УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Предложение относится к измерительным устройствам, в частности - устройствам для определения коэффициента трения скольжения различных материалов, используемых в конструкциях узлов трения, при различных температурах, скоростях скольжения и значениях контактной нагрузки в паре трения.
Коэффициент трения скольжения пар материалов определяют путем перемещения образца одного материала по поверхности другого с заданной скоростью при заданной температуре и заданном значении нормальной нагрузки, действующей перпендикулярно поверхности трения. В этих условиях определяют значения силы, необходимой для перемещения образца (силу трения), после чего определяют коэффициент трения как отношение силы трения к нормальной силе.
Для определения коэффициента трения обычно используют устройства двух типов.
Первую группу составляют простые устройства, в которых образец, обычно в виде прямоугольного параллелепипеда, укладывается на плоскость, выполненную из материала, трение по которому нужно определить, прижимается к плоскости с помощью груза или простых прижимных устройств и однонаправленно перемещается по этой поверхности с помощью тяги, соединенной через шкив с устройством, обеспечивающим приложение усилия к торцу образца. Это усилие - сила трения определяется с помощью динамометра. В ряде случаев эта схема измерения подвергается небольшим усовершенствованиям для повышения точности измерения.
Пример такого рода устройств - приспособление, описанное в патенте [RU 2300755 «Способ определения коэффициента трения»].
Общими недостатками всех устройств этого рода являются низкая точность определения силы трения, возможность измерений лишь в очень ограниченном диапазоне скоростей, сложность реализации измерений при повышенных температурах и очень малая величина перемещения испытываемого образца по поверхности контртела, которая может быть реализована в эксперименте (то есть определяют только начальное значение коэффициента на участке кривой трения, на котором процесс, как правило, протекает нестабильно).
Вторая группа устройств - специализированные измерительные установки, промышленно выпускаемые для определения трибологических характеристик материалов, например, устройства, описанные в ГОСТ 11629-75 «Пластмассы. Метод определения коэффициента трения». Это устройства, позволяющие осуществить перемещение образца в виде плоскости, шарика или изделия более сложной формы по поверхности контртела, задать постоянно действующую на поверхность трения нормальную силу и провести измерение силы трения, необходимой для перемещения элементов пары трения друг относительно друга. Недостатками таких решений [SU 930081 «Устройство определения коэффициента трения материалов», RU 2475723 «Установка для определения коэффициента трения скольжения»] являются необходимость использования для проведения измерений специализированного оборудования, ограниченная точность измерений и сложность организации трибологических испытаний при температурах, отличных от комнатной.
Наиболее близким техническим решением является «Устройство для испытания материалов на трение» [RU 2244290].
Прототип содержит основание, установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов в виде винтового домкрата, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчик перемещения и датчик регистрации усилий. При этом каждый датчик представляет собой оптико-механическое устройство в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фото датчиком. В качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, к которому подсоединены оба датчика. Механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения снабжен тележкой с катками, размещенными на держателе контробразца.
К недостаткам описанного устройства следует отнести то, что оно весьма сложно в изготовлении и наладке, не обеспечивает достаточной точности измерений, не позволяет проводить метрологическое обслуживание и поверку и принципиально непригодно для трибологических испытаний при температурах, отличных от комнатной.
Технической задачей и положительным результатом предлагаемого устройства являются быстрое и точное получение информации о трибологических характеристиках различных материалов в виде плоских слоев, покрытий и образцов сферической формы в парах трения с различными контртелами при возможности вариации нормальной нагрузки в трибоконтакте, скорости и температуры испытания.
Техническая задача решена за счет того, что устройство для определения коэффициента трения скольжения содержит механизмы, обеспечивающие возвратно-поступательное циклическое перемещение узла крепления испытываемого образца по поверхности контртела и измерение силы трения, реализуемой в процессе этого перемещения; при этом узлы крепления испытываемых образцов, перемещающихся относительно пластины-контртела в вертикальном направлении, закреплены на нижних концах двух рычагов, верхние концы которых шарнирно закреплены на общем переходнике, а дозированное контактное давление образцов на поверхность контртела осуществляется за счет пары грузов, присоединенных к тем же рычагам; переходник и пластина-контртело присоединены, соответственно, к верхней и нижней траверзам установки для механических испытаний, способной обеспечивать возвратно-поступательный режим перемещения, которая используется также в качестве механизма, обеспечивающего точное измерение силы трения.
Устройство характеризуется тем, что для расширения возможностей проведения трибологических испытаний узлы крепления образцов выполнены сменными, что позволяет проводить измерения коэффициента трения в системе шар-плоскость, или плоскость-плоскость.
Устройство характеризуется также тем, что для обеспечения возможности проведения трибологических исследований в широком диапазоне температур оно используется, будучи помещено в термокамеру установки для механических испытаний.
Указанный технический результат достигается за счет использования устройства для определения коэффициента трения скольжения, показанного на чертежах, где:
на фиг. 1 - схема устройства для определения коэффициента трения скольжения;
на фиг. 2 - фотография опытной модели устройства,
на фиг. 3 и фиг. 4 - детали устройства.
Устройство состоит из переходника 1, на котором шарнирно закреплены два рычага равной длины 2, способных свободно поворачиваться в вертикальной плоскости. На нижних концах рычагов снаружи закреплены два груза одинаковой массы 3, а изнутри - два сменных узла (ввинчиваемые в рычаги): штыри с шариками на концах 4 для испытаний в паре трения шар-плоскость, или штыри с округлыми окончаниями 5, в которые вставляется пара плоских дисков 6 со сферической выемкой с одной стороны.
Для проведения измерений используется обычная установка для механических испытаний любого типа, позволяющая реализовать возвратно-поступательное движение рабочей траверзы. Переходник 1 присоединяется к верхней траверзе испытательной машины. В стандартный зажим испытательной машины, присоединенный к нижней траверзе, вертикально закрепляется пластина 7, которая вводится верхним концом между оконечными деталями 4 или 5-6, закрепленными на рычагах 2.
В случаях, когда нужно определять коэффициент трения по схеме шар-плоскость, на рычагах 2 закрепляются идентичные оконечные детали 4, которые за счет веса грузов 3 осуществляют давление на противоположные стороны контртела - пластины 7, на поверхность которой могут быть нанесены слои любого испытываемого материала, или же сама эта пластина может быть выполнена из такого материала.
В случаях, когда нужно определять коэффициент трения по схеме плоскость-плоскость, на рычагах 2 закрепляются идентичные оконечные детали 5, на торцы которых надеваются диски 6 (сферические выемки дисков надеваются на ответные сферические выступы деталей 5), которые за счет веса грузов 3 осуществляют давление на противоположные стороны контртела - пластины 7. В этом случае слои испытываемых веществ могут быть нанесены на поверхность как котртела 7 с двух сторон, так и дисков 6, или сами диски 6 и (или) пластина 7 могут быть изготовлены из испытываемого вещества.
Работа устройства при проведении трибологических испытаний осуществляется в режиме циклического перемещения подвижной траверзы, при котором осуществляется циклическое возвратно-поступательное перемещение трущихся тел друг относительно друга, а именно перемещение контртела - полосы 7 в вертикальном направлении относительно деталей 4 с шарообразными окончаниями или относительно плоских торцов цилиндров 6. При этом нормальная сила, обеспечивающая давление в трибоконтактах, создается за счет массы грузов 3, стремящихся повернуться (опуститься) на рычагах 2.
Изменение нормального давления в трибоконтактах с высокой точностью и в широких пределах может осуществляться путем вариации массы грузов 3 и площади трущихся тел, закрепленных на рычагах 2 -вариацией диаметра шариков 4 (схема шар-плоскость) или диаметра дисков 6 (схема плоскость-плоскость).
Измерение силы трения с высокой точностью проводится с помощью стандартного силоизмерительного блока испытательной машины.
В процессе испытаний поддержание постоянных амплитуды и скорости возвратно-поступательного движения трущихся тел друг относительно друга, а также вариация скорости взаимного перемещения компонентов пары трения в широких пределах и с высокой точностью обеспечивается приводом испытательной машины.
Описанное устройство позволяет легко реализовать различные длительности циклических испытаний, т.е. обеспечить различные длины пробега, что позволяет изучать динамику трибологического поведения исследуемого материала в процессе трения.
В тех случаях, когда используемая в работе испытательная машина снабжена термо- или термокриокамерой, описанное устройство может быть легко смонтировано в ней, что позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур.
Наконец, дополнительным достоинством устройства является то обстоятельство, что благодаря конструкции крепления дисков 6 (шарнирное закрепление) достигается автоматическая установка рабочих поверхностей дисков строго параллельно поверхности контртела.
Хотя устройство предназначено в первую очередь для определения коэффициентов трения, с его помощью можно также легко определять скорости изнашивания трущихся материалов, как по изменению массы трущихся деталей, так и путем измерения глубины следа трения с помощью стандартных оптических методов.