Устройство для определения состояния и упругодиссипативных свойств поверхностей трения

 

Изобретение относится к технике определения механических характеристик материалов и позволяет обеспечить автоматизированное определение диссипативных свойств, а также общего состояния поверхностей трения. Задачей является обеспечение возможности непосредственного ввода в ЭВМ измеренных значений времен соударений. Это достигается тем, что устройство для определения состояния и упругодиссипативных свойств поверхностей трения содержит основание 1, размещенную на основании 1 заданно-ориентируемую опору-кассету 2 для закрепления исследуемого образца 3, токопроводящую нить 6, подвешенный на нити 6 индентор 4 с известными физико-механическими свойствами, регулируемый упор 5, формирователь 7 сигнала соударения, триггер 8, логический элемент И 9, счетчик 10 защитного интервала, последовательно-параллельный регистр 12, счетчик 13 интервалов времени, селектор 14 частот, генератор 16 опорной частоты 16, а также элемент 15 проверки на четность и буферный формирователь 11. 4 ил.

Изобретение относится к испытаниям материалов, основанным на времени и повторяемости свободного ударного взаимодействия, и может быть использовано для неразрушающей послойной оценки технологического и эксплуатационного состояния, величины нормального модуля упругости, степени рассеяния энергии поверхностей твердых тел, прежде всего поверхностей трения.

Известно устройство, предназначенное для определения состояния и упругих свойств поверхностей трения [1,2] Это устройство содержит основание, смонтированную на основании заданно-ориентируемую опору-кассету для закрепления исследуемого образца, воздействующий на деталь-образец индентор с известными физико-механическими свойствами, регулируемый упор, токопроводящую нить и электронный модуль.

В электронный модуль входят следующие основные элементы: формирователь сигнала соударения, два триггера, два логических элемента И, четыре логических элемента ИЛИ, счетчик защитного интервала, счетчик интервалов времени, дешифратор, счетчик соударений, счетчик бит, блок индикаторов, последовательно-параллельный регистр, счетчик блоков, селектор частот, последовательный регистр сдвига, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), счетчик адреса, блок управления и генератор опорной частоты.

Входы формирователя сигнала соударения соединены с токопроводящей нитью, на которой подвешен индентор, и деталью-образцом. Выход формирователя соединен с установочным входом первого триггера, первым входом первого логического элемента И, а также тактовым входом параллельной загрузки последовательно-параллельного регистра. Выход первого триггера соединен с вторым входом первого элемента И, сбросовым входом счетчика интервалов времени, счетным входом счетчика числа соударений и входом выбора режима работы последовательно-параллельного регистра. Выход второго триггера соединен с первым входом второго элемента И. Выход первого элемента И связан со сбросовым входом счетчика защитного интервала. Выход первого элемента ИЛИ соединен с установочным входом второго триггера. Выход второго элемента ИЛИ подключен к сбросовому входу первого триггера и выход третьего элемента ИЛИ соединен со сбросовым входом счетчика бит. Выход четвертого элемента ИЛИ соединен со сбросовым входом счетчика блоков, а выход второго элемента И подключен к счетному входу счетчика бит, тактовому входу последовательного сдвига последовательно-параллельного регистра, тактовому входу регистра сдвига и счетному входу счетчика адреса. Выход переполнения счетчика защитного интервала связан с первым входом первого элемента ИЛИ и первым входом второго элемента ИЛИ. Выходы счетчика интервалов времени соединены с первой группой информационных входов последовательно-параллельного регистра. Выходы дешифратора соединены с адресными входами блока индикаторов, а выходы счетчика соударений соединены с второй группой информационных входов последовательно-параллельного регистра. Выход переполнения счетчика бит подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, входу записи информации блока индикаторов и счетному входу счетчика блоков. Выход последовательно-параллельного регистра связан с информационным входом ОЗУ. Информационные выходы счетчика блоков соединены с входами дешифратора. Выход переполнения счетчика блоков соединен со сбросовым входом второго триггера и первым входом четвертого элемента ИЛИ. Первый выход селектора частот подключен к счетному входу счетчика защитного интервала, второй выход селектора частот соединен со счетным входом счетчика интервалов времени, третий выход селектора частот соединен с вторым входом второго элемента И. Выходы регистра сдвига соединены с информационными входами блока индикаторов. Выход ОЗУ соединен с информационным входом регистра сдвига. Выходы счетчика адреса связаны с адресными входами ОЗУ. Первый выход блока управления соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, второй выход блока управления соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, вторым входом третьего элемента ИЛИ, вторым входом четвертого элемента ИЛИ, сбросовым входом счетчика соударений и сбросовым входом счетчика адреса, третий выход блока управления соединен с входом выбора поддиапазона селектора частот, четвертый выход блока управления соединен с входом выбора режима работы ОЗУ. Выход генератора опорной частоты соединен с тактовым входом селектора частот.

Недостатком этого устройства является невозможность непосредственного подключения его к ЭВМ, что существенно снижает производительность испытаний и повышает время определения искомых параметров.

Цель изобретения повышение производительности испытаний и снижение времени определения искомых параметров за счет обеспечения возможности непосредственного ввода в ЭВМ измеренных значений времен соударений.

Для этого в предлагаемом устройстве предусмотрен ввод информации в ЭВМ через стандартные коммуникационные средства (под стандартным коммуникационным средством подразумевается последовательный асинхронный порт RS-232С, отечественное обозначение стык С2).

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее основание, смонтированную на основании заданно-ориентируемую опору-кассету для закрепления исследуемой детали-образца, воздействующий на деталь-образец индентор с известными физико-механическими свойствами, регулируемый упор, токопроводящую нить, на которой подвешен индентор, формирователь сигнала соударения, триггер, логический элемент И, счетчик защитного интервала, последовательно-параллельный регистр, счетчик интервалов времени, селектор частот, генератор опорной частоты, при этом первый вход формирователя сигнала соударения соединен с токопроводящей нитью, второй вход формирователя сигнала соударения соединен с исследуемой деталью-образцом выход формирователя сигнала соударения соединен с установочным входом триггера, первым входом логического элемента И и входом параллельной загрузки последовательно-параллельного регистра, выход триггера связан с вторым входом логического элемента И, входом выбора режима работы последовательно-параллельного регистра и сбросовым входом счетчика интервалов времени, выход логического элемента И подключен к сбросовому входу счетчика защитного интервала, выходы счетчика интервалов времени связаны с первой группой информационных входов последовательно-параллельного регистра, первый выход селектора частот соединен с тактовым входом счетчика защитного интервала, второй выход с тактовым входом счетчика интервалов времени, выход генератора опорной частоты подключен к входу формирователя сетки частот, введены элемент проверки на четность и буферный формирователь, при этом выход переполнения счетчика защитного интервала соединен с сбросовым входом триггера, выход последовательно-параллельного регистра соединен с входом буферного формирователя, выход буферного формирователя подключен к соответствующей линии ("передаваемые данные") асинхронного коммуникационного интерфейса, выходы счетчика интервалов времени связаны с входами элемента проверки на четность, третий выход селектора частот соединен с тактовым входом последовательного сдвига последовательно-параллельного регистра, выходы элемента проверки на четность связаны с второй группой информационных входов последовательно-параллельного регистра.

На фиг.1 представлена общая схема устройства; на фиг.2 временные диаграммы работы предлагаемого устройства; на фиг.3 формат передаваемых данных согласно спецификации RS-232С; на фиг.4 пример подключения и загрузки последовательно-параллельного регистра.

Устройство (фиг. 1) содержит основание 1, смонтированную на основании заданно-ориентируемую опору-кассету 2 для закрепления исследуемой детали-образца 3, воздействующий на деталь-образец 3 индентор 4 с известными физико-механическими свойствами, регулируемый упор 5, токопроводящую нить 6, на которой подвешен индентор 4, формирователь 7 сигнала соударения, триггер 8, элемент И 9, счетчик 10 защитного интервала, буферный формирователь 11, последовательно-параллельный регистр 12, счетчик 13 интервалов времени, селектор 14 частот, элемент 15 проверки на четность, генератор 16 опорной частоты.

Первый вход формирователя 7 соединен с токопроводящей нитью 6, второй вход соединен с исследуемым образцом 3. Выход формирователя 7 соединен с установочным входом триггера 8, первым входом элемента И 9 и входом параллельной загрузки регистра 12.

Выход триггера 8 связан с вторым входом элемента И 19, входом выбора режима работы регистра 12 и сбросовым входом счетчика 13.

Выход элемента И 9 подключен к сбросовому входу счетчика 10.

Выход переполнения счетчика 10 соединен со сбросовым входом триггера 8.

Выход формирователя 11 подключен к соответствующей линии ("Передаваемые данные") асинхронного коммуникационного интерфейса.

Выход регистра 12 соединен с входом формирователя 11.

Выходы счетчика 13 связаны с первой группой информационных входов регистра 12, а также с входами элемента 15.

Первый выход селектора 14 частот соединен с тактовым входом счетчика 10, второй выход с тактовым входом счетчика 13, третий выход с тактовым входом последовательного сдвига регистра 12.

Выходы элемента 15 связаны с второй группой информационных входов регистра 12.

Выход генератора 16 подключен к входу селектора 14 частот.

Упор 5 предназначен для строго заданного отклонения маятника, образованного индентором 4 и нитью 6, от вертикали и детали-образца 3.

Формирователь 7 предназначен для преобразования электрического сопротивления участка контакта исследуемого образца 3 и индентора 4 при их соударении в сигнал логического уровня "0" или "1" на выходе формирователя. При этом порог электрического сопротивления, разделяющего существование контакта или его отсутствие, может быть регулируемым.

Триггер 8 служит для выделения интервала времени, в течение которого счетчик 13 производит подсчет поступающих на его счетный вход с выхода селектора 14 частот тактовых интервалов определения времени соударения, а также для определения режима работы регистра 12 (параллельная загрузка согласно фиг.3 или же последовательный сдвиг информации).

Элемент И 9 необходим для разрешения счета счетчику 10 только в случае, если триггер 8 установлен, а с выхода формирователя 7 поступает сигнал логического уровня, соответствующего отсутствию контакта.

Счетчик 10 используется для подсчета длительности защитного интервала, необходимого для устранения возможного "дребезга" контакта индентора 4 и образца 3, а также для сброса триггера 8.

Формирователь 11 предназначен для установления параметров выходного сигнала в соответствии со стандартом RS-232С (напряжение логической "1" 12 В, логического "0" -12 В).

Регистр 12 служит для параллельной записи информации с выходов счетчика 13, выходов элемента 15. При помощи соответствующей внутренней организации регистра 12 осуществляется введение в информационную последовательность необходимых для нормальной работы асинхронного интерфейса стартовых и стоповых битов. Кроме того, регистр 12 осуществляет последовательный сдвиг информации при сброшенном триггере 8.

Счетчик 13 используется для подсчета количества тактовых интервалов определения времени соударения, поступающих в моменты, когда триггер 8 установлен. Данный элемент может быть двоично-десятичным или двоичным (от этого зависит код представления информации).

Селектор 14 частот предназначен для формирования сетки частот из опорной частоты, поступающей с выхода генератора 16. Первая из сформированных частот используется в качестве тактовой при подсчете защитного интервала счетчиком 10, вторая в качестве тактовой при определении времени соударения счетчиком 13, третья в качестве тактовой частоты последовательного сдвига регистра 12.

Элемент 15 проверки на четность служит для вычисления бита(ов) проверки на четность информации, поступающей с выхода счетчика 13 (биты проверки на четность должны присутствовать в асинхронной последовательности).

Генератор 16 введен для формирования высокостабильной опорной частоты.

Элементы с позициями 1-8, 9, 10, 12-14 и 16 имеют назначение, аналогичное назначению соответствующих элементов прототипа.

Формирователь 7 выполнен на базе операционных усилителей К140УД7 по схеме компаратора (с логическим уровнем ТТЛ на выходе). Триггер 8 типа К555ТМ2. Элемент 9 типа К555ЛИ1. Счетчик 10 типа К555ИЕ2, К555ИЕ5 и др. Формирователь 11 выполнен на базе операционного усилителя К140УД7 и транзистора КТ805БМ. Регистр 12 последовательно соединенные регистры типа К555ИР1. Счетчик 13 последовательно соединенные счетчики К555ИЕ2 или К555ИЕ5 (в первом случае представление выходной информации осуществляется в двоично-десятичном коде, во втором в двоичном). Селектор 14 частот выполнен с применением делителей частоты на микросхемах типа К555ИЕ2, К555ИЕ5 и др. Элемент 15 проверки на четность на основе микросхем типа К155ИП2. Генератор 16 выполнен по традиционной схеме с применением кварцевого генератора с частотой 10 мГц (при этой частоте микросхемы серии 555 функционируют устойчиво).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

После включения питания триггер 8 может находиться либо в установленном, либо в сброшенном состоянии. В первом случае счетчику 10 разрешается подсчет тактовых импульсов защитного интервала. После переполнения счетчика 10 сигнал на его выходе сбрасывает триггер 8. Устройство находится в начальном состоянии (время перехода в это состояние после включения питания не превышает 0,1 с). Далее осуществляется запуск на ЭВМ прикладной программы обработки результатов испытаний.

С помощью упора 5 обеспечивается требуемое расстояние между исследуемой поверхностью детали-образца и индентором 4. Индентор, подвешенный на гибкой токопроводящей нити 6, отводится до упора 5 и отпускается, после чего он свободно движется в направлении изучаемой поверхности детали-образца 3 и соударяется с ней. В момент соприкосновения (контакта) индентора 4 с исследуемой поверхностью электрическое сопротивление участка индентор-образец падает ниже порогового сопротивления (фиг.2а). На выходе формирователя 7 вырабатывается сигнал, соответствующий замыканию (фиг.2б).

В этот момент триггер 8 устанавливается (фиг.2в) и разрешает тем самым счет счетчику 13. Кроме того, регистр 12 переводится в режим параллельной загрузки информации.

При возникновении "дребезга" контакта (фиг.2б, моменты 1 и 2) содержимое счетчика 13 заносится в регистр 12. Так как интервал "дребезга" не превышает защитного интервала τ_защ. счетчик 10, который начинает счет при появлении сигнала отсутствия контакта, сбрасывается по приходу сигнала существования контакта, не успев достигнуть состояния переполнения.

В стадии размыкания образца 3 и индентора 4 (фиг.2б, момент 3) информация из счетчика 13 заносится в регистр 12. Счетчик 10 в третий раз начинает счет и в момент переполнения вырабатывает на выходе сигнал переполнения (фиг.2г). Этот сигнал сбрасывает триггер 8.

После сброса триггера 8 регистоp 12 производит последовательный сдвиг информации. Так как вследствие соответствующей внутренней организации регистра 12 на его последовательный вход подается сигнал, соответствующий стоп-биту, то после сдвига на выход регистра записанной информации производится постоянный сдвиг последовательности, состоящей из одних стоп-битов, что воспринимается как отсутствие сигнала.

В момент поступления на выход устройства асинхронной информационной последовательности коммуникационный интерфейс (RS-232C) инициирует аппаратное прерывание. При поступлении запроса прерывания от интерфейса соответствующая программа обработки данного прерывания осуществляет чтение поступившей информации о времени соударения образца и индентора. Далее значение времени соударения может быть передано прикладной программе для обработки.

После прекращения колебаний маятника (по истечении определенного времени после последнего прерывания, например 3 с) программа обработки прерываний уведомляет прикладную программу об окончании процесса измерений. В зависимости от полученных результатов возможно либо повторение измерений, либо изменение соответствующих параметров измерений и проведение новых измерений, либо окончание работы.

В момент следующего соударения цикл работы устройства повторяется.

В самом общем случае ударно взаимодействующие поверхности могут иметь сферическую, цилиндрическую, плоскую или иную конфигурацию. Их размеры и относительные скорости могут изменяться в достаточно широких пределах.

В каждом конкретном случае по времени первого и последующих соударений (τ₁, τ₂. τ_n) с учетом известных физико-механических свойств индентора по соответствующим соотношениям могут быть определены модуль нормальной упругости и коэффициент внутреннего трения слоев материала. Для сферического индентора 4 и плоской детали-образца 3 соотношения для расчета искомых упругодиссипативных характеристик имеют вид E_{пов 2} σ Q^-1_пов 1- где g ускорение свободного падения; m,r масса и радиус кривизны индентора; Е_пов1, Е_пов2 модуль Юнга поверхностных слоев индентора и исследуемого образца-детали; h высота падения индентора; p сила соударения; V [(1 μ₁²)/Е_пов1 + (1 μ₂²)/Е_пов2] упругая постоянная Кирхгофа;
a,b,c константы (а 2,5, с 10).

Общее состояние изучаемых поверхностей трения устанавливается по измеренным величинам путем сопоставления их с подобными величинами, полученными для эталонных образцов.

Предлагаемое устройство позволяет значительно повысить производительность испытаний поверхностных слоев материалов, сократить время определения искомых параметров. Кроме того, обеспечиваются полнота и наглядность получения информации. Существенно упрощается ведение банка данных.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ И УПРУГОДИССИПАТИВНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ, содержащее основание, размещенную на основании заданно-ориентируемую опору-кассету для закрепления исследуемого образца, токопроводящую нить, подвешенный на ней индентор с известными физико-механическими свойствами, регулируемый упор, формирователь сигнала соударения, триггер, логический элемент И, счетчик защитного интервала, последовательно-параллельный регистр, счетчик интервалов времени, селектор частот и генератор опорной частоты, при этом первый вход формирователя сигнала соударения соединен с токопроводящей нитью, второй вход формирователя сигнала соударения соединен с исследуемым образцом, вход формирователя сигнала соударения соединен с установочным входом триггера, первым входом логического элемента И и входом параллельной загрузки последовательно-параллельного регистра, выход триггера связан с вторым входом логического элемента И, входом выбора режима работы последовательно-параллельного регистра и сбросовым входом счетчика интервалов времени, выход логического элемента И подключен к сбросовому входу счетчика защитного интервала, выходы счетчика интервалов времени связаны с первой группой информационных входов последовательно-параллельного регистра, первый выход селектора частот соединен с тактовым входом счетчика защитного интервала, второй выход с тактовым входом счетчика интервалов времени, выход генератора опорной частоты подключен к входу селектора частот, отличающееся тем, что оно снабжено элементом проверки на четность и буферным формирователем, выход переполнения счетчика защитного интервала соединен со сбросовым входом триггера, выход последовательно-параллельного регистра соединен с входом буферного формирователя, выход буферного формирователя предназначен для подключения к асинхронному коммуникационному интерфейсу, выходы счетчика интервалов времени связаны с входами элемента проверки на четность, третий выход селектора частот соединен с тактовым входом последовательного сдвига последовательно-параллельного регистра, а выходы элемента проверки на четность связаны с второй группой информационных входов последовательно-параллельного регистра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4