СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ
METHOD FOR EXPERIMENTAL DETERMINATION OF DYNAMIC COEFFICIENT OF EXTERNAL FRICTION

Предлагаемое изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению динамического коэффициента трения при взаимном перемещении образцов.
Известны способы определения динамического коэффициента внешнего трения, состоящие в измерении силы трения на образцах из исследуемых материалов при заданной нормальной силе между образцами. Нормальная сила при гравитационном нагружении задается весом одного из образцов, а при других способах нагружения также, как и сила трения, подлежит измерению. Недостатком таких способов определения коэффициента внешнего трения скольжения является наличие силоизмерительных механизмов, усложняющих применяемые устройства. Кроме того, измеряемая сила трения варьирует, что требует ее усреднения, снижающего точность результатов.
Существуют способы и устройства, позволяющие исключить измерение силы трения и определять коэффициент внешнего трения косвенно, измерением геометрических параметров определенным образом организованной механической системы. Известен способ определения статического коэффициента внешнего трения сыпучих материалов, заключающийся в том, что на плоском горизонтальном контробразце размещают сыпучий материал. Вращением контробразца вместе с испытуемым материалом вокруг вертикальной оси к сыпучему материалу прикладывают тангенциальную нагрузку, создаваемую центробежной силой. Измерять такую нагрузку нет необходимости, поскольку она однозначно определяется известными физическими закономерностями. Коэффициент трения при известной частоте вращения находят расчетным путем по радиусу оставшегося на контробразце материала, определяя предельную удерживающую материал силу трения из условия равенства ее центробежной силе на данном радиусе [авторское свидетельство СССР №1573397, кл. G01N 3/56, 1990]. Основным недостатком способа является невозможность использования его для определения динамического коэффициента внешнего трения (трения движения). Кроме того, область его применения ограничена случаями, когда один из испытуемых материалов является сыпучим.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения статического коэффициента внешнего трения путем измерения угла наклона φ относительно горизонтальной плоскости двух образцов, расположенных один на другом, в момент начала скольжения одного образца относительно другого, с расчетом коэффициента m внешнего трения по формуле m=tgφ [патент США №3020744, кл. 73-9, кл. G01N 19/02, 1962]. Недостатком способа также является его непригодность для определения динамического коэффициента внешнего трения скольжения, а также погрешность определения критического значения угла наклона вследствие инерционности системы.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является возможность определения с высокой точностью динамического коэффициента внешнего трения с измерением только геометрических параметров системы, без измерения силы трения.
Технический результат достигается тем, что для определения динамического коэффициента внешнего трения используются два образца, расположенных один на другом, наклоненных под углом φ относительно горизонтальной плоскости и совершающих относительное перемещение, плоскую рабочую поверхность нижнего из которых располагают с фиксированным углом наклона φ относительно горизонтального положения, при этом верхний образец подвешивают с помощью шарнирной связи, а относительное перемещение образцов производят по горизонтали до образования установившегося угла α поворота шарнирной связи относительно направления перемещения, при этом динамический внешний коэффициент трения определяют по формуле . С целью повышения точности эксперимента после первого опыта с произвольным значением фиксированного угла наклона φ поверхности первого образца и определенным при этом значении динамического коэффициента внешнего трения m проводят уточняющий опыт с оптимальным фиксированным углом наклона .
Суть предлагаемого способа заключается в том, что образцы перемещают друг относительно друга в механической системе, переменные кинематические параметры которой закономерно связаны с величиной динамического коэффициента внешнего трения.
На фиг.1 показан пример исполнения устройства для реализации предлагаемого способа экспериментального определения динамического коэффициента внешнего трения, на фиг.2 показана схема движения образца и действующих при этом усилий в плоскости наклонной платформы, где
1 - неподвижный образец;
2 - перемещаемый образец;
3 - наклонная платформа;
4 - шарнирная связь образца с точкой подвески;
5 - ось подвески шарнирной связи.
Неподвижный образец 1, жестко закрепленный на платформе 3, имеет возможность наклона вместе с платформой на некоторый угол φ относительно горизонтальной плоскости, который в процессе проведения опыта не меняется. Второй образец 2, свободно лежащий на поверхности первого, соединен шарнирной связью 4 с осью 5 и имеет возможность свободного поворота относительно оси в плоскости наклонной платформы. Ось 5 в свою очередь имеет возможность прямолинейного горизонтального перемещения относительно платформы параллельно ее плоскости.
N
φ
Определение динамического коэффициента внешнего трения по предлагаемому способу заключается в следующем. Горизонтальное перемещение оси 5 сопровождается перемещением образца, начальное направление которого зависит от исходного положения образца относительно траектории точки подвески в конкретном опыте. По мере нарастания пути перемещения система стремится к равновесному состоянию, при котором образец 2 перемещается в том же направлении, что и ось 5, т.е. векторы скоростей V оси и образца равны и параллельны. При равновесном состоянии системы шарнирная связь принимает стабильное положение, характеризующееся в плоскости платформы некоторым углом α относительно направления перемещения (фиг.2). Условие равновесного положения системы заключается в следующем. В плоскости, перпендикулярной направлению горизонтального перемещения (фиг.1), сила тяжести G образца 2 может быть представлена как геометрическая сумма двух сил: силы нормального давления G образца 2 на образец 1 и находящейся в плоскости платформы скатывающей силы G. Обе составляющие зависят от угла наклона платформы φ
N
G=G·cosφ
φ
G=G·sinφ
тр
N
Между образцами 1 и 2 возникает сила трения F, пропорциональная силе нормального давления G и динамическому коэффициенту трения m
тр
N
F=G·m=G·cosφ·m.
тр
φ
В плоскости платформы действуют сила трения F и скатывающая сила G, образующие геометрическим суммированием равнодействующую F. При равновесии системы вектор равнодействующей F совпадает с направлением шарнирной связи. Таким образом, условие равновесия имеет вид
На основании полученного условия равновесия системы определяется коэффициент трения между образцами 1 и 2 в зависимости от установившегося угла α наклона шарнирной связи с учетом величины угла наклона φ платформы
Перемещаемая точка опоры шарнирной связи может быть снабжена отсчетной угловой шкалой, на которой вместо значений угла α проставлены соответствующие значения коэффициента трения m, для этого в требуемой дискретности должен быть произведен предварительный пересчет углов для ряда последовательных величин m в соответствии с формулой, полученной из предыдущего выражения
Из формулы следует, что полученная шкала справедлива только при конкретном значении угла наклона платформы φ, при переменных углах наклона необходимы сменные шкалы. Непосредственная индикация на цифровом табло величины коэффициента трения может быть обеспечена использованием электронного датчика угла поворота α и логического устройства для вычисления коэффициента трения m с учетом полученного значения α и заданного значения φ.
При исследовании различных пар материалов, когда коэффициент трения измеряется в широких пределах, целесообразна оптимизация угла наклона платформы φ. Если наклон платформы не менять, при больших коэффициентах трения угол α может принимать весьма малые значения, а при малых значениях коэффициента трения будет стремиться к 90°. При экстремальных значениях угла α погрешность определения коэффициента трения увеличивается. Погрешность опыта минимальна при углах α, близких к 45°, что в соответствии с вышеприведенным выражением при известном или предварительно определенном значении m легко обеспечивается при выполнении условия
0
1
1
2
уст
0
уст
0
Экспериментальное определение динамического коэффициента внешнего трения скольжения проводится в следующем порядке. Исходя из предполагаемого значения коэффициента трения, устанавливается исходное значение угла шарнирной связи α, после чего производится горизонтальное перемещение точки подвески шарнирной связи на величину, допускаемую параметрами устройства. Так как в общем случае предварительное значение коэффициента m определяется не точно, исходное угловое положение шарнирной связи не является равновесным, поэтому в процессе перемещения система стремится к более равновесному положению и угол наклона шарнирной связи изменяется, приняв в конце перемещения новое значение α. После этого систему перемещают в исходное положение, но в этот раз в качестве исходного принимается положение шарнирной связи с углом α. По окончании второго перемещения шарнирная связь приходит в новое положение с углом наклона α. Далее опыт повторяется до тех пор, пока очередные перемещения системы перестанут изменять угол α. Установившееся значение угла α используется для определения коэффициента трения. При достаточно большой длине неподвижного образца 1, или правильной установке исходного значения угла α, равновесное значение угла α может быть достигнуто и при однократном перемещении системы. Для проверки полученного результата опыт может быть повторен в такой же последовательности, но с отклонением исходного значения угла наклона α в противоположную сторону от равновесного значения, установленного в первом опыте.