Автоматизированное устройство для определения фрикционной усталости поверхностей при линейном контактировании

 

Изобретение относится к испытательной технике и предназначено для экспериментально-расчетного определения параметров фрикционной усталости поверхностей твердых тел, контактирующих теоретически по линии, например, пар трения типа зуб-зуб в зубчатых передачах, колесо -дорожное полотно. Устройство содержит основание 1, двигатель, водило-ротор с эталонными изнашивающими цилиндрическими образцами-инденторами 4, зубчатые колеса-сателлиты, жестко связанные с образцами-инденторами, центральное зубчатое колесо с приводом вращения, испытуемые образцы-призмы 8, узел нагружения 9 и приборы для измерения сил трения, частоты вращения и общего числа оборотов водила-ротора и центрального зубчатого колеса, преобразователь движения двигателя 10, двухпозиционную поворотную платформу 11 с механизмом ее поворота 12, на которой установлены каретки 13 для испытуемых образцов-призм, упругую балку 14 с тензодатчиками 15, щуповой многопозиционный зонд измерения износа 16 с игловыми датчиками перемещения 17, установленными по всей площади изнашиваемой поверхности, ЭВМ 18 и зондовый анализатор 19. Зондовый анализатор включает аналоговый коммутатор усилитель-преобразователь аналого-цифровой преобразователь, тактовый генератор, блок управления двунаправленный шинный усилитель и дешифратор адреса. Технический результат заключается в повышении производительности, точности и достоверности испытаний и оценок параметров за счет непосредственного ввода в ЭВМ значений линейного износа всей поверхности одного образца без его демонтажа при одновременном фрикционном воздействии на другой изнашиваемый образец. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для экспериментально-расчетного определения параметров фрикционной усталости поверхностей твердых тел, контактирующих теоретически по линии пар трения типа зуб-зуб в зубчатых передачах, колесо-дорожное полотно.

Известно устройство для испытания материалов на фрикционную усталость при линейном контактировании [1]. Оно включает держатели-диски, между которыми равномерно по окружности смонтированы изнашивающие эталонные инденторы-ролики, узел нагружения, снабженный самоустанавливающимся плоским испытуемым образцом постоянной ширины, датчики и приборы для измерения силы трения, привод вращения дисков с роликами, счетчик числа оборотов дисков, систему заданного регулирования положения образца относительно роликов в радиальном направлении. Узел нагружения и испытуемый образец расположены над диском с инденторами.

Известно также устройство [2], содержащее испытуемый плоский образец, истирающий блок, поворотный диск с индикаторной лентой, узел нагружения, измерители числа оборотов истирающего блока и величины сил трения. Истирающий блок расположен над испытуемым (истираемым) образцом и выполнен в виде ротора с размещенными по его окружности на осях эталонными инденторами-роликами. На осях закреплены шестерни, входящие в зацепление с центральным зубчатым колесом. Испытуемый образец выполнен в виде трехгранной призмы, взаимодействующей своим основанием с истирающим блоком. Поворотный диск установлен над истирающим блоком и взаимодействует с инденторами-роликами в верхней части ротора.

По технической сущности оба приведенные устройства являются примерно одинаково близкими к предлагаемому.

Основным недостатком известных решений является невозможность непосредственного подключения к ЭВМ и необходимость демонтажа испытуемого образца для измерения износа всех его участков. Это снижает производительность, точность и достоверность процесса определения параметров фрикционной усталости материалов.

Технический результат, создаваемый предлагаемым изобретением, состоит в расширении функциональных возможностей устройства, повышении производительности, точности и достоверности испытаний и установления по их результатам параметров фрикционной усталости материалов за счет обеспечения возможности испытания одного образца и параллельного бездемонтажного измерения износа другого образца по всей поверхности трения и непосредственного автоматического ввода значений износа в ЭВМ.

Указанный результат достигается тем, что в устройство, содержащее основание, двигатель, водило-ротор с эталонными изнашивающими цилиндрическими образцами-инденторами, зубчатые колеса-сателлиты, жестко связанные с образцами-инденторами, центральное зубчатое колесо с приводом вращения, испытуемые образцы-призмы, узел нагружения и приборы для измерения сил трения, частоты вращения и общего числа оборотов водила-ротора и центрального зубчатого колеса, введены преобразователь движения двигателя, двухпозиционная поворотная платформа с механизмом ее поворота, на которой установлены каретки для испытуемых образцов-призм, упругая балка с тензодатчиками, щуповой многопозиционный зонд измерения износа с игловыми датчиками перемещения, установленными по всей площади изнашиваемой поверхности, ЭВМ и зондовый анализатор, включающий аналоговый коммутатор, усилитель-преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, тактовый генератор, блок управления, двунаправленный шинный усилитель и дешифратор адреса. При этом один испытуемый образец установлен с возможностью взаимодействия с эталонными изнашивающими образцами-инденторами, а другой - с многопозиционным зондом измерения износа. Игловые датчики многопозиционного зонда соединены с аналоговым коммутатором, вход управления которого подключен к первому выходу блока управления. Вход усилителя-преобразователя подключен к выходу аналогового коммутатора. Сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом усилителя-преобразователя. Тактовый вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом тактового генератора. Вход разрешения аналого-цифрового преобразователя подключен к второму выходу блока управления, входы которого соединены с выходами двунаправленного шинного усилителя. Вход чтения/записи двунаправленного шинного усилителя подключен к шине чтения/записи порта ввода-вывода ЭВМ. Вход разрешения двунаправленного шинного усилителя соединен с выходом дешифратора адреса. Информационные входы двунаправленного шинного усилителя подключены к выходу аналого- цифрового преобразователя. Двунаправленные входы шинного усилителя подключены к шине данных ЭВМ, а входы дешифратора адреса соединены с шиной адреса ЭВМ.

Общая схема автоматизированного устройства для определения фрикционной усталости поверхностей при линейном контактировании представлена на фиг. 1 и 2 (разрез А-А).

Устройство содержит основание 1, двигатель 2, водило-ротор 3 с эталонными изнашивающими цилиндрическими образцами-инденторами 4, зубчатые колеса-сателлиты 5, жестко связанные с образцами-инденторами, центральное зубчатое колесо 6 с приводом вращения 7, испытуемые образцы-призмы 8, узел нагружения 9 и приборы для измерения сил трения, частоты вращения и общего числа оборотов водила-ротора и центрального зубчатого колеса (не показаны), преобразователь движения 10 двигателя 2, двухпозиционную поворотную платформу 11 с механизмом ее поворота 12, на которой установлены каретки 13 для испытуемых образцов-призм, упругую балку 14 с тензодатчиками 15, усилитель и осциллограф (не показаны), щуповой многопозиционный зонд 16 измерения износа с игловыми датчиками перемещения 17, установленными по всей площади изнашиваемой поверхности, ЭВМ 18 и зондовый анализатор 19.

Изнашивающие образцы-инденторы 4 выполнены в виде цилиндров, равномерно расположенных по периферии водила-ротора 3, испытуемые образцы 8 - в виде прямоугольных или трехгранных призм. Длина испытуемых образцов-призм превышает кратчайшее расстояние между осями соседних эталонных изнашивающих образцов-инденторов 2. Один испытуемый образец находится в положении, соответствующем взаимодействию с образцами-инденторами 2, другой занимает позицию, соответствующую взаимодействию с многопозиционным зондом измерения износа 16 или ожиданию.

Электрическая функциональная схема зондового анализатора 19 приведена на фиг. 3.

В его состав входят аналоговый коммутатор (АК) 20, усилитель-преобразователь (УП) 21, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 22, тактовый генератор (ТГ) 23, блок управления (БУ) 24, двунаправленный шинный усилитель (ДШУ) 25, дешифратор адреса (ДША) 26.

Игловые датчики 17 щупового многопозиционного зонда 16 соединены с АК 20. Вход управления (выбора источника сигнала) АК 20 подключен к первому выходу БУ 25. Вход УП 21 подключен к выходу АК 20. Сигнальный вход АЦП 22 соединен с выходом УП 21. Тактовый вход АЦП 22 соединен с выходом ТГ 23. Вход разрешения АЦП 22 подключен к второму выходу БУ 24. Входы БУ 24 соединены с выходами ДШУ 25. Вход чтения/записи ДШУ 25 подключен к шине чтения/записи порта ввода-вывода ЭВМ 18. Вход разрешения ДШУ 25 соединен с выходом ДША 26. Информационные входы ДШУ 26 подключены к выходу АЦП 22. Двунаправленные входы ДШУ 26 подключены к шине данных ЭВМ 18. Входы ДША 26 соединены с шиной адреса ЭВМ 18.

АК 20 предназначен для подключения УП 21 к одному из каналов щупового многопозиционного зонда измерения износа 16. Выбор соответствующего канала производится по сигналу, поступающему от БУ 24.

АЦП 22 предназначен для перевода аналогового сигнала УП 21 в цифровую форму для последующей передачи в ЭВМ 18. Начало выполнения преобразования определяется БУ 24. Для выполнения преобразования используется тактовая частота, формируемая ТГ 23.

ДШУ 25 служит для осуществления взаимодействия с шиной данных ЭВМ 18 и позволяет передавать информацию из АЦП 22 в ЭВМ 18, а также от ЭВМ 18 на БУ 24. Направление передачи информации определяется сигналом на шине чтение/запись ЭВМ. Факт передачи отмечается сигналом с выхода ДША 26.

ДША 26 предназначен для отождествления электронной части устройства с определенным портом ввода/вывода.

Устройство работает следующим образом. Заданное усилие прижатия P испытуемого образца-призмы 8 (на фиг. 1 левого) к эталонным изнашивающим образцам-инденторам 4 обеспечивается узлом нагружения 9. При включении двигателя 2 через преобразователь 10 и привода вращения 7 водилу-ротору 3 и центральному зубчатому колесу 6 сообщается вращение с определенными угловыми скоростями. От центрального зубчатого колеса 6 вращение с соответствующей угловой скоростью передается зубчатым колесам-сателлитам 5 и изнашивающим цилиндрическим образцам-инденторам 4. Это определяет характер и скорость движения точек образцов-инденторов 4 относительно поверхности трения испытуемого образца-призмы 8 (левого на фиг. 1) и обеспечивает стабильность условий контактирования за счет того, что истирающая поверхность образцов-инденторов 4 постоянно меняет свое положение и в течение длительного времени сохраняет первоначальные геометрические и физико-механические параметры.

При последовательном фрикционном взаимодействии изнашивающих образцов-инденторов 4 с испытуемым образцом-призмой 8 каретка 13 увлекается в сторону действия сил трения и упругая балка 14 деформируется на некоторую величину. В зависимости от степени деформации упругой балки 14 в тензодатчиках 15 формируется адекватный первичный сигнал трения. По этому сигналу с помощью тензоусилителя и осциллографа регистрируется и определяется численное текущее значение силы трения, рассчитывается коэффициент трения.

После достижения заданного числа циклов фрикционного взаимодействия изнашивающих образцов-инденторов 4 и испытуемого образца-призмы 8 (левого на фиг. 1) двухпозиционная поворотная платформа 11 вместе с каретками 13 опускается вниз, контакт образцов-инденторов 4 и испытуемых образцов-призм 8 размыкается, платформа 11 механизмом поворота 12 поворачивается вокруг вертикальной оси на 180 градусов. Испытуемые образцы-призмы меняются местами. Подъемом поворотной платформы 11 и узлом нагружения 9 обеспечивается контакт между образцами-инденторами 4 и замененным испытуемым образцом-призмой 8. Отработавший заданное число циклов образец-призма 8 переводится в положение (на фиг. 1 правое), соответствующее взаимодействию с щуповым многопозиционным зондом измерения износа 16 и ожиданию. Для определения износа испытанного образца-призмы одновременно по всей изнашиваемой поверхности (поверхности трения) игловые датчики 17 многопозиционного зонда 16 вводятся в контакт с площадкой износа испытанного образца-призмы 8. При этом многопозиционный зонд 16 и его игловые датчики 17 ориентируются по базовым неизношенным участкам плоскости испытанного образца-призмы 8.

Сигналы с игловых датчиков 17, адекватные величине местных износов испытанного образца-призмы 8, поступают на АК 20 зондового анализатора 19, который расшифровывает сигналы от датчиков 17 следующим образом.

Прикладная программа, выполняющаяся на ЭВМ 18, производит запись в порт ввода-вывода сигнала для съема информации. При этом информация выставляется на шину данных, а адрес порта ввода-вывода - на адресную шину. На шине "чтение/запись" появляется сигнал "запись".

ДША 26 формирует сигнал для активизации ДШУ 25. Сигнал шины "чтение/запись" определяет маршрут передачи в сторону БУ 24. Получив сигнал для съема информации, БУ 24 выставляет адрес первого канала щупового многопозиционного зонда 16 и формирует сигнал начала преобразования для АЦП 22.

Далее (через заранее определенную задержку, зависящую от времени преобразования сигнала устройством) прикладная программа производит чтение порта ввода-вывода. При этом адрес порта ввода-вывода выставляется на адресную шину, а на шине "чтение/запись" появляется сигнал "чтение".

ДША 26 формирует сигнал для активизации ДШУ 25. Сигнал шины "чтение/запись" определяет направление передачи от АЦП 22. Информация от АЦП 22 вводится в ЭВМ 18.

Далее прикладная программа снова передает команду на съем информации. Цикл работы повторяется аналогично описанному, за тем исключением, что БУ 24 выставляет адрес второго канала щупового многопозиционного зонда измерения износа 16.

При последующих съемах информации адрес канала многопозиционного зонда 16 возрастает на единицу; при достижении последнего номера осуществляется переход на первый адрес.

Численные значения параметров фрикционной усталости материалов рассчитываются ЭВМ 18 по числу циклов подвижного контактирования образцов-инденторов 4 с испытуемым образцом-призмой 8, величине локальных износов испытанных образцов-призм 8, давлению на контакте, сближению образцов-инденторов и образцов-призм под нагрузкой, коэффициенту трения, кинематике относительного перемещения точек касания образцов-инденторов 4 и испытуемого образца-призмы 8.

Предлагаемое устройство позволяет значительно повысить производительность, точность и достоверность испытаний материалов на фрикционную усталость, сократить время определения параметров фрикционной усталости. Кроме того, обеспечиваются полнота и наглядность получения информации, существенно упрощается формирование банка данных.

Использованные источники 1. Ершов В.А., Замятина Л.А. Способ испытания материалов на фрикционную усталость и устройство для его осуществления. Авторское свидетельство СССР N 1250907 / БИ N 30, 1986.

2. Ершов В.А., Замятин Ю.П., Телегин Г.Н. Устройство для испытания материалов на фрикционную усталость. Авторское свидетельство СССР N 1293560 / БИ N 8,1987.

Формула изобретения

Автоматизированное устройство для определения фрикционной усталости поверхностей при линейном контактировании, содержащее основание, двигатель, водило-ротор с эталонными изнашивающими цилиндрическими образцами-инденторами, зубчатые колеса-сателлиты, жестко связанные с образцами-инденторами, центральное зубчатое колесо с приводом вращения, испытуемые образцы-призмы, узел нагружения и приборы для измерения сил трения, частоты вращения и общего числа оборотов водила-ротора и центрального зубчатого колеса, отличающееся тем, что в него введены преобразователь движения двигателя, двухпозиционная поворотная платформа с механизмом ее поворота, на которой установлены каретки для испытуемых образцов-призм, упругая балка с тензодатчиками, щуповой многопозиционный зонд измерения износа с игловыми датчиками перемещения, установленными по всей площади изнашиваемой поверхности, ЭВМ и зондовый анализатор, включающий аналоговый коммутатор, усилитель-преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, тактовый генератор, блок управления, двунаправленный шинный усилитель и дешифратор адреса, при этом один испытуемый образец-призма установлен с возможностью взаимодействия с эталонными изнашивающими образцами-инденторами, а другой - с многопозиционным зондом измерения износа, игловые датчики многопозиционного зонда соединены с аналоговым коммутатором, вход управления которого подключен к первому выходу блока управления, вход усилителя-преобразователя подключен к выходу аналогового коммутатора, сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом усилителя-преобразователя, тактовый вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом тактового генератора, вход разрешения аналого-цифрового преобразователя подключен к второму выходу блока управления, входы которого соединены с выходами двунаправленного шинного усилителя, вход чтения/записи которого подключен к шине чтения/записи порта ввода-вывода ЭВМ, вход разрешения двунаправленного шинного усилителя соединен с выходом дешифратора адреса, информационные входы двунаправленного шинного усилителя подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, двунаправленные входы шинного усилителя подключены к шине данных ЭВМ, а входы дешифратора адреса соединены с шиной адреса ЭВМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3