СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING COEFFICIENT OF SLIDING FRICTION

Предлагаемое изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению коэффициента трения скольжения при взаимном перемещении образцов.
Известны способы определения коэффициента трения скольжения, состоящие в измерении силы трения на образцах при их взаимном перемещении. Существенным недостатком этих способов является необходимость устройства для непосредственного измерения силы трения, работающего в динамическом режиме и усложняющего оборудование, используемое для определения коэффициент трения.
Существуют способы и устройства, не требующие измерения силы при определении коэффициентов трения. Например, известен способ определения коэффициента трения скольжения между двумя расположенными друг на друге образцами, совершающими относительное перемещение. Нижний образец располагают с фиксированным утлом наклона ϕ относительно горизонтального положения, верхний образец подвешивают с помощью шарнирной связи и перемещают ее по горизонтами до образования установившегося угла α между шарнирной связью и направлением перемещения, при этом коэффициент трения скольжения определяют по формуле  [патент РФ №2444000, кл. G01N 19/02, опубл. 27.02.2012]. Достоинство способа состоит в определении коэффициента трения скольжения по результатам измерения только геометрических параметров системы, без измерения сил. Недостатком способа является ограничение пути перемещения габаритами образцов, что не позволяет достичь установившееся состояния системы однократным перемещением. Из-за этого требуется неоднократное перемещение образца с последовательным приближением к установившемуся состоянию.
Известен также выбранный в качестве прототипа способ определения динамического коэффициента внешнего трения между двумя подвижными образцами [патент РФ №2545073, кл. G01N 19/02, опубл. 27.03.2015]. Нижний образец, имеющий форму диска, приводят во вращение вокруг своей оси и наклоняют относительно горизонта. Верхний образец устанавливают на рабочую поверхность нижнего и удерживают при помощи шарнирной связи, имеющей возможность свободного поворота относительно точки подвески в плоскости, параллельной поверхности нижнего образца. Перемещением точки подвески шарнирной связи или изменением ее длины приводят верхний образец в положение, при котором вектор его силы тяжести пересекает линию наибольшего ската на поверхности нижнего образца, проходящую через ось вращения. В этой точке вектор линейной скорости вращающегося нижнего образца направлен горизонтально. После измерения установившегося значения угла а шарнирной связи относительно горизонтальной линии, параллельной плоскости нижнего образца, определяют коэффициент трения скольжения по формуле , где ϕ - угол наклона нижнего образца относительно горизонта. Достоинством способа является неограниченный путь относительного перемещения, позволяющий достичь установившееся состояние системы в одном цикле опыта. Недостатком способа является зависимость контактных давлений между образцами от ограниченной массы верхнего образца и невозможность достижения высоких их значений.
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность определения коэффициентов трения скольжения при любых контактных давлениях, без измерения силы трения, на основании результатов измерения геометрических параметров системы.
Технический результат достигается тем, что для определения коэффициента трения скольжения в паре материалов образец одного материала изготавливают в виде цилиндрического стержня, а образец второго материала изготавливают в виде двух частей с плоскими рабочими поверхностями, которые прижимают плоскими рабочими поверхностями с противоположных сторон к цилиндрической части стержневого образца перпендикулярными к его оси усилиями R, обеспечивающими необходимое давление на контактных поверхностях. К стержневому образцу прикладывают осевую силу Р, недостаточную для его смещения при неподвижном состоянии системы. Вращая вокруг оси стержневой образец, имеющий диаметр d, одновременно прикладывают к нему продольную силу Р, приводя таким образом его в движение по винтовой траектории, через некоторое время измеряют осевое перемещение образца h и число совершенных им при этом оборотов n, после чего определяют коэффициент трения скольжения по формуле
Неизменное положение образца, выполненного в виде цилиндрического стержня, обеспечивают направляющими из антифрикционного материала.
На фиг. 1 показана схема взаимного положения образцов и приложенных к ним усилий; на фиг. 2 показана схема усилий, действующих на контактных поверхностях; на фиг. 3 показана развертка относительного перемещения, совершаемое точкой на поверхности стержневого образца при перемещении его по винтовой траектории, где:
1 - стержневой образец;
2 - образец, состоящий из двух частей с плоскими рабочими поверхностями.
Коэффициент трения скольжения определяют следующим образом. Стержневой образец 1 изготавливают в виде цилиндрического стержня (фиг. 1). Из второго исследуемого материала образец изготавливают в виде двух частей с плоскими рабочими поверхностями. Обе части образца 2 прижимают плоскими рабочими поверхностями с противоположных сторон цилиндрической части стержневого образца 1 известными усилиями R, перпендикулярными к оси стержневого образца. К стержневому образцу 1 прикладывают продольную силу Р, ограничивая ее известной величиной, при неподвижном состоянии системы недостаточной для преодоления сил трения на контактных поверхностях и перемещения стержневого образца 1.
После приложения усилий R и Р стержневой образец приводят во вращение вокруг оси, создавая необходимый для этого крутящий момент. Система сил, возникающих при вращении образца L определяется закономерностью, в соответствии с которой сила трения скольжения противоположна вектору скорости относительного перемещения. Исходя из этого, условием равновесия является движение стержневого образца в направлении, обусловленным совместным действием продольной силы Р и крутящего момента. Угол подъема а винтовой траектории принимает значение, при котором сумма осевых проекций сил трений на двух частях образца 2 равна продольной силе Р (фиг. 2). Это условие выражается формулой
ск
где ƒ - коэффициент трения скольжения меду образцами 1 и 2.
На основании этого условия определяют коэффициент трения скольжения
Так как значения усилий Р и R при проведении опыта известны, для определения коэффициента трения скольжения остается определить значение тригонометрической функции sinα. Для этого используют фиксируемые во время опыта кинематические параметры. К ним относится число n оборотов стержневого образца и величина осевого перемещения стержневого образца h по отношению к исходному положению. На основании значения n определяют суммарный путь L, пройденный любой точкой поверхности стержневого образца за счет только вращательной составляющей винтового движения (фиг. 3).
С использованием значений L и h находят sinα.
Подстановкой полученного значения sinα в полученную ранее формулу (1) получают выражение, при помощи которого определяют коэффициент трения скольжения
При проведении опытов по определению коэффициентов трения скольжения из-за вариации качества поверхности образцов может наблюдаться неравномерность перемещения точек стержневого образца 7 относительно образцов 2 и смещение его оси. Чтобы исключить это негативное явление, неизменное положение оси образца 1 обеспечивают при помощи направляющих из антифрикционного материала.