Устройство для измерения контактных деформаций

 

Изобретение относится к измерительной технике. Преимущественная область применения - средства измерения и регистрации контактных деформаций и герметичности соприкасающихся образцов. Устройство для измерения контактных деформаций содержит корпус, выполненный в виде герметичной камеры. В стенке корпуса установлен имитатор стыка, состоящий из двух частей. В отверстии первой части герметично установлена трубка, в которой расположен стержневой толкатель. На трубке герметично установлен упругий элемент, связывающий трубку с корпусом, и датчик перемещений стержневого толкателя. Вторая часть имитатора стыка снабжена датчиком тангенциальных перемещений. Поверхность плоскости контакта второй части имитатора стыка выполнена плоской. Для создания нагружающего усилия на имитатор стыка смонтирован подшипник, на оси которого расположен палец, взаимодействующий с поверхностью его второй части. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства и его универсальность. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения и регистрации контактных деформаций и герметичности соприкасающихся образцов, и может быть применено при лабораторных исследованиях характеристик контакта трибосистем и уплотнительных соединений, приближенных к реальным эксплуатационным условиям.

Известно устройство для измерения контактных деформаций, содержащее корпус, выполненный в виде герметичной камеры с отверстием в одной из стенок, имитатор стыка, установленный на этой стенке и выполненный из двух частей, первая из которых имеет центральное отверстие, соосное отверстию стенки, трубку, установленную в отверстиях герметично и конец которой установлен соосно в отверстиях стенки корпуса и первой части имитатора, прочем ее торец и обе части имитатора образуют полость, палец для создания нагружающего усилия на имитатор стыка, стержневой толкатель, размещенный в трубке, упругий элемент, герметично установленный на трубке, выполненный в виде жесткого сильфона и связывающий трубку с корпусом, датчик перемещений стержневого толкателя, выполненный в виде установленного на свободном конце трубки полого герметичного корпуса с закрепленным на нем чувствительным элементом, регистрирующий прибор, связанный с чувствительным элементом, источник давления и запорный орган (а. с. СССР N 1375959, G 01 М 3/08, 1988 - прототип).

Недостатком устройства является то, что оно не позволяет исследовать герметичность стыка при наличии сдвигающих тангенциальных нагрузок, присутствующих в реальных эксплуатационных условиях, а вследствие наличия полости и отверстия для упора во второй части имитатора в общий баланс деформаций входит объемная деформация обеих частей имитатора стыка, что снижает точность измерения контактных деформаций, а отверстие для упора во второй части имитатора стыка увеличивает утечки газа, что снижает точность измерения герметичности.

Задачей изобретения является повышение точности измерения контактных деформаций и герметичности стыка, расширение функциональных возможностей путем большего приближения лабораторных условий исследования к реальным при эксплуатации соединений за счет возможности измерения тангенциальной жесткости стыка и исследование зависимости герметичности от тангенциальной жесткости стыка при одновременном уменьшении объемной деформации испытуемых образцов и уменьшении побочных утечек газа.

Данная задача решается тем, что в устройстве для измерения контактных деформаций, содержащем корпус, выполненный в виде герметичной камеры с отверстием в одной из стенок, имитатор стыка, установленный на этой стенке и выполненный из двух частей, первая из которых имеет центральное отверстие, соосное отверстию стенки, трубку, установленную в отверстиях герметично и конец которой установлен соосно в отверстиях стенки корпуса и первой части имитатора, причем ее торец и обе части имитатора образуют полость, палец для создания нагружающего усилия на имитатор стыка, стержневой толкатель, размещенный в трубке, упругий элемент, герметично установленный на трубке, выполненный в виде жесткого сильфона и связывающий трубку с корпусом, датчик перемещений стержневого толкателя, выполненный в виде установленного на свободном конце трубки полого герметичного корпуса с закрепленным на нем чувствительным элементом, регистрирующий прибор, связанный с чувствительным элементом, источник давления и запорный орган - вторая часть имитатора стыка выполнена сплошной и соединена с толкателем нагружающего устройства, вторая часть имитатора стыка снабжена датчиком тангенциальных перемещений, размещенном на первой части имитатора стыка, причем поверхность второй части имитатора стыка в плоскости контакта выполнена плоской, а палец смонтирован на оси в подшипнике, взаимодействующем с поверхностью второй части имитатора стыка.

Устройство снабжено толкателем нагружающего устройства, передающим сдвигающую нагрузку ко второй части имитатора для создания контактных деформаций в стыке в тангенциальном направлении.

Палец, создающий нормальное сжимающее усилие на имитатор стыка, смонтирован в подшипнике для возможности одновременного воздействия нормальной и тангенциальной нагрузок на имитатор стыка с уменьшением сопротивления пальца сдвигающей нагрузке за счет применения трения качения.

Вторая часть имитатора выполнена сплошной, без канала для упора толкателя, для уменьшения сопротивления пальца в подшипнике при ее перемещении за счет устранения отверстия на поверхности второй части имитатора и для уменьшения утечек газа через него.

Вторая часть имитатора снабжена датчиком, размещенным на первой части имитатора стыка для измерений тангенциальных перемещений второй части имитатора стыка относительно первой.

Поверхность второй части имитатора стыка в области стыка выполнена плоской для уменьшения объемных деформаций частей имитатора стыка, так как обеспечивается контакт частей имитатора стыка по большей площади в плоскости их контакта в отличие от прототипа, где контакт обеих частей имитатора не по всей поверхности вызывает при воздействии нормальной нагрузки смятие и внедрение этих частей друг в друга, особенно при разной твердости материалов частей имитатора стыка, что препятствует воздействию тангенциальной нагрузки из-за большего сцепления частей и снижает точность измерений.

Таким образом, предлагаемые отличия обеспечивают достижение нового технического эффекта - приближение лабораторных условий исследований к реальным при эксплуатации соединений за счет возможности измерения тангенциальной жесткости стыка и исследования зависимости герметичности от тангенциальной жесткости при одновременном уменьшении объемной деформации испытуемых образцов и уменьшении побочных утечек газа.

Устройство для измерения контактных деформаций (см. чертеж) содержит корпус, выполненный в виде герметичной камеры 1, герметичность которой обеспечивается при помощи прокладки 2. В стенке 3 камеры 1 выполнено отверстие 4. Имитатор стыка выполнен из первой 5 и второй 6 частей. Первая часть 5 имитатора стыка герметично установлена в отверстии 4 стенки 3 при помощи прокладки 7. В первой 5 части имитатора стыка выполнено отверстие 8 соосно отверстию 4 стенки 3. Трубка 9 концом, снабженным торцом 10, соосно установлена в отверстии 8 первой части 5 имитатора стыка и отверстии 4 стенки 3, а торец 10 образует полость 11 между первой частью 5 и плоской поверхностью второй части 6 имитатора стыка. Свободный конец трубки 9 размещен в полости герметичной камеры 1. Упругий элемент 12 выполнен в виде жесткого сильфона, впаянного в крышку 13, которая при помощи прокладок 14 герметично закреплена на гайке 15. Упругий элемент 12 установлен на свободном конце трубки 9 с герметичной установкой пер вой части 5 имитатора стыка в отверстии 4 стенки 3 за счет сил сжатия сильфона. Стержневой толкатель 16 выполнен с лыской и установлен в трубке 9 с возможностью возвратно-поступательного движения, а лыской стержневого толкателя 16 и внутренней поверхностью трубки 9 образован канал 17. Полый корпус датчика 18 перемещений стержневого толкателя 16 выполнен в виде упругого сильфона 19, снабженного крышкой 20, которая посредством прокладки 21 герметично закреплена на гайке 15. Герметичная полость 22, образованная при этом, сообщена посредством канала 17 с полостью 11. Гайка 15 посредством втулки 23 и прокладки 14 герметично установлена на трубке 9 посредством резьбового соединения 24. В полости 22 жестко установлен чувствительный элемент 25, герметично связанный с регистрирующим прибором 26. Стержневой толкатель 16 размещен в полости 22 корпуса датчика 18 перемещений с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом 25, а гайка 28 и пружина 29, закрепленная на гайке 15, обеспечивает равновесие стержневого толкателя 16. В толкателе 30 зафиксирована вторая часть 6 имитатора стыка при помощи болта 31 с гайкой 32. Нагружающее устройство (не показано) снабжено толкателем 30 с возможностью создания сдвигающего усилия в заданном направлении на вторую часть 6 имитатора стыка. Штуцер 33 и запорный орган 34, снабженный крышкой 35, клапаном 36, обеспечивает сообщение полости герметичной камеры 1 через канал 38, а также полости 11 через канал 39 и отверстие 40 в трубке 9 с источником давления (не показан) и с атмосферой. Палец 41 пресса (не показан) через установленный на оси 42 подшипник 43 создает сжимающее усилие на вторую часть 6 имитатора стыка. На первой части 5 имитатора стыка установлен датчик 44 тангенциальных перемещений второй части 6 имитатора стыка. Датчик 44 связан с регистрирующим прибором 26.

Устройство работает следующим образом. При сборке устройства герметично устанавливают первую часть 5 имитатора стыка при помощи прокладки 7 в стенке 3 камеры 1 так, чтобы конец стержневого толкателя выступал над контактирующей поверхностью этой части имитатора. Устанавливают на нее вторую часть 6 имитатора, которая входит в контакт со стержневым толкателем 16 и вызывает его перемещение на некоторую величину, фиксируемую регистрирующим прибором 26 и принимаемую за начало отсчета. Соединяют с атмосферой посредством штуцера 33 и запорного органа 32 полость камеры 1 устройства и полость 11, при этом в них и в полости 22 корпуса датчика 18 перемещений стержневого толкателя 16 устанавливается атмосферное давление. Устанавливают датчик 44 на первую часть 5 с касанием со второй частью 6 имитатора стыка, фиксируют начальное показание регистрирующим прибором 26. Создают необходимую нагрузку подшипником 43 на имитатор стыка, при этом происходит деформация стыка в нормальном направлении, вызывающая перемещение стержневого толкателя 16, что фиксируется чувствительным элементом 25, связанным с регистрирующим прибором 26. Создают сдвигающую нагрузку в тангенциальном направлении посредством толкателя 30, при этом происходит деформация стыка в нормальном и тангенциальном направлении, что фиксируется чувствительным элементом 25 и датчиком 44 соответственно, связанными с регистрирующим прибором 26. Так обеспечивается измерение контактных деформаций стыка во взаимно перпендикулярных направлениях: нормальном и тангенциальном при приложении сжимающих и сдвигающих нагрузок. Установка датчика 44 на первой части имитатора стыка 5 и выполнение второй части 6 с плоской контактирующей поверхностью позволяет исключить из отсчета ошибку, вызванную объемной деформацией контактирующих частей имитатора стыка при действии на них нагрузок.

Для измерения герметичности при статическом приложении нагрузок создают избыточное давление в полости 22 герметичного датчика 18 перемещений и в герметичной камере 1 устройства. При наличии утечки в стыке частей 5 и 6 имитатора перепад давления в камере 1 устройства и в полости 22 датчика 18 обеспечивает перемещение чувствительного элемента 25 относительно неподвижного стержневого толкателя 16, пропорциональное утечке газа за заданный промежуток времени и фиксируемое регистрирующим прибором 26.

Для измерения герметичности в динамическом режиме прикладывают ко второй части 6 имитатора стыка изменяющуюся по направлению и по величине сдвигающую нагрузку определенной амплитуды, контролируемой датчиком 44, посредством обоймы 30 на заданный промежуток времени. За заданный промежуток времени фиксируют перемещение чувствительного элемента 25 прибором 26 и определяют величину, пропорциональную утечке газа через испытуемый стык, контактной деформации и износу контактирующих поверхностей первой 5 и второй 6 частей имитатора стыка. Создают, вращая винт 34, в полостях 22 и 11 атмосферное давление и фиксируют перемещение стержневого толкателя 16 относительно чувствительного элемента 25 регистрирующим прибором 26 и определяют величину, пропорциональную утечке стыка. Снимают нормальную нагрузку и определяют величину остаточной контактной деформации стыка по величине перемещения стержневого толкателя, фиксируемой чувствительным элементом 25,связанного с прибором 26. Сравнивают показание регистрирующего прибора 26 с начальным значением до приложения нормальной нагрузки и определяют величину, пропорциональную износу в сопрягаемой зоне первой 5 и второй 6 частей имитатора стыка. Так осуществляют исследование зависимости герметичности и износа испытуемых образцов от приложенных нормальной и тангенциальной нагрузок.

Предлагаемое устройство для измерения контактных деформаций, герметичности стыка и его износа позволяет проводить комплексное исследование трибосистем и уплотнительной техники на одном приборе, обеспечивая повышение точности по сравнению с расчетными методами и позволяя исследовать контактную жесткость, фактическую площадь контакта и зависимость герметичности от контактной жесткости у испытуемых образцов в условиях сложного напряженно-деформированного состояния и за счет этого повысить надежность трибосистем и уплотнительных узлов.

Кроме того, измерение износа при изменяемой нагрузке позволяет диагностировать сложное напряженно-деформированное состояние на пятнах касания и на базе этих данных определять характер фрикционных процессов в трибосистемах или уплотнительных узлах, что расширяет функциональные возможности устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения контактных деформаций, содержащее корпус, выполненный в виде герметичной камеры с отверстием в одной из стенок, имитатор стыка, установленный на этой стенке и выполненный из двух частей, первая из которых имеет центральное отверстие, соосное с отверстием стенки, трубку, установленную в отверстиях стенки корпуса и первой части имитатора, причем ее торец и обе части имитатора образуют полость, палец для создания нагружающего усилия на имитатор стыка, стержневой толкатель, размещенный в трубке, упругий элемент, герметично установленный на трубке, выполненный в виде жесткого сильфона и связывающий трубку с корпусом, датчик перемещений стержневого толкателя, выполненный в виде установленного на свободном конце трубки полого герметичного корпуса с закрепленным на нем чувствительным элементом, регистрирующий прибор, связанный с чувствительным элементом, источник давления и запорный орган, отличающееся тем, что вторая часть имитатора стыка выполнена сплошной и соединена с толкателем нагружающего устройства, вторая часть имитатора стыка снабжена датчиком тангенциальных перемещений, размещенным на первой части имитатора стыка, причем поверхность второй части имитатора стыка в плоскости контакта выполнена плоской, а палец смонтирован на оси в подшипнике, взаимодействующем с поверхностью второй части имитатора стыка.

РИСУНКИ

Рисунок 1