ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ

Полезная модель относится к области испытательной техники, а именно, к устройствам для определения коэффициента трения, и его составляющих.
Известно устройство для измерения силы трения [Трение и износ, 1993, т. 14, №5, с. 903-906. Ковалевский В.В., Космогрыз С.Г., Збитнев Е.А. О повышении точности измерения силы трения.], содержащее установленный на упругом шарнире держатель образца. Упругий шарнир выполнен в виде упругой перемычки и соединен с корпусом, на котором закреплен датчик перемещения держателя образца при его повороте на шарнире.
При приближении корпуса устройства к контробразцу шарнир сжимается, создавая силу нормального давления в контакте, которая контролируется датчиком. Контробразец приводится в движение с некоторой скоростью. Устройство снабжено механизмом перемещения и фиксирования корпуса в вертикальном направлении.
Недостатком этого устройства является отсутствие механизма горизонтального перемещения образца и датчика этого перемещения.
Известна установка для оценки противозадирочных свойств материалов [Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ. / В.И. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. М.: Машиностроение, 1977 - 526 с, с. 447-448].
В этой установке перемещение индентора по плоскому образцу осуществляется от гайки, соединенной с ползуном, перемещение передается от электродвигателя через систему механических передач. Индентор закрепляется в оправке свободно перемещающейся в вертикальном направлении по направляющим, установленным в корпусе и жестко связанным с ползуном. Испытуемый плоский образец устанавливается под наименьшим углом к направлению движения индентора в державке каретки, которая свободно перемещается в шаровых направляющих. Нормальная нагрузка измеряется динамометром, установленным между оправкой и винтом. Измерение силы сопротивления перемещению индентора осуществляется плоской пружиной.
Недостатком данного устройства является невозможность определения влияния внешней среды (теплового поля), в месте контакта индентора и плоского образца на величину трения.
Известно [Мышкин, Н.А. Электрические контакты. / Н.К. Мышкин, В.В. Кончиц, М. Браунович. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008. - с. 69-70.], что теплота, возникнув в зоне трения, распределяется между трущимися телами, а также между ними и окружающей средой. С ростом температуры снижается прочность адгезионных (молекулярных) связей, однако, контакт становится более пластичным, что приводит к возрастанию фактической площади контакта. Сочетание этих эффектов может приводить к разнообразным зависимостям коэффициента трения от температуры.
В работе [Трение, износ, смазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе, А.М. Берлинер. Э.Д. Браун и др. Под общ. Ред. А.В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение, 2003. - с. 262.] указывается, что с ростом температуры сильно изменяются теплофизические характеристики многих металлов и композиционных материалов на металлической основе. Изменения могут достигать 30-40% при объемной температуре T=300…400°C.
Известен прибор [Патент RU №2455630], содержащий основание, механизм нагружения, установленные друг против друга с возможностью сближения держатели образцов с параллельными опорными плоскостями, один из которых взаимодействует с механизмом нагружения, расположенную между держателями оправку с закрепленным в ней сферическим индентором, механизм поворота индентора вокруг своей оси и устройство для измерения прикладываемого к индентору крутящего момента, причем механизм поворота индентора выполнен в виде жестко закрепленной оправки, имеющей возможность поворота в плоскости, перпендикулярной опорным поверхностям образцов, при этом прибор оборудован магнитопроводом с расположенной на нем электромагнитной катушкой, который образует вместе с плитой, держателями образцов, образцами и сферическим индентором магнитный контур с регулируемым воздушным зазором, и источником тока, подключенным токопроводящими проводами к образцам, при этом механизм поворота индентора в виде оправки, один из концов которой через редуктор соединен с двигателем, а на другом ее конце, установленном в подшипнике вертикальной стойки, расположен кулачок, контактирующий с подпружиненными роликами, образцы, установленные в держателях через электроизоляцию с возможностью перемещения, подкреплены пружинами, упирающимися в ограничители, установленные на плиту через электроизолирующие прокладки, а держатели образцов имеют механизм возвратно-вращательного движения в виде электродвигателя и двух шестерен, одна из которых через изоляционную прокладку контактирует с нижним держателем, что на ограничителях установлены регулируемые подогреватели через регуляторы мощности в зоне контакта индентора и образцов, а на нижней части образцов термодатчики.
Недостатком данного прибора является невозможность исключения объемной деформации образца, что ведет к значительным погрешностям в определении коэффициента трения и его составляющих.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является прибор, построенный по принципу, изложенному в работе [Рамишвили, Г.Я. Сила трения как функция сближения твердых тел. Сб. «Теория трения и износа.». - М.: Наука, 1965. - с. 35-36]. Прибор содержит два образца-цилиндра: верхний нагрузочный сплошной цилиндр, закрепленный в крестовине и нижний полый цилиндр, имеющий в верхней части кольцевой паз. В канал нижнего образца вставлена трубка, на которой навинчена гайка, упирающаяся с натягом в кольцевой паз нижнего образца. Через трубку пропущен стержень, который верхним концом упирается в верхний образец. Нижним концом стержень упирается в полусферический выступ, закрепленный на горизонтальной пластине рамки. Горизонтальная пластина связана с вертикальной пластинчатой пружиной, на которой расположены тензодатчики. Рамка жестко соединена с цилиндром, который может скользить относительно трубки и через пружину упирающуюся в нижнюю поверхность основания. Цилиндр закрепляется на ней с помощью винта. Подвижная обойма, с расположенной на ней шестерней, необходимой для осуществления вращения верхнего образца, связана через пластинчатые пружины, с расположенными на них тензодатчиками, с крестовиной.
В работе [Рамишвили, Г.Я. Сила трения как функция сближения твердых тел. Сб. «Теория трения и износа.». - М: Наука, 1965. - с.35-36] приведена формула определения коэффициента трения, предложенная И.В. Крагельским и Н.М. Михиным.
,
адг
где ν - показатель кривой опорной поверхности; k - коэффициент, зависящий от ν; f - адгезионный коэффициент трения; h - глубина внедрения при движении; R - радиус внедрения неровности.
Там же показано [Рамишвили, Г.Я. Сила трения как функция сближения твердых тел. Сб. «Теория трения и износа.». - М.: Наука, 1965. - с.35-36], что экспериментальные данные, полученные на данном приборе, удовлетворительно совпадают с данными расчетов по вышеприведенной формуле, то есть сила трения является функцией сближения.
Недостатком данного прибора является невозможность определения коэффициента трения в функции сближения при воздействии внешнего теплового поля.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности определения коэффициента трения при воздействии теплового поля.
Это достигается тем, что прибор для определения коэффициента трения содержит верхний нагрузочный сплошной цилиндр, закрепленный в крестовине, нижний полый цилиндр с кольцевым пазом в верхней части, трубку с гайкой, вставленную в канал нижнего полого цилиндра, стержень, вставленный в трубку, верхний конец которого упирается в верхний нагрузочный сплошной цилиндр, а нижний конец упирается в полусферический выступ, закрепленный на горизонтальной пластине рамки, связанной с вертикальной пластинчатой пружиной, на которой расположены тензодатчики, цилиндр, связанный с рамкой, скользящий относительно трубки, упирающийся через пружину в нижнюю поверхность основания, подвижную обойму с расположенной на ней шестерней, необходимой для вращения верхнего нагрузочного сплошного цилиндра, связанной с крестовиной через пластинчатые пружины с тензодатчиками.
Отличительной особенностью прибора является то, что индукционный нагреватель установлен на опоры, внутри которого расположены поверхности трения верхнего нагрузочного сплошного и нижнего полого цилиндров, на последнем из которых расположены термопары вблизи поверхности контакта с верхним нагрузочным сплошным цилиндром.
На фигуре приведена схема заявляемой полезной модели.
Прибор содержит верхний нагрузочный сплошной цилиндр 1, закрепленный в крестовине 2, нижний полый цилиндр 3 с кольцевым пазом в верхней части, трубку 4 с гайкой 5, вставленную в канал нижнего образца, стержень 6, вставленный в трубку 4, верхний конец которого упирается в верхний нагрузочный сплошной цилиндр 1, а нижний конец упирается в полусферический выступ, закрепленный на горизонтальной пластине рамки 7, связанной с вертикальной пластинчатой пружиной 8, на которой расположены тензодатчики (на фиг. не показаны), цилиндр 9, связанный с рамкой 7, скользящий относительно трубки 4, упирающийся через пружину 10 в нижнюю поверхность основания 11, подвижную обойму 12 с расположенной на ней шестерней 13, необходимой для вращения верхнего нагрузочного сплошного цилиндра 1, связанной с крестовиной 2 через пластинчатые пружины 14 с тензодатчиками 15, опоры 16, термопары 17, установленные в нижнем полом цилиндре 3 в непосредственной близости поверхностей контакта верхнего нагрузочного сплошного цилиндра 1 с ним, индукционный нагреватель 18, внутри которого расположены поверхности трения верхнего нагрузочного сплошного 1 и нижнего полого 3 цилиндров.
Работа прибора осуществляется следующим образом: рамка 7 поднимается (следовательно и стержень 6) до тех пор пока верхний конец стержня 6 не упрется в торец верхнего нагрузочного сплошного цилиндра 1. После этого цилиндр 9 закрепляется винтом (на фиг. не показан) на трубке 4. Затем создается необходимая нагрузка N между верхним нагрузочным сплошным 1 и нижним полым 3 цилиндрами. Включается индукционный нагреватель 18, достигается заданная температура поверхностей контакта верхнего нагрузочного сплошного 1 и нижнего полого 3 цилиндров, регистрируемая термопарами 17, установленными в нижнем полом цилиндре 3 в непосредственной близости поверхностей контакта верхнего нагрузочного сплошного цилиндра 1 с ним. Включается электродвигатель на валу которого находится зубчатое колесо (на фиг. не показано), входящее в зацепление с шестерней 13. Происходит вращение верхнего нагрузочного сплошного цилиндра 1 по нижнему 3. По сигналам от тензодатчиков 15, расположенных на вертикальной пластинчатой пружине 8, замеряется коэффициент силы трения и величина сближения при заданном значении теплового поля. Таким образом определяется коэффициент трения в функции сближения твердых тел при воздействии внешней среды (теплового поля).
Технический эффект заявленной полезной модели заключается в уточнении величины коэффициента трения при воздействии теплового поля, что повысит точность расчетов узлов на прочность и долговечность.