Установка для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения токсичных материалов при повышенных температурах
INSTALLATION FOR DETERMINING COEFFICIENTS OF EXTERNAL FRICTION OF REST AND SLIDING OF TOXIC MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES

Изобретение относится к области триботехнических испытаний материалов, в частности к определению коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения при взаимном перемещении образцов из токсичных материалов в вакууме при повышенных температурах.
Известны различные способы определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения на образцах при их взаимном перемещении. В большинстве случаев для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения требуется не только проведение отдельных опытов, но и использование различных устройств.
Известен способ определения динамического коэффициента внешнего трения скольжения при наклоне двух образцов, нижний из которых, имеющий форму диска, приводят во вращение вокруг своей оси и наклоняют относительно горизонта, удерживая верхний образец в том месте диска, где его линейная скорость направлена вверх по уклону, при этом динамический коэффициент трения определяют по текущему значению угла наклона ϕ в тот момент, когда верхний образец начинает соскальзывать вниз [патент РФ №2458336, опубл. 10.08.2012]. Недостатком способа является необходимость проведения раздельных опытов для определения статического и динамического коэффициентов трения, а также невозможность проведения безопасного для персонала и окружающей среды испытания образцов на определение коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения из токсичных материалов при повышенных температурах.
1
1
Известен способ для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения на образцах используют два расположенных друг на друге образца, один из которых, базовый образец выполняют в виде кольца с внутренней рабочей поверхностью сферической или цилиндрической формы с горизонтальной осью и обеспечивают возможность его поворота вокруг этой оси [патент RU №2537745, опубл. 10.01.2015]. Опорную поверхность второго, подвижного образца, выполняют плоской или выпуклой, с радиусом не меньше радиуса рабочей поверхности базового образца. Поворачивая базовый образец вокруг оси, постепенно увеличивают угол смещения центра опорной поверхности подвижного образца относительно исходного нижнего подвижного положения до некоторого угла ϕ, при котором произойдет соскальзывание подвижного образца под действием силы тяжести, и по значению угла ϕ определяют коэффициент внешнего трения покоя как:
2
Затем измеряют угол ϕ, соответствующий новому неподвижному положению подвижного образца относительно нижнего исходного положения и определяют коэффициент внешнего трения скольжения по формуле:
полученной из условия равенства между уменьшением потенциальной энергии подвижного образца в процессе соскальзывания и работой, производимой силой трения при движении образца.
Недостатком данного способа, выбранного в качестве прототипа, является отсутствие возможности проведения безопасного для персонала и окружающей среды испытания образцов на определение коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения из токсичных материалов при повышенных температурах.
Задачей, стоящей перед авторами предполагаемого изобретения, является разработка установки для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения из токсичных материалов при повышенных температурах с возможной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых токсичных материалов.
Техническим результатом изобретения является возможность проведения испытаний токсичных материалов при повышенных температурах, получение значений коэффициента внешнего трения покоя и скольжения в зависимости от температуры в диапазоне температур 20°С-200°С, с одновременной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых токсичных материалов, путем двойной герметизации образцов из токсичных материалов.
Технический результат достигается тем, что установка для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения токсичных материалов при повышенных температурах содержит базовый и подвижный образцы, при этом последний выполнен с плоской или выпуклой опорной поверхностью и установлен на базовом образце с возможностью перемещения по нему, базовый и подвижный образцы помещены в герметичную вакуумную камеру с встроенным наблюдательным окном, напротив него последовательно закреплены шкала для регистрации перемещений подвижного образца и базовый образец, выполненный в виде полусферы и соединенный с нагревателем, оснащенным термопарой, вакуумная камера снабжена охлаждающим контуром. Охлаждающий контур имеет полость, заполненную проточной водой, и штуцеры подвода и вывода воды. Нагреватель снабжен распределителем тепла для выравнивания температурного поля. Вторым контуром герметизации является герметичный перчаточный бокс, в котором помещена установка.
Возможность проведения испытаний образцов из токсичных материалов при повышенных температурах достигается применением герметичной вакуумной камеры и нагревателя. Испытание образцов именно из токсичных материалов стало возможным при размещении рабочей камеры в герметичном перчаточном боксе и создании вакуума в рабочей камере.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает возможность определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения образцов из токсичных материалов при повышенных температурах.
На фиг. 1 и 2 показана схема реализации предлагаемого устройства для определения коэффициента внешнего трения покоя и скольжения при повышенной температуре образцов из токсичных материалов, где:
1 - герметичная вакуумная камера;
2 - нагреватель;
3 - термопара;
4 - шкала;
5 - крышка;
6 - штуцер для присоединения к вакуумной системе;
7 - штуцер для присоединения к системе охлаждения;
8 - базовый образец;
9 - наблюдательное окно;
10 - подвижный образец.
Устройство работает следующим образом. Базовый образец 8 и подвижный образец 10 помещены в герметичную вакуумную камеру 1 с встроенным наблюдательным окном 9, напротив которого последовательно закреплены шкала 4 для регистрации перемещений подвижного образца 10 и базовый образец 8, выполненный в виде полусферы и соединенный с нагревателем 2, оснащенным термопарой 3. Вакуумная камера 1 снабжена охлаждающим контуром и штуцером 6 для присоединения вакуумной системы. Охлаждающий контур имеет полость, заполненную проточной водой, и штуцеры 7 для подвода и вывода воды. Нагреватель 2 снабжен распределителем тепла для выравнивания температурного поля (на фиг. 1 и фиг. 2 не показан). Ось рабочей сферической поверхности базового образца 8 совместно с вакуумной камерой 1 располагается горизонтально и при этом обеспечивается возможность поворота относительно нее базового образца 8.
1
2
п
c
При достижении заданной температуры, определяемой с помощью термопары 3, установку поворачивают относительно оси базового образца 8. После соскальзывания подвижного образца 10 по шкале 4 через наблюдательное окно 9 определяются углы ϕ и ϕ. Затем по формулам (1) и (2) рассчитываются значения коэффициентов трения покоя (f) и скольжения (f).
Изготовлен опытный образец установки, испытан, результаты подтвердили работоспособность установки и получение нового технического результата.