Способ определения коэффициента трения трибологической пары по потребляемой электрической мощности электропривода
METHOD FOR DETERMINING THE COEFFICIENT OF FRICTION OF A TRIBOLOGICAL PAIR BY THE CONSUMER ELECTRIC POWER OF THE ELECTRIC DRIVE

Способ определения коэффициента трения трибологической пары по потребляемой электрической мощности электропривода относится к области механических испытаний материалов трибологического характера, в частности к определению коэффициента трения скольжения.
При проведении патентного поиска были найдены следующие аналоги:
Известен «Способ определения коэффициента трения скольжения». (RU 2677110 С1, кл. G01N 19/02, опуб. 15.01.2019 г.)
Изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению коэффициента трения скольжения при взаимном перемещении образцов. Сущность: образец одного материала изготавливают в виде цилиндрического стержня, а из второго материала изготавливают образец, состоящий из двух частей с плоскими рабочими поверхностями, которые прижимают с противоположных сторон к цилиндрической части стержневого образца перпендикулярными к его оси усилиями R, обеспечивающими необходимое давление на контактных поверхностях. К стержневому образцу прикладывают осевую силу Р, недостаточную для его смещения при неподвижном состоянии системы. Вращением вокруг оси при одновременном действии продольной силы Р приводят стержневой образец в движение по винтовой траектории, измеряют величину его осевого перемещения h и число совершенных для этого оборотов n, после чего определяют коэффициент трения скольжения по формуле. Неизменное положение образца, выполненного в виде цилиндрического стержня, обеспечивают направляющими из антифрикционного материала. Технический результат: возможность определения коэффициентов трения скольжения при любых контактных давлениях, без измерения силы трения, на основании результатов измерения геометрических параметров системы.
Недостатком известного способа является узкая специфика метода, требующая изготовления, применения специальных средств и стержневых образцов. К недостаткам метода следует отнести невозможность учитывать ряд косвенных факторов, влияющих на процесс трения, а также погрешность при определении геометрических отклонений.
Известен «Способ определения динамического коэффициента внешнего трения между двумя подвижными образцами» (патент RU №2545073, кл. G01N 19/02, опубл. 27.03.2015.)
Сущность метода заключается в следующем. Нижний образец, имеющий форму диска, приводят во вращение вокруг своей оси и наклоняют относительно горизонта. Верхний образец устанавливают на рабочую поверхность нижнего и удерживают при помощи шарнирной связи, имеющей возможность свободного поворота относительно точки подвески в плоскости, параллельной поверхности нижнего образца. Перемещением точки подвески шарнирной связи или изменением ее длины приводят верхний образец в положение, при котором вектор его силы тяжести пересекает линию наибольшего ската на поверхности нижнего образца, проходящую через ось вращения. В этой точке вектор линейной скорости вращающегося нижнего образца направлен горизонтально. После измерения установившегося значения угла, а шарнирной связи относительно горизонтальной линии, параллельной плоскости нижнего образца, определяют коэффициент трения скольжения по формуле.
Недостатком данного способа является прямо пропорциональная зависимость контактных давлений между образцами от ограниченной массы верхнего образца и соответственно низкие достигаемые контактные давления.
Известен «Способ определения коэффициентов трения покоя и скольжения» (патент RU №2727330, МПК G01N 19/02, опуб. 21.07.2020 г.)
Изобретение относится к механическим испытаниям материалов, в частности для определения коэффициента трения скольжения при взаимном перемещении образцов. Сущность: один из образцов изготавливают с прямолинейной рабочей поверхностью и закрепляют неподвижно, подвижный образец устанавливают на рабочую поверхность неподвижного образца с возможностью скольжения вдоль нее, к подвижному образцу шарнирно присоединяют тягу, второй конец которой также шарнирно соединяют с тяговым механизмом, способным с необходимым усилием перемещать присоединенный к нему конец тяги в направлении, перпендикулярном направлению относительного перемещения подвижного образца. Малыми шагами сдвигают подвижный образец относительно неподвижного, постепенно увеличивая угол  наклона тяги относительно направления перемещения тягового механизма, убирают после каждого шага приложенное для сдвига подвижного образца усилие и определяют наибольшее значение угла наклона тяги , после достижения которого очередной сдвиг подвижного образца сопровождается его скольжением в обратном направлении, измеряют угол наклона тяги  при котором обратное скольжение подвижного образца прекратилось, по значению угла  определяют коэффициент трения покоя  а по значению угла  - коэффициент трения скольжения  Технический результат: возможность определения коэффициентов трения скольжения при любых контактных давлениях, без измерения силы трения, на основании результатов измерения геометрических параметров системы.
Недостатком данного способа является невозможность реализовать высокое силовое воздействие, а также допускаемая в ходе проведения замеров изменяющихся параметров и проведения дальнейших расчетов погрешность.
В качестве прототипа принят "Стенд для исследования взаимодействия колеса с рельсом железнодорожного транспорта" (патент RU №2115908, МПК G01M 17/00, опуб. 20/07/1998 г.).
Суть стенда заключается в измерении силовых факторов контактных взаимодействий между телом вращения и прижимной колодкой посредством силоизмерительных устройств, месдоз. Измерение проводится в строго определенных точках, где предварительно устанавливаются месдозы. После производится обобщение полученных данных, корреляция найденных зависимостей и определяется обобщенный коэффициент трения.
Недостатком данного стенда является невозможность получения качественной и полной оценки коэффициента трения по всей рабочей поверхности, по причине точечной замеров силы. Также к недостаткам можно отнести узкую область применения данного метода и его сложность.
Задачей предлагаемого способа, является комплексная оценка силового взаимодействия с последующим определением коэффициента трения при различных условиях трения и параметрах трущихся пар. Опытные исследования образцов трущихся пар могут осуществляться с учетом ряда таких факторов, как температура, скорость скольжения, сила прижатия, геометрия - радиус вращающейся детали, площадь контакта, форма трущихся тел, условия охлаждения трущихся деталей, материал, наличие третьего тела в зоне контакта - влажность поверхностей, запыление, загрязнение, твердость материала, химического состава трущейся пары. Зависимости, полученные экспериментально могут анализироваться на предмет корреляции и аппроксимироваться.
Решение поставленной задачи достигается использованием нового способа определения коэффициента трения, содержащего создание трения между двумя расположенными друг над другом элементами, при этом нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу, отличающегося тем, что создают электромагнитный момент вращения нижнего элемента трибологической пары с помощью асинхронного трехфазного двигателя через многоступенчатый редуктор, который компенсируется возникающей силой трения при осуществлении прижатия верхнего элемента к нижнему элементу путем переменного груза через систему рычагов, при этом коэффициент трения скольжения трибологической пары определяется по формуле, а свойства и условия работы трибологической пары могут изменяться не оказывая влияния на точность определения коэффициента и силы трения.
Предложенный способ и его реализация поясняются блок-схемой (фиг. 1)
На фиг 1. представлена функциональная схема способа определения коэффициента трения трибологической пары по электрической мощности, потребляемой асинхронным приводом электродвигателя.
1 - измерительные системы, 2 - асинхронный электропривод, 3 - редуктор, 4 - цилиндрический образец, 5 - подвесной груз, 6 - системы рычагов, 7 - блок, 8 - прижимной образец.
На фиг. 1А представлен узел функциональной схемы, отвечающий за приведение во вращение цилиндрического образца
На фиг. 1Б представлен узел функциональной схемы, отвечающий за прижатие фрикционного образца к цилиндрическому
На фиг. 1В представлен узел функциональной схемы, отображающий силовое взаимодействие трибологической пары.
Согласно представленной схеме, измерительные системы 1, предназначенные для контроля и фиксации параметров, подведены к асинхронному электроприводу 2, который через редуктор 3, функцией которого является регулировка скорости вращения, приводит в движение образец цилиндрической формы 4, создавая тем самым электромагнитный момент вращения. С обратной стороны груз 5, через систему рычагов 6 и блоков 7 воздействует на испытываемый образец 8, прижимая его действием собственного веса к вращающемуся образцу цилиндрической формы 4. В итоге возникает механический момент сопротивления, пропорциональный электромагнитному моменту. Результатом противодействия моментов является силовой контакт трибологической пары и возникающая в ходе контакта сила трения.
Согласно известной формуле, сила трения трибологической пары определяется как:
где R - сила прижатия фрикционной накладки к телу вращения;
к
ϕ - коэффициент трения скольжения фрикционной накладки по телу вращения.
Выразив моменты, возникающие от приведения во вращение тела через потребляемую приводом мощность, а также при прижатии тормозной колодки к колесу, соответственно получим:
,                 (2)
где Р - мощность, потребляемая электроприводом;
n - количество оборотов в минутуp;
k
– const, переводной коэффициент.
Также известно, что возникающий момент можно найти как:
где В - тормозная сила (1), возникающая в трибологической паре;
к
r - радиус тела вращения.
Записав условие возникновения трения при постоянной скорости вращения тела через равенство противоположно направленных моментов, создаваемых асинхронным приводом (2), а также прижатием фрикционной накладки (3), согласно новому способу получим математическую формулу для определения коэффициента трения скольжения:
где I - ток, потребляемый из сети;
U - напряжение в сети;
cosϕ - коэффициент мощности
η - КПД привода
n - количество оборотов в минуту
к
r - радиус тела вращения.
R - сила прижатия фрикционной накладки к телу вращения
Основополагающая особенность данного способа определения и оценки коэффициента трения, согласно предложенной формуле (4), заключается в возможности учесть обобщенный коэффициент трения непосредственно по всей поверхности контакта, исключая возможность появления выпадающих точек в ходе получения контактной кривой. Ее сущность и новизна состоит в измерении и оценке косвенных параметров контактного процесса, нежели непосредственных трибологических величин, которые, на данный момент, существующие методики предлагают определять исключительно в определенных точках. Универсальность метода заключается в возможности использовать различные тела вращения в ходе эксперимента (колесо, каток, барабан и др.), изменяя их характеристики и условия взаимодействия, включая случаи наличия третьего тела в зоне трения, а также комбинировать их с разными фрикционными накладками, экспериментальными образцами реальных тормозных систем.
Результатом будет являться комплексная оценка коэффициента трения трибологической пары, которая позволит исключить вероятность получения выпадающих значений в ходе определения коэффициента трения относительно различных точек контакта поверхности, и отслеживать общий характер изменения коэффициента трения по всей поверхности контакта с учетом различных факторов, влияющих на процесс трения. Универсальность метода позволит применять его в различных отраслях при поиске решений по оптимизации трибологических взаимодействий.