Спроектирована и создана машина трения для испытаний металлических образцов, позволяющая исследовать боковую поверхность по схеме «вал-колодка», плавно варьируя силу, действующую на образец со стороны контртела, в диапазоне от 0 до 100 Н, и частоту вращения образца в диапазоне от 0 до 150 Гц, при сохранении постоянного коэффициента перекрытия, не зависящего от изнашивания, и имеющую при этом стоимость не превосходящую 200 000 рублей.

Принципиальное устройство машины трения

Общий вид машины трения приведен на рисунке 1 презентации.

Применена схема трения «вал-колодка». Образец цилиндрический высотой и диаметром 10 мм. Контртело в форме прямоугольного параллелепипеда с полукруглой выемкой диаметром 10 мм, для охвата боковой поверхности образца. Цилиндрический образец закрепляется на валу, приводимом во вращение электродвигателем. Контртело закрепляется на платформе, скользящей по цилиндрическим направляющим. Перемещение платформы осуществляется с помощью пневматического цилиндра. Цилиндр, направляющие и платформа могут вращаться вместе с маятником. Вал маятника расположен соосно испытываемому образцу. Такая схема позволяет сохранить общую ось вращения образца и контртела по мере их изнашивания, чтобы избежать влияния несоосности на результаты измерений момента силы трения.

Принцип работы

Исследуемый образец 1 приводится во вращение вместе с валом 4 с заданной частотой. В цилиндр 7 нагнетается воздух, давление которого определяет с какой силой прижимается контртело к образцу. Так как валы образца и маятника 8 соосны, то маятник вместе с закрепленными на нем цилиндром, направляющими 6 и платформой 5 с контртелом 2 стремятся прийти во вращение вместе с образцом. Маятник соединен с неподвижным тензодатчиком 9 балочного типа. В результате момент силы трения между образцом и контртелом уравновешивается моментом силы, действующей со стороны тензодатчика на маятник. Между штоком цилиндра и платформой с контртелом установлен тензодатчик 12, позволяющий определить силу, с которой контртело прижато к образцу. Знание геометрических размеров элементов конструкции, значений силы, прижимающей контртело и силы уравновешивающей силу трения, позволяет рассчитать коэффициент трения.

Пневматическая система

Схема пневматической системы показана на рисунке 2 презентации.

Для создания прижимающего воздействия на образец со стороны контртела используется пневматический цилиндр. Подобно решение позволяет сделать механизм нагружения компактным с возможностью плавного регулирования нагрузки в заданных пределах. Источником сжатого воздуха служит компрессор. В качестве ресивера выступает баллон объемом 2 литра.

Электропривод и схема управления

Принципиальная схема питания и управления установкой показана на рисунке 3.

В качестве двигателя используется бесколлекторный электродвигатель постоянного тока. Для управления двигателем применяется блок управления с возможностью подачи команд с помощью интерфейса RS-485. Такое решение позволяет изменять частоту вращения вала двигателя с шагом 1 Гц в диапазоне от 1 до 50 Гц и автоматически поддерживать постоянную скорость вращения вала электродвигателя при изменяющихся с течением времени нагрузках. Диапазон и шаг изменения частоты вращения образца зависят от передаточного отношения между валами двигателя и образца и может быть изменен путем изменения диаметров шкивов ременной передачи. Бесколлекторный электродвигатель отличается пониженным уровнем шума и большей долговечностью по отношению к коллекторным двигателям. Требуемая максимальная потребляемая мощность электродвигателя определяется прижимающим усилием, максимальным коэффициентом трения, диаметром образца, максимальной угловой скоростью вращения вала и коэффициентом полезного действия электродвигателя.

Измерение прижимающего усилия и момента силы трения измеряются с помощью тензодатчиков балочного типа, подключаемых к микроконтроллеру через аналогово-цифровые преобразователи. Измерение температуры в зоне контакта образца и контртела осуществляется с помощью цифрового инфракрасного пирометра, также связанного с микроконтроллером по шине I2C. Управление электродвигателем, компрессором, электромагнитным клапаном и сбор информации с датчиков производится с помощью микроконтроллера, который в свою очередь связан с компьютером. В этих целях использовалась аппаратно-программная платформа Arduino. В качестве микроконтроллера выбран ATmega2560. Этот контроллер имеет три физических интерфейса UART, один из которых задействован для связи с компьютером, второй для связи с блоком управления электродвигателем посредством преобразователя интерфейсов UART/RS-485. За отображение и визуализацию результатов измерений и подачу команд на пуск/останов отвечает программа, созданная специально для этих целей. В качестве языка программирования выбран Visual Basic .NET из-за низкого порога вхождения и простоты создания приложений с графическим интерфейсом. В качестве среды разработки использована Microsoft Visual Studio 2012 Express, распространяемая бесплатно для некоммерческого использования. Все это позволило полностью автоматизировать процесс испытаний на трение.

Алгоритм работы машины трения в автоматическом режиме

После установки образца и контртела, оператор вносит в программу основные параметры испытаний и дает команду на запуск. Получив команду на запуск микроконтроллер выполняет следующие действия:

1. Подает команду блоку управления электродвигателем на пуск электродвигателя.
2. Подает команду блоку управления на установление заданной частоты вращения вала электродвигателя.
3. Запускает компрессор для подачи воздуха в цилиндр.
4. Останавливает компрессор по достижении заданного прижимного усилия.
5. Производит опрос датчиков блока управления с периодом 0,3 с и передает данные на компьютер в соответствии с протоколом обмена.
6. По истечении времени, отведенного на испытание, открывает клапан сброса воздуха из цилиндра.
7. Отдает команду на останов электродвигателя.

Далее оператор сохраняет полученный массив данных на подходящий носитель информации для последующей обработки и анализа.

Программное обеспечение

Для управления машиной трения с помощью компьютера разработана программа для микроконтроллера, управляющая его работой и обеспечивающая выполнение следующих действий:

1. Управление компрессором и сбросным клапаном пневматической системы посредством подачи управляющих сигналов на реле.
2. Периодический опрос тензодатчиков, цифрового пирометра и блока управления электродвигателем и хранение полученных данных в памяти.
3. Передача хранимых в памяти данных на компьютер в соответствии с протоколом обмена.
4. Пуск и останов электродвигателя путем подачи команд на блок управления электродвигателем.

Также разработана компьютерная программа, которая позволяет:

1. Задавать параметры цикла испытаний образца (частоту вращения вала электродвигателя, прижимное усилие, продолжительность испытания).
2. Отображать на дисплее компьютера текущие значения основных параметров.
3. Отображать на дисплее массив полученных данных.
4. Отображать графики зависимости коэффициента трения и температуры в зоне контакта образца и контртела от времени.

На страницу проекта