Устройство для определения триботехнологических свойств материалов

 

Сущность: изобретение относится к технологии испытания материалов в машиностроении и может быть использовано для исследования характеристик материалов в трибосистемах, оптимизации условий контактных процессов в парах трения и инструмент-деталь . Целью изобретения является повышение производительности, снижение трудоемкости испытаний, расширение функциональных возможностей устройства. Сущность: устройство содержит схемы 1, 2, 3 усиления и селекции по частоте высокочастотных сигналов, блоки 4 определения параметров высокочастотного сигнала, в том числе арифметические, схемы 8, 9, 20, 22,23 логических элементов. Устройство регистрирует удельные энергетические характеристики акустической эмиссии. 3 ил. ел С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 3/56

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВедОмстВО сссР (ГОспАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4813370/28 (22) 11,04.90 (46) 15.02.93. Бюл. М 6 (71) Научно-исследовательский институт конструкционных материалов и технологических процессов и Пермский машиностроительный завод им. В.И.Ленина (T2) А.А.Барзов, А.А.Вдовин, С.А.Гаврилов, CiH.Долгих, А,A.Ìåðêóøåâ, В.А.Моисеев и

В,Н,Родионов (56) AcoUstic Emission Detector and АпаПзег

Моб, АЕДА100/2, проспект фирмы ATEL, Рим, Италия. экспонат выставки "Химия87", Москва, 1987 г. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ТРИБОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к технологии испытаний материалов в машиностроении и может быть использовано для поиска оптимальных режимов обработки или эксплуатации материалов.

Известен ряд устройств общего назначейия для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии (АЭ). Например, взятый за прототип, детектор и анализатор АЭ

Устройство имеет два независимых канаЛа для приема сигналов АЭ, каждый из которых включает предусилитель, основной усилитель, фильтр и блоки определения параметров АЭ: блок определения числа осцирляций и скорости счета осцилляций, блрк определения суммарной энергии и ее производной. Недостатками данного и аналогичных устройств являются узкие функциональные возможности, низкая произво„„5U„„ 1795351 А1 (57) Сущность: изобретение относится к технологии испытания материалов в машиностроении и может быть использовано для исследования характеристик материалов в трибосистемах, оптимизации условий KOH тактных процессов в парах трения и инструмент-деталь. Целью изобретения является повышение производительности, снйжение трудоемкости испытаний, расширение функциональных возможностей устройства.

Сущность: устройство содержит схемы 1, 2, 3 усиления и селекции по частоте высокочастотных сигналов, блоки 4 определения параметров высокочастотного сигнала, в том числе арифметические, схемы 8, 9, 20, 22, 23 логических элементов. Устройство регистрирует удельные энергетические характеристики акустической эмиссии. 3 ил. дительность и высокая трудоемкость получения удельных характеристик АЭ для анализа контактных процессов и проведения оптимизационных испытаний.

Целью изобретения является определение оптимальных режимов обработки и эксплуатации материалов.

Элементы устройства изображены на фиг.1, где 1 — предварительный усилитель, соединенный с блоком фильтров 2, который связан с усилителем 3, подключенным к блокам определения параметров АЭ 4, а также к детектору 5, подключенному к компаратору 6, связанному с первым входом 1 третьей схемы И 8, с третьим входом 3 шестой схемы

И 9 с инверсным входом установа логического нуля R третьего триггера 10 и с первым входом 1 первой схемы И 11, второй вход 2 который связан с вторым входом 2 второй

1795351

55 схемы И 12, с прямым выходом Q второго триггера 13, а выход подключен к инверсному входу установа логического нуля R пятого триггера 14 и входу синхронизации С первого триггера 15, инверсный вход установа логического нуля R которого подключен к инверсному входу установа логической единицы Япятого триггера 14, инверсному входу установа логического нуля R двоичного счетчика 16 и инверсному входу установа логической единицы S третьего триггера 10, инверсный выход первого триггера 15 соединен с собственным входом данных D, с входами третьего 17 и четвертого 18 одновибраторов, а его прямой выход Q подключен к первому входу 1 второй схемы И 12, третий вход 3 которой связан с генератором

19 и первым входом 1 шестой схемы И 9, а выход соединен с первым входом 1 четвертой схемы И 20 и входом синхронизации С четвертого триггера 21, вход данных 0 которого связана с собственным инверсным выходом Q, а прямой выход 0 связан с вторым входом 2 пятой схемы И 22, первый вход 1 которой связан с инверсным выходом Q пятого триггера 14, прямой выход Q которого связан со вторым входом 2 четвертой схемы

И 20, выход которой связан с первым входом 1 схемы ИЛИ 23, второй вход 2 которой подключен к выходу пятой схемы И 22, а прямой выход Q связан с входом прямого счета+1 двоичного счетчика 16, вход обратного счета -1 которого связан с выходом шестой схемы И 9, второй вход 2 которой соединен со вторым входом 2 третьей схемы

И 8, инверсным выходом Q второго триггера

13, инверсный вход установа логической единицы S которого связан с выходом первого коммутационного элемента 24, инверсный вход установа логического нуля второго триггера 13 подключен к выходу второго коммутационного элемента 26, вход которого подключен на корпус и к входам первого 24 и третьего 25 коммутационных элементов, выход третьего коммутационного элемента 25 соединен с инверторным входом установа логической единицы S третьего триггера 10, прямой выход Q которого подключен к четвертому входу 4 шестой схемы И 9 и третьему входу 3 третьей схемы И 8, выход которой соединен с входом второго одновибратора 27, с входом первого одновибратора 28, выход которого связан с входом разрешения записи L двоичного счетчика 16, вход синхронизации С которого соединен с выходом второго одновибратора 27, а его вход данных 0 подключен к прямому выходу Q регистра памяти 29, вход синхронизации С которого связан с выходом четвертого одновибратора 18, вход разрешения записи L регистра памяти подключен к выходу третьего одновибратора

17, а вход данных В регистра памяти соединен с прямым выходом Q двоичного счетчика 16 и входом цифро-аналогового преобразователя 30, выход которого соединен с входом блока определения удельной энергии 7, блок 7 связан также с блоками определения параметров сигнала АЭ 4. На фиг,1 показан также первичный преобразователь (датчик) А3 32 (невходящий в устройство), подключаемый к предварительному усилителю устройства и закрепляемый на контробразце, На фиг;2 изображены схема испытаний и временные графики сигналов, где 31— контртело, 33 — образец (заготовка), t - время, А — сигнал АЭ на входе устройства, V— скорость контактного взаимодействия, U — напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя, изменение которого показано в режимах "запись" и "работа", U>a— максимальное напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя, а — параметр, характеризующий частоту следования импульсов на вход прямого счета +1 двоичного счетчика 16 (фиг.1), Uw — напряжение на выходе устройства (блока 7), ЛЧ вЂ” диапазон оптимальных относительных скоростей контактного взаимодействия контртел,которым соответствует начало резкого нарастания удельной АЭ.

На фиг.3 изображена схема испытаний, в которой контробразец 34 является режущим инструментом. устройство работает следующим образом.

Подготовку устройства к работе осуществляют кратковременным замыканием контактов первого коммутационного элемента 24 (нажатием кнопки "Запись" ) и контактов третьего коммутационного элемента

25 (нажатием кнопки "Сброс" ). При этом происходит установка элементов электронной схемы в следующие состояния на их прямых выходах Q:ïåðâîãî триггера 15 и двоичного счетчика 16 — в состояние логического нуля, второго триггера 13, третьего триггера 10 и пятого триггера 14 — состояние логической единицы, Далее осуществляют предварительное взаимодействие контробразцов путем перемещения с заданной подачей контробразца

31 или 34 под нагрузкой относительно вращающегося образца 33 в направлении от периферии образца 33 и к его центру. При этом в результате контактного взаимодействия контробразцов генерируются сигналы

1795351

ЭА. преобразуемые чувствительным элементом датчика 32 в электрический сигнал, поступающий на вход предварительного усилителя 1, с выхода которого усиленный сигнал проходит селекцию по частоте в блоке фильтров 2, где отсекаются помехи в виде

"шумов" испытательного оборудования. С блока фильтров 2 сигнал поступает в усилитель 3, после которого он поступает на вход д етектора 5, выделяющего огибающую высокочастотного сигнала, которая преобра! зуется компаратором 6 в сигнал высокого уровня — логическую единицу — на его выходе (исходное состояние на выходе компарат6ра — сигнал низкого уровня — логический, н !ль), Сигнал логической единицы на выходе компаратора 6 вместе с логической единицей на прямом выходе Q второго триггера

1 приводит к появлению переднего фронт импульса на выходе первой схемы — И 11, к торый вместе с сигналом логической еди! ницы на инверсном выходе Q первого триггера 15 устанавливает первый триггер 15 в единичное состояние. Логические единицы н прямых выходах первого 15 и второго 13 триггеров разрешают прохождение через вторую схему И 12 сигнала с генератора 19, поступающего на третий вход 3 второй схемы И 12. Сигнал логической единицы на прямом выходе Q пятого триггера 14 разреш ет прохождение сигнала с генератора 19 че ез четвертую схему И 20 на первый вход

1 схемы ИЛИ 23, с выхода которой сигналы логической единицы, следующие с частотои" импульсов генератора 19, поступают на вход прямого счета +1 двоичного счетчика 16.

Пропадание сигнала АЭ, связанное с выходом контробразца 31 (34) в область внутреннего диаметра образца ЗЗ, приводит к отсутствию высокочастотного электрического сигнала на входе детектора 5, в ! результате чего пропадает сигнал на выходе дет ктора 5, и образуется сигнал логического уля на выходе компаратора 6, что вызыва т появление логического нуля на вы одах третьей 8, шестой 9 и первой 11 схе а И, а зто в свою очередь приводит к сбросу пятого триггера 14 в нулевое состояние, причем, логическая единица на его инверсном выходе Q разрен ает прохождение сигнала с генератора 19 через вторую схему И 12, делитель частоты на два, выполненный на четвертом триггере 21, через пятую:схему И 22, через схему ИЛИ 23 на вход пряйого счета +1 двоичного счетчика 16.

Таким образом, при прохождении контроб! разца 31 (34) в области внутреннего диамет! ра рбразца 33 эа счет импульсов с гене!ратора 19 в счетчике 16 происходит с частотой вдвое меньшей частоты генератора

19, Вход контробразца 31(34) в область между внутренним и внешним диаметрами образца 33 при дальнейшем перемещении

5 контробразцл 31 (34) связан с возникнове-. нием АЭ на входе первичного преобразователя 32, Сигнал А3, преобразуемый электронной схемой из элементов 1. 2, 3, 5, 6 в сигнал логической единицы на первом

10 входе 1 первой схемы И 13, вызывает появэ ление переднего фронта импульса на входе синхронизации, С первого триггера 15, что вместе с логическим нулем на входе данных этого триггера инициирует перебрасывание

15 первого триггера 15 в нулевое состояние.

Логический ноль на прямом выходе первого триггера 15 запрещает прохождение сигнала с генератора 19 через вторую схему И 12, поэтому счет импульсов генератора 19 на

20 счетчике 16 прекращается, Одновременно сигнал логической единицы с инверсного выхода Q первого триггера 15 запускает третий 17 и четвертый 18 одновибраторы, причем третий одновибратор 17 вь!рабатывает

25 импульс на вход разрешения записи L регистра памяти 29 большей длительности, импульса четвертого одновибратора 18, Логическая единица на входе разрешения записи регистра памяти 29 разрешает за30 пись информации, накопленной в двоичном счетчике 16 по заднему фронту импульса с четвертого одновибратора 18. Таким образом, двоичный код числа импульсов, прошедших на двоичный счетчик 16 с

35 генератора 19, хранится в регистре памяти

29, Этот двоичный код соответствует напряжению Uyp (фиг.2), т.е. максимальному значению относительной скорости скольжения элементов трибосопряжения.

40 Для осуществления контрольного прохода трением (или резанием), при котором по удельной энергетической характеристике АЭ определяют оптимальные режимы обработки или эксплуатации материалов, 45 кратковременно коммутируют контакты второго коммутационного элемента 26 (нажатием кнопки "Работа" ), а также контакты третьего коммутационного элемента 25 (нажатием кнопки "Сброс" ). При этом второй

50 триггер 13 устанавливается в нулевое состояние и разрешается прохождение сигналов через третью 8 и шестую 9 схемы И, Появление сигналов АЭ на первичном преобразователе в начале испытаний, при которых

55 контрообразец 31 (34) перемещается относительно вращающегося образца 33 в направлении от внешнего к внутреннему диаметру образца 33, обуславливает появление сигнала логической единицы на входе компаратора 6, что приводит к появлению

1795351

20

30

50 логической единицы на выходе третьей схемы И 8, а это в свою очередь к запуску первого 28 и второго 27 одновибраторов, Оба одновибратора вырабатывают импульсы на своих выходах, причем длительность импульса с первого одновибратора 28 больwe длительности импульса на выходе второго одновибратора 27. Импульс на выходе первого одновибратора 28, поступая на вход разрешения записи двоичного счетчика 16 вместе с задним фронтом импульса на выходе второго одновибратора 27, разрешают запись информации регистра памяти 29 в счетчик 16. Одновременно логическая единица на выходе компаратора

6 разрешает прохождение импульсов с генератора 19 через шестую схему И на вход обратного счета — 1 двоичного счетчика 16, При каждом импульсе генератора информация в счетчике 16 уменьшается на единицу, Сигнал с двоичного счетчика 16 поступает на цифроаналоговый преобразователь 30, на выходе которого образуется напряжение

0> (см. фиг.2, режим "Работа" ), поступающие в блок определения удельной энергии 7, Одновременно высокочастотный сигнал с усилителя 3 поступает в блоки определения параметров АЭ 4, где происходит выделение информативных характеристик

АЭ, например, числа осцилляций, числа импульсов, превышающих заданный порог дискриминации, скорости счета осцилляций, интенсивности импульсов, амплитуды и др, Сигналы указанных энергетических параметров АЭ поступают в блок определения удельной энергии 7, на выходе которого образуется сигнал удельного энергетического параметра..Блок 7 осуществляет арифметические функции умножения, деления, сложения, вычитания, интегрирования, дифференцирования. При выходе контробразца 31 (34) в область внутреннего диаметра .образца 33 образующийся логический ноль на выходе компаратора 6 перебрасывает третий триггер 10 в нулевое состояние, запрещая логическим нулем íà его прямом выходе Q прохождение сигналов через третью 8 и шестую 9 схемы И.

Устройство служит для нахождения оптимальных режимов и условий обработки или эксплуатации по определяемой устройством удельной энергетической характеристике АЭ, представляющий собой параметр пропорциональный энергии АЭ, деленный на скорость 1. В частности, для нахождения оптимальных знэчений силовых и кинематических параметров (например, скорости трения) резания V), предшествующих значениям резкого повышения интенсивности изнашивания или перехода от одного вида изнашивания к другому, для нахождения других рациональных условий контактного взаимодействия: смазки, материала контробразца, по их влиянию на оптимальные значения силовых и кинематических параметров, Среди определяемых при резании триботехнологических свойств материалов, режущая способность кромок режущего инструмента (34), обрабатываемость материала (образца 34), Испытания по определению триботехнических свойств материалов с помощью данного устройства проводят следующим образом, Полый цилиндрический образец 33 закрепляют, например, в патроне (или оправке, или с помощью каких-нибудь других элементов базирования и силового замыкания в зависимости от конструкции) установки трения. В державке (тисках и т,д,) суппорта экспериментальной установки закрепляют контробразец 31 (34), на который устанавливают датчик АЭ 32. Исследователь осуществляет выбор необходимых, информативных, с его точки зрения параметров АЭ, подключая соответствующие блоки определения параметров модуля 4, и программируя алгоритм вычисления удельной энергетической характеристики W в блоке 7, Подготавливают устройство к работе: кратковременной коммутацией кнопочных переключателей

"Запись", "Сброс" переводят устройство в режим "Запись" и проводят контрольный предварительный проход трением (резанием), при котором образец 33 приводят во вращение, контробразец 31 (34) перемещают со скольжением по образцу 33 в направлении от внешнего к внутреннему диаметру образца 33, Во время предварительного испытательного прохода усилие поджатия контртел обычно назнача от отличающимся от заданного для режима испытаний (например, в сторону меньших значений, что может быть желательно при испытаниях на износ, чтобы не изменять исходных структур и микрогеометрии контртел), Усилие поджатия при предварительном проходе выбирают исходя из постоянства трения контртел so время прохода. После осуществления предварительного прохода контробразец 31 (34) отводят в исходное положение и кратковременно коммутируют кнопочные переключатели "Работа" и "Сброс". Осуществляют испытательный проход трением (резанием) контробразца 31 (34) по вращающемуся образцу 33 в направлении от внешнего к внутреннему диаметру образца ЗЗ при заданных условиях испытаний и регистрацию сигнала удельной энергетической характеристики Uw процесса контактного

1795351

25 взаимодействия с блока определения удельной энергии 7, по которому судят о свойствах материалов.

B à÷åñòâå примера, в таблице приведены сравнительные данные по результатам стойкостных. испытаний и экспресс-испытаний с помощью данного устройства по определению оптимальной по производительности обработки и износу инструмента скорости резания. В качестве удельной энергетической характеристики ис.пользовали AN/×, где А — амплитуда, N— скорость счета импульсов АЭ. Согласно фиг.2

Оптимальная скорость резания (контактного взаимодействия) не должна превышать значений после которых резко возрастает энергия волн напряжений.

По сравнению с известными устройствами, не способными регистрировать параметр скорости а контактного взаимодействия, а следовательно, и удельную

Формула изобретения

Устройство для определения триботехнологических свойств материалов, содержащее предварительный усилитель, блок 30 фильтров, усилитель и блоки определения йараметров акустической эмиссии, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью определения оптимальных режимов обработки и эксплуатации материалов, оно снабжено блоком 35

Определения удельной энергии, генератором, четырьмя одновибраторами, регистром памяти, двоичным счетчиком, цифроаналоговым преобразователем, пятью триггерами, шестью схемами И, схе- 40 мой ИЛИ, тремя коммутационными элемен. тами, компаратором и детектором, вход

Которого соединен с усилителем, в выход связан с входом компаратора, выход кото рого соединен с первым входом третьей 45 схемы И, с третьим входом шестой схемы

И, с инверсным входом установа логического нуля третьего триггера и с первым входом первой схемы И, второй вход которой связан со вторым входом второй схемы И и с 50

Прямым выходом второго триггера, а выход подключен к инверсному входу установа логического нуля пятого триггера и входу синхронизации первого триггера, инверсный вход установа логического нуля которого 55

Подключен к инверсному входу установа логической единицы пятого триггера, инверсНому входу установа логического нуля

Двоичного счетчика и инверсному входу усэнергетическую характеристику АЭ, настоящее устройство для определения триботехнических свойств материала содержит электронную схему, выделяющую удельный энергетический параметр АЭ, характеризующий оптимальность режимов обработки и эксплуатации материалов, Для его получения не требуется использование каких-либо других устройств, связанных с конструктивными элементами испытательной установки. Отсутствие необходимости обслуживания других устройств и осуществления математических действий с значениями элементарных параметров сигнала АЭ снижают трудоемкость, повышают производительность испытаний, позволяют сосредоточить внимание исследователя непосредственно на исследуемом процессе (свойствах материалов).

Устройство реализует алгоритм получения триботехнологических характеристик по измерению АЭ. танова логической единицы третьего триггера, инверсный выход первого триггера соединен с собственным входом данных, с входами третьего и четвертого одновибраторов, а его прямой выход подключен к первому входу второй схемы И, третий вход которой связан с генератором и первым входом шестой схемы И, а выход соединен с первым входом четвертой схемы И и входом синхронизации четвертого триггера, вход данных которого связан с собственным инверсным выходом, а прямой выход — с вторым входом пятой схемы И, первый вход которой связан с инверсным выходом пятого триггера, прямой выход которого связан с вторым входом четвертой схемы И, выход которой связан с первым входом схем ИЛИ, второй вход которой подключен к выходу пятой схемы И, а прямой выход связан с входом прямого счета двоичного счетчика, вход обратного счета которого связан с вы- ходом шестой схемы, второй вход которой соединен с вторым входом третьей схемы И, инверсным выходом второго триггера, инверсный вход установа логической единицы которого связан с выходом первого коммутационного элемента, инверсный вход установа логического нуля второго триггера подключен к выходу второго коммутационного элемента, вход которого подключен на корпусе и к входам первого и третьего коммутационных элементов, выход третьего коммутационного элемента связан с инвер1795351

11

12 сным входом установа логической единицы третьего триггера, прямой выход которого подключен к четвертому входу шестой схемы И и третьему входу третьей схемы И, выход которой соединен с выходом второго одновибратора и с входом первого одновибратора, выход которого связан с входом разрешения записи двоичного счетчика, вход синхронизации которого соединен с выходом второго одновибратора, а его вход данных подключен к прямому выходу регистра памяти, вход синхронизации которого связан с выходом четвертого одновибратора, вход разрешения записи регистра памяти подключен к выходу третьего одновибратора, 5 а вход данных регистра памяти соединен с прямым выходом двоичного счетчика и входом цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом блока определения удельной энергии, связанного

10 также с выходом блока определения параметров акустической эмиссии.

1795351

Ф, г.3

Составитель С,Гаврилов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Э.Лончакова

Редактор

Заказ 426 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101