее установленную на основании платформу на катках, на которой расположены держатели, выполненные с пазами для соответствующего расположения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения платформы с катками, которая расположена на держателе контробразца, датчик регистрации усилий и датчик регистрации перемещения, установленные на основании, и компьютер, соединенный с указанными датчиками, в состав каждого из которых входит излучатель и приемник излучения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит датчик регистрации изменения усилия, установленный напротив узла нагружения, при этом датчик регистрации перемещения установлен напротив держателя образца, датчик регистрации усилий - напротив держателя контробразца, причем все датчики выполнены оптическими, для чего каждый из них дополнительно содержит фокусирующие линзы, одна из которых установлена с возможностью фокусирования света от излучателя, а другая - с возможностью фокусирования отраженного света от соответствующей поверхности на приемник излучения, кроме этого, приемник излучения выполнен в виде оптического сенсора, который соединен с компьютером.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптические сенсоры датчиков соединены с компьютером посредством проводной связи.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соединение оптических сенсоров датчиков с компьютером выполнено бесконтактным.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел нагружения в заявляемом устройстве выполнен в виде передачи винт-гайка и пружины, между верхним концом которой и гайкой с возможностью вертикального перемещения установлена Г-образная пластина, при этом винт одним концом через гайку и полку указанной пластины упирается в пружину, а вторым соединен с реверсивным мотор-редуктором, причем датчик регистрации изменения усилия расположен напротив второй полки Г-образной пластины.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что держатели образцов устройства выполнены съемными.
