УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ТКАНЫХ ОБРАЗЦОВ

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к экспериментальному оборудованию, а именно к устройствам, обеспечивающим поперечную нагрузку для плоских образцов в экспериментах по определению параметров трения.
Уровень техники
Из уровня техники известны технические решения, позволяющие определять коэффициенты трения пары образцов, приводя их в контакт, нагружая нормальной и тангенциальной нагрузками, регистрируя скорость относительного перемещения образцов и принимая за силу трения покоя величину тангенциальной нагрузки в момент начала сдвига.
Из уровня техники известно решение, представленное в патенте RU 2502982 - "Способ определения силы трения текстильных полотен", в котором описывается способ определения силы трения текстильных полотен при их относительном перемещении под действием давления, при этом один из образцов прямоугольной формы закреплен на цилиндрической поверхности барабана, а другой образец одним концом закреплен на пластине с тензодатчиком, а вторым концом в зажиме с грузом, обеспечивающим давление, охватывая барабан, имитируя условия взаимодействия текстильных полотен при эксплуатации одежды, а силу тангенциального сопротивления фиксируют тензодатчиком.
Однако известное решение ориентировано на условия взаимодействия текстильных полотен при эксплуатации одежды, поэтому не может использоваться при трансверсальных нагрузках, существенно превышающих заявленные в патенте, обеспечиваемые грузом массой 0,22 кг. Попытка использования груза большей массы, очевидно, приведет к дополнительному растяжению образца и общему изменению условий эксперимента.
Из уровня техники также известен способ определения параметров функциональной зависимости силы внутреннего трения для мультиаксиальных тканей, описанный в патенте RU 2467327. В рамках этого способа из неотвержденного композиционно-волокнистого материала (препрега) вырезается полоска из мультиаксиальной ткани и укладывается между двумя жесткими поверхностями, нагруженными давлением Р, затем разрезается одна нить, к ее концу прикладывается растягивающее усилие и определяется связь между длиной нити и усилием вытягивания ее из препрега, исходя из предложенной в патенте зависимости. Параметры, описывающие величину силы внутреннего трения, предлагается находить по определенным теоретическим формулам на основе напряжений в нитях на определенных расстояниях и толщины семейства одинаково направленных нитей, а также удельного давления сжатия семейства нитей, вызванного внешним давлением Р.
Однако данный способ не годится для определения интегральных характеристик межслойного трения в многослойных тканых композитах, так как этот способ изначально нацелен на определение параметров межволоконного трения внутри одного слоя ткани. Большое количество параметров, участвующих в вычислениях, очевидно, влечет к усложнению обработки эксперимента с одной стороны, и к уменьшению точности результата, с другой.
Наиболее близким к заявляемому устройству является конструкция, описанная в патенте BY 14868 для реализации способа определения параметров трения. Этот способ предполагает установку образца, выполненного в виде прямоугольной призмы между контробразцами, выполненными в виде прямоугольных призм, которые, в свою очередь, размещаются между жесткими прижимными накладками. Между контробразцом и накладкой также устанавливается вязкоупругая прокладка. Полученная конструкция сжимается нормальным усилием и фиксируется при помощи четырех стяжных болтов, на которых установлены тензодатчики. Затем осуществляется поворот сопряжения на 90 градусов, к торцовой поверхности образца прикладывается постоянная тангенциальная нагрузка до момента скольжения образца относительно контробразцов. По максимальному значению приложенной тангенциальной нагрузки в момент начала скольжения, установившемуся значению тангенциальной нагрузки после начала скольжения образца относительно контробразцов и действующему сжимающему усилию в момент начала скольжения определяются статический и динамический коэффициенты трения.
Однако подобный способ и устройство, соответственно, не обеспечивают возможность определения параметров трения тканых образцов, так как, во-первых, площадь контактирующей поверхности не является неизменной, что может затруднить определение установившейся тангенциальной нагрузки, а следовательно, динамического коэффициента трения, во-вторых, отсутствует возможность фиксации контробразцов, что, в случае тканых контробразцов (прокладочные слои) приводит к их смещению относительно прижимных накладок в процессе осуществления способа и искажает полученные результаты, в-третьих, в случае использования тканых образцов или тонких пластин, нормальное усилие, фиксирующееся тензодатчиками будет, отличаться в большую сторону от усилия в рабочей области.
Раскрытие полезной модели
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является преодоление технических недостатков, присущих аналогам, за счет обеспечения возможности учета неравномерности распределения сообщаемой трансверсальной силы, более точному заданию силы.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности проведения более точных экспериментов при определении статического и динамического коэффициентов трения тканых образцов за счет более точного задания и учета трансверсальной сжимающей силы, действующей на образец. Кроме того, заявляемая полезная модель позволит работать с ткаными образцами, имеющими тенденцию к образованию зацепов, а также к изменению формы во время испытаний. Кроме того, заявляемая полезная модель позволяет без усложнения конструкции задавать нагрузки значительно большие, чем обеспечивают перечисленные аналоги.
Поставленная задача решается тем, что устройство для определения коэффициента трения тканых образцов, включает верхнюю, нижнюю прижимные, а также дополнительную фиксирующую пластины, размещенные с возможностью помещения между ними двух прокладочных слоев и образца, при этом пластины выполнены с возможностью соединения между собой посредством крепежных узлов, каждый из которых снабжен двумя тензодатчиками, выполненными с возможностью подключения к регистрирующему прибору, при этом прокладочные слои зафиксированы между верхней и нижней прижимными пластинами посредством дополнительной фиксирующей пластины, с обеспечением возможности измерения сжимающего усилия от упомянутых прижимных пластин при поступательном перемещении образца с постоянной скоростью между упомянутыми слоями. Образец выполнен плоским и расположен между прокладочными слоями с обеспечением возможности соединения его свободного конца с динамометром. Крепежный узел включает болт с резьбовой поверхностью, на которой выполнены симметрично расположенные площадки для закрепления тензодатчиков, две гайки, обеспечивающие фиксацию болта в отверстиях прижимных пластин, прокладку для вывода проводов, соединяющих тензодатчики с регистрирующим прибором, и пружину сжатия, обеспечивающую плавное изменение сжимающей нагрузки, размещенную на верхней прижимной пластине между гайкой и прокладкой. Прокладочные слои зафиксированы дополнительной фиксирующей пластиной. При этом фиксирующая пластина может быть закреплена на нижней прижимной пластине
- с зазором относительно верхней прижимной пластины для обеспечения вывода через зазор другого свободного конца тканого образца или
- вплотную к верхней прижимной пластине и снабжена пазом со стороны верхней прижимной пластины, обеспечивающим вывод через него другого свободного конца тканого образца. Нижняя кромка верхней прижимной пластины со стороны фиксирующей пластины выполнена скругленной. Прокладочные слои могут быть выполнены из дюралюминия или другого металла, а также из материала образца (ткаными). В качестве регистрирующего прибора используют измерительный усилитель на базе компьютера, а возможность поступательного перемещения с постоянной скоростью реализуют посредством статической испытательной машины.
За счет скругления кромки на верхней прижимной пластине и выемки (или выполнения зазора) на фиксирующей пластине обеспечивается неизменность величины площади контакта и существенное снижение возможности образования зацепов образцов ткани за детали устройства и за прокладочные слои. При этом нагрузка передается на прижимные пластины не непосредственно, а через пружины сжатия, таким образом достигается более точное задание необходимой величины нагрузки на рабочую зону и значительно увеличивается точность задания сжимающего усилия.
Описание чертежей
Заявляемая полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 схематично представлено заявляемое устройство в разборе.
На фиг. 2 представлен вид образцов, испытываемых на заявляемом устройстве.
На фиг. 3 представлена зависимость сдвигающего усилия от перемещения движущегося захвата.
Позициями на чертежах обозначены:
1. Нижняя прижимная пластина,
2. Верхняя прижимная пластина,
3. Фиксирующая пластина,
4. Винты, закрепляющие фиксирующую пластину к нижней,
5. Болт с резьбовой поверхностью и площадками для закрепления тензодатчиков,
6. Прокладка для вывода проводов,
7. Пружины сжатия,
8. Гайки,
9. Нижний прокладочный слой,
10. Верхний прокладочный слой,
11. Образец.
Заявляемое устройство представляет собой лабораторное оборудование, предназначенное для проведения испытаний тканых образцов с возможностью определения коэффициента трения. Устройство включает нижнюю и верхнюю прижимные пластины со сквозными отверстиями для размещения крепежных элементов, при этом нижняя пластина имеет большие размеры поперечного сечения, чем верхняя. Указанные пластины размещают друг на друге. На нижней пластине также размещена фиксирующая пластина. Одна из кромок верхней прижимной пластины выполнена со скруглением для обеспечения возможности контакта с вытягиваемым образцом без его разрушения. Комбинационно, фиксирующая и верхняя пластины могут быть размещены на нижней либо вплотную друг к другу (в этом случае со стороны фиксирующей пластины выполняют паз для протягивания образца,) либо с образованием зазора, выполняющего в данном случае функцию паза. В пластинах выполнены отверстия для размещения элементов крепежных узлов. Каждый крепежный узел представляет собой болт с резьбой, при этом на резьбе в зоне размещения болта в пластинах выполнены плоские площадки, на которых закреплены тензодатчики (попарно). Крепежный узел также включает две гайки, фиксирующие болты в отверстиях прижимных пластин, прокладку для вывода проводов, соединяющих тензодатчики с регистрирующим прибором, и пружину сжатия, посредством которой плавно изменяют сжимающей нагрузки от пластин. Между прижимными пластинами размещены два прокладочных слоя, выполняемые, как правило, из того же материала, что и образец. Прокладочные слои закреплены фиксирующей пластиной. Образец располагают расположен между прокладочными слоями, соединяя один его свободный конец с динамометром.
Осуществление полезной модели
Заявляемое устройство предназначено для испытания образцом с определением коэффициента трения и работает следующим образом.
Испытание образцов с использованием предлагаемого устройства проводят в два этапа. На пластину 1 последовательно помещают прокладочные слои 9 и 10 и фиксируются пластиной 3 и винтами 4. Образец 11 пропускают через вырез слоя 10 так, чтобы в рабочей зоне устройства, под которой подразумевают зону размещения образца между прижимными пластинами, находилось 100 мм тканого образца и не менее 50 мм оставалось свободным с каждого края. Так, для частного случая исполнения устройства, подробное описание которого приведено в примере конкретного выполнения, рабочей зоне соответствует зона между прижимными пластинами строго по центру размерами 100×50 мм.
Затем поверх слоя 10 размещают пластину 2 и устанавливают болты 5. Болты свободно прихватывают гайками 8 снизу, а сверху - прокладочными цилиндрами 6, пружинами сжатия 7 и гайками 8, так, чтобы не вызвать растяжение болтов.
На втором этапе заявляемое устройство размещают между опорными плитами испытательной машины Торцевую поверхность образца фиксирует в верхнем захвате испытательной машины. Затяжкой болтов 5 создают нормальное усилие сжатие, которое контролируется тензодатчиками, установленными на болтах. Торцевой поверхности образца придают постоянную скорость перемещения, необходимое для ее поддержания усилие фиксируют динамометром. До достижения максимального сдвигового усилия образец только растягивается, после - начинает перемещаться, вытягиваясь из захвата. При определенной величине этого усилия начинается скольжение образца 11 по прокладочным слоям 9 и 10. Типовой график эксперимента представлен на фиг. 3.
В результате компьютерного моделирования работы заявляемого устройства выработаны поправочные коэффициенты в расчетные формулы, обеспечивающие получение максимально точных значений статического и динамического коэффициентов трения по результатам измерения сжимающих усилий с использованием заявляемого устройства.
Статический и динамический коэффициенты трения считают, соответственно, по формулам:
Где
m
F - максимальное значение силы на протяжении эксперимента,
s
F - среднее значение силы на установившемся участке,
c
F - значение нормальной сжимающей силы, приложенной к устройству, снимаемой с тензодатчиков на болтах 5.
Поправочный коэффициент 1/1,4 используется вместо коэффициента 1/2 (так как в эксперименте имеется две поверхности скольжения) так как по результатам компьютерного моделирования выявлено, что в рабочую зону устройства передается не вся нагрузка с затяжных болтов.
При этом общепринятые стандартные расчетные формулы имеют вид
Установлено, что при идентичной нагрузке до 50 кг:
- использование заявляемого устройства для вычисления статического и динамического коэффициентов трения по скорректированным формулам (1) и
- использование стандартных средств проведения испытаний (например, раскрытых в прототипе) для вычисления статического и динамического коэффициентов трения по стандартным формулам (2) обеспечивают получение идентичных результатов, что свидетельствует о достоверности результатов, полученных с использование заявляемого устройства.
Таким образом, при использовании скорректированных формул (1) применительно к заявляемому устройству установлено, что статический и динамический коэффициенты трения имеют значения, большие в 1,43 раза по сравнению со стандартными методиками. Более того, использование формул (2) в данном случае будет некорректным ввиду того, что данные формулы предполагают, что прижимные пластины выполнены из абсолютно твердого тела и полностью передают нагрузку с крепежных узлов образцу.
Согласно результатам моделирования, поправочный коэффициент, использованный в (1), можно считать постоянным при нагрузках не менее 2500 Н.
Увеличение нагрузки в заявляемом устройстве возможно за счет простого закручивания болтов, в отличие от известных аналогов и прототипа, где для обеспечения повышенной нагрузки требуется значительное усложнение и удорожание конструкции. Таким образом, заявляемая полезная модель позволит получить значения сжимающей силы при достаточно больших нагрузках без необходимости видоизменения конструкции.
Пример конкретного выполнения
Заявляемое устройство реализовано в виде экспериментального макета, с помощью которого проведены испытания образца арамидной ткани Руслан. Устройство включает прижимные и фиксирующую пластины, выполненные из дюралюминия. При этом нижняя пластина выполнена с габаритными размерами 120×100×10 мм, с четырьмя сквозными отверстиями диаметром 10 мм каждое, предназначенными для размещения болтов, оснащенных тензодатчиками и с тремя сквозными резьбовыми отверстиями диаметром 8 мм каждое для фиксирующих винтов Верхняя прижимная пластина выполнена с габаритными размерами 100×100 мм, снабжена четырьмя сквозными отверстиями диаметром 10 мм каждое, предназначенными для размещения болтов. Сторона прижимной пластины, обращенная к фиксирующей пластине, имеет скругление радиусом 1.5 мм. Площадки для тензодатчиков на болтах были подготовлены на фрезерном станке. Тензодатчики, установленные на болты были тарированы с использованием установки рычажного типа. Фиксирующая пластина размерами 20×100×10 мм снабжена тремя сквозными резьбовыми отверстиями (с выемками под потайные головки) диаметром 8 мм каждое для фиксирующих винтов. Сторона фиксирующей пластины, обращенная к прижимной пластине, имеет выемку 50×1,5 мм. Прокладочные слои выполнены из идентичного образцу материала, при этом нижний прокладочный слой имеет размеры не менее 120×100 мм с отверстиями под болты М10 и винты М8, верхний прокладочный слой имеет размеры не менее 120×100 мм с отверстиями под болты М10 и винты М8, а также с прорезью 50 мм для прохода вытягиваемого образца размерами 300×50 мм
Во время тарировки и последующих экспериментов, сигнал с тензодатчиков обрабатывался с помощью программного обеспечения Catman и блока сбора данных Spider 8 компании НВМ. Сжимающее усилие, зафиксированное тензодатчиками, составило 2508Н. Заданная скорость вытягивания равнялась 10 мм/мин.
По результатам эксперимента, представленным на фиг. 3, максимальная величина усилия составила 1124 Н, а средняя величина усилия на установившемся участке - 775 Н. По формулам (1)
статический коэффициент
динамический коэффициент
Для сравнения, с точки зрения идеальных условий, можно воспользоваться формулами  по которым статический коэффициент равнялся бы 0,224, а динамический - 0,155 - что приблизительно в 1,43 раза меньше, чем истинные значения.
Соответственно, в результате использования заявляемого устройства при расчете коэффициентов трения по скорректированным формулам получен более точный результат.