СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING COEFFICIENTS OF FRICTION

Предлагаемое изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности, к определению коэффициентов трения покоя и скольжения при взаимном перемещении образцов.
Известны способы и устройства, позволяющие определять коэффициенты трения без измерения действующих на образцы сил. Например, известен способ определения коэффициента трения скольжения между двумя расположенными друг на друге образцами, совершающими относительное перемещение. Нижний образец располагают с фиксированным углом наклона ϕ относительно горизонта, верхний образец подвешивают с помощью шарнирной связи и перемещают шарнирную связь вместе с образцом по горизонтали до образования установившегося угла α между шарнирной связью и направлением перемещения, после этого коэффициент трения скольжения определяют по формуле  [патент РФ №2444000, кл. G01N 19/02, опубл. 27.02.2012]. Достоинство способа состоит в определении коэффициента трения скольжения по результатам измерения только геометрических параметров системы, без измерения сил. Недостатком способа является ограничение пути относительного перемещения габаритами образцов, что затрудняет достижение установившегося положения верхнего образца однократным перемещением. Из-за этого требуется неоднократно, меняя исходное положение подвижного образца, совершать его повторные перемещения, последовательно приближаясь к установившемуся положению верхнего образца.
ск
ск
ск
Известен также выбранный в качестве прототипа способ определения коэффициента трения скольжения между двумя подвижными образцами, расположенными друг на друге и имеющими возможность наклона с изменяющимся углом ϕ [патент РФ №2458336, кл. G01N 19/02, опубл. 27.02.2012]. Нижний образец приводят во вращение вокруг оси, перпендикулярной его рабочей поверхности. Центр рабочей поверхности верхнего образца размещают на радиусной линии нижнего образца, сохраняющей горизонтальное положение при наклоне. На этой линии линейная скорость точек вращающегося образца направлена вверх по уклону. Лишая верхний образец возможности смещения в направлении вращения, увеличивают наклон рабочих поверхностей до начала соскальзывания верхнего образца. В момент начала скольжения измеряют угол наклона ϕ и определяют коэффициент трения скольжения по формуле ƒ=tgϕ. Достоинством этого способа является возможность определения коэффициента трения скольжения с измерением только геометрических параметров системы, без измерения сил, при однократном относительном перемещении. К недостаткам способа относятся низкие контактные давления между образцами, создаваемые только собственным весом малогабаритного верхнего образца, необходимость изготовления нижнего образца в виде диска с большими размерами, а также требование к тщательной установке нижнего образца, так как его биение при вращении создает вибрации и нарушает условия опыта.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является возможность определения коэффициентов трения скольжения и трения покоя с измерением только геометрических параметров системы, без измерения силы трения, при необходимых контактных давлениях между образцами.
ск
ск
ск
пок
пок
покк
Технический результат достигается тем, что для определения коэффициента трения используют два расположенных друг на друге образца, имеющих возможность наклона относительно горизонта с изменяющимся углом ϕ. Нижний образец изготавливают с прямолинейной рабочей поверхностью, перпендикулярно которой устанавливают плоский упор. Верхний образец изготавливают в виде цилиндрического стержня, обеспечивают ему возможность вращения вокруг оси и горизонтально устанавливают в контакте с упором на рабочую поверхность нижнего образца перпендикулярно его оси. Необходимые контактные давления между образцами обеспечивают, нагружая цилиндрический образец вертикально направленной силой Р, распределенной на две одинаковые составляющие, симметрично приложенные с противоположных сторон нижнего образца. Для определения коэффициента трения скольжения цилиндрический образец приводят во вращение. Установив начальное значение угла ϕ, заведомо превышающее угол трения скольжения, постепенно уменьшают его до момента начала перекатывания цилиндрического образца вверх по уклону рабочей поверхности нижнего образца и выхода его из контакта с упором. Измеряют достигнутый в этот момент угол наклона ϕ относительно горизонтального направления нижнего образца в момент начала перекатывания и определяют коэффициент трения скольжения ƒ=tgϕ. Возможность перекатывания цилиндрического образца по нижнему обеспечивают закреплением одного его конца при помощи шарнира. Для определения коэффициента трения покоя прекращают вращение цилиндрического образца оставляют его вне контакта с упором и плавно увеличивают угол наклона нижнего образца до значения ϕ, при котором цилиндрический образец без вращения соскальзывает вниз по уклону и приходит в контакт с упором. Коэффициент трения покоя определяют по формуле ƒ=tgϕ.
На фиг. 1 показана схема взаимного положения образцов и приложенных к ним усилий; на фиг. 2 показана схема приложения дополнительной нагрузки и шарнирного закрепления цилиндрического образца, где:
1 - нижний образец;
2 - цилиндрический образец;
3 - упор;
4 - грузы;
5 - шарнир.
Для определения коэффициентов трения используют два расположенных друг на друге образца (фиг. 1). Нижний образец 1 изготавливают с прямолинейной рабочей поверхностью, которая может быть плоской или цилиндрической. На рабочей поверхности нижнего образца 1 размещают горизонтально ориентированный цилиндрический образец 2. В контакте с цилиндрическим образцом 2, под прямым углом к поверхности нижнего образца 1 располагают упор 3. Для создания необходимых по регламенту опыта контактных давлений между образцами цилиндрический образец 2 нагружают вертикально направленной силой Р, распределенной на две одинаковые составляющие, симметрично приложенные с противоположных сторон нижнего образца. Вертикальное направление силы Р обеспечивают гравитационным нагружением при помощи грузов 4 (фиг. 2). Нижнему образцу 1 и упору 3 обеспечивают возможность совместного поворота относительно оси цилиндрического образца 2 для образования угла наклона ϕ между рабочей поверхностью нижнего образца 1 и горизонтом. Соответствие угла наклона ϕ углу трения между образцами определяют по возникновению или прекращению контакта между цилиндрическим образцом и упором в процессе изменения угла наклона ϕ. Возникновение или прекращения контакта между цилиндрическим образцом 2 и упором 3 определяют визуально или замыканием через цилиндрический образец 2 и упор 3 электрической цепи, ток в которой свидетельствует о контакте цилиндрического образца 2 с упором 3.
1
тр
тр1
Для определения коэффициента трения скольжения исходный угол наклона ϕ нижнего образца устанавливают таким, чтобы он был больше угла трения скольжения. Цилиндрический образец 2 приводят в соприкосновение с упором 3 и нижним образцом 1 и вращают его вокруг своей оси в направлении, обеспечивающем возможность катиться вверх по уклону. Под действием вертикально направленной силы Р в точках контакта вращающегося цилиндрического образца 2 с нижним образцом 1 и упором 3 возникают нормальные силы реакции соответственно N и N. Скольжение вращающегося образца в точках контакта создает пропорциональные нормальным реакциям силы трения скольжения соответственно F и F(фиг. 1). Для определения коэффициента трения используют условие равновесия сил, действующих на вращающийся образец. Условием равновесия является равенство нулю суммы горизонтальных проекций всех действующих на образец сил:
1
тр1
тр
N⋅cosϕ+F⋅sinϕ-N⋅sinϕ+F⋅cosϕ=0.
1
тр
тр1
1
1
С учетом того, что коэффициент трения цилиндрического образца 2 относительно нижнего образца 1 равен ƒ, а относительно упора 3, равен ƒ, можно записать F=N⋅ƒ; F=N⋅ƒ, после чего вышеприведенное условие примет вид
1
1
N(cosϕ+ƒ⋅sinϕ)-N(sinϕ-ƒ⋅cosϕ)=0.
тр
1
1
При больших углах ϕ составляющая F⋅cosϕ, способствующая перекатыванию цилиндрического образца 2 по нижнему образцу 1 вверх-вправо, недостаточна для перемещения цилиндрического образца 2, потому что ее превосходит по величине скатывающая составляющая силы тяжести грузов 4, равная N⋅sinϕ. Пропорционально разности этих сил цилиндрический образец 2 прижимается к упору 3 некоторой силой N. Существует угол ϕ, при котором рассмотренные составляющие равны по величине. В этом положении реакция упора 3 N становится равной нулю.
1
ск
ск
ск
На основании рассмотренных закономерностей, для определения коэффициента трения скольжения постепенно уменьшают угол наклона ϕ нижнего образца 1 и достигают такого положения, при котором реакция Nстановится равняется нулю. Так как неразрывная связь цилиндрического образца 2 с упором 3 отсутствует, то при дальнейшем увеличении угла ϕ он отрывается от упора 3 и начинает перекатываться по нижнему образцу 1. Возможность перекатывания цилиндрического образца 2 при достижении критического значения угла наклона ϕ обеспечивают шарниром 5. Измерив угол наклона ϕ нижнего образца 1, достигнутый в момент прекращения контакта цилиндрического образца 2 с упором 3, определяют коэффициент трения скольжения по формуле ƒ=tgϕ.
ск
пок
пок
пок
пок
Для определения коэффициента трения покоя, после достижения нижним образцом 1 угла наклона ϕ, прекращают вращение цилиндрического образца 2, оставляют его вне контакта с упором 3 и начинают обратный поворот нижнего образца 1, увеличивая угол наклона ϕ до момента, когда он станет равным углу трения покоя ϕ и произойдет соскальзывание цилиндрического образца 2 до соприкосновения с упором 3. После измерения достигнутого угла наклона нижнего образца ϕ определяют коэффициент трения покоя ƒ=tgϕ.