Способ определения противоизносных и (или) антифрикционных свойств трибосистемы с одним линейным контактом постоянной протяженности и устройство для его осуществления

Изобретение относится к трибологии и триботехнике граничной смазки, в частности к способам и средствам оценки противоизносных и/или антифрикционных свойств смазочных материалов, присадок к ним, сочетаний конструкционных материалов совместно со смазочной средой как жидкой, так и газообразной природы, как циркулирующим, так и нециркулирующим видом подачи.

На сегодняшний день нет методик и средств испытаний смазочных материалов по их главным потребительским свойствам: противоизносным и антифрикционным, которые были бы признаны всеми специализирующимися в этой области предприятиями различных стран мира. Эксплуатационные показатели качества, как то плотность, вязкость, температура вспышки в открытом тигле, динамическая вязкость и пр., всего десятки показателей, определяются признанными во всем мире методами и средствами. А главные потребительские свойства смазочных материалов - противоизносные и антифрикционные - по сей день на предприятиях в различных странах определяются своими методами и средствами, которые, как правило, недоступны потребителям и даже органам сертификации других стран.

В известных устройствах испытания производятся, как правило, путем трения скольжения вращающегося объекта, далее контртела, по поверхности или поверхностям одного или нескольких неподвижных образцов.

Как известно из трибологии граничной смазки, в процессе трения в таких условиях на трущихся поверхностях всегда образуются так называемые вторичные структуры. Такие же структуры образуются и в реальных узлах трения. Таким образом, вследствие трибохимического взаимодействия рабочих поверхностей со средой в процессе эксплуатации определяющим фактором противоизносных свойств всей трибосистемы являются свойства таких вторичных структур и свойства смазочной среды, которая также изменяется вследствие взаимодействия с поверхностями трения.

В силу большого разнообразия геометрии контакта трибосистем широкое распространение получили устройства испытаний смазочных и конструкционных материалов с точечным контактом, где контртелом является шар, который осуществляет трение скольжения по трем или четырем шарам. При трении поверхностей с такой геометрией контакта вследствие изнашивания каждый последующий акт изнашивания сопровождается уносом с рабочих поверхностей вторичных структур в виде продуктов изнашивания. Поэтому пространственный криволинейный вид контактирования в модельных трибосистемах принципиально не позволяет смоделировать образование вторичных структур на поверхности, что, в свою очередь, не позволяет произвести их испытания по противоизносным и антифрикционным свойствам.

Другой распространенный вид контактирования в испытательных устройствах - поверхность по поверхности. Однако известен ряд недостатков такой схемы контактирования, как то недостаточная воспроизводимость начальных условий испытания контакта поверхность по поверхности (известно, что фактическая площадь контакта находится в пределах от 20% до 80% от номинальной площади). Существующие методы преодоления этого недостатка путем предварительной приработки в абразивной среде вносят новые погрешности в виде вторичных структур от процесса приработки, а также шаржирования рабочих поверхностей притирочным абразивом. Поэтому криволинейные точечные контакты и контакты поверхность по поверхности не могут обеспечить два главных требования к испытаниям трибосистем по противоизносным и/или антифрикционным свойствам: в случае точечного контакта вторичные структуры невозможно сформировать, а затем испытать при одинаковых начальных условиях; в случае контакта поверхность по поверхности воспроизвести начальные условия весьма проблематично, а методы достижения таковых изначально вносят случайную и в некоторых случаях - неустранимую погрешность.

Именно поэтому наиболее корректными устройствами и способами испытаний смазочных и конструкционных материалов трибосистем являются устройства и способы, основанные на трении скольжения контртела в виде цилиндра, которое реализует трение скольжения своей образующей по плоскости или по образующей цилиндра другого радиуса (машина Тимкена, RFL Optimol Test System). В этом варианте выполняются требования высокой воспроизводимости начальных условий трения, а также возможность формирования вторичных структур, характерных данным условиям трения и свойствам конструкционных и смазочных материалов, которые после формирования путем испытаний можно оценить и таким образом прогнозировать противоизносные и антифрикционные свойства во времени. То есть линейный контакт трибосистем позволяет характеризовать поведение смазочных и конструкционных материалов по триботехническим свойствам, и хорошо моделирует работу реальных трибосистем во времени.

Известны устройства и способы оценки противоизносных и антифрикционных свойств трибосопряжений в статическом и динамическом режимах, предусматривающие физическое моделирование пары трения, которая реализует трение, после чего определяется величина износа, а в ходе испытаний производится регистрация динамических характеристик узла трения, как-то сила или момент трения, объемная температура среды, температура граничного слоя, контактная температура при определенных внешних условиях: скорости скольжения и осевой нагрузки (RU, пат. №2165077, G 01 N 3/56, опубл. 10.04.2001 г.).

Данное решение принято в качестве прототипа для заявленных объектов.

Однако данное устройство и реализуемый им способ не учитывают действительную физическую картину взаимодействия пары трения. Трибологические исследования процессов трения линейного контакта, образованного образующей цилиндра контробразца цилиндрической формы и неподвижного образца, а также многочисленные собственные исследования свидетельствуют о том, что противоизносные и антифрикционные свойства такого контакта, главным образом, определяются свойствами вторичных структур, образованных на контробразце.

Техническая задача, на решение которой должно быть направлено каждое изобретение заявленной группы изобретений, состоит в обеспечении возможности получения характеристик противоизносных и антифрикционных свойств с максимальной воспроизводимостью результатов испытаний, а также в обеспечении прогнозирования противоизносных и антифрикционных свойств во времени, т.е. с учетом образования вторичных структур на рабочих поверхностях. Технический результат, достигаемый при реализации каждого изобретения в заявленной группе изобретений, состоит в повышении воспроизводимости противоизносных и антифрикционных характеристик трибосистем с учетом образования вторичных структур на рабочих поверхностях, однако без обеспечения постоянства контакта высокая воспроизводимость недостижима.

Указанный технический результат для заявляемого способа достигается тем, что способ определения антифрикционных и противоизносных свойств трибосистемы с одним линейным контактом постоянной протяженности исключает его смещение от упругости чувствительного элемента силы трения и базируется на трении контробразца цилиндрической формы по неподвижному относительно контакта с образующей цилиндра контробразца плоскому или цилиндрическому образцу, которые могут быть изготовлены из любых конструкционных материалов, в среде смазочного материала или в любой другой среде. Испытания производятся путем трения одним и тем же контробразцом по образцу поэтапно. На первом этапе путем трения на новой, ранее не работавшей рабочей поверхности, образующей цилиндр контробразца, формируются вторичные структуры, характерные для испытуемой смазочной среды и конструкционных материалов, образующих трибосистему скольжения. Следующие этапы аналогичны предыдущему. Количество аналогичных этапов испытаний определяется стабилизацией величины износа (как правило, величина износа уменьшается, особенно в высокомолекулярных углеводородных средах - маслах и смазках), что сигнализирует о завершении процесса формирования вторичных структур на рабочей поверхности контртела, которые характерны данным условиям испытаний и свойствам рабочей среды (в случае циркуляции среды учитываются трибохимические, а также реологические изменения самой среды).

На последнем этапе испытывают образованные вторичные структуры на контробразце путем более длительного трения с сохранением прочих равных начальных условий (удельное давление и скорость) по новой, ранее не участвующей во фрикционном взаимодействии, поверхности того же образца. Это позволяет производить оценку противоизносных и/или антифрикционных свойств всей трибосистемы с учетом свойств образованных вторичных структур по интенсивности изнашивания образца, что определяет противоизносные и/или антифрикционные свойства смазочных и конструкционных материалов, характерные таковым в процессе длительной эксплуатации.

Указанный технический результат для заявляемого устройства достигается следующими конструктивными особенностями его исполнения.

Устройство включает в себя вал, на котором устанавливается контробразец, приводимый во вращение главным электроприводом через редуктор. Контробразец, представляющий собой ролик, осуществляет трение по плоскому или цилиндрическому, неподвижному относительно контакта с контробразцом образцу, установленному в ванне, которая, в свою очередь, закреплена в рамке с вертикальными направляющими. Вертикальные направляющие установлены в двух парах шарикоподшипниковых шкивов, которые обеспечивают свободное перемещение рамки вдоль осей, проходящих через центры качения шкивов, что обеспечивают соответствующие серьги. Серьги установлены на шарикоподшипниковых опорах, которые позволяют им вместе с рамкой вращаться относительно оси, проходящей через центр масс контробразца за счет того, что ш/подшипниковые опоры серьг установлены в платформе, которая имеет форму вилки. Платформа установлена на наружных кольцах шарикоподшипниковых опор, которые внутренними кольцами посажены на корпус и сцентрированы относительно оси вращения контробразца. Осевая нагрузка подводится на линейный контакт с помощью тросика, который свободными концами прикреплен к ванне с образцом. Замыкается тросик на шарикоподшипниковом шкиве, который крепится к балке нагружения и может с помощью регулировочного винта перемещаться в вертикальном направлении. Это обеспечивает подвод и съем осевой нагрузки через тросик и ванну с образцом на его контакт с образующей цилиндра контробразца. Таким образом, замкнутый тросик проходит через разнесенные по сторонам относительно контробразца шарикоподшипниковые направляющие нагрузки, которые установлены в платформе и обеспечивают вертикальное нагружение контакта относительно оси, проходящей через ось вращения шарикоподшипниковых опор серьг. Шкив с регулировочным винтом нагрузки установлен в подшипнике, который, в свою очередь, вращается относительно вала, установленного в серьге балки нагружения. Балка нагружения опирается на призму, которая закреплена на платформе с серьгами и с некоторым плечом (например, 1:10) свободным концом крепится к гибкой тяге нагрузки. Гибкая тяга нагрузки проходит через шарикоподшипниковый блок, который обеспечивает качание в оси вращения контробразца с помощью ее серьги, расположенной в шарикоподшипниковых опорах соосно с валом и контробразцом. Гибкая тяга выходит из блока в нижней точке касания с ним, которая расположена на оси вращения вала с контробразцом. После этого гибкая тяга крепится в электромеханическом приводе нагружения возвратно-поступательного движения, которое осуществляется также в оси вращения вала с контробразцом.

Данное устройство такой конструкции обеспечивает постоянство линейного контакта контробразца и образца, а также при возникновении контактного трения и соответствующем отклонении платформы обеспечивает смещение рамки с неподвижным образцом и балки нагружения относительно оси вращения контробразца без смещения контакта и без перераспределения на нем нагрузки, которая в других случаях становится составляющей измеряемой величины силы трения.

Возможность осуществления заявляемых изобретений, охарактеризованных приведенными выше совокупностями признаков, а также возможность реализации назначений изобретений может быть подтверждена описанием конструкции и работы устройства определения противоизносных и/или антифрикционных свойств трибосистемы с одним линейным контактом постоянной протяженности, исключающим смещения от упругости чувствительных элементов силы трения и от отклонений образующей цилиндра контробразца в контакте, выполненного в соответствии с изобретениями заявленной группы изобретений.

Указанное описание поясняется графическим материалом, где на чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Согласно настоящему изобретению способ определения противоизносных и/или антифрикционных свойств трибосистемы с одним линейным контактом постоянной протяженности, исключающий смещение контакта, вызываемое смещением чувствительных элементов, определяющих силу трения, и отклонения образующей цилиндра контробразца в контакте от оси его вращения, заключается в том, что:

- при первичном соприкосновении образуют линейный контакт между цилиндрической формы контробразцом и плоским или цилиндрическим образцом с возможностью перемещения образца вдоль вертикальной оси Y и одновременного вращения относительно горизонтальной оси Х и вращения вокруг оси Z, которая перпендикулярна плоскости вращения контробразца и пересекается с осями Х и Y в центре масс контробразца;

- осуществляют трение путем скольжения контробразца поверхностью, образующей цилиндр, по неподвижному относительно контакта образцу с обеспечением постоянной протяженности контакта при его эволюции за счет отклонений образующей цилиндра контробразца от оси его вращения;

- создают нагрузку на контакте таким образом, что при отклонении образца вокруг оси Z за счет возникновения силы трения, которая отклоняет чувствительный элемент для ее измерения, ось нагружения так же одновременно отклоняется на тот же угол в плоскости контробразца XY вокруг оси вращения контробразца Z.

При этом трение одним и тем же контробразцом по образцу осуществляют поэтапно для формирования на первых этапах на рабочей поверхности контробразца образующихся вторичных структур и проведения на последнем этапе испытания их противоизносных и антифрикционных свойств, в среде, которая также изменяет свои трибохарактеристики, при этом на первом этапе осуществляют трение скольжения новой поверхностью, образующей цилиндр контробразца, по новой поверхности образца заданное время при выбранной нагрузке и скорости, на втором этапе тем же контробразцом осуществляют трение скольжения той же поверхностью, образующей цилиндр, по новой поверхности образца на тех же или измененных режимах, каждый следующий этап повторяет предыдущий, а на последнем этапе трение осуществляют в течение времени, превышающего время осуществления трения на первых этапах.

Данный способ может быть реализован устройством для определения противоизносных и антифрикционных свойств трибосистемы с одним линейным контактом постоянной протяженности, исключающим смещение контакта, вызываемое смещением чувствительных элементов, определяющих силу трения, и отклонения образующей цилиндра контробразца в контакте от оси его вращения. Это устройство содержит вал, который приводится во вращение электроприводом через редуктор и на котором установлен контробразец цилиндрической формы, рамку в направляющих вертикального ее перемещения, которые установлены в опорах качения, разнесенных и установленных на общей вертикальной платформе, которая установлена на наружном кольце подшипника качения, внутреннее кольцо которого закреплено на неподвижном корпусе соосно с осью вращения вала с контробразцом, а неподвижный относительно контакта плоский или цилиндрический образец установлен в ванне на рамке перпендикулярно ее вертикальным направляющим и параллельно образующей цилиндр контробразца в контакте, который возникает при создании усилия через замкнутый трос, прикрепленный двумя концами к нижней горизонтальной платформе рамки и пропущенный через два вращающихся блока, которые установлены в вертикальной платформе и направляют трос перпендикулярно контакту с постоянными точками приложения вертикальной нагрузки, образующими линию, проходящую через центр масс контробразца и пропущенный через верхний блок с направляющей канавкой, который прикреплен к одному концу балки нагружения для создания усилия строго перпендикулярно контакту за счет плеча балки нагружения, которая имеет опору на вертикальной платформе, и к ее свободному концу прикреплена гибкая тяга, проходящая через блок, установленный на серьге с валом, который установлен в шарикоподшипниковых опорах вращения, центрированных относительно оси вращения контробразца, а свободный конец гибкой тяги после выхода из блока расположен на оси вращения вала и закреплен в приводе нагружения возвратно-поступательного движения по оси вращения вала с контробразцом.

Ниже приводится пример конкретного исполнения устройства (см. чертеж).

Контробразец 1 неподвижно закреплен на валу 2. Образец 3 неподвижно установлен в ванной 4, которая неподвижно жестко закреплена на нижней горизонтальной балке 5 рамки.

Контробразец 1, приводимый во вращение электроприводом 6, через редуктор 7 контактирует с неподвижным относительно контакта образцом 3, закрепленным в ванной 4. Балка 5 вместе с параллельными вертикальными направляющими 8 и верхней горизонтальной балкой 9 образуют рамку. Вертикальные направляющие 8 рамки расположены в шкивах 10 на шарикоподшипниках, которые разнесены относительно оси Z и установлены в серьгах 11. Серьги 11 со шкивами 10 направляющих рамки установлены в шарикоподшипниковых опорах 12, которые закреплены в платформе 13, позволяющие вращаться рамке с серьгами относительно оси X, проходящей через центр масс контробразца. Платформа 13 установлена на наружных кольцах ш/подшипниковых опор, которые внутренними кольцами неподвижно установлены на корпусе таким образом, что их ось вращения совпадает с осью вращения вала с контробразцом и проходит через центр масс контробразца. Нагрузка на контакте создается с помощью тросика 14, который свободными концами крепится к ванной 4 с неподвижным образцом 3. Этот тросик нагружения 14, проходя через боковые шарикоподшипниковые шкивы 15, замыкается на верхнем шарикоподшипниковом блоке 16, который закреплен в серьге 17 и регулируется с помощью гайки 18. Боковые шкивы 15 установлены в шарикоподшипниковых опорах, которые установлены в платформе 13 таким образом, что нижние точки касания тросика нагружения 14 с ними находятся на оси X, проходящей через центр масс контробразца 1. Серьга 17 проходит через центр вращения подшипника 19, который установлен в передней серьге балки нагружения 20. Балка нагружения 20 опирается своей призмой 21 на призму 22 платформы 13 параллельно оси Х и свободным концом с большим плечом крепится посредством серьги 23 балки нагружения 20 и подшипника 24 этой серьги посредством гибкой тяги нагружения 25, которая проходит через блок 26, установленный на серьге 27. Серьга 27 крепится в подшипниковых опорах 28 так, что ось вращения серьги 27 и нижняя точка касания гибкой тяги 25 с блоком 26 лежат на оси вращения вала 2 с контробразцом 1. Гибкая тяга 25 после блока 26 крепится к электромеханическому приводу 29 возвратно-поступательного движения, которое осуществляется также в оси вращения вала 2 с контробразцом 1, то есть в оси Z.

Тензодатчики осевой нагрузки 30 установлены на балке нагружения 20 в равнопрочном сечении и регистрируют величину осевой нагрузки. Сила трения регистрируется с помощью тензодатчиков 31 силы трения, которые крепятся на тензобалке силы трения 32.

Устройство работает следующим образом.

С помощью вращения гайки 18 посредством тросика нагружения 14 ванная 4 с образцом 3 со всей рамкой поднимается вверх направляющими рамки 8 по шкивам качения 10. Тензодатчики 30 балки нагружения 20 сигнализируют об установлении линейного контакта контробразца 1 и образца 3. После этого в соответствии с выбранной программой испытаний электропривод 6 приводит во вращение ведущую шестерню редуктора 7, ведомая шестерня которого приводит во вращение вал 2 с контробразцом 1 до выхода на заданную скорость скольжения. Также с помощью программного обеспечения задается программа подачи электропитания на электромеханический привод возвратно-поступательного движения 29, который производит натяжение гибкой тяги нагружения 25 через блок 26 и таким образом создает усилие на серьге 23 балки нагружения 20. Это усилие направлено вниз и через призму 22, на которой возникает реакция, создает усилие на контакте пропорционально отношению расстояния от оси вращения подшипника 19 балки нагружения 20 до соприкосновения призм 21 и 22 и расстояния между линией соприкосновения последних до оси вращения подшипника 24 серьги 23 балки нагружения 20. Таким образом, нагрузка, создаваемая на контакте контробразца 1 и образца 3, может производиться с разной скоростью, до разных значений в соответствии с выбранной программой нагружения.

Постоянство линейного контакта относительно центра масс контробразца 1 обеспечивается качанием образца 3 вместе с вертикальными направляющими 8 рамки в подшипниковых опорах серег 11 вокруг оси X, которая проходит через нижние точки касания тросика нагружения 14 с боковыми шарикоподшипниковыми шкивами 15 и через центр масс контробразца 1. Таким образом, отклонение образующей цилиндра контробразца 1 в контакте будет сопровождаться соответствующим отклонением образца 3 относительно центра масс контробразца 1, что обеспечивает самоустанавливающееся равномерное распределение контактных напряжений по всей номинальной протяженности контакта.

Измерение силы трения скольжения, которая возникает на линейном контакте контробразца 1 с образцом 3, производится следующим образом. Тангенциальная сила трения передается через ванную 4 посредством вертикальных направляющих 8 рамки через шкивы направляющих 10 рамки и серег 11 посредством шарикоподшипниковых опор 12 этих серег 11 на платформу 13. Платформа 13 отклоняется в сторону скольжения за счет отклонения тензобалки силы трения 32, при этом соответственно отклоняется и балка нагружения 20, а так как нижняя точка касания гибкой тяги нагружения 25 и блока 26 находится на оси Z, то есть на оси вращения вала 2 с контробразцом 1, то отклонение всей платформы 13 при измерении силы трения не приводит к перераспределению нагрузки на контакте, и, таким образом, измеряемые показания величины силы трения обеспечивают постоянство нагружения при эволюциях тензобалки силы трения 32.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как может быть реализовано с использованием средств и технологий конструирования, обычно применяемых для испытательных стендов.

1. Способ определения противоизносных и/или антифрикционных свойств трибосистемы с одним линейным контактом постоянной протяженности, исключающий смещение контакта, вызываемое смещением чувствительных элементов, определяющих силу трения, и отклонения образующей цилиндра контробразца в контакте от оси его вращения, заключающийся в том, что при первичном соприкосновении образуют линейный контакт между цилиндрической формы контробразцом и плоским или цилиндрическим образцом с возможностью перемещения образца вдоль вертикальной оси Y и одновременного вращения относительно горизонтальной оси Х и вращения вокруг оси Z, которая перпендикулярна плоскости вращения контробразца и пересекается с осями Х и Y в центре масс контробразца, осуществляют трение путем скольжения контробразца поверхностью, образующей цилиндр, по неподвижному относительно контакта образцу с обеспечением постоянной протяженности контакта при его эволюции за счет отклонений образующей цилиндра контробразца от оси его вращения и создают нагрузку на контакте таким образом, что при отклонении образца вокруг оси Z за счет возникновения силы трения, которая отклоняет чувствительный элемент для ее измерения ось нагружения также одновременно отклоняется на тот же угол в плоскости контробразца XY вокруг оси вращения контробразца Z, отличающийся тем, что трение одним и тем же контробразцом по образцу осуществляют поэтапно для формирования на первых этапах на рабочей поверхности контробразца образующихся вторичных структур и проведения на последнем этапе испытания их противоизносных и антифрикционных свойств в среде, которая также изменяет свои трибохарактеристики, при этом на первом этапе осуществляют трение скольжения новой поверхностью, образующей цилиндр контробразца, по новой поверхности образца заданное время при выбранной нагрузке и скорости, на втором этапе тем же контробразцом осуществляют трение скольжения той же поверхностью, образующей цилиндр, по новой поверхности образца на тех же или измененных режимах, каждый следующий этап повторяет предыдущий, а на последнем этапе трение осуществляют в течение времени, превышающем время осуществления трения на первых этапах.

2. Устройство для определения противоизносных и антифрикционных свойств трибосистемы с одним линейным контактом постоянной протяженности, исключающее смещение контакта, вызываемое смещением чувствительных элементов, определяющих силу трения, и отклонения образующей цилиндра контробразца в контакте от оси его вращения, содержащее вал, который приводится во вращение электроприводом через редуктор и на котором установлен контробразец цилиндрической формы, рамку в направляющих вертикального ее перемещения, которые установлены в опорах качения, разнесенных и установленных на общей вертикальной платформе, которая установлена на наружном кольце подшипника качения, внутреннее кольцо которого закреплено на неподвижном корпусе соосно с осью вращения вала с контробразцом, а неподвижный относительно контакта плоский или цилиндрический образец установлен в ванне на рамке перпендикулярно ее вертикальным направляющим и параллельно образующей цилиндра контробразца в контакте, который возникает при создании усилия через замкнутый трос, прикрепленный двумя концами к нижней горизонтальной платформе рамки и пропущенный через два вращающихся блока, которые установлены в вертикальной платформе, и направляют трос перпендикулярно контакту с постоянными точками приложения вертикальной нагрузки, образующими линию, проходящую через центр масс контробразца, и пропущенный через верхний блок с направляющей канавкой, который прикреплен к одному концу балки нагружения для создания усилия строго перпендикулярно контакту за счет плеча балки нагружения, которая имеет опору на вертикальной платформе, и к ее свободному концу прикреплена гибкая тяга, проходящая через блок, установленный на серьге с валом, который установлен в шарикоподшипниковых опорах вращения, центрированных относительно оси вращения контробразца, а свободный конец гибкой тяги после выхода из блока расположен на оси вращения вала и закреплен в приводе нагружения возвратно-поступательного движения по оси вращения вала с контробразцом.