УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области устройств для экспериментально-теоретического определения фрикционных характеристик пары трения.
Известно устройство для определения фрикционных характеристик пары трения, содержащее блочно-тросовую систему, к которой с одной стороны подключено нагрузочное устройство в виде тарировочных грузов, а с другой стороны - приводной механизм и регистрирующий прибор - динамометр или динамограф. Устройство состоит из рамы, на которой шарнирно укреплен приводной рычаг с сектором так, что движение рычага в пределах сектора ограничено упорами, на нижней части сектора закреплен один конец троса, который, соприкасаясь с шарнирно соединенным с регистрирующими прибором отклоняющим блоком, проходит вертикально к приводному шкиву, обвивает последний и спускается вертикально вниз. На другом конце троса закреплены тарировочные грузы, приводной шкив жестко соединен с валом, на цапфы которого установлены испытуемые пары трения вращательного движения, последние с помощью двух разъемных корпусов жестко крепятся к двум опорам, которые укреплены на раме (патент РФ на изобретение №2411496).
Недостатком известного устройства является относительно невысокая точность определения коэффициента трения качения.
Известен трибометрический комплекс для измерения коэффициента трения на поверхности колеса транспортного средства и рельса железнодорожного полотна (патент РФ на полезную модель №116435 U1). Устройство содержит тележку с колесами с возможностью перемещения ее по рельсам, установленные на ней роликовый трибометр, оборудование для регистрации и обработки данных в виде датчиков трибометра и ЭВМ, а также источник автономного питания. По крайней мере одно колесо тележки снабжено сервоприводом в виде шагового двигателя, датчика положений и блока управления, а измерительный ролик трибометра снабжен нагружателем с регулятором нагрузки и датчиком положений с обратной связью. Кроме того, в состав оборудования введены устройства управления и контроля скоростью движения тележки и нагрузкой на ролик, а также устройство для определения и устранения проскальзывания ролика при измерении. Недостатком известного устройства является ограниченность применения и относительно невысокая точность определения коэффициента трения качения.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству и принимаемое за прототип является устройство для определения коэффициента трения качения, известное из описания к патенту РФ на полезную модель №85657 U1. Устройство содержит поворотный барабан, внутри барабана расположен каток, прикрепленный через подшипник к скобе, которая одним концом соединена через шарнир с тензометрическим динамометром, а другим - с платформой для грузов. Барабан снабжен пассиком и электроприводом. Питание электропривода осуществляется от гальванического элемента через выключатель. Динамометр соединен с компьютером. Работает устройство следующим образом. На первом этапе на компьютере записываются начальные отсчеты, когда барабан вращается, а каток прижимается к нему собственным весом и весом скобы. На втором этапе загружается платформа первой ступенью груза, барабан приводится во вращательное движения. Силы трения между поверхностью барабана и катка передают растягивающее усилие на тензометрический динамометр растяжения, которое записывается и обрабатывается компьютером с построением графика. На третьем этапе платформа загружается второй ступенью нагрузки и измерения повторяются. На остальных этапах работа выполняется аналогично.
Недостатком известного устройства является относительно невысокая точность определения коэффициента трения качения.
Задачей и техническим результатом заявляемого устройства для определения коэффициента трения качения является повышение точности определения коэффициента трения качения.
Решение поставленной задачи и технический результат достигается тем, что устройство для определения коэффициента трения качения содержит приводимый во вращение барабан и взаимодействующий с ним каток, снабженный средством изменения силы прижатия катка к поверхности барабана. При этом каток устройство снабжено средством измерения накопленного угла поворота барабана.
Указанный результат достигается также тем, что средство измерения накопленного угла поворота барабана выполнено в виде набора пластин, закрепленных на одном из оснований барабана с одинаковыми промежутками между ними и перекрывающих при вращении барабана световой пучок, направленный от источника света к фотоприемнику, выход которого соединен с регистратором импульсов.
Указанный результат достигается также тем, что средство измерения накопленного угла поворота барабана выполнено в виде источника света, фотоприемника и набора пластин, закрепленных на одном из оснований барабана с одинаковыми промежутками между ними и перекрывающих при вращении барабана световой пучок от источника света к фотоприемнику, а выход фотоприемника соединен с регистратором импульсов.
Указанный результат достигается также тем, что средство измерения накопленного угла поворота барабана выполнено в виде источника света, фотоприемника и набора пластин, закрепленных на одном из оснований барабана с одинаковыми промежутками между ними и отражающих при вращении барабана световой пучок от источника света к фотоприемнику, а выход фотоприемника соединен с регистратором импульсов.
Указанный результат достигается также тем, что контактирующий с верхней точкой боковой поверхности барабана каток выполнен обрезиненным.
Сущность заявляемого устройства поясняется чертежом, на котором схематично представлен пример реализации устройства с катком, установленным на нижнем конце снабженной средством изменения силы прижатия катка к поверхности барабана штанги вертикального перемещения, обеспечивающей контакт катка с верхней точкой боковой поверхности барабана (фиг. 1) и экспериментально-теоретическим графиком зависимости накопленного с начала эксперимента угла поворота вращающейся по инерции сборки ротор-барабан от времени (фиг. 2).
Устройство для определения коэффициента трения качения (см. фиг. 1), содержит приводимый во вращение барабан 1 и взаимодействующий с ним каток 2, снабженный средством 3 изменения силы прижатия катка к поверхности барабана. При этом привод вращения барабана может быть выполнен в виде питаемого через преобразователь частоты асинхронного двигателя 4, каток установлен через подшипник (не показан) на нижнем конце снабженной средством изменения силы прижатия катка к поверхности барабана штанги 5 вертикального перемещения с возможностью контакта катка 2 с верхней точкой боковой поверхности барабана 1. Устройство снабжено средством измерения накопленного угла поворота барабана. Средство измерения накопленного угла поворота барабана может быть выполнено в виде набора закрепленных на одном из оснований барабана 1 с одинаковыми промежутками между ними пластин 6, отражающих при вращении барабана световой пучок, направленный от источника света 7 к фотоприемнику 8. В другом случае реализации источник света 7 и фотоприемник 8 могут быть установлены так, что пластины 6 будут не отражать световой пучок от источника света к фотоприемнику, а перекрывать его попадание на фотоприемник. Выход фотоприемника соединен с регистратором импульсов (не показан)
Устройство работает (используется) следующим образом. На двигатель 4 подается питание и приводимый им во вращение барабан 1 начинает вращаться. При повороте барабана на некоторый угол, величина которого больше , где n - число пластин, выступающая над боковой поверхностью барабана пластина хотя бы один раз пересекает ход луча, луч отражается от нее и попадает на фотоприемник (или пластина перекрывает луч от источника света к фотоприемнику). В результате изменения уровня освещенности фотоприемником вырабатывается прямоугольный импульс напряжения, который поступает на регистратор импульсов. В качестве такого может быть использована микропроцессорная система на базе процессора Atmega 2560. Передним фронтом импульса программируемая микропроцессорная система на базе процессора Atmega 2560 запускает программу, которая определяет момент поступления очередного импульса и количество импульсов, поступивших с фотоприемника с начала эксперимента. При помощи интерфейса USB микропроцессорная система соединена с персональным компьютером под управлением операционной системы Windows. Поступившие данные построчно в виде целочисленных значений записываются в память компьютера. В результате формируется массив данных, в первый столбец которого заносится время t в микросекундах, во второй столбец - количество импульсов.
В ходе эксперимента на асинхронный электродвигатель подается питание с некоторой частотой, выставляемой на индикаторе преобразователя, в результате чего ротор двигателя 4 и скрепленный с ним барабан 1 разгоняются до соответствующей угловой скорости. После этого питание электродвигателя отключается и одновременно начинается считывание данных, поступающих с фотоприемника, т.е. регистрируется процесс выбега сборки ротор-барабан до полной остановки.
0
На первом этапе эксперимента регистрируется процесс выбега сборки ротор-барабан без контакта барабана с катком. С использованием стандартной подпрограммы Excel по полученному массиву данных строится график зависимости накопленного с начала эксперимента угла ϕ(t) (в радианах) поворота вращающейся по инерции сборки ротор-барабан от времени (в секундах).
0
0
Зависимость ϕ(t), полученная экспериментальным путем, аппроксимируется с использованием метода наименьших квадратов (МНК) полиномом второго порядка с неопределенными коэффициентами. Такой выбор аппроксимирующей функции определяется видом кривой ϕ(t). Значения коэффициентов полинома выбираются так, чтобы обеспечить минимум функции
i
суммы квадратов разностей взятых в одни и те же моменты времени t значений функций  и .
0
Задачу построения графика и нахождения формулы зависимости , аппроксимирующей результаты эксперимента, можно решить, используя стандартную программу МНК из библиотеки программ Excel. На Фиг. 2 представлены график зависимости ϕ(t), построенный по данным эксперимента (жирной линией), график аппроксимирующей кривой  (тонкой линией) и формула зависимости накопленного угла от времени, найденная МНК. (На Фиг. 2 время обозначено буквой х, угол поворота барабана - буквой y).
Сравнение кривой, построенной по результатам эксперимента, и аппроксимирующей кривой показывает, что отклонения этих кривых одна от другой малы. На основании этого считаем, что изменение угла поворота вращающегося по инерции ротора электродвигателя описывается функцией
Дифференцированием функции  определяется зависимость от времени угловой скорости выбега сборки ротор-барабан
,
и угловое ускорение выбега .
На втором этапе эксперимента регистрируется выбег сборки ротор-барабан при контакте катка с поверхностью барабана в случаях, когда на штанге установлен 1, 2, 3 груза. Полученные экспериментальные данные также подвергаются обработке МНК. Сопоставление данных эксперимента и данных, полученных в результате их обработки МНК, показывает, что во всех этих случаях отклонения аппроксимирующих кривых от кривых, построенных по данным эксперимента, малы. Поэтому считаем, что угловая скорость выбега сборки ротор-барабан при контакте барабана с катком меняется по закону , а величина углового ускорения барабана определяется формулой .
Зависимость угла поворота барабана от времени, полученная МНК, в случае, когда на штанге установлен 1 груз, имеет вид
.
Величина углового ускорения барабана равна
.
Если на штанге установлены 2 груза, уравнение аппроксимирующей кривой, записывается в виде
.
Для величины углового ускорения барабана получим
.
Уравнение сглаживающей кривой в случае, когда на штанге установлены 3 груза, имеет вид
.
Величина углового ускорения барабана равна
.
Полагаем, что качение катка по боковой поверхности барабана - безотрывное и происходит без скольжения и верчения. Трением в оси катка при его качении пренебрегаем. Считаем, что угловое ускорение выбега сборки ротор-барабан без контакта барабана с катком описывается уравнением
рц
р
ц
тр
где - угловая скорость сборки, полученная в результате обработки МНК экспериментальных данных, J=J+J - сумма осевого момента инерции ротора двигателя и осевого момента инерции барабана, M - момент сил, определяемый сопротивлением вращению ротора электродвигателя.
При контакте барабана с катком угловое ускорение вращающейся по инерции сборки барабан-ротор определяется уравнением
k
где J - момент инерции катка,
, R - радиус барабана, r - радиус катка,
ki
M - момент сил трения качения в области контакта.
Вычитая (1) из (2), получим формулу, определяющую момент сил трения качения катка по боковой поверхности барабана
Если пренебречь моментом инерции катка, формула (3) упрощается
.
Коэффициент трения качения K катка по угловой поверхности барабана определяется отношением
,
i
где N - сила нормального давления в области контакта катка с барабаном, равная сумме весов катка, штанги и грузов.
Снабжение устройства средством измерения накопленного угла поворота барабана необходимо для того, чтобы, получив и сопоставив зависимости накопленного угла поворота вращающегося по инерции барабана от времени при отсутствии контакта барабана с катком и при наличии такого контакта, определить момент сил трения качения катка по поверхности барабана.
Таким образом, отличительный признак - наличие средства измерения накопленного угла поворота барабана, характеризует сущность заявляемой полезной модели для определения коэффициента трения качения, является существенным и вместе с признаками в ограничительной части формулы - наличие приводимого во вращение барабана, взаимодействующего с ним катка, устройства прижатия катка к поверхности барабана с возможностью изменения силы прижатия - образует совокупность признаков, необходимую для достижения технического результата.
В частном случая реализации каток может быть установлен на нижнем конце снабженной средством изменения силы прижатия катка к поверхности барабана штанги вертикального перемещения с возможностью контакта катка с верхней точкой боковой поверхности барабана позволяет определять момент сил трения качения катка по боковой поверхности барабана при различных силах прижатия катка к барабану.
В частных случаях реализации средство измерения накопленного угла поворота барабана может быть выполнено в виде источника света, фотоприемника и набора пластин, закрепленных на одном из оснований барабана с одинаковыми промежутками между ними и перекрывающих при вращении барабана световой пучок от источника света к фотоприемнику, а выход фотоприемника соединен с регистратором импульсов, или в виде источника света, фотоприемника и набора пластин, закрепленных на одном из оснований барабана с одинаковыми промежутками между ними и отражающих при вращении барабана световой пучок от источника света к фотоприемнику, а выход фотоприемника соединен с регистратором импульсов.
Выполнение в частных случаях контактирующего с верхней точкой боковой поверхности барабана катка обрезиненным позволяет исследовать трение качения на устройстве, моделирующем колесные транспортные средства с обрезиненными колесами.
Представленные в описании полезной модели сведения достаточны для разработки и изготовления устройства для определения коэффициента трения качения. Полезная модель соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».