Дипломная (вкр): Проект установки для экспериментального исследования износостойкости материалов

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

Описание установки. 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 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 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.

При воссоздании условий изнашивания может возникнуть потребность в проведении исследований с длительным непрерывным контактом. В этом случае, если траектория движения точки соприкосновения будет образовывать замкнутую линию, то возможно быстрое истирание контр-тела и повреждение установки. Решением данной проблемы послужит постоянное осциллирующее перемещения точки соприкосновения вдоль оси вращения изнашивающего тела, тем самым задействуется его большая площадь и повышается срок эксплуатации.

Предполагается, что в качестве объектов исследования будут служить образцы определенных габаритов, элементы деталей либо сами детали в случае приемлемых размеров. Для их надежного закрепления необходимо предусмотреть специализированную оснастку. Стандартными образцами будем считать изделия, имеющие форму сечения квадрат ˜5-10 мм, круг Ø3-10мм длинной 40 мм, рисунок 3.1.

Рисунок 3.1. Стандартные образцы: 1 - сечение квадрат; 2 - сечение круг

Для упрощения конструкции предполагается размещение привода осциллирующей подачи в одной плоскости с держателем образцов, перемещение будет происходить непосредственно от рабочего органа к направляющим. В зависимости от скорости движения контр-тела, габаритов держателей образцов и создаваемых условий изнашивания необходимо иметь возможность настройки осциллирующего движения по таким параметрам как скорость движения и длина подачи рабочего органа.

Исходя из намеченных решений производится более тщательная проработка каждого узла установки.

3.1.2 Проектирование узлов установки

1. Барабан.

В качестве держателя контр-тела наиболее удачно подойдет конструкция типа «барабан», которая будет состоять из корпуса, задней стенки, переднего фланца. Контр-тело листовой формы будет сворачиваться и устанавливаться в внутреннюю часть барабана. Держатель образца будет проходить через центральное отверстие в переднем фланце. На задней стенке с наружной стороны будет расположен переходной фланец для крепления на шпиндель станка. Подобная конструкция данного узла дает такие преимущества как:

.        Закрытость эксперимента (продукты износа будут оставаться внутри барабана)

.        Возможность исследования трения в жидкой среде или со смазкой (под действием центробежной силы жидкость равномерно распределится по контр-телу и внутренней поверхности барабана, полуоткрытый фланец не даст жидкости вытечь за её пределы)

.        В качестве изнашивающего тела можно применить твердеющие смеси, размещенные вручную внутри барабана либо под действием центробежной силы (асфальт, цементные смеси и т.д.)

.        Также есть возможность размещения дополнительных элементов: планок, порожков и т.д., для создания трения с ударами или плавными переменными нагрузками.

.        Исследования абразивного трения. Условия как в пункте 2, центробежная сила и полузакрытый фланец распределят частицы равномерно по поверхности и не дадут вылететь за пределы исследуемой зоны.

Габариты барабана необходимо предусмотреть такие, чтобы держатели разного вида могли свободно в нем помещаться и иметь ход вдоль его оси вращения, при этом нужно учесть габариты станка и его мощность. В данном проекте рассматривается установка для станка 1М63, его необходимые характеристики приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Характеристики станка

Опираясь на размеры задаем габариты барабана, принимаем максимальный диаметр барабана Ø500 мм, ширину барабана 270 мм.

Важно при проектировании барабана предусмотреть съемный передний фланец, это необходима для наиболее легкого извлечения изнашивающего тела. Возможно применение дополнительных винтов на задней стенке вдоль корпуса барабана и на самом корпусе, которые будут служить как выталкивающие элементы при извлечении контр-тела. Для исследований трения в жидкой среде и со смазкой необходимо при конструировании и дальнейшей сборке соблюсти

герметичность стыков.

Присоединительные размеры барабана к шпинделю станка определяются из размеров конца шпинделя по DIN 55022, рисунок 3.2.

Рисунок 3.2. Присоединительные размеры к шпинделю станка

На рисунке 3.3 показана 3D модель барабана в разрезе.

Рисунок 3.3. 3D модель барабана в разрезе

. Быстросменные держатели.

Для исследования трения скольжение необходимо приспособление, обеспечивающее размещение и надежное закрепление в нем образцов различной формы. Также необходима регулировка силы прижатия образцов к поверхности контр-тела. Решением поставленной задачи будет устройство типа «молоток», рисунок 3.4.

Рисунок 3.4. Молоток: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - зажимной винт; 4 - пружина; 5 - шайба; 6 - регулирующий винт; 7 - присоединительный винт

В цилиндрическое отверстие корпуса 1 будет устанавливаться держатель образцов, регулирующий винт 6 устанавливается в крышку 2, которая в свою очередь крепится к корпусу при помощи винтов 7. Путем закручивания регулирующего винта перемещается шайба 5, сжимая пружину 4 и создавая силу прижатия образце к контр-телу. Зажимной винт 3 закручиваясь попадает в шпоночный паз и не дает выпасть держателю образцов.

Образцы разной конфигурации будут размещаться в соответствующих быстросменных держателях:

.        Для образцов с круглой формой сечения держатель с цангой.

.        Для образцов прямоугольной формы сечения, не превышающих размеров 10х10, держатель с прижимом, в котором выполнена прямоугольная прорезь. Закрепление образцов происходит за счет прижима винтом. Предусмотрен прижим типа призмы для образцов круглой или овальной формы сечения, это более простая в изготовлении альтернатива держателю с цангой. Примеры прижимов приведены на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5. Прижимы образцов: 1 - прижим с прямоугольной прорезью; 2 - прижим типа призма

.        Для готовых деталей малых размеров либо сложной формы предусмотрена держатель образцов с конусным отверстием под быстросменную гильзу. В гильзу заливается твердеющая смесь (смола, клей и т.д.) и устанавливается необходимы образец.

В хвостовиках всех держателей предусматривается шпоночный паз, в который при установке будет входить упорный винт, тем самым, не давая державке выпасть из «молотка». Данный зажим не даст держателю образцов провернуться вокруг собственной оси и позволит перемещаться ей на длину шпоночного паза. 3D модели быстросменных держателей представлены на рисунке 3.6

Рисунок 3.6. Быстросменные держатели: 1 - держатель с цангой; 2 - держатель с пазом; 3 - держатель с призмой; 4 - держатель с гильзой