ТРИБОМЕТР

Полезная модель относится к средствам испытания материалов на трение.
В соответствии с молекулярно-механической (адгезионно-деформационной) теорией трения [1-3] при относительном скольжении твердых тел общая сила внешнего трения, а следовательно и коэффициент трения, представляет собой сумму двух составляющих (адгезионной и деформационной), соотношение между которыми может существенно изменяться в зависимости от конкретных условий на контакте: механических свойств сопряженных тел, наличия смазки и т.д.
max
И если деформационную составляющую с достаточной точностью можно вычислить, учитывая механические характеристики (σ, E) менее жесткого элемента пары трения и параметры микрогеометрии (r, R) контртела, то методов расчета адгезионной составляющей коэффициента трения пока не разработано. При необходимости ее определяют экспериментальным путем. Широкое распространение для этих целей получил способ определения адгезионной прочности [4], основанный на вращении сферического индентора, сдавленного между двумя симметрично расположенными плоскопараллельными образцами. При использовании в качестве индентора закаленного шара с чистотой поверхности не ниже 12 класса сила сопротивления его вращению практически полностью (до 0,5%) совпадает с адгезионной составляющей силы трения [1].
Для реализации этого способа разработан трибометр, содержащий корпус с соосно расположенными в нем держателями образца и контробразца, выполненного со сферической сферической рабочей поверхностью, привод относительного вращения сопряженных образцов, механизм их нагружения нормальной силой и средства регистрации их параметров трения [5] (принято за прототип).
Работа на нем осуществляется следующим образом. Испытуемые образцы в виде двух плоскопараллельных пластин толщиной 6-10 мм, выполненных из исследуемого материала, крепятся в нижнем и верхнем своих держателях, а между ними устанавливается гладкий и высокотвердый шаровой индентор (контробразец), запрессованный в обойму, связанную с приводом его вращения. С помощью механизма нагружения к сопряженным образцам прилагают сжимающую нагрузку вплоть до образования на них отпечатков, выдерживают их в таком положении в течение времени, достаточного для стабилизации пластической деформации (примерно 5…20 сек), а затем с помощью привода задают вращение шаровому индентору и регистрируют необходимый для этого крутящий момент.
r
По завершении этого этапа испытуемые образцы переставляют в новое место и повторно проводят весь цикл вышеуказанных операций, но уже при многократно большей сжимающей нагрузке. Зная усилия деформирования, размеры и площади отпечатков, а также крутящие моменты, необходимые для вращения шарового индентора в условиях пластического контакта при существенно различных нормальных напряжениях (p), расчетным путем определяют средние касательные напряжения (т) на контакте, а следовательно, и адгезионную составляющую коэффициента трения.
Недостаток известного технического решения состоит в том, что оно не обеспечивает возможности достоверной оценки адгезионных потерь при трении в условиях упругого контакта, когда отпечатки отсутствуют, а зона контакта недоступна для визуального наблюдения. Такая задача возникает при исследовании, например, резин, эластомеров, различных пластмасс и т.д.
Указанный результат достигается тем, что трибометр, содержащий корпус с соосно расположенными в нем держателями образца и контробразца, выполненного из твердого материала со сферической рабочей поверхностью, привод относительного вращения сопряженных образцов, механизм нагружения их нормальной нагрузкой и средства регистрации их параметров трения, снабжен приводом поперечного смещения контробразца, выполненного в виде плосковыпуклой линзы из твердого прозрачного материала, и видеорегистратором зоны контакта, держатель контробразца выполнен в виде рамочного каркаса, обе полки которого жестко связаны с его боковыми стенками, контробразец жестко закреплен в нижней полке держателя, а видеорегистратор установлен внутри рамочного каркаса и жестко закреплен на одной из его боковых стенок соосно с контробразцом и датчиком нормальной нагрузки.
Указанный результат достигается также тем, что контробразец выполнен в виде плосковыпуклой стеклянной линзы.
Указанный результат достигается также тем, что в качестве видеорегистратора установлена видеокамера, в частности цифровая.
Указанный результат достигается также тем, что он снабжен жестко закрепленной на планшайбе ванночкой для смазочного материала.
Предложенный трибометр иллюстрируется чертежом (см. рис.1).
Он содержит корпус 1 (показан условно) со смонтированными в нем приводом 2 вращения испытуемого образца 3, каретку 4 с приводом ее поперечного перемещения (схематично показан в виде ориентированных навстречу друг другу стрелок) и с жестко закрепленными на ней датчиками нормальной нагрузки 5 и момента трения 6, а также держателем контробразца 7.
к
2
Держатель контробразца представляет собой рамочный каркас, образованный боковыми стенками 8, 9, жестко соединенными между собой верхней и нижней полками 10, 11. В центре нижней полки посредством промежуточного кольца 12 жестко закреплен контробразец-индентор 7, представляющий собой прозрачную плосковыпуклую линзу, выполненную из оптического стекла K8, обладающего высокой твердостью (Н=500 кг/мм). Внутри каркаса соосно с контробразцом 7 установлен видеорегистратор 13, который расположен на одной из его боковых стенок и с помощью центрирующего и регулировочного винтов 14, 15 жестко закреплен на ней.
Такая компоновка полностью исключает воздействие внешних нагрузок непосредственно на видеорегистратор при внедрении индентора в исследуемый материал. Его назначение состоит лишь в визуализации и измерении (при необходимости) зоны фрикционного контакта.
В собранном виде контробразец (индентор), видеорегистратор, датчики силы и крутящего момента должны быть расположены на одной оси.
При совмещении ее с осью вращения исследуемого образца зона фрикционного контакта этого материала с прозрачной линзой-индентором всегда будет находиться в поле зрения видеорегистратора, обеспечивающего (при необходимости) трансляцию изображения на дисплей компьютера.
В качестве видеорегистратора могут быть использованы микроскоп или видеокамера, в частности, цифровые.
Благодаря наличию этих признаков становится возможной визуализация и регистрация параметров зоны контакта сопряженных элементов пары трения при их упругом взаимодействии, причем не только в статическом положении, но и в движении. Это важно при исследовании упругих материалов типа резин, эластомеров или пластмасс при определении их физико-механических и триботехнических свойств.
В частности, при совмещении оси индентора с осью вращения образца реализуется схема трения верчения, при которой фрикционное взаимодействие индентора с упругим образцом (резиной) обусловлено только адгезионными силами на контакте.
Если же индентор смещен относительно оси образца на радиус R, то к ним добавляются гистерезисные потери в материале образца, обусловленные волной деформации в виде валика перед индентором.
Таким образом в одних и тех же условиях экспериментально определяются как общие потери на трение, так и доля этих потерь, обусловленная непосредственно адгезией. Причем, адгезионные процессы можно исследовать как при трении без смазки (например, фрикционный перенос, износ резин «скатыванием»), так и при граничном (жидкостном) трении, имитируя, например, условия на контакте при взаимодействии шины с дорожным полотном. Для этого необходимо на планшайбе 2 закрепить ванночку для жидкой среды (на чертеже не показана) и в ней установить образец 3.
В статическом положении прибор можно использовать для определения контактного модуля упругости эластомеров по зависимости площади контакта от нормального давления, которое можно регулировать не только изменяя нагрузку, но и используя плосковыпуклые стеклянные линзы различного радиуса кривизны.
Апробация данного технического решения была выполнена в процессе экспериментального исследования зависимости релаксационных свойств вязкоупругих материалов от режимных и технологических параметров, в частности, влияния давления, скорости скольжения на диссипацию энергии в условиях фрикционного контакта.
Испытания проводились на универсальном триботестере UMT-2, оснащенным программным комплексом, приводами вращения планшайбы и поперечного перемещения каретки и обладающим достаточно широкими возможностями как в отношении вариации режимных параметров (P и V), так и в отношении точности регистрации контролируемых параметров, в частности коэффициента трения. Цель этого исследования состояла в определении соотношения адгезионной и деформационной составляющих коэффициента трения при упругом контакте резины со стеклянным индентором в условиях сухого и граничного трения.
Источники информации
1. Трение, изнашивание и смазка - Справочник т. 1 М.: Машиностроение 1978 г., 400 с.
2. И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов, «Основы расчетов на трение и износ», М. Машиностроение, 1972 г., 525 с.
3. Склерометрия - сборник статей, М. изд-во «Наука», 1968 г.
4. Авторское свидетельство СССР №244686, 6.0114, 19/02, 1969 г.
5. ГОСТ 23.203-78, «Метод определения прочности адгезионной связи твердых тел при трении», М. Госкомитет стандартов при Совете Министров СССР (прототип).