Установка для определения коэффициента трения
UNIT FOR DETERMINING FRICTION COEFFICIENT

Изобретение относится к машиностроению, а именно к установкам для определения параметров трения кинематических пар.
При проектировании экспериментальных установок коэффициент для изучения трения исходят из понятия коэффициента трения как тангенса угла наклона характеристики (функции) трения.
Известен способ определения коэффициента трения (патент RU 2343455, МПК G01N 19/02, опубл. 10.01.2009), в соответствии с которым исследуемый образец размещают между двумя одинаковыми исследуемыми поверхностями, шарнирно соединенными с одной стороны и сжимаемыми с равным усилием, при этом половина угла между исследуемыми поверхностями при остановке образца будет являться искомым углом трения. Однако достоверность результата измерения низкая. На результат измерения оказывает влияние трение образца по горизонтальной поверхности, на которой производится эксперимент. Кроме того, образец перейдет конечное расчетное положение по причине набранной в процессе движения кинетической энергии.
Большую достоверность результата измерения реализует балансирный принцип, при котором первичным параметром установки является реакция вращательной кинематической пары трения (патент RU 2461811, G01N 19/02, опубл. 20.09.2012).
Коэффициент трения часто определяют через время движения подвижного элемента пары трения. В устройстве для определения коэффициента трения (патент RU 2340886, МПК G01N 19/02, опубл. 10.12.2008) измеряют время падения груза на базовом участке. Пара трения образована образцом и цилиндром, на котором намотана нить с грузом. Аналогичный подход реализован в устройстве для определения коэффициента трения по патенту RU 2373518, опубл. 20.11.2009.
Через фиксацию времени движения подвижного элемента определяют коэффициент трения плоскостных пар. По способу определения коэффициента трения (патент RU 2362985, МПК G01N 19/02, опубл. 27.07.2009) эксперимент проводят на наклонной плоскости, а движение задается приводом, составленным нитью, перекинутой через блок, при этом груз закреплен на конце нити. Приведенная формула для расчета коэффициента трения не учитывает потери энергии в блоке. Движение подвижного элемента является равноускоренным, поэтому невозможно сказать, для какой относительной скорости определен коэффициент трения. Не учитывается трение в блоке прибора для определения коэффициента силы трения покоя по патенту RU 2511615, опубл. 10.04.2014.
Нахождение коэффициента трения приводят в специальных условиях, под действием внешних факторов (патент RU 2349901, МПК G01N 19/02, опубл. 20.03.2009).
Перечисленным аналогам свойственен общий недостаток - низкая достоверность результата определения коэффициента трения, поскольку искомый коэффициент находится косвенным измерением.
В качестве прототипа принята установка, реализующая способ определения коэффициента трения по патенту RU 2375700, МПК G01N 19/02, опубл. 10.12.2009. Исследуемая пара трения представлена неподвижным элементом (плоскостью), закрепленным на основании установки, и подвижным элементом (образцом). Имеется привод перемещения подвижного элемента в виде нити, перекинутой через блок и имеющей на конце груз. Имеются средства измерения первичных параметров - два электросекундомера - и средства связи - датчики на границах двух участков движения S1 и S2. Поскольку коэффициент трения зависит от силы нормального давления, то в рассматриваемой установке эту силу можно изменять только за счет массы подвижного элемента, а это в реальной конструкции предполагает некую крепежную деталь (назовем ее кареткой), к которой крепится нить привода. Таким образом, в рассматриваемой установке коэффициент трения определяется косвенно, где первичными параметрами служат два временных интервала движения каретки с подвижным элементом пары трения на двух участках движения. Приведенная в патенте расчетная формула не учитывает потери энергии в блоке привода и неравномерность скорости движения подвижного элемента, за счет чего снижается достоверность результата определения искомого коэффициента трения.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение достоверности результата определения коэффициента трения.
Решаются задачи:
1. Разработка основных технических решений по созданию установки для определения коэффициента трения, в которой используется прямое измерение силы трения при различных величинах силы нормального давления и скорости подвижного элемента исследуемой пары трения.
2. Обоснование принимаемых решений.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для определения коэффициента трения, содержащая установленный на горизонтальном основании неподвижный плоский элемент и подвижный плоский элемент исследуемой кинематической пары трения, установленный на каретке, снабженной приводом и имеющей два участка движения, при этом установка содержит средства измерения и связи для выявления первичных параметров, снабжена электронным блоком, преобразующим сигналы средств измерения первичных параметров в выходной информационный сигнал, при этом средства измерения первичных параметров установлены на каретке, а средства связи соединяют каретку и основание, при этом средства измерения первичных параметров составлены на основе последовательно соединенных преобразователя силы в перемещение, преобразователя перемещения в электрическую емкость и преобразователя электрической емкости в частотный сигнал, преобразователь силы в перемещение выполнен в виде мембраны с жестким центром, к которому приложена измеряемая сила, при этом мембрана закреплена по контуру в каретке, преобразователь перемещения в электрическую емкость выполнен в виде цилиндрического конденсатора, подвижная обкладка которого закреплена на жестком центре мембраны преобразователя силы в перемещение, а неподвижная обкладка жестко связана с кареткой, преобразователь электрической емкости в частотный сигнал выполнен по схеме автогенератора на основе полевого транзистора с каналом n-типа и с двухобмоточным трансформатором, первичная обмотка трансформатора параллельно соединена с обкладками цилиндрического конденсатора преобразователя перемещения в электрическую емкость и одним концом присоединена к стоку транзистора, другим - к конденсатору обратной связи, второй вывод которого соединен с затвором транзистора и резистором, подключенным к общей шине, средний вывод первичной обмотки образует шину питания, исток транзистора соединен с общей шиной через параллельно включенные резистор и конденсатор, вторичная обмотка трансформатора с последовательно включенным конденсатором является транслятором сигнала преобразователя.
В предлагаемой установке привод каретки выполнен в составе троса и электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, на валу которого установлен шкив, при этом один конец троса закреплен на цилиндрической поверхности шкива, другой - на жестком центре мембраны преобразователя силы в перемещение, а участок троса между точками закрепления расположен горизонтально, электронный блок содержит блок питания, формирующий m постоянных напряжений питания электродвигателя привода и напряжение питания функциональных элементов электронного блока, канал времени в составе последовательно соединенных генератора импульсов, тумблера, двухвходового конъюнктора, счетчика и дешифратора, имеющего n выходных шин, RS-триггера, при этом нормальнозамкнутый контакт тумблера соединен с выходом напряжения питания функциональных элементов электронного блока на блоке питания и образует шину сброса электронного блока, генератор импульсов соединен через норамальноразомкнутый контакт тумблера с первым входом двухвходового конъюнктора, а его вторым входом является единичный выход RS-триггера, установочный вход последнего соединен с шиной сброса электронного блока, а вход сброса - с шиной n дешифратора, канал управления содержит RS-триггер интервала с входными m-входовыми дизъюнкторами, пакетный переключатель на m положений, каждая группа входных контактов которого соединена с шиной 1 дешифратора, с шинами дешифратора первого и второго интервала движения каретки и с соответствующим выходом напряжения питания электродвигателя на блоке питания, выходные контакты пакетного переключателя первого интервала движения каретки связаны со входами дизъюнктора установки RS-триггера интервала, а выходные контакты второго интервала - со сходами дизъюнктора сброса, выходные контакты, соответствующие напряжениям питания электродвигателя, шине 1 и шине второго интервала на дешифраторе, подключены к электронным ключам электродвигателя привода, информационный канал содержит формирователь сигнала первичной информации, выход которого является счетным входом Т-триггера, вход сброса последнего связан с шиной сброса электронного блока, единичный выход Т-триггера совместно с единичным выходом RS-триггера интервала образуют входы конъюнктора информационного канала, выход которого является информационным выходом электронного блока.
Устройство установки для определения коэффициента трения поясняется чертежами:
Фиг. 1 - конструктивная схема установки;
Фиг. 2 - форма обкладки цилиндрического конденсатора;
Фиг. 3 - схема подключения трансформатора связи;
Фиг. 4 - электрическая принципиальная схема автогенератора (преобразователя электрической емкости в частоту);
Фиг. 5 - функциональная схема электронного блока.
Принятые обозначения
1. Основание
2. Винты подвижного элемента
3. Каретка
4. Подвижный элемент пары трения
5. Неподвижный элемент пары трения
6. Винты неподвижного элемента
7. Электродвигатель привода
8. Шкив электродвигателя
9. Гибкий трос
10. Неподвижные обмотки трансформатора
11. Каркас обмоток 10
12. Винты крепления каркаса 11
13. Кронштейн каркаса 11
14. Обмотки трансформатора на каретке
15. Каркас обмоток 14
16. Винты крепления каркаса 15
17. Корпус каретки
18. Винты мембранного блока
19. Мембрана
20. Жесткий центр мембраны
21. Кольцо мембраны
22. Подвижная обкладка цилиндрического конденсатора
23. Диск жесткого центра мембраны
24. Неподвижная обкладка конденсатора
25. Плата автогенератора (преобразователя электрической емкости в частотный сигнал)
26. Автогенератор
27. Кронштейн платы автогенератора
28. Плата источника питания автогенератора
29. Блок источника питания автогенератора
30. Кожух каретки
31. Винты кожуха 30
32. Груз
33. Рым-болт
34. Электронный блок
35. Блок питания.
Канал времени:
36. Генератор импульсов
37. Тумблер
38. Триггер цикла
39. Конъюнктор счетчика
40. Счетчик
41. Дешифратор.
Канал управления:
42. Пакетный переключатель
43. Электронные ключи
44. RS-триггер интервала
45. Дизъюнктор установки
46. Дизъюнктор сброса
Информационный канал:
47. Триггер периода частоты fn
48. Формирователь
49. Выходной конъюнктор.
Основные элементы установки монтируются на основании в виде стола 1 с горизонтальной столешницей. Винтами 2 с потайной головкой на каретке 3 закреплен подвижный элемент 4 исследуемой кинематической пары трения. Неподвижный элемент пары трения представлен пластиной 5, которая закреплена винтами 6 на основании.
Привод каретки представлен электродвигателем постоянного тока с параллельным возбуждением 7, на валу которого закреплен шкив 8. Связь шкива с кареткой осуществляется гибким тросом 9, при этом участок троса от каретки до цилиндрической части шкива располагается горизонтально.
Средства связи образованы линейным трансформатором, имеющем две неподвижные обмотки 10-а, 10-б, намотанные на каркас 11, который винтами 12 закреплен на кронштейне 13, а последний винтами соединен с основанием установки. Имеются подвижные обмотки трансформатора 14-а, 14-б, которые намотаны на каркас 15, присоединенный винтами 16 к корпусу 17 каретки. Осевая длина обмоток 10, 14 выбрана таким образом, что магнитный поток трансформатора остается на достаточном уровне при перемещении каретки в процессе эксперимента.
п
Средства измерения первичных параметров размещены на каретке и образованы последовательно соединенными преобразователями: преобразователем силы в перемещение, преобразователем перемещения в электрическую емкость и преобразователем электрической емкости в частотный сигнал. Преобразователь силы в перемещение конструктивно оформлен в виде мембранного блока, закрепленного на корпусе 17 каретки винтами 18. Мембрана 19 (может быть плоской или гофрированной) имеет жесткий центр 20 и кольцо 21. Крепление мембраны с этими элементами типовое - завальцовкой. В этом преобразователе под действием приложенной к жесткому центру мембраны силы, жесткий центр будет смещаться пропорционально силе. Преобразователь перемещения в электрическую емкость представлен цилиндрическим конденсатором. Имеется подвижная обкладка 22, которая через электроизоляционный диск 23 закреплена на жестком центре 20 мембраны. Неподвижная обкладка 24 установлена соосно подвижной и закреплена на плате 25 каретки. Таким образом, если к жесткому центру мембраны со стороны привода каретки будет приложена сила, то это приведет к смещению подвижной обкладки и электрическая емкость цилиндрического конденсатора будет уменьшаться. Преобразователь электрической емкости в частотный сигнал выполнен по схеме индуктивной трехточки и схемотехнически является автогенератором. Усилительным элементом является полевой транзистор VT1 с каналом n-типа. Первичная обмотка трансформатора нагрузки соединена параллельно цилиндрическому конденсатору С2*. Один конец первичной обмотки соединен со стоком транзистора, а второй через конденсатор обратной связи С1 с затвором транзистора, при этом затвор через резистор R1 связан с общей шиной. Средний вывод первичной обмотки соединен с шиной питания Е. Исток транзистора через термостабилизирующую цель в составе параллельно соединенных резистора R2 и конденсатора С3 подключен к общей шине. Выходной сигнал в форме синусоидального напряжения частоты f, транслируется вторичной обмоткой трансформатора через разделительный конденсатор С4. Рассматриваемый преобразователь конструктивно выполнен отдельной сборочной единицей - на плате 25 смонтирована электронная схема 26, плата установлена на кронштейне 27, который закреплен на корпусе каретки. Для питания автогенератора на каретке смонтирован источник вторичного электропитания 27 (фиг. 4). Напряжение промышленной частоты (50 Гц) поступает от блока питания электронного блока установки через трансформатор Тр средств связи - обмотки. 10-а - 10-б на выпрямитель на диодах VD1-VD4, далее расположен фильтр в составе дросселя Др и двух конденсаторов C1-С2, затем следует стабилизатор на биполярном транзисторе VT со стабилитроном VD5 в цепи базы, ток которого задан резистором R. В целом каретка выполнена отдельной сборочной единицей, ее внутренний объем закрыт кожухом 30 П-образной формы, который закреплен на корпусе 17 каретки винтами 31. Верхняя горизонтальная поверхность кожуха предназначена для установки груза 32, задающего силу нормального давления исследуемой пары трения. Для соединения каретки с приводом предусмотрен винт 33, в форме рым-болта, вкручиваемый в жесткий центр 20 мембраны.
В исходном положении электродвигатель 7 привода отключен, каретка неподвижна, соответственно мембрана 19 недеформированна, осевая длина перекрытия обкладок цилиндрического конденсатора максимальна. Электрическая емкость конденсатора равна
0
где ε=εε - абсолютная диэлектрическая проницаемость промежутка;
24
25
r, r - соответственно внутренний радиус обкладки 24 и внешний радиус обкладки 25.
Этому значению емкости соответствует частота автогенератора
1
где L - индуктивность первичной обмотки автогенератора.
Если включить электродвигатель привода, то при скольжении подвижного элемента 4 по неподвижному элементу 5 исследуемой пары трения появится сила трения, которая приведет к прогибу мембраны 19.
На линейном участке характеристики справедливо соотношение для прогиба δ
тр
где F - сила, приложенная к жесткому центру мембраны, т.е. сила трения;  - средний радиус мембраны
R20, R21 - соответственно внутренний и внешний радиус мембраны (радиусы завальцовкии);
- цилиндрическая жесткость мембраны;
m
Em, μ, h - соответственно модуль упругости первого рода, коэффициент Пуассона и толщина мембраны.
тр
Формулы (2), (3) показывают, что емкость С* линейно зависит от силы трения F
где константа установки равна
Подставляя значение емкости (4) в формулу (2), получим передаточную функцию преобразователя силы
где константа K2 установки через первичные параметры равна
Таким образом сила трения однозначно определяется частотой автогенератора. Электрический сигнал этой частоты выводится из подвижной каретки через средства связи - обмотки 10-б, 14-б.
Установка комплектуется электронным блоком 34 для обработки первичной информации. Функционально его можно разделить на: блок питания, канал времени, канал управления и информационный канал.
Блок питания формирует m постоянных напряжений (по числу режимов испытаний) питания электродвигателя привода и напряжение питания функциональных элементов электронного блока.
Канал времени задает временную шкалу и длительность цикла испытаний. Канал составляют: генератор импульсов 36, тумблер 37, имеющий один нормальноразомкнутый контакт HP и один нормальнозамкнутый контакт НЗ. Исходное положение тумблера «сброс», рабочее положение «измерение». Имеется RS - триггер 38 цикла, конъюнктор 39 счетчика 40 и дешифратор 41, имеющий n выходных шин позиционного кода. В исходном положении шина сброса «с» держит логическую единицу (напряжение питания Е микросхем) через нормальнозамкнутый контакт тумблера, при этом счетчик 40 находится в нулевом состоянии, а на выходе дешифратора 41 возбуждена шина нуль (0). При перебросе тумблера 37 в положение «измерение» импульсы генератора 36 начинают заполнять счетчик 40 и на выходе дешифратора 41 последовательно появляются логические единицы. Для заполненного счетчика возбуждается шина n дешифратора, потенциал которой опрокидывает триггер 38 цикла и его выход закрывает конъюнктор 39, поступление импульсов генератора на счетчик прекращается.
S1
S2
S2
Канал управления предназначен для переключения режима испытаний (скорость движения подвижного элемента, нормальная сила давления) и формирования интервала движения, на котором скорость постоянна. Канал содержит пакетный переключатель 42 на m положений (по количеству режимов испытаний). Входные контакты каждой группы переключателя соединены с шинами дешифратора 41, которые получают логическую единицу в момент времени t прохождения первого участка движения каретки - S1, в момент t прохождения второго участка S2, и с соответствующим выходом напряжения питания электродвигателя привода на блоке питания. Выходные контакты переключателя 42 передают названные сигналы на электронные ключи 43, которые запитывают электродвигатель привода в интервале от момента включения (шина 1 дешифратора) до момента t (окончания прохода кареткой всего пути движения S1+S2.) Триггер 44 интервала формирует импульс длительностью, равной времени прохождения кареткой интервала S2. Комплектация подключения входных контактов переключателя производится исходя из следующих соотношений.
S2
На первом участке S1 движения каретки имеет место равноускоренное движение, а второй участок S2 каретка проходит с постоянной скоростью V
7
где ω - частота вращения вала электродвигателя 7,
8
R - радиус шкива 8 электродвигателя.
7
В качестве электродвигателя привода принят электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, который имеет линейные скоростную и механическую характеристики с малым наклоном, поэтому ωопределяется только магнитным потоком двигателя, т.е. напряжением питания
7
Характеристики двигателя обеспечивают постоянство частоты вращения в функции нагрузки (величины силы трения), т.е. ω не зависит от общей массы каретки, а определяется только напряжением питания.
Скорость каретки на первом участке
С учетом характеристик двигателя можно принять
Поскольку длины участков S1, S2 постоянны, то необходимо выдержать постоянство произведений скорости на время
Для наглядности на фиг. 5 для одного положения переключателя выходные шины дешифратора поименованы вышепринятыми обозначениями.
п
Информационный канал предназначен для формирования прямоугольного импульса длительностью, равной периоду Т сигнала ƒ автогенератора
п
где ƒ - выражается формулой (6).
п.
S2
Sl
Функцию формирования длительности (13) выполняет счетный триггер 47, который устанавливается в исходное состояние шиной сброса «С» электронного блока. Управляющий сигнал этого триггера создается формирователем 48, на вход которого поступает сигнал автогенератора ƒ Схемотехнически формирователь построен на основе триггера Шмидта, а выходной сигнал соответствует фронту импульсов триггера Шмидта. Конечным элементом информационного канала является конъюнктор 49. Выходной сигнал конъюнктора 49 представляет собой прямоугольный импульс длительностью Т-формула (13), который присутствует в интервале движения каретки t - t, где скорость каретки постоянна.
Сила трения будет найдена по формулам (6), (13), а коэффициент трения для принятого режима испытаний равен
где сила нормального давления N равна сила веса Р каретки совместно с грузом 32.
Установка для определения коэффициента трения работает следующим образом. Предварительно выбирают режим испытаний:
- скорость перемещения подвижного элемента исследуемой пары трения устанавливают пакетным переключателем 42 (m вариантов);
- сила N нормального давления складывается из паспортного значения веса каретки и веса добавочного груза 32.
Sl
S2
После переброса тумблера в положение «измерение» импульсы генератора 36 через конъюнктор 39 начинают заполнять счетчик 40, дешифратор 41 переводит двоичный код счетчика в позиционный. В процессе накопления импульсов в счетчике последовательно появляется логическая единица на выходных шинах дешифратора. Потенциал шины 1 через электронный ключ 43 обеспечит включение электродвигателя 7 привода каретки, и каретка начнет движение. В конце первого участка S1 логическая единица шины t через дизнъюнктор 45 переведет триггер 44 интервала в единичное состояние. При дальнейшем движении каретки будут накапливаться импульсы генератора на счетчике, и получит логическую единицу шина t дешифратора. Потенциал этой шины через электронный ключ 43 отключит электропитание двигателя 7, одновременно через дизъюнктор 46 триггер 44 вернется в исходное состояние. Процесс работы счетчика 40 прекратится при его заполнении, при этом потенциал шины n дешифратора опрокинет триггер 38 цикла, который закроет конъюнктор 39.
Sl
S2
TР
п
На участке S2 - от момента времени t до t - скорость движения каретки постоянна, поэтому сила трения F также постоянна. Этой силе соответствует постоянное значение перемещения жесткого центра 20 мембраны 19, следовательно будет постоянным и перемещение подвижной обкладки 22 цилиндрического конденсатора и постоянное значение частоты ƒ автогенератора. Период Т этого сигнала будет сформирован триггером 47 и поступит на выход конъюнктора 49.
Исходный коэффициент трения определится по формуле (14).
Таким образом, предлагаемая установка для определения коэффициента трения позволяет находить коэффициент трения при различных комбинациях площади, силы нормального давления и скорости движения подвижного элемента исследуемой пары трения. Получаемая информация достоверна за счет исключения влияющих факторов. В конструкции установки применен принцип агрегатности, что повышает ее технологичность, электронный блок выполнен на типовых элементах электроники.