СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ПОКОЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА
METHOD TO DETERMINE COEFFICIENT OF FRICTION OF REST OF SURFACE LAYER OF ELECTROCONDUCTING MATERIAL

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к определению коэффициента трения покоя.
Известен способ определения химической чистоты поверхности образца с использованием измерительного щупа, заключающийся в определении силы трения между поверхностью образца и измерительного щупа в момент его отрыва от образца, причем используют щуп, контактирующий в одной точке с поверхностью образца, например диск или шарик. Исследуемый образец закрепляют на предметном столике, устанавливают щуп на поверхности образца, постепенно увеличивают тяговое усилие, фиксируют момент сдвига, замеряют показания динамометра и сравнивают с показаниями динамометра по эталонной модели (SU №188106, кл. G01N 13/00, 1966 г.).
Недостатками способа являются:
- невозможность его использования для измерения собственно коэффициента трения;
- необходимость сравнения результатов с измерениями на эталонном образце;
- ограничение точности измерения точностью тарировки динамометра, что приводит к погрешностям, если измерения выполнять при малых нормальных нагрузках в контакте щупа и образца.
2
1
Наиболее близким к заявляемому является способ определения коэффициента трения покоя поверхностных слоев материала (RU №2150688, кл. G01N 19/02, 2000 г.), заключающийся в установке измерительного щупа на поверхность образца в одной точке и фиксации момента сдвига измерительного щупа относительно образца. Образец устанавливают с возможностью поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, измерительный щуп устанавливают с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости на длинных гибких связях. Затем измерительный щуп нагружают и перемещают образец в паре со щупом до их взаимного сдвига. Рассчитывают величину линейного перемещения образца как разность конечного δ и начального δ показаний по шкале микрометрического винта.
Коэффициент трения покоя рассчитывают по формуле
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mi>G</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mi>δ</mi><mi>L</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                                   (1)</mtext></mrow>
где
Р - вес измерительного щупа;
1
2
δ=δ-δ - величина линейного перемещения образца;
G - дополнительная нагрузка на измерительный щуп;
L - длина гибких связей.
Недостатком прототипа является то, что фиксация момента сдвига измерительного щупа относительно образца проводится визуально, что приводит к неточному определению величины линейного перемещения образца.
Задачей изобретения является разработка нового способа, обеспечивающего достоверный результат при определении величины линейного перемещения образца, используемого, например, для скользящих электрических контактов.
Техническим результатом является повышение точности определения коэффициента трения покоя при малых нагрузках на поверхностях трения электропроводящих материалов.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе определения коэффициента трения покоя поверхностного слоя электропроводящего, включающем установку образца с возможностью поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, установку измерительного щупа, контактирующего с поверхностью образца в одной точке, с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости на гибких связях, нагружение измерительного щупа и перемещение образца в паре со щупом до их взаимного сдвига, согласно изобретению сдвиг фиксируют по скачку электрического напряжения в контакте измерительного щупа с поверхностью образца, а коэффициент трения покоя электропроводящего материала рассчитывают по формуле:
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mi>G</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mi>S</mi><mi>L</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где
S - первоначальное расстояние между держателем образца и движителем, задаваемое по эталону - концевой мере длины;
1
t - время прохождения движителем расстояния S;
2
t - время движения образца в паре со щупом до фиксации момента скачка электрического контактного напряжения;
Р - вес измерительного щупа;
G - дополнительная нагрузка на измерительный щуп;
L - длина гибких связей.
Замена субъективной визуальной фиксации момента сдвига, то есть начала механического движения измерительного щупа относительно образца, приборной фиксацией момента времени, соответствующего скачку электрической величины - контактного напряжения, повышает точность определения коэффициента трения покоя.
Предлагаемый способ поясняется схемой его реализации, показанной на фиг.1.
Схема содержит: электропроводящий образец 1, установленный в держателе 2 образца, имеющем возможность перемещения в горизонтальной плоскости, измерительный щуп 3, подвешенный на гибкой связи с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости и контактирующий в одной точке с поверхностью образца 1. Источник постоянного тока 4, соединенный в последовательную электрическую цепь с образцом 1 и измерительным щупом 3, цифровой милливольтметр 5, подключенный к области контакта образца 1 с измерительным щупом 3, движитель 6 линейного перемещения с постоянной скоростью, источник постоянного тока 7, соединенный последовательно с цифровым амперметром 8 и подключенный к электрическим контактам на торцевых поверхностях движителя 6 и держателя 2 образца 1, электронный блок 9 управления, электронный миллисекундомер 10 для отсчета интервалов времени.
Способ осуществляют следующим образом.
1
2
1
Подключают провода от источника тока 4 и цифрового милливольтметра 5 к электрическим контактам, припаянным вблизи поверхности исследуемого образца 1 из электропроводящего материала. Образец 1 закрепляют на держателе образца 2. Перемещая держатель 2 по горизонтальной направляющей, выставляют его с помощью концевой меры длины на заданном расстоянии от 20 до 100 мм в зависимости от длины гибких связей и дополнительной нагрузки на измерительный щуп от движителя 6. Приводят измерительный щуп 3 в контакт с образцом 1. Нагружают щуп 3 и подают на контакт электрическое напряжение от 0,1 до 1 мВ в зависимости от сопротивления контакта, так чтобы ток был не более 1 А, регистрируемое микровольтметром 5. Подают от электронного блока 9 управления электрический сигнал, одновременно включающий движитель 6 поступательного перемещения с постоянной скоростью и запускающий миллисекундомер 10. После прохождения движителем заданного расстояния S, происходит касание контактов движителя 6 и держателя образца 2, замыкается электрическая цепь, по которой начинает течь электрический ток, регистрируемый цифровым амперметром 8. В этот момент времени амперметр 8 через блок 9 управления генерирует сигнал для миллисекундомера 10, который фиксирует интервал времени f и начинает отсчет интервала t времени движения образца 1 в паре со щупом 3 до их взаимного сдвига. При сдвиге щупа 3 относительно образца 1 происходит регистрируемый милливольтметром 5 скачок контактного напряжения. В этот момент времени милливольтметр 5 через блок 9 управления генерирует сигнал для миллисекундомера 10, который фиксирует интервал времени t и останавливает движитель 6.
Коэффициент трения покоя рассчитывают по формуле (2):
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mi>G</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mi>S</mi><mi>L</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где
S - первоначальное расстояние между держателем образца и движителем, задаваемое по эталону концевой мере длины;
1
t - время прохождения движителем расстояния S;
2
t - время движения образца в паре со щупом до фиксации момента скачка электрического контактного напряжения;
Р - вес измерительного щупа;
G - дополнительная нагрузка на измерительный щуп;
L - длина гибких связей.
Изобретение реализовано в виде лабораторного образца и применяется для измерения коэффициента трения покоя в научно-исследовательских и учебных целях.
Были проведены две серии измерений коэффициента трения покоя пар различных электропроводящих материалов: меди Ml, циркония йодидного, золота 99,95% по способу-прототипу и по предлагаемому способу. Использовались микротрибометры со следующими параметрами: вес измерительного щупа - 1,82 г, длина гибких связей - 222 мм. Коэффициенты трения измеряли при дополнительной нагрузке на измерительный щуп, которую создавали разновесами весом от 0,05 г до 0,5 г. Измерение при одной нагрузке повторяли 10 раз. Далее рассчитали коэффициент трения покоя при каждой дополнительной нагрузке на измерительный щуп по формуле (1) для способа-прототипа и формуле (2) предлагаемого способа.
Статистическую обработку массива результатов измерений проводили по методике для косвенных измерений с многократными наблюдениями при линейной зависимости (Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006. С.237-240). В ней за результат измерения принимают среднее арифметическое результатов многократных измерений. Доверительные границы случайной погрешности результата измерения находили при доверительной вероятности Р=0,95 и числе измерений п=10. Результаты обработки приведены в таблицах 1-3.
Таблица 1
Экспериментальные значения коэффициентов трения покоя пары медь Ml-медь Ml
Нагрузка на измерительный щуп G, г
Коэффициенты трения
По прототипу
По предлагаемому способу
0,05
0,49±0,05
0,46±0,02
0,1
0,45±0,06
0,45±0,03
0,2
0,34±0,04
0,36±0,02
0,3
0,34±0,03
0,34±0,02
0,4
0,30±0,04
0,31±0,01
0,5
0,28±0,03
0,30±0,02
Таблица 2
Экспериментальные значения коэффициентов трения покоя пары цирконий - цирконий
Нагрузка на измерительный щуп G, г
Коэффициенты трения
По прототипу
По предлагаемому способу
0,05
0,38±0,07
0,35±0,04
0,1
0,34±0,05
0,31±0,03
0,2
0,32±0,07
0,32±0,02
0,3
0,29±0,06
0,26±0,04
0,4
0,25±0,05
0,24±0,02
0,5
0,22±0,04
0,18±0,02
Таблица 3
Экспериментальные значения коэффициентов трения покоя пары золото-золото
Нагрузка на измерительный щуп G, г
Коэффициенты трения
По прототипу
По предлагаемому способу
0,05
0,59±0,06
0,55±0,03
0,1
0,52±0,06
0,46±0,02
0,2
0,44±0,05
0,38±0,03
0,3
0,40±0,03
0,38±0,03
0,4
0,39±0,02
0,34±0,02
0,5
0,32±0,02
0,29±0,01
Из представленных опытных показателей видно, что применение предлагаемого способа уменьшает погрешность результата измерения и тем самым повышается точность определения коэффициента трения покоя.
В настоящее время способ определения коэффициента трения покоя поверхностного слоя электропроводящего материала находится на стадии лабораторных экспериментов.