СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ ПОКОЯ И СКОЛЬЖЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINATION OF FRICTION COEFFICIENTS OF REST AND SLIDING

Изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности, к определению коэффициента трения покоя и скольжения при взаимном перемещении образцов.
Обычно коэффициенты трения покоя и скольжения определяют различными способами в отдельных опытах. При определении коэффициента трения покоя, как правило, используют способы, основанные на измерении геометрических параметров опыта. Например, известен способ определения статического коэффициента внешнего трения между двумя расположенными один на другом образцами путем наклона их относительно горизонтальной плоскости и измерения угла ϕ в момент начала скольжения одного образца относительно другого, с расчетом коэффициента ƒ внешнего трения по формуле ƒ=tgϕ [патент США №3020744, кл. 73-9, кл. G01N 19/02, 1962]. Недостатком способа является невозможность определения с его помощью коэффициента трения скольжения.
Для определения коэффициента трения скольжения распространены способы, основанные на измерении силы трения при известной нормальной силе между совершающими относительное перемещение образцами из исследуемых материалов. Недостатком таких способов является необходимость использования силоизмерительных механизмов, усложняющих применяемые устройства. Во избежание связанных с этим трудностей, для определения коэффициента трения скольжения используют способы, основанные на измерении геометрических параметров опыта и не требующие измерения силы. Например, известен способ определения динамического коэффициента внешнего трения скольжения при наклоне двух находящихся друг на друге образцов, нижний из которых, имеющий форму диска, приводят во вращение вокруг своей оси и постепенно наклоняют относительно горизонта, а верхний образец удерживают в том месте диска, где его линейная скорость направлена вверх по уклону, при этом коэффициент трения определяют по текущему значению угла наклона ϕ в момент, когда верхний образец начинает соскальзывать вниз [патент РФ №2458336, кл. G01N 19/02, опубл. 10.08.2012]. Недостатком этого способа является его пригодность для определения только коэффициента трения скольжения, а коэффициент трения покоя приходится определять в отдельном опыте.
1
ст
1
2
Одновременно в одном опыте получить коэффициенты трения покоя и трения скольжения можно при помощи способа определения статического и динамического коэффициентов внешнего трения между двумя образцами, один из которых, базовый, выполняют с вогнутой сферической или цилиндрической поверхностью. На эту поверхность, с возможностью свободно по ней перемещаться, устанавливают второй образец. Базовый образец поворачивают вокруг оси до такого углового положение ϕ подвижного образца относительно вертикали, при котором под действием силы тяжести происходит его соскальзывание, после чего определяют статический коэффициент внешнего трения m=tgϕ. Измерив угловое положение ϕ, при котором соскальзывание подвижного образца прекращается определяют динамический коэффициент внешнего трения по формуле, где , R - радиус рабочей поверхности базового образца,  - расстояние между центром тяжести подвижного образца и рабочей поверхностью базового образца [патент РФ №2537745, кл.G01N 19/02, опубл. 10.01.2015]. Достоинством способа является возможность определения коэффициентов трения покоя и трения скольжения по результатам одного опыта. Недостатком способа является то, что коэффициент трения скольжения непосредственным результатом опыта не является, для его нахождения требуется проведение достаточно сложных вычислений. Кроме того, удельные давления между образцами ограничиваются весом малогабаритного верхнего образца. Данный способ принят в качестве прототипа предлагаемого технического решения.
Техническим результатом предлагаемого способа является возможность непосредственного определения коэффициентов внешнего трения покоя и трения скольжения, при заданных контактных давлениях между образцами, в одном опыте, путем измерения геометрических параметров системы, без сложных дополнительных расчетов.
пок
ск
пок
пок
пок
ск
ск
ск
Технический результат достигается тем, что для определения коэффициентов трения при относительном перемещении используются два расположенных один на другом образца, подвижный и неподвижный. Неподвижный образец изготавливают с прямолинейной рабочей поверхностью и закрепляют на оснастке. Подвижный образец устанавливают на рабочую поверхность неподвижного образца с возможностью скольжения вдоль нее. К подвижному образцу шарнирно присоединяют тягу, второй конец тяги также шарнирно соединяют с тяговым механизмом, обеспечивающим перемещение конца тяги с необходимым усилием в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения подвижного образца. Подвижный образец малыми шагами сдвигают относительно неподвижного образца, постепенно увеличивая угол ϕ между тягой и направлением перемещения тягового механизма. После каждого шага приложенное для сдвига подвижного образца усилие плавно убирают, и, в случае сохранения подвижного образца в состоянии покоя, совершают последующие шаги до того момента, когда после очередного сдвига подвижного образца он начнет скольжение в обратном направлении. Измеряют углы ϕ, при котором началось обратное скольжение подвижного образца, и ϕ, при котором его скольжение прекратилось. По значению угла ϕ определяют коэффициент трения покоя ƒ=tgϕ, а по значению угла ϕ - коэффициент трения скольжения ƒ=tgϕ. При проведении опыта к подвижному образцу присоединяют демпирующее устройство, препятствующее обратному перемещению подвижного образца силой, пропорциональной скорости перемещения и отсутствующей в состоянии покоя.
На фиг. 1 показана схема определения коэффициентов трения покоя и скольжения в одном опыте; на фиг. 2 - схема сил, действующих на освобожденный верхний образец в состоянии покоя, где:
1 - неподвижный образец;
2 - подвижный образец;
3 - тяга;
4 - тяговое устройство;
5 - демпирующее устройство.
Коэффициенты трения покоя и скольжения в одном опыте определяют с использованием двух расположенных один на другом образцов, подвижного и неподвижного. Неподвижный образец 1 изготавливают с прямолинейной рабочей поверхностью, которая при рассмотрении ее в поперечном сечении может иметь плоскую или цилиндрическую форму, и закрепляют на оснастке. Подвижный образец 2 устанавливают на рабочую поверхность неподвижного образца 1 с возможностью скольжения вдоль нее. К подвижному образцу 2 шарнирно присоединяют тягу 3. Второй конец тяги 3 также шарнирно соединяют с тяговым механизмом 4, предназначенным для перемещения конца тяги 3 с необходимым для этого усилием Р в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения подвижного образца 2. Если в качестве тягового механизма используют груз, усилие Р обеспечивают силой его тяжести. Подвижный образец 2 малыми шагами сдвигают относительно неподвижного образца 1, постепенно увеличивая угол ϕ между тягой 3 и направлением перемещения тягового механизма 4. Шаг циклических перемещений выбирают исходя из заданной точности определения коэффициента трения покоя. После каждого шага плавно убирают приложенное для перемещения подвижного образца 2 усилие. Если после этого подвижный образец 2 остается в состоянии покоя, это означает, что обеспечивается равновесие сил, действующих на него в направлении его перемещения. К числу этих сил относятся (фиг. 2):
- продольная сила Т в тяге, формирующаяся под воздействием усилия Р на тяговом механизме, и, вследствие шарнирного закрепления тяги, направленная вдоль ее оси;
- нормальная сила N=T⋅cosϕ в контакте между подвижным 2 и неподвижным 1 образцами;
- сила F, обусловленная трением между образцами и равная F=T⋅sinϕ.
Весом подвижного образца 2, величина которого по сравнению с прилагаемыми внешними силами незначительна, в данном случае можно пренебречь как не оказывающим значимого влияния на точность результатов.
пок
Равновесие сил, действующих на подвижный образец 2, будет соблюдаться до момента, пока сила F не превысит максимально возможную силу трения покоя, пропорциональную нормальной силе N и величине коэффициента трения покоя ƒ:
пок
где ϕ - текущее значение угла между тягой 3 и направлением перемещения образцов, ƒ - коэффициент трения покоя между образцами.
пок
пок
С увеличением угла ϕ сдвигающая подвижный образец 2 сила T⋅sinϕ увеличивается, а нормальная составляющая N=Т cosϕ и зависящая от нее максимально возможная сила трения покоя T⋅cosϕ⋅ƒ уменьшаются. Предельным состоянием равновесия является такое значение угла ϕ, при котором выражение (1) становится равенством:
пок
Последнее значение угла наклона ϕ тяги 3, при котором наблюдалось состояние покоя неподвижного образца 1, используется для определения коэффициента трения покоя в исследуемой паре материалов.
После дальнейшего перемещения подвижного образца 2 условие его предельного равновесия нарушается, сдвигающая сила F превосходит силу трения, и под ее действием начинается скольжение подвижного образца 2 в обратном направлении.
пок
ск
С началом скольжения подвижного образца 2 сила трения больше не лимитируется коэффициентом трения покоя ƒ, а определяется коэффициентом трения скольжения ƒ, который, в общем случае, может быть меньше коэффициента трения покоя.
пок
ск
пок
ск
ск
ск
ск
ск
ск
ск
В той фазе опыта, когда подвижный образец 2 совершает обратное перемещение, связанное с уменьшением угла наклона тяги от достигнутого предельного угла ϕ до некоторого конечного значения действует другое условие равновесия действующих на него сил. Из-за того, что ƒ<ƒ, скатывающая сила F становится меньше силы трения скольжения, т.е. F<Nƒ. Если не принимать специальных мер, разница этих сил приведет подвижный образец 2 с присоединенной к нему тягой 3 в движение с таким ускорением, при котором пропорциональная этому ускорению сила инерции восстановит нарушенное равновесие сил. В процессе ускоренного движения подвижный образец 2 с присоединенной к нему тягой 3 приобретут некоторую кинетическую энергию. В итоге, при достижении углом наклона тяги величины ϕ, равной углу трения скольжения, подвижный образец 2 с тягой 2 не остановятся, а некоторое время еще будут двигаться по инерции, преодолевая силу трения до полного исчерпания накопленной кинетической энергии. Таким образом, точка остановки подвижного образца 2 и соответствующий ей угол тяги 3 не будут связаны с коэффициентом трения скольжения. Чтобы не допустить этого, в оснастку должно быть включено соединенное с подвижным образцом 2 демпфирующее устройство 5. Создаваемое им сопротивление перемещению подвижного образца 2 должно интенсивно возрастать по мере увеличения скорости образца, поэтому уже при малой скорости должно заменить динамическую силу и уравновесить систему действующих сил, не допуская ускорения движущихся частей. По мере скольжении подвижного образца 2 в обратном направлении угол ϕ между тягой и направлением перемещения образцов уменьшается, соответственно уменьшается сдвигающая образец сила T⋅sinϕ, а сила трения скольжения T⋅cosϕ⋅ƒ увеличивается. Это приводит к уменьшению скорости движения и силы сопротивления демпфирующего устройства. К моменту, когда тяга достигнет угла наклона ϕ, сдвигающая образец сила T⋅sinϕ и сила трения скольжения T⋅cosϕ⋅ƒ сравняются и произойдет остановка подвижного образца 2. Чтобы остановка не была спровоцирована демпфирующим устройством 5 преждевременно, оно не должно обладать упругой инерционностью, т.е. иметь силу сопротивления, уменьшающуюся синхронно скорости и доходящую до нуля при полной остановке. Такой характеристикой обладает гидравлическое демпфирующее устройство вследствие несжимаемости жидкостей, в отличие от пневматического, газообразное рабочее тело которого сжимается.
ск
ск
ск
ск
ск
ск
Так как вплоть до момента остановки подвижного образца 2 он находился в процессе скольжения по поверхности неподвижного образца 1, достигая при этом условия равновесия T⋅sinϕ=T⋅cosϕ⋅ƒ, то угол наклона тяги ϕ, при котором произошла остановка подвижного образца, равен углу трения скольжения, что позволяет определить коэффициент трения скольжения ƒ=tgϕ.