Лабораторные работы по дисциплине "Физика трения" (стр. 2 )

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Фрикционные свойства материалов, используемых в узлах трения, зависят от множества различных факторов. Это и внешние условия (нагрузка, скорость, состав и свойства окружающей среды, наличие смазочного материала, температура и др.), и свойства деталей узла трения (физико-механические свойства материалов, технология обработки, геометрия поверхности и т. п.), и конструктивные особенности узла. На работоспособность трибосопряжения оказывает влияние конкретное сочетание факторов. Огромное их количество и вероятностный характер степени их влияния в конкретных условиях ограничивают возможности расчетов узлов трения при их исследованиях и проектировании. Поэтому до сих пор наиболее достоверную информацию о триботехнических свойствах различных материалов и узлов трения в целом можно получить при проведении испытаний.

Различают лабораторные, стендовые и натурные (эксплутационные) испытания. Лабораторные проводятся при исследовании общих закономерностей процессов трения и изнашивания, а стендовые – при исследовании конкретного узла трения, оптимизации его параметров. При лабораторных испытаниях материалов на трение и износ производится оценка физико-механических свойств и режимов трения на их фрикционные свойства. Для проведения лабораторных исследований промышленностью выпускаются стандартные установки и машины трения, в современных моделях которых закладываются достаточно большие возможности по варьированию наиболее значимыми внешними факторами, проведению испытаний при различных схемах изнашивания и регистрации основных триботехнических характеристик. Часто при проведении исследований в конкретной узкой области возможностей стандартных машин трения оказывается недостаточно, и исследователю приходится самому создавать установку, моделирующую исследуемый им процесс изнашивания. При стендовых испытаниях узлов трения оценивается влияние их конструктивных особенностей на триботехнические характеристики узла. Стендовые испытания проводятся на установках (стендах), состоящих из исследуемого узла трения или его физической модели (модели, созданной с использованием принципов физического моделирования) и устройств, позволяющих варьировать факторами, влияющими на работоспособность узла, и регистрировать его триботехнические характеристики. Натурные испытания производятся на реальной машине или механизме, и при их проведении оценивается взаимное влияние различных узлов трения машины или механизма на их работоспособность, производится оценка надежности и долговечности его работы.

Абсолютно одинаковых деталей и материалов не бывает, даже если детали или исследуемые образцы изготавливаются из одной отливки и по единой технологии. Самые незначительные по площади участки поверхности имеют свои характерные особенности и вступление их в контакт с контролером носит случайный характер. Поэтому любое испытание следует проводить неоднократно и для оценки влияние различных факторов на процесс трения и изнашивания руководствоваться средними значениями получаемых данных.

Чаще всего при лабораторных исследованиях определяется влияние на величину износа и коэффициент трения таких основных факторов, как нагрузка, скорость и температура; меняется материал исследуемых образцов, технология и качество их обработки. Получаемые зависимости влияния факторов, определяющих условия трения и изнашивания трибосопряжения на его триботехнические характеристики, позволяют с известным приближением определить область, в которой деталь сохраняет свою работоспособность.

Фрикционные свойства материалов оцениваются с помощью типовых машин и стендовых комплексов, предназначенных для проведения лабораторных испытаний материалов на трение и износ, изучения процессов трения и износа металлов, сплавов, конструкционных пластмасс и компаундов. Машины трения условно классифицируются на два класса по кинематическому признаку на машины:

-  однонаправленного относительного действия;

-  знакопеременного относительного действия.

Каждый класс подразделяется на две группы: машины торцевого трения и машины с контактом по образующей.

Внутри класса машины делятся на группы в зависимости от коэффициента взаимного перекрытия (Квз). К первой группе относятся машины с Квз=0, ко второй группе относятся машины с Квз=1 (таб. 1).

Таблица 1

Группы машин в зависимости от коэффициентов взаимного перекрытия

Серийно выпускаемые триботехнические комплексы 2168 УМТ, “Унитриб”, СМТ-1, СМЦ-2, ИИ 5018 и другие имеют ряд сменных узлов, позволяющих выполнять испытания практически по всем схемам контактирования фрикционных элементов, применяемых в машиностроении (рис. 1).

Рис. 1. Схемы контактирования образцов в серийных триботехнических комплексах:

а - кольцо-кольцо (имитация дискового тормоза или муфты); б - вал-втулка (имитация подшипника скольжения); в - ролик-колодка (имитация колодочного тормоза); г - палец-диск; д- вал-втулка при качательном движении (имитация работы трубки в теплообменнике); ж - палец-плоскость (имитация работы направляющей); з - палец-ролик (имитация нагруженного линейного контакта); и - ролик-ролик (имитация нагруженного линейного контакта)

Разнообразие схем контактирования необходимо, во-первых, для моделирования различных видов разрушения поверхности трением, во-вторых, для воспроизведения физико-химических процессов, происходящих в реальных зонах контакта.

Машины трения и испытательные комплексы, как правило, сконструированы по блочному принципу и включают в себя:

1. Испытательный блок, предназначенный для формирования испытываемой пары трения и обеспечивающий точную и быструю установку образцов.

2. Блок привода, служащий для сообщения движения одному или нескольким элементам пары трения. Блок привода состоит из электродвигателя и передаточного механизма.

3. Блок нагружения, создающий и поддерживающий заданную нагрузку на образцы при помощи пружинных, гидравлических или электромагнитных механизмов.

4. Блок накопления кинетической энергии (применяется в машинах нестационарного трения), представляющий собой набор маховых масс присоединяемых по мере необходимости к валу машины, на котором закреплен испытываемый образец.

5. Блок имитации среды (газовой либо жидкостной), служащий для проведения испытаний в условиях повышенных или пониженных температур, вакуума, загрязнений абразивом, смазки. Камера блока выполняет, помимо прочего, защитную функцию, ограждая оператора от воздействия продуктов износа, шума.

6. Блок управления и измерения, фиксирующий и обрабатывающий регистрируемую в процессе испытания информацию, а именно: момент трения, нормальное давление, скорость, путь трения, температуру в зоне контакта, работу сил трения, износ и т. д.

Широкое распространение получили серийно выпускаемые машины СМЦ-2, СМТ-1, ИИ 5018. Основные технические характеристики отмеченных машин представлены в табл. 2.

Таблица 1.2.

Основные технические характеристики машин трения

Параметры	Наименование машины
СМЦ-2	СМТ-1	ИИ 5018
1	2	3	4
Частоты вращения нижнего образца, об/мин	300, 500, 1000	75…1500	2000
Диапазон изменения вращения нижнего образца, об/мин: А В	- -	75…75 750…1500	50…750 200…2000
Пределы изменения момента трения, Н м	1,5…5	1…20	0,5…20
Диапазон изменения момента трения, Н м: 1 2 3	- - -	1…10 2…20 -	0,5…5 1…10 2…20
Пределы изменения усилия прижима образцов, Н	200…5000	200…5000	100…5000
Диапазон изменения прижима образцов: 1 2	200…2000 500…5000	200…2000 500…5000	100…2000 500…5000

Как видно из таблицы, предпочтительнее использовать для испытаний машину ИИ 5018 (рис. 3) с более широким диапазоном технических характеристик.

Рис.2. Структурная схема машины трения

Рис. 3. Принципиальная схема машины трения ИИ 5018

На рис. 3 показана принципиальная схема машины. От электродвигачерез шкив 1 и плоскозубчатую ременную передачу 5 вращение передается одновременно на верхний образец 13 через шкив 6 и на нижний 14 через шкив 3. Образец 13 установлен на валу 12 откидной каретки, внутри которой имеются шестерни 10-11. Каретка уравновешивается пружинным механизмом 8. На валопроводе нижнего образца установлен упругий торсион датчика 7 момента трения с бесконтактным токосъемом, сигнал с которого выводится на пульт.

Нагружение образцов производится с помощью пружинного механизма 16. Величина нормальной силы регулируется поворотом рукоятки 15, а передача показаний на пульт осуществляется через гибкую связь от резистора 17.

Частота вращения измеряется с помощью тахогенератора 18 на валу двигателя 19, а число оборотов нижнего образца (путь трения) – с помощью бесконтактного датчика 2.

Для защиты машины от перегрузок служит сменный предохранительный штифт 4.

При испытании пары «вал – втулка» работа происходит в специальной камере по схеме с открытым контуром. При этом каретка 9 откидывается и в таком положении фиксируется. Приборы, установленные на пульте, позволяют измерять момент трения, нагрузки, частоту вращения, путь трения, а также, температуру в зоне трения.

Крутящий момент на машине ИИ 5018 измеряется при помощи бесконтактного индуктивного датчика 2, состоящего из вращающегося ротора и неподвижного статора. Каретка 3 предназначена для испытаний образцов по схемам «диск - диск», «диск - колодка», «диск - неподвижный диск» с усилием прижима от 100 до 2000 Н. Диаграммный аппарат приборного устройства II вычерчивает диаграмму в установленных координатах момента трения и температуры в контакте.