устройство для испытаний на контактную выносливость

Формула изобретения

1. Устройство для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость плоских поверхностей деталей машин, содержащее обкатник с деформирующими телами, отличающееся тем, что обкатник выполнен в виде оправки, один торец которой представляет собой конический хвостовик для установки и крепления в шпинделе привода вращательного движения, а на другом торце, выполненном в форме диска, жестко закреплен испытываемый верхний образец и подвижно закреплен сепаратор, позволяющий по круговым концентричным траекториям на различном расстоянии от центра вращаться деформирующим телам, при этом нижний испытываемый образец жестко закреплен в зажимном приспособлении таким образом, что деформирующие тела одновременно взаимодействуют с верхним и нижним образцами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на торце оправки обкатника установлено многоместное зажимное верхнее приспособление с испытываемыми образцами, при этом нижние испытываемые образцы установлены также в многоместном зажимном приспособлении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии машиностроения, к устройствам для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость плоских поверхностей деталей машин.

Известна машина для испытания на контактную выносливость, которая имеет фрикционный диск, закрепленный на вращающемся валу, приводит во вращение фрикционные катки, внутри которых размещены опоры, воспринимающие нагружающее усилие и передающие его на установленные в катках образцы, при этом нагружающий механизм обеспечивает индивидуальное нагружение опоры каждого катка [1. А.с. СССР № 176111. Машина для испытания на контактную выносливость / Г.В.Иванов. Заявка № 917430/25-28. 19.08.1964; 26.10.1965. Бюл. № 21].

Недостатком известной машины для испытаний на контактную выносливость образцов различной формы является очень низкая производительность, связанная с обеспечением необходимого числа циклов нагружения, например до 10⁶ и более, а также большая длительность испытаний (до 30 дней). Другим недостатком является то, что взаимодействие контртел с испытуемой поверхностью образца осуществляется в условиях качения с проскальзыванием, при этом с уменьшением радиуса обкатывания качение будет уменьшаться, а проскальзывание увеличиваться, однако данная машина не позволяет определять соотношение качения и проскальзывания, а следовательно, получать достоверную информацию о процессе изнашивания.

Известно устройство для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость, которое включает станину, шпиндель, верхний держатель образца с зубьями, нижний держатель образца и шаровые тела [2. А.с. СССР № 1453241. Устройство для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость / Г.Ф.Перлов, В.П.Браженцев, А.В.Кивва, С.Н.Рыжов. Заявка № 4292176/25-28, 30.07.87; 23.01.89. Бюл. № 3]. Цилиндрическая поверхность верхнего держателя образца имеет четное число зубьев с одинаковым шагом. На нижнем держателе образца установлены магниторезистивные преобразователи, размещенные диаметрально противоположно и подключенные к усилителям. Выход усилителя подключен к сумматору. Преобразователи установлены посредством регулировочного кольца из немагнитного материала и могут перемещаться вдоль продольной оси устройства.

Повышение производительности известного устройства достигается за счет одновременного испытания большого количества образцов в одних и тех же условиях. Однако недостаток устройства - узкие технологические возможности, при этом взаимодействие контртел с испытуемой поверхностью образца осуществляется в условиях качения с проскальзыванием, а данное устройство не позволяет определять соотношение качения и проскальзывания и, следовательно, получать достоверную информацию о процессе изнашивания.

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, повышение производительности, установление влияния на контактно-усталостное изнашивание соотношения качения и проскальзывания.

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого устройства для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость плоских поверхностей деталей машин, содержащего обкатник с деформируемыми телами, причем обкатник выполнен в виде оправки, один торец которой представляет собой конический хвостовик для установки и крепления в шпинделе привода вращательного движения, а на другом торце, выполненном в форме диска, жестко закреплен испытываемый верхний образец и подвижно закреплен сепаратор, позволяющий по круговым концентричным траекториям на различном расстоянии от центра вращаться деформирующим телам, при этом нижний испытываемый образец жестко закреплен в зажимном приспособлении таким образом, что деформирующие тела одновременно взаимодействуют с верхним и нижним образцами. Кроме того, как второй вариант, на торце оправки обкатника установлено многоместное зажимное верхнее приспособление с большим количеством испытываемых образцов, при этом нижние испытываемые образцы установлены также в многоместном зажимном приспособлении.

Особенности конструкции устройства для испытаний на контактную выносливость поверхностей деталей машин поясняются чертежами.

На фиг.1 представлены конструкция устройства и схема испытания на контактную выносливость плоских образцов на вертикально-сверлильном станке; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, вид снизу на сепаратор и деформирующие тела; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1, вид снизу на сепаратор и деформирующие тела меньшего диаметра по сравнению с деформирующими телами, показанными на фиг.2; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.1, где показан второй вариант конструкции плоских образцов, закрепленных в многоместном зажимном приспособлении.

Предлагаемое устройство предназначено для определения пластических деформаций и износа упрочненных материалов при испытаниях на контактную выносливость плоских поверхностей деталей машин.

Устройство содержит обкатник 1 с деформируемыми телами 2, который выполнен в виде оправки, один торец которой представляет собой конический хвостовик 1^к для установки и крепления в шпинделе 3, например, вертикально-сверлильного станка или другого привода вращательного движения V. На другом торце обкатника, выполненного в форме диска 1^д, жестко закреплен болтами 4 испытываемый верхний образец 5 в форме диска.

Кроме того, к диску 1^д подвижно закреплен сепаратор 6, выполненный, например, из текстолита, позволяющий разместить по круговым концентрическим траекториям на различном расстоянии R₁, R₂ от центра деформирующие тела 2, например, в виде шаров.

Центрирование сепаратора 6 относительно образца 5 осуществлено винтом 7, который соединяет их через отверстия, просверленные в образце и сепараторе. Зазор между сепаратором 6 и верхним образцом 5 обеспечивается шайбой 8. При сборке сила завертывания винта 7 должна обеспечивать свободное вращение сепаратора 6 относительно образца 5.

Особенностью конструкции предлагаемого устройства является то, что деформируемое тело 2 контактирует одновременно с двумя образцами: нижним 9 и верхним 5, воздействуя на них. Нижний испытываемый образец 9 жестко закреплен в зажимном приспособлении 10.

На фиг.4 показан второй вариант конструкции испытываемого образца 11 в виде прямоугольной или другой формы плитки, которая закрепляется в нижнем зажимном многоместном приспособлении 12. Соответственно и верхние испытываемые образцы установлены также в многоместном зажимном приспособлении.

Рабочие поверхности деталей, воспринимающие концентрированные циклические контактные нагрузки, часто выходят из строя вследствие усталостного разрушения. Для повышения контактной выносливости таких деталей широко используются различные способы упрочнения, такие как термообработка, химико-термическая обработка, поверхностное пластическое деформирование. Определение эффективности использования упрочнения часто возможно только в результате экспериментальных испытаний на контактную выносливость упрочненных образцов. Для этого в настоящее время применяются различные методики и установки, достоверность исследований на которые в первую очередь зависит от того, на сколько условия испытаний будут точно воспроизводить условия работы сопряженных поверхностей.

В настоящее время существует целый ряд деталей машин, таких как бойки, различные виды опор, рельс, направляющих и др., у которых изнашиваемая поверхность является плоской. Одной из основных проблем при испытаниях на контактную выносливость образцов различной формы и особенно с плоской поверхностью является повышение производительности. Большая длительность испытаний (до 30 дней) обычно связана с обеспечением необходимого числа циклов нагружения до 10⁶ и более.

Испытания осуществляются следующим образом. Через конус 1^к обкатника 1 верхний образец 5 за счет вертикального перемещения S_пр шпинделя 3, например, вертикально-сверлильного станка поджимается через деформируемые тела 2, установленные в сепараторе 6, к нижнему образцу. Сила прижима Р должна быть предварительно тарирована и пропорциональна силе нажатия на рукоятку продольного перемещения шпинделя станка, которая регулируется подвешиваемыми к ней грузами (не показаны). Включается вращение шпинделя с заданной частотой V, при этом деформируемые тела совершают круговое обкатывающее движение по поверхности верхнего и нижнего образцов.

Испытания могут проводиться как со смазкой, так и без смазки. Для этого в зону контакта осуществляется регулярный подвод индустриального масла известными способами.

Пример. Для оценки влияния размеров пятна контакта на процесс контактно-усталостного выкрашивания могут использоваться различные типы конструкций сепаратора, рассчитанных на использование в процессе испытаний деформируемых тел 2 различных диаметров. Поэтому при использовании деформируемых тел 2 небольшого диаметра количество дорожек будет больше. Например, при использование деформируемых тел 2 диаметром 8,9 мм можно получить на пластине с образцами три дорожки качения, а при использовании деформируемых тел 2 диаметром 19 мм - две дорожки качения. Таким образом, на поверхности одной пластины с образцами можно получить пять дорожек качения и максимально использовать экспериментальную площадь образцов.

Испытания осуществляли на базе 10⁶ циклов при частоте вращения шпинделя 400 об/мин, время испытаний составило 5,15 часа. После прохода 5·10⁵ циклов нагружения испытания прерывали и производили осмотр дорожек качения с целью выявления критического износа. Затем данные осмотры проводили каждые 1·10 ⁵ циклов нагружения до достижения базового числа циклов.

После прохода заданного числа циклов контактного нагружения испытания завершали, образцы 5 и 9 извлекали из устройства и подвергали лабораторным исследованиям.

Техническая характеристика экспериментального устройства для испытания на контактную выносливость плоских образцов представлена в таблице.

Таблица
Техническая характеристика экспериментального устройства для испытания на контактную выносливость плоских образцов
Габаритные размеры, мм	280×170×170
Масса, кг	8,5
Количество образцов на одной пластине, шт	8
Частота вращения обкатника, об/мин	до 400
Диаметр шаров обкатника, мм	8,9	19
Кол-во шаров в обкатнике, шт	24	16
Кол-во шаров на одной дорожке качения, шт	8	8
Максимальный диаметр дорожки качения, мм	114,53	104,04
Минимальный диаметр дорожки качения, мм	78,88	67,63
Кол-во получаемых образцов за один эксперимент, шт	48	32

Расположение деформируемых тел - шаров на различном расстоянии от центра обкатника позволяет за одно испытание получить на каждом образце 11 несколько дорожек с различными значениями угловых скоростей, от которых в свою очередь зависит соотношение качения и проскальзывания (износа).

В одном радиальном ряду может находиться несколько шаров, что позволяет за один оборот сепаратора подвергать образцы циклам нагружения, равным количеству шаров, что существенно уменьшает время испытаний и увеличивает равномерность нагружения. Одновременное обкатывание нижних и верхних образцов позволяет уменьшить общее время испытаний, значительно повысить точность и производительность процесса.

В конструкции возможно убирать шары из одного или нескольких радиальных рядов в ходе испытаний, если это необходимо, в случае достижения на данной дорожке качения критического износа. При этом испытания могут быть продолжены для других дорожек качения, где износ еще не достиг критического значения.

Размещение на держателе сразу нескольких образцов позволяет одновременно провести их испытания при одинаковых условиях, наглядно сравнить износ поверхности образцов после различных упрочняющих обработок, при различных режимах упрочнения, что значительно повышает производительность процесса исследований.