Материал: Разработка конструкции установки для экспериментального исследования износостойкости материалов

Рассмотрим принципы работы и методики проведения исследований. Проведем анализ существующих установок.

В качестве примера установки для исследования трения скольжения рассмотрим следующую установку - «Нагружающее устройство к машине для испытаний на трение износ», рисунок 2.1.

Рисунок 2.1 - Нагружающее устройство к машине для испытаний на трение износ

Описание установки.

Нагружающее устройство к машине для испытаний на трение и износ содержит основание 1, к которому через зубчато-реечную передачу 2 крепится кронштейн 3, жестко связанный с корпусом механизма нагружения 4, в котором свободно перемещается шток 5, в верхней части которого крепится набор сменных грузов 6, а в нижней - держатель подвижного образца 7. Подвижный образец 8 совершает возвратно-поступательное перемещение относительно контробразца 9, который крепится в держателе контробразца 10. Держатель контробразца 10 опирается на внутренние кольца подшипников качения 11, нагруженные кольца которых жестко закреплены на платформе 12, связанной с основанием 1.

Принцип действия установки.

Устройство работает следующим образом. Оператор перемещает посредством зубчато-реечной передачи кронштейн 3 вниз до контакта подвижного образца 8 с контробразцом 9. При нагружении образца грузами 6 первоначально точечный контакт, вследствие отклонения размеров, перейдет в линейный O3O4. Это обеспечивается тем, что держатель контробразца 10 закреплен во внутреннем кольце подшипников качения 11 таким образом, что поверхность трения контробразца 9 совпадает с горизонтальной плоскостью, проходящей через ось симметрии подшипника 11. При этом ось вращения O1O2 подшипников качения 11 совпадает с линией, образуемой пересечением поверхности трения контробразца 10 с перпендикулярной к ней плоскостью симметрии контробразца 10, ориентированной в направлении скольжения подвижного образца 8.

Говоря о недостатках данной установки в первую очередь следует выделить однообразие проводимых исследований, а именно, проведение испытаний только в режиме трения скольжения. Большинство узлов трения деталей машин покрываются смазывающими веществами либо полностью погружаются в смазывающую среду. Эти два варианта испытаний невозможно проводить на данной установке, также как и образивное трение, трение в жидкой среди.

Следующей рассмотрим установку испытательной камеры машины трения, рисунок 2.2

Рисунок 2.2 - Испытательная камера машины трения

На рисунке 2.3 показан основной узел трения испытательной установки.

Рисунок 2.3 - Узел трения испытательной установки

Описание установки.

Испытательная камера машины трения имеет вертикальную компоновку и смонтирована на подшипниковом узле 1, на который устанавливается ее корпус 2, базирующий на себе блок нагружения 3. Наружная поверхность подшипникового узла 1 представляет собой нисходящую конусно-винтовую поверхность, которая в сопряжении с внутренней нисходящей конусно-винтовой поверхностью корпуса 2 образует нисходящий конусно-винтовой канал. В опорах (не показаны) подшипникового узла 1 размещен приводной вал 4, входной конец которого соединен с электродвигателем 5 привода главного движения через жесткую муфту 6 на стяжных конических кольцах (не показаны), а на выходной конец посредством конических посадок базируется ролик 7, на котором закрепляется посредством гайки 8 и пружинной шайбы 9 контробразец 10. Подшипниковый узел 1, корпус 2 и электродвигатель 5 жестко закреплены на раме 11 машины трения. В блоке нагружения 3 установлены большие плунжера 12; 13, и малые плунжера 14; 15 двухстороннего действия и жестко зафиксированы гайками 16 и 17. Большие плунжера 12 и 13 упираются в малые плунжера 14 и 15, а последние - в самоустанавливающиеся шаровые опоры 18 и 19 (фиг. 2), свободно вращающиеся в П-образных направляющих 20 и 21 и несущие на цилиндрических штифтах 22 и 23 испытуемые образцы-колодки 24 и 25. В гайке 16 установлен напорный штуцер 26, в гайке 17 - датчик давления 27, а торцевые полости А и Б объединены между собой жестким трубопроводом 28 и соединены с ручными нагружателями 29 и 30. В блоке нагружения вмонтривована система регистрации суммарного линейного износа испытуемого трибосопряжения, состоящая из межплунжерных полостей В и Г, образованных блоком нагружения 3 и сочетанием больших и малых плунжеров 12; 14 и 13; 15, объединенных между собой и последовательно соединенных с ручным задатчиком исходного избыточного давления 31, манометром 32 и датчиком динамического давления 33 при помощи жесткого трубопровода 34 и соединительных штуцеров 35 и 36. В верхней части блока нагружения 3 вмонтирована прозрачная крышка 37 посредством гайки 38. Для подачи испытуемой смазочной среды в испытательную камеру машины трения имеется отверстие Д, а для удаления - сливной штуцер 39.

Принцип действия.

Испытательная камера машины трения работает следующим образом: на выходной конец приводного вала 4 устанавливают ролик 7, выполненный из диэлектрического конструкционного материала с малыми коэффициентами расширения и теплопроводности, на который насаживают контробразец 10 и закрепляют гайкой 8 через пружинную шайбу 9. На цилиндрические штифты 22 и 23 в самоустанавливающиеся шаровые опоры 18 и 19, свободно вращающиеся и перемещающиеся в П-образных направляющих 20 и 21, базируют испытуемые образцы-колодки 24 и 25. Затем производят герметизацию испытательной камеры при помощи прозрачной крышки 37 и гайки 38. Отверстие подачи Д и сливной штуцер 39 соединяют с источником циркуляции испытуемой смазочной среды и осуществляют ее подачу в испытательную камеру под необходимым давлением. После этого производят включение электродвигателя 5 привода главного движения, осуществляя тем самым вращение через жесткую муфту 6 на стяжных конических кольцах контробразца 10. Если нагружение испытуемых образцов-колодок 24 и 25 будет осуществляться в ручном режиме, то на напорный штуцер 26 ставят заглушку и нагружение осуществляют при помощи ручных нагружателей 29 и 30, создавая тем самым избыточное давление нагружения в торцевых полостях А и Б больших плунжеров 12 и 13, которое передается на самоустанавливающиеся шаровые опоры 18 и 19 через малые плунжера 14 и 15. Величина давления нагружения в ходе проведения испытаний регистрируется датчиком давления 27. При динамическом задании нагрузки на испытуемые образцы-колодки напорный штуцер 26 соединяют с напорной полостью программно-управляемого сервоэлемента (не показан). После приработки испытуемого трибосопряжения систему регистрации суммарного линейного износа заполняют рабочей жидкостью требуемой сжимаемости, удаляют воздух и создают исходное избыточное давление ручным задатчиком 31, при котором зависимость суммарного линейного износа испытуемого трибосопряжения от давления рабочей жидкости в системе регистрации суммарного линейного износа испытуемого трибосопряжения имеет линейную зависимость. При испытании в статическом режиме регистрацию суммарного линейного износа испытуемого трибосопряжения производят по манометру 32, а при динамическом испытании - по динамическому датчику давления 33. Установленное таким образом исходное избыточное давление будет являться абсолютным нулем, соответствующим началу процесса износа контробразца 10 и испытуемых образцов-колодок 24 и 25. По мере того, как будет происходить процесс износа испытуемого трибосопряжения, будет происходить уменьшение объема межплунжерных полостей В и Г, интенсивность которого будет определять ее рабочий диаметр и сжимаемость рабочей жидкости, и приведет к понижению давления, регистрируемого манометром 32 или датчиком давления 33. В случае если при некотором смещении поршня происходит незначительное увеличение давления рабочей жидкости в системе регистрации суммарного линейного износа испытуемого трибосопряжения, то необходимо произвести увеличение радиусов больших плунжеров 12 и 13 или уменьшить радиусы малых плунжеров 14 и 15 или сменить рабочую жидкость, обладающую меньшой сжимаемостью.

К недостаткам данной установки следует отнести сложную форму испытываемого образца и контр тела. В связи с этим изготовление образцов из труднообрабатываемых материалов создаст дополнительные сложности. Для получения наиболее точной оценки результатов изнашивания необходимо проведение нескольких испытаний с разными образцами. Из-за того, что площадь поверхности трения контр-тела недостаточно большая, возникает необходимость изготавливать и его для повторного проведения испытаний. На данной установке нет возможности проводить испытания на трение с ударами и трение качение.

Анализ установки для исследования трения образцов материалов при высоких температурах в различных средах, рисунок 2.4.

Рисунок 2.4 - Установка для исследования трения образцов материалов при высоких температурах в различных средах

Установка содержит рабочую камеру 1, устройства для крепления исследуемых пар трения в виде двух концентрично размещенных труб 2 и 3, на концах которых размещены детали 4 и 5 пары трения, привод 6 для вращения трубы 2, нагрузочно-измерительное устройство, концентричное трубам нагревательное устройства 7, имеет в своем дне нагреватель 10 и подвижен в направлении оси труб. Нагрузочно-измерительное устройство выполнено в виде рычагов 11 и 12, шарнирно закрепленных на трубе 3, помещенных в тигель 9.

Принцип действия.

Принцип действия установки основан на изнашивающем воздействии трения образцов 4 и 5 при воздействии высокой температуры. Образец совершает вращательное движения, передающееся через трубку 2 от привода 6. Рычаг 12 создает необходимую силу прижатия образца к контр телу.

Недостатком данной установки является однообразие интенсивности движения пар трения, необходимость изготовления образцов сложной формы, невозможность проведения испытаний с образцами различной формой контактных поверхностей. Возможное проведение испытаний в режиме движения только трения скольжения.

В процессе исследования были выявлены общие, наиболее часто встречающиеся недостатки, попадающиеся в большинстве указанных и неуказанных установках:

. Однообразие характера движения образцов.

. Сложность формы образцов и контр тел.

. Сложность конструкции испытательных машин.

. Отсутствие возможности проводить испытания различных средах.

Целью и основной задачей проектирования является разработка конструкции установки для экспериментального исследования износостойкости материалов. В ходе разработки следует учесть недостатки имеющихся установок, повысить возможность проведения испытаний максимально приближенно к реальным изнашивающим процессам в узлах машин. Также необходимо соблюсти простоту и универсальность конструкции, что положительно отразится на стоимости её изготовления и применяемости.

3. Конструкторская часть

3.1 Проектирование конструкции установки для исследования износостойкости

3.1.1 Принципиальные конструкторские решения

При разработке установки для исследования износостойкости необходимо учесть требования, которые должны быть выполнены при проектировании.

Во-первых, данная установка изготавливается для разного типа машиностроительных предприятий, а это значит, что конструкция должна быть наиболее простой в изготовлении.

Во-вторых, конструкция установки подразумевает наличие приводов с возможностью регулирования их работы для изменения интенсивности изнашивающих процессов.

В-третьих, установка должна наиболее точно реализовывать реальные условия изнашивания деталей.

В-четвертых, возможность проводить эксперименты разных типов изнашивания в различных режимах.

Согласно всем вышеперечисленным требованиям производится предварительное проектирование. В качестве приводов и основы конструкции был выбран токарный станок. Изнашивающее контр-тело будет расположено на шпинделе станка, механизм для подачи держателя образца будет располагаться на плите, установленной в суппорт токарного станка. Преимущество данного решения заключается в том, что станки данного типа имеются на большинстве машиностроительных предприятий. Так же, что немаловажно, есть возможность настраивать необходимые параметры для изменения интенсивности износа, а именно скорость вращения контр-тела. Суппорт станка позволит корректно подводить образцы, устанавливать в нужном положении и извлекать их после исследований.

Для увеличения разнообразия создаваемых условий при проведении экспериментов необходимо изолировать зону испытаний. Это необходимо для избежания потерь абразивных веществ, жидких сред, продуктов износа. Также, существенным образом это отразится на чистоте эксперимента, потребность в регулярной уборке оборудования отпадет.