Устройство для трибометрических исследований (варианты)

Устройство для трибометрических исследований (варианты)

Реферат

 

Устройство предназначено для трибометрических исследований и содержит калориметрический сосуд с жидкостью, внутри которого размещена изолированная от калориметрической жидкости измерительная ячейка, содержащая устройство для обеспечения градуировки калориметрического сосуда и рабочий узел трения, включающий подвижно и неподвижно установленные образцы трения и соединенный с рычажным нагрузочным устройством, расположенным вне калориметрического сосуда. Устройство позволяет осуществить исследование процессов сухого трения, а также любых смазочных и конструкционных материалов с высокой точностью. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области трибометрии, в частности, к конструкциями устройств для прецензионных исследований процессов трения и износа как в присутствии смазочных материалов различного типа, так и в их отсутствии (при изучении процессов "сухого трения" конструкционных материалов).

Под смазочными материалами понимают сложные соединения или их смеси, строение и состав которых в процессе эксплуатации может изменяться и становиться еще более сложным. Смазочные материалы включают в себя разнообразные и разнотипные группы индивидуальных химических соединений или их композиций. Каждый тип смазочных материалов и конструкционных материалов требует специфических и адекватных исследования. При этом методы, выбираемые для исследования влияния процессов трения на физико-химические и термофизические свойства таких материалов должны быть достаточно точными и информативными. Известные методы триботехнических испытаний смазочных и конструкционных материалов заключаются в оценке их антифрикционных и противозадирных свойств на лабораторных установках, приборах или специальных стендах, однако эти испытания не позволяют с достаточной полнотой охарактеризовать процессы трения.

Известна конструкция универсальной испытательной машины трения типа КТ-2 или МАСТ - 1, которые используются для определения температурной стойкости смазочных материалов для различных пар трения. Конструкция машины включает вертикальный шпиндель, который вращается с определенной частотой вращения и имеет патрон для закрепления верхнего вращающегося образца (шар или цилиндрический образец с конической шлифованной поверхностью). Верхний образец контактирует с неподвижными образцами, укрепленными в чашке с исследуемым смазочным материалом. Известное устройство предусматривает осуществление шести возможных схем трения. При помощи имеющегося электрического нагревателя температура узла трения и окружающегося его слоя смазочного материала может изменяться в интервале 20 - 300^oC. Испытания проводят при заданных величинах скорости скольжения, осевой нагрузки и режиме измерения температуры. Метод испытания стандартизован по ГОСТ 23.221-84. Известная конструкция не может быть использована для высокоточных (прецезионных) триботехнических испытаний и обеспечивает возможность получения недостаточно широкого набора триботехнических характеристик.

Известно устройство для исследования энергетического баланса при внешнем трении металлов, представляющее собой массивный калориметр, внутри которого размещен рабочий узел трения. Известное устройство может быть использовано для целей квалифицированных трибологических исследований и, в частности, позволяет наряду с оценкой традиционных (противоизносных, противозадирных, антифрикционных и др. ) характеристик пар трения изучать и энергетический баланс процесса внешнего трения. Применение такого прибора в наибольшей степени отвечает задачам, стоящим перед авторами предлагаемого технического решения, поэтому данную конструкцию, выбрали в качестве прототипа.

Известное устройство включает в себя конструкцию массивного калориметра (в оригинале изотермический микрокалориметр, внутри которого размещены: рабочий узел трения, нагрузочное устройство, нагреватель для обеспечения градуировки калориметра, мешалка и термометр. Рабочий узел трения представляет собой две пары кольцевых образцов, из которых наружные - верхний и нижний, неподвижно закреплены к крышке и дну, соответственно, калориметрического сосуда. Внутренние образцы установлены подвижно и закреплены с возможностью поворота посредством шаровых подшипников к валу, который приводит их во вращение. Нагрузочное устройство пружинного типа представляет собой оттарированную пружину. Вращение испытуемых образцов осуществляют с помощью шпинделя, оснащенного устройством для замера силы трения.

Однако известное устройство не позволяет обеспечить необходимой для прецезионных исследований точности измерений в силу следующих основных причин: наличие двух пар трения приводит к неоднозначности интерпретаций величины теплового эффекта в конкретной паре трения; использования исследуемой среды в качестве калориметрической жидкости; различие теплофизических свойств испытуемых образцов существенно влияет на точность и воспроизводимость трибологических данных и величины "постоянной калориметра"; работа нагрузочного устройства, выполненного в виде оттарированной пружины, помещенной в исследуемую среду оказывает большое влияние не только на величину случайной, но и систематической погрешности, которую практически невозможно учесть из опыта в опыт. На величину погрешности эксперимента будет влиять толщина, величина износа, продолжительность эксплуатации пар трения, а также величины упругости и линейного теплового расширения пружины; конструктивное исполнение пар трения около стенок калориметрического сосуда, а нагревателя электрической градуировки на значительном расстоянии от зоны трения, приводит к дополнительным теплопотерям и увеличивает "инертность прибора"; расположение нагрузочного устройства в исследуемой среде существенно затрудняет эксплуатацию, так как требует практически полной разборки прибора при переходе на другой тепловой режим или при необходимости смены исследуемой среды.

Кроме того, подобное конструктивное исполнение снижает функциональные возможности использования прибора, поскольку на известном устройстве невозможны исследования не только пластичных и твердых смазочных материалов, но и процессов "сухого трения" конструкционных материалов.

Технической задачей авторов предлагаемого изобретения является создание устройства для трибометрических исследований, обеспечивающего повышение точности измерений, расширяющего функциональные возможности использования при исследовании процесса трения смазочных и конструкционных материалов различной природы наряду с простотой обслуживания и удобства в эксплуатации.

Указанная техническая задача решается предлагаемой конструкцией устройства для трибометрических исследований, изображенного на схемах (фиг. 1 и 2) в двух возможных вариантах исполнения.

По первому варианту (фиг. 1) внутри калориметрического сосуда, содержащего калориметрическую жидкость, размещена измерительная ячейка, содержащая нагреватель для обеспечения электрической градуировки калориметра, нагрузочное устройство и узел трения. Последний содержит верхний образец трения, укрепленный с возможностью вращения и нижний образец трения, установленный неподвижно относительно корпуса обособленной измерительной ячейки.

Подвижный образец закреплен к валу вращения, имеющего теплоизолирующую вставку и закрепленные на нем лопасти мешалки для эффективности перемешивания калориметрической жидкости. Вал через устройство для замера силы трения (любой известной конструкции) соединен через редуктор с электроприводом.

Измерительная ячейка установлена на верхней части измерительного штока, расположенного внутри установочной втулки. Под измерительной ячейкой расположено коромысло, одно плечо которого соединено с измерительным штоком, а другое - с нагрузочным штоком. Противоположный конец нагрузочного штока вынесен вне калориметрического сосуда и через датчик нагрузки соединен с нагрузочным узлом. Нагрузочное устройство представляет собой конструкцию рычажного типа, включающую следующие основные элементы: рычаг, одним концом шарнирно закрепленный в независимой опоре, платформу с калиброванными узлами, стойку с закрепленным на ней элементом наложения или снятия нагрузки на рабочей узел трения (арретиром).

По второму варианту (фиг. 2) внутри калориметрического сосуда также размещена обособленная измерительная ячейка, содержащая нагреватель для обеспечения электрической градуировки калориметра, нагрузочное устройство и узел трения. Рабочий узел трения включает образец трения, установленный с возможностью вращения, и верхний, установленный неподвижно, образец. Вал вращения, выполненный полым и одновременно приводящий в движение закрепленный на его наружной поверхности лопасти мешалки для постоянного и эффективного перемешивания калориметрической жидкости, соединен через редуктор с электроприводом. К нижнему концу полого вала прикреплен стакан с окнами, на дне которого с помощью фиксатора закреплен подвижный образец трения. Нагрузка между образцами трения создается за счет нагрузочного устройства, вынесенного за пределы калориметрического сосуда, через нагрузочный шток, расположенный внутри вала вращения. Для исключения перекоса нагрузочного штока относительно внутренней поверхности вала вращения имеются два пояса касания, обеспечивающих линейный или точечный контакт с внутренней поверхностью вала вращения. При этом расстояние между поясами касания составляет не менее пяти диаметров нагрузочного штока. Нагрузочный шток через датчик нагрузки (любой известной конструкции) связан с нагрузочным устройством.

Объединение двух технических решений в одну заявку обусловлено тем, что варианты исполнения относятся к объектам одного вида, одинакового назначения и обеспечивающих получение одного и того же технического результата, в частности повышение точности измерений, расширение функциональных возможностей применения прибора при одновременном снижении трудозатрат при эксплуатации при проведении измерений. Варианты исполнения устройства являются практически равноценными для достижения поставленной технической задачи и не могут быть объединены обобщающим родовым понятием.

Сопоставленный анализ с прототипом предлагаемых конструктивных исполнений устройства для трибометрических исследований позволяет выделить ряд существенных отличительных признаков: процесс трения осуществляется в обособленной измерительной ячейке, содержащей нагреватель для обеспечения электрической градуировки и калориметрического сосуда и рабочий узел трения, включающий неподвижный и подвижный образцы; нагрузка между образцами задается с помощью рычажного нагрузочного устройства, вынесенного за пределы калориметрического сосуда, через систему передачи нагрузки, включающую измерительный шток, установочную втулку, нагрузочный шток (по первому варианту), либо через датчик нагрузки и нагрузочный шток, расположенный внутри полого вала (по второму варианту); удобство в эксплуатации обеспечивается конструкцией элемента наложения или снятия нагрузки без необходимости разборки прибора и при удобном способе изменения величины задаваемой нагрузки; снижение трудозатрат при проведении измерений обеспечивается предлагаемой конструкцией измерительной ячейки и съемными рабочими образцами трения. В результате не требуется большого количества испытуемых материалов и обеспечивается легкость доступа и промывки деталей измерительной ячейки.

Отмеченные выше отличительные особенности конструктивного исполнения являются существенными для достижения технического результата, а именно, повышения точности измерений и расширения функциональных возможностей прибора при исследованиях процесса трения различных видов смазочных материалов, удобства в эксплуатации.

Таким образом, можно утверждать о соответствии заявляемого технического решения критериям изобретения "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен первый вариант предлагаемого устройства.

Исследуемый смазочный материал 1 помещается в рабочий узел трения, состоящий из двух образцов: нижнего неподвижного 2 и верхнего подвижного 3, помещенных в функционально обособленную измерительную ячейку 4, содержащую нагреватель 5 для обеспечения электрической градуировки калориметра. Неподвижный образец 2 закреплен на дне измерительной ячейки 4, а верхний подвижный образец жестко прикреплен к валу вращения 6. Измерительная ячейка 4, имеющая изолированную от калориметрической жидкости 13 рабочую зону, установлена на верхней части измерительного штока 7, который расположен внутри установочной втулки 8, и охватывается ею на высоту не менее пяти диаметров штока для исключения перекоса. На внешней поверхности установочной втулки 8 имеются гнезда 9, в которые входят направляющие 10 измерительной ячейки 4. Направляющие 10 удерживают измерительную ячейку 4 поворота вокруг вертикальной оси и обеспечивают ее вертикальное перемещение.

Вал вращения 6, с жестко закрепленным на нем с помощью фиксатора образцом трения 3, содержит теплоизолирующую вставку 11, лопасти 12 для активного перемешивания калориметрической жидкости 13 и устройство 14 для измерения силы трения (любой известной конструкции). Вращение валу 6 задается через редуктор 15 электродвигателем 16. Скорость вращения контролируется тахометром 17.

Нижняя часть измерительного штока 19 шарнирно соединена с левым плечом коромысла 18, а правое плечо коромысла 18 шарнирно соединено с нагрузочным штоком 7, верхняя часть которого через датчик нагрузки 20 связана с нагрузочным устройством, содержащим основные элементы: рычаг 21, который одним концом шарнирно закреплен в независимой опоре, а другим связан с грузовой платформой, платформу с грузами 22, стойку с закрепленным на ней элементом наложения или снятия нагрузки (арретиром) 23. Нагрузочный шток 7 в верхней части имеет теплоизолирующую вставку 24.

Измерительная ячейка 4 с исследуемым смазочным материалом 1 и трущимися рабочими образцами 2 и 3, расположена в калориметрическом сосуде 25, в котором находится необходимое количество калориметрической жидкости 13. Калориметрический сосуд 25 расположен внутри термостата 26 и через воздушную изоляцию 27 отделен от внутренней среды термостата 26. Термостат 26 изолирован от окружающей среды теплоизоляцией 28. Внутри термостата 26 расположена магнитная мешалка 29, вращаемая электродвигателем 30, нагреватель 31, регулировочная термопара 32 и регистрирующий платиновый термометр сопротивления 33. Помимо измерительной ячейки 4 внутри калориметрического сосуда 25 расположены: высокоточный измерительный платиновый термометр сопротивления 34, лопасти перемешивающего узла 12, элементы передачи нагрузки от рычажного нагрузочного устройства к рабочему узлу трения, включающие нагрузочный шток 7 с теплоизолирующей вставкой 24, коромысло 18, измерительный шток 19, установочную втулку 8 с размещенными на ней гнездами 9 и направляющими 10. Рычажное нагрузочное устройство с составляющими его элементами (рычаг 21, платформа с грузами 22, стойка с арретиром 23), а также редуктор 15, электродвигатель 16, тахометр 17 - вынесены за пределы термостата 26 и неподвижно установлены на массивной металлической платформе 34.

На фиг. 2 изображен второй вариант конструкции заявляемого устройства.

Исследуемый смазочный материал 1 помещается в узел трения, состоящий из двух рабочих образцов: верхнего неподвижного 2 и нижнего подвижного 3, помещенных в измерительную ячейку 4, содержащую нагреватель 5 для обеспечения электрической градуировки калориметрического сосуда. При этом, с помощью фиксаторов подвижный образец 3 закреплен на дне стакана 6, а неподвижный образец 2 - на нагрузочном штоке 7. Стакан 6 имеет окна 8 и 9 для обеспечения надежного доступа исследуемого смазочного материала 1 к трущимся образцам 2 и 3. Стакан 6 закреплен к полому валу вращения 10, трущимся образцам 2 и 3. Стакан 6 закреплен к полому валу вращения 10, который содержит теплоизолирующую вставку 11 и лопасти 12 для активного перемешивания калориметрической жидкости 13. В верхней части полый вал 10 жестко соединен с червячным колесом 14 редуктора 15. Движение валу редуктора 15, а значит и полому валу 10 задается электродвигателем 1. Скорость вращения контролируется тахометром 17.

Нагрузочный шток 7 с закрепленным на его нижнем конце неподвижным образцом 2 расположен внутри полого вала 10. Нагрузочный шток 7 в средней части содержит теплоизолирующую вставку 18, узел для измерения силы трения 19 (любой известной конструкции), а верхним концом через датчик нагрузки 20 связан с нагрузочным устройством, содержащим рычаг 21, платформу с грузами 22, стойку с арретиром 23.

Для исключения перекоса нагрузочного штока 7 относительно внутренней поверхности полого вала 10 нагрузочный шток 7 имеет два пояса касания 24, обеспечивающих линейный или точечный контакт с внутренней поверхностью вала 10. При этом расстояние между поясами касания 24 составляет не менее пяти диаметров нагрузочного штока 7. Измерительная ячейка 4 с исследуемым смазочным материалом 1 и трущимися рабочими образцами 2 и 3 расположена в калориметрическом сосуде 25, в котором находится необходимое количество калориметрической жидкости 13. Калориметрический сосуд 25 расположен внутри термостата 26 и через воздушную изоляцию 27 (зазор) отделен от внутренней среды термостата 26. Термостат 26, в свою очередь, изолирован от окружающей среды теплоизоляцией 28. Внутри термостата 26 расположена магнитная мешалка 29, вращаемая электродвигателем 30, нагреватель 31, регулировочная термопара 32 и регистрирующий платиновый термометр сопротивления 33. Внутри калориметрического сосуда 25 также размещены высокоточный измерительный платиновый термометр сопротивления 34 и лопастей перемешивающего узла 12. Нагрузочное устройство с составляющими его элементами, редуктор 15, электродвигатель 16 и тахометр 17 размещены на отдельной массивной платформе 35 вне термостата 26.

Предлагаемое устройство работает следующим образом: в чистую, сухую измерительную ячейку 4 загружают необходимое количество исследуемого смазочного материала 1. (При исследовании процессов "сухого трения" конструкционных материалов смазку соответственно не загружают). Рабочие (подвижный 2 и неподвижный 3) образцы, изготовленные из различных материалов (цветной металл, чугун, сталь, пластмасса, кварц и т.п.), предварительно измеряют и взвешивают и с помощью фиксатора закрепляют на установочные места. При работе на устройстве (фиг. 1) подвижный образец 3 закрепляют на дне измерительной ячейки 4. При работе на устройстве по второму варианту конструктивного исполнения (фиг. 2) неподвижный образец 2 закрепляют на нагрузочном штоке 7, а подвижный рабочий образец 3 закрепляют на дне стакана 8, который присоединяют к полому валу вращения 10. Измерительную ячейку 4 помещают во внутрь калориметрического сосуда 25 и фиксируют на его днище.

Далее в калориметрический сосуд 25 заливают необходимое количество калориметрической жидкости 13. Включают электродвигатель 16, приводящий в движение лопасти устройства перемешивания 12 калориметрической жидкости 13. Включают электродвигатель 30 магнитной мешалки 29 и при помощи регулировочной термопары 32, нагревателя 31, регистрирующего платинового термометра сопротивления 33 и внешнего блока термостатирования (на схеме не показан) термостатируют оболочку калориметрического сосуда 25. При термостатировании калориметрического сосуда 25 по измерительному платиновому термометру сопротивления 34 регистрируют температуру внутри калориметрического сосуда 25. Устройство готово к работе, когда изменение температуры в калориметрическом сосуде будет постоянным.

Далее осуществляют тепловую градуировку предлагаемого устройства электрическим способом ("электрическую градуировку") вводя в калориметрический сосуд заданное количество теплоты по известному методу. Для этого через электрический нагреватель 5 пропускают необходимое количество постоянного электрического тока за определенное время. После отключения нагревателя 5 температуру внутри калориметрического сосуда 25 продолжают регистрировать по измерительному высокоточному платиновому термометру сопротивления 34. Измерения заканчивают, когда изменение температуры в калориметрическом сосуде 25 будет постоянным. Количество теплоты, необходимое для введения в калориметр при осуществлении градуировки определяют серией предварительных опытов в режимах соответствующим рабочим при исследовании того или иного смазочного или конструкционного материала.

Далее по известным методикам определяют тепловое значение калориметра ("постоянную калориметра"), относительную погрешность и величину доверительной вероятности результатов измерения теплоты.

После электрической градуировки через некоторое время, требуемое для стабилизации всех тепловых процессов, проходящих внутри калориметра, начинают конкретный трибологический опыт. Для этого снова начинают регистрировать температуру по платиновому термометру сопротивления 34, включают устройство для измерения силы трения (поз. 14 для фиг. 1 и поз. 19 для фиг. 2), датчик нагрузки 20, тахометр 17. Устанавливают заданный груз 22 на платформу нагрузочного устройства. Включают арретир 23, секундомер и записывают показания, получаемые от устройства для измерения трения (поз. 14 для фиг. 1 и поз. 19 для фиг. 2), датчика нагрузки 20, тахометра 17, измерительного платинового термометра сопротивления 34. По окончании измерения включают секундомер, снимают нагрузку на узел трения с помощью арретира 23, освобождают, промывают и сушат измерительную ячейку 4 и образцы трения. Прибор выключают.

Использование предлагаемых вариантов конструктивного исполнения устройства для трибологических исследований позволяет в полной мере решить поставленную техническую задачу и обеспечивает следующие преимущества по сравнению с устройством-прототипом; повышению точности измерений способствует использование обособленной, изолированной от калориметрической жидкости измерительной ячейки. Конструктивное исполнение узла трения снижает величину случайной и систематической погрешности за счет исключения влияния изменения толщины рабочих образцов за время эксплуатации и температуры испытания; применение одной пары рабочих образцов трения позволяет однозначно интерпретировать результат измерения теплоты трения; эксплуатационные удобства и снижение трудозатрат при измерении достигаются за счет использования элемента для наложения или снятия нагрузки без необходимости разборки приборов; наличие в заявляемом устройстве съемных рабочих образцов трения на фиксаторах, обособленной, изолированной от калориметрической жидкости измерительной ячейки обеспечивает легкий доступ к узлу трения, его чистке, не требует больших расходов испытуемых образцов смазочных материалов, а также существенно сокращает потери калориметрической жидкости.

Формула изобретения

1. Устройство для трибометрических исследований, содержащее калориметрический сосуд с калориметрической жидкостью, внутри которого размещены перемешивающее устройство и устройство для измерения температуры, а также нагрузочное устройство, нагреватель для обеспечения градуировки калориметрического сосуда, узел измерения силы трения и рабочий узел трения, включающий неподвижный образец и образец, установленный с возможностью вращения, отличающееся тем, что оно снабжено системой рычагов, шарнирами и измерительной ячейкой, установленной в калориметрическом сосуде и изолированной от калориметрической жидкости, при этом нагрузочное устройство выполнено рычажным, рабочий узел трения и нагреватель для обеспечения градуировки калориметрического сосуда расположены в измерительной ячейке, образец, установленный с возможностью вращения, является верхним, неподвижным является нижний образец, прикрепленный к корпусу измерительной ячейки, связанной с нагрузочным рычажным устройством посредством системы рычагов и шарниров.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено стойкой, неподвижно закрепленной на крышке калориметрического сосуда, установочной втулкой, прикрепленной к стойке, измерительным штоком, находящимся внутри установочной втулки, коромыслом, измерительное плечо которого шарнирно соединено с нижней частью измерительного штока, датчиком нагрузки на рабочий узел трения и нагрузочным штоком, верхняя часть которого содержит теплоизолирующую вставку и через датчик нагрузки на рабочий узел трения соединена с расположенным вне калориметрического сосуда нагрузочным устройством, включающим в себя рычаг, устройство для наложения или снятия нагрузки на рабочий узел трения и платформу с калиброванными грузами, при этом измерительная ячейка установлена на верхней части измерительного штока, а другое плечо коромысла шарнирно соединено с нижней частью нагрузочного штока.

3. Устройство для трибометрических исследований, содержащее калориметрический сосуд с калориметрической жидкостью, размещенные в нем перемешивающее устройство и устройство для измерения силы трения, рабочий узел трения, включающий подвижный образец и образец, установленный с возможностью вращения, электрический нагреватель для обеспечения градуировки калориметрического сосуда, а также нагрузочное устройство и вал, отличающееся тем, что оно снабжено измерительной ячейкой, установленной в калориметрическом сосуде и изолированной от калориметрической жидкости, нагрузочным штоком, фиксатором, теплоизолирующими вставками и датчиком нагрузки, причем нагрузочное устройство включает в себя систему рычагов, платформу с калиброванными грузами и устройство для наложения или снятия нагрузки на рабочий узел трения, вал вращения выполнен полым, а нагрузочный шток расположен внутри вала, неподвижным является верхний образец, закрепленный на нижнем конце нагрузочного штока, образцом, установленным с возможностью вращения, является нижний образец, прикрепленный через фиксатор и теплоизолирующую вставку к валу, при этом верхний конец нагрузочного штока через датчик нагрузки на рабочий узел трения связан с расположенным вне калориметрического сосуда рычажным нагрузочным устройством.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2