СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИССИПАТИВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАР ТРЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING DISSIPATIVE CHARACTERISTICS OF FRICTION COUPLES

Предлагаемое изобретение относится к измерительной и испытательной технике и предназначено для использования при исследованиях различных пар трения, например, подшипников качения, скольжения и подшипниковых узлов в приборостроении, машиностроении и электромашиностроении.
Известен способ определения диссипативных характеристик пар трения, при котором нагружают один из элементов пары, например кольцо подшипника, радиальной силой, а другой элемент, например другое кольцо подшипника, вращают с постоянной скоростью с помощью привода и регистрируют момент трения по показаниям электромагнитного тормоза (Смирнов А.И., Фигатнер A.M. Момент трения шарикоподшипника при пластичной смазке // Вестник машиностроения, 1974. - № 3, с.23-27).
Известен способ определения диссипативных характеристик узлов трения, при котором нагружают один из элементов пары радиальной силой, а другой элемент вращают с постоянной рабочей частотой, изменяют направление действия радиальной силы в направлении вращения вначале с частотой, равной частоте вращения элемента пары, а затем с частотой, равной нулю, при каждой частоте измеряют среднеквадратическое значение переменной составляющей и среднее значение нормированного интегрального времени электрического контактирования в паре трения и оценивают диссипативную характеристику по значениям квадрата отношения среднеквадратического значения переменной составляющей к среднему значению указанного параметра при каждой частоте изменения направления действия радиальной нагрузки (Патент РФ № 2168712, МПК G01M 13/00, 13/04. Способ контроля качества подшипников качения // К.В.Подмастерьев. - Опубл. 10.06.2001).
При реализации известных способов диссипативные характеристики пар трения оцениваются по моменту или косвенным параметрам. Поэтому указанные способы имеют сложную техническую реализацию и ограниченные функциональные возможности.
Из известных наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ определения диссипативных характеристик пар трения, при котором пару трения нагружают внешней радиальной силой F, подвижный элемент пары трения вращают с помощью электрического двигателя постоянного тока с постоянной угловой скоростью Ω и вычисляют коэффициент трения в зависимости от момента трения. Величина момента трения фиксируется по показаниям измерительного прибора, входной сигнал которого формируется электромагнитным тормозом (А.с. № 1293576 (СССР). Прибор для определения статического и кинетического трения подшипника / Е.Б.Гозман, Н.Е.Жуков, В.Г.Стрельников. - Опубл. 28.02.87. Бюл. № 8, МПК G01N 19/02).
При реализации известного способа диссипативные характеристики пар трения оцениваются по моменту трения, для измерения которого используется сложная испытательная аппаратура. При этом способ имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. позволяет определить только момент трения.
Следовательно, недостаток известного способа определения диссипативных характеристик пар трения - сложная техническая реализация и ограниченные функциональные возможности.
Цель предлагаемого изобретения - упрощение технической реализации и расширение функциональных возможностей способа.
0
0
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения диссипативных характеристик пар трения, при котором пару трения нагружают внешней радиальной силой F, подвижный элемент пары трения вращают с помощью электрического двигателя постоянного тока с постоянной угловой скоростью Ω и вычисляют коэффициент трения, дополнительно измеряют напряжение U и ток I якорной обмотки двигателя, повторяют измерение напряжения U и тока I якорной обмотки двигателя при вращении подвижного элемента пары трения без действия внешней нагружающей силы, повторяют измерения при различных значениях скорости Ω и вычисляют коэффициент трения, эквивалентный диссипативный коэффициент и КПД по формулам соответственно:
где R - радиус трущейся вращающейся поверхности;
r - активное сопротивления якорной обмотки приводного двигателя.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые операции:
- измеряют напряжение U и ток I якорной обмотки двигателя при вращении подвижного элемента пары трения при действия внешней нагружающей силы;
0
0
- повторяют измерение напряжения U и тока I якорной обмотки двигателя при вращении подвижного элемента пары трения без действия внешней нагружающей силы;
- повторяют измерения при различных значениях скорости Ω;
- вычисляют коэффициент трения, эквивалентный диссипативный коэффициент и КПД по формулам соответственно:
где R - радиус трущейся вращающейся поверхности;
r - активное сопротивления якорной обмотки приводного двигателя.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения упрощается техническая реализация испытательной аппаратуры и расширяются функциональные возможности за счет измерения основных диссипативных характеристик: коэффициента трения и эквивалентного диссипативного коэффициента.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.
Операция измерения напряжения U и тока I якорной обмотки двигателя при вращении подвижного элемента пары трения при действии внешней нагружающей силы в способах аналогичного назначения не обнаружена.
0
0
Операции измерения напряжения U и тока I якорной обмотки двигателя при вращении подвижного элемента пары трения без действия внешней нагружающей силы и повторения измерений при различных значениях скорости Ω в способах аналогичного назначения не обнаружены.
Операция вычисления коэффициента трения и эквивалентного диссипативного коэффициента по формулам соответственно:
где R - радиус трущейся вращающейся поверхности;
r - активное сопротивление якорной обмотки приводного двигателя, в способах аналогичного назначения не обнаружена.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого способа поясняется чертежом, на котором обозначено: 1 - приводной двигатель постоянного тока; 2 - система управления двигателем; 3 - датчик напряжения; 4 - датчик тока; 5 - датчик угловой скорости; 6 - контроллер; 7 - муфта; 8 - испытуемая пара трения, например, подшипник; 9 - устройство нагружения пары трения радиальной силой.
0
0
В соответствии с предлагаемым способом для определения диссипативных характеристик пару трения 8 нагружают внешней радиальной силой F с помощью нагружающего устройства 9, подвижный элемент пары трения 8 вращают с помощью электрического двигателя постоянного тока 1 с постоянной угловой скоростью Ω, задаваемой с помощью системы управления 2, измеряют напряжение U и ток I якорной обмотки двигателя 1 с помощью датчиков соответственно напряжения 3 и тока 4, повторяют измерение напряжения U и тока I якорной обмотки двигателя при вращении подвижного элемента пары трения без действия внешней нагружающей силы и вычисляют с помощью контроллера 6 коэффициент трения и эквивалентный диссипативный коэффициент по формулам соответственно:
где R - радиус трущейся вращающейся поверхности;
r - активное сопротивление якорной обмотки приводного двигателя.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Ротор приводного двигателя постоянного тока 1 вращается с помощью системы управления 2, которая поддерживает постоянной его угловую скорость Ω. Измерение угловой скорости осуществляется с помощью датчика 5. Напряжение и ток якорной обмотки двигателя 1 измеряются с помощью датчиков соответственно напряжения 3 и тока 4. Выходные сигналы датчиков угловой скорости 5, напряжения 3 и тока 4 поступают на входы контроллера 6.
Ротор двигателя 1 через специальную муфту 7 приводит во вращение подвижный элемент пары трения, например внутреннее кольцо подшипника 8. Второй элемент пары трения, например внешнее кольцо подшипника, зафиксировано и нагружено радиальной силой с помощью нагружающего устройства 9. Выходной сигнал от нагружающего устройства 9, содержащий информацию о силе F, поступает на вход контроллера 6.
Мощность, потребляемая приводным двигателем 1 от источника питания, равна
где s - число обмоток двигателя;
k
k
R, i - сопротивление и ток k-й обмотки;
kn
L - взаимная индуктивность k-й обмотки с другими обмотками;
γ и Ω - угловое положение и угловая скорость якорной обмотки двигателя.
Первая составляющая  в уравнении (1) есть мощность электрических потерь в обмотках двигателя.
Второе  и третье  слагаемые в (1) характеризуют мощности, связанные с изменением энергии магнитного поля в двигателе вследствие изменения токов в обмотках и индуктивностей, а также покрытием механических потерь. На изменение магнитной энергии расходуется мощность
а для механической мощности справедливо выражение
0
0
Из уравнений (1)…(3) следует, что механическая мощность в нагрузке может быть определена по напряжению и току приводного двигателя. С целью учета механических потерь в самом двигателе измерения проводятся дважды: при холостом ходе и в нагруженном состоянии (при наличии механического контакта трущихся поверхностей). При использовании двигателя постоянного тока производятся измерения напряжения U и тока I якорной обмотки двигателя при наличии нагруженного контакта трущихся поверхностей и измерения напряжения U и тока I якорной обмотки двигателя при вращении подвижного элемента пары трения без действия внешней нагружающей силы. В этом случае мощность механических потерь определяется по выражению
где r - активное сопротивление якорной обмотки двигателя.
Так как усилие, создаваемое нагружающим устройством, равно F, а линейная скорость трущихся поверхностей в зоне контакта равна ν=ΩR, где R - радиус трущейся поверхности, то коэффициент трения определяется по формуле
Момент силы трения определяется по формуле
.
тр
Если выполнить несколько измерений f и M при различных значениях угловой скорости Ω, то эквивалентный диссипативный коэффициент можно определить путем численного дифференцирования момента трения по скорости с помощью формулы
э
Вычисление коэффициента трения f и эквивалентного диссипативного коэффициента β по формулам (4) и (5) производится в контроллере 6.
Опытная проверка предлагаемого способа для определения диссипативных характеристик пар трения, в качестве которых были использованы подшипники качения № 27 с наружным диаметром внешнего кольца 22 мм и посадочным диаметром внутреннего кольца 7 мм, показала, что погрешность измерений не превышает 1%.
0
0
Таким образом, использование в известном способе определения диссипативных характеристик пар трения, при котором пару трения нагружают внешней радиальной силой F, подвижный элемент пары трения вращают с помощью электрического двигателя постоянного тока с постоянной угловой скоростью Ω и вычисляют коэффициент трения и эквивалентный диссипативный коэффициент, операций, состоящих в том, что дополнительно измеряют напряжение U и ток I якорной обмотки двигателя, повторяют измерение напряжения U и тока I якорной обмотки двигателя при вращении подвижного элемента пары трения без действия внешней нагружающей силы, повторяют измерения при различных значениях скорости Ω и вычисляют коэффициент трения и эквивалентный диссипативный коэффициент по формулам соответственно:
где R - радиус трущейся вращающейся поверхности;
r - активное сопротивление якорной обмотки приводного двигателя.
Использование предлагаемого способа в приемочных и научно-исследовательских испытаниях пар трения, например подшипников, позволит повысить точность и эффективность определения диссипативных характеристик.