ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ

Полезная модель относится к области испытательной техники, а именно, к устройствам для определения коэффициента трения, и его составляющих.
Известно устройство для измерения силы трения [Трение и износ, 1993, Том 14, №5, С. 903-906. Ковалевский В.В., Космогрыз С.Г., Збитнев Е.А. О повышении точности измерения силы трения], содержащее установленный на упругом шарнире держатель образца. Упругий шарнир выполнен в виде упругой перемычки и соединен с корпусом, на котором закреплен датчик перемещения держателя образца при его повороте на шарнире.
При приближении корпуса устройства к контробразцу шарнир сжимается, создавая силу нормального давления в контакте, которая контролируется датчиком. Контробразец приводится в движение с некоторой скоростью. Устройство снабжено механизмом перемещения и фиксирования корпуса в вертикальном направлении.
Недостатком этого устройства является отсутствие механизма горизонтального перемещения образца и датчика этого перемещения.
Известна установка для оценки противозадирочных свойств материалов [Крагельский В.И., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ, М. Машиностроение, 1977 с. 526, с. 447-448].
В этой установке перемещение индентора по плоскому образцу осуществляется от гайки, соединенной с ползуном, перемещение передается от электродвигателя через систему механических передач. Индентор закрепляется в оправке свободно перемещающейся в вертикальном направлении по направляющим, установленным в корпусе и жестко связанным с ползуном. Испытуемый плоский образец устанавливается под наименьшим углом к направлению движения индентора в державке каретки, которая свободно перемещается в шаровых направляющих. Нормальная нагрузка измеряется динамометром установленным между оправкой и винтом. Измерение силы сопротивления перемещению индентора осуществляется плоской пружиной.
Недостатком данного устройства является невозможность определения влияния электрического тока и магнитного поля в месте контакта индентора и плоского образца, на величину коэффициента трения.
Известна установка [Патент RU2349901 М. Кл. GO 119/02, опубл. 20.03.2009, бюл. №8], которая снабжена источником тока, образующим замкнутую электрическую цепь через индентор с оправкой, силоизмерительное устройство и опорную пластину. При этом опорная пластина токоизолирована и опирается на вибратор. Установка дополнительно снабжена обмоткой возбуждения с магнитопроводом, образующим замкнутую магнитную цепь через корпус, оправку с индентором и образец.
Недостатком данной установки является невозможность исключения объемной деформации образца, что ведет к значительным погрешностям в определении коэффициента трения и его составляющих.
В качестве прототипа заявленной полезной модели выбран прибор построенный по принципу, изложенному в работе [Рамишвили Г.Я. Сила трения как функция сближения твердых тел. сб. «Теория трения и износа», М. Наука, 1965, с. 35-36].
Прибор содержит два образца-цилиндра: верхний нагрузочный сплошной цилиндр, закрепленный в крестовине и нижний полый цилиндр, имеющий в верхней части кольцевой паз. В канал нижнего образца вставлена трубка, на которой навинчена гайка, упирающаяся с натягом в кольцевой паз нижнего образца. Через трубку пропущен стержень, который верхним концом упирается в верхний образец. Нижним концом стержень упирается в полусферический выступ, закрепленный на горизонтальной пластине рамки. Горизонтальная пластина давит на вертикальную пластинчатую пружину, на которой наклеены тензодатчики. Рамка с датчиками жестко соединена с цилиндром, который может скользить относительно трубки и закрепляется на ней с помощью винта. Подвижная обойма, с расположенной на ней шестерней, необходимой для осуществления вращения верхнего образца, связана через пластинчатые пружины, с расположенными на них тензодатчиками, с крестовиной.
В работе [Рамишвили Г.Я. Сила трения как функция сближения твердых тел. сб. «Теория трения и износа», М. Наука, 1965, с. 35-36] приведена формула определения коэффициента трения, предложенная И.В. Крагельским и Н.М. Михиным:
где ,
υ - показатель кривой опорной поверхности;
k - коэффициент, зависящий от υ;
адг
f - адгезионный коэффициент трения;
h - глубина внедрения при движении;
R - радиус внедрения неровности.
Там же показано, что экспериментальные данные, полученные на данном приборе, удовлетворительно совпадают с данными расчетов по вышеприведенной формуле, то есть сила трения является функцией сближения.
Однако, известно [Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. - М.: Машиностроение, 1981. - 244 с, С. 81], что магнитное поле оказывает влияние на процесс трения контактируемых поверхностей деталей, изготовленных из ферромагнитных материалов.
Для более детального исследования влияния магнитного поля на коэффициент трения системы «металл-металл» были проведены испытания на специальных установках [В.П. Тихомиров, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, Г.В. Багров, М.И. Борзенков, И.А. Бутрин. Моделирование сцепления колеса с рельсом. Орел, Орел ГТУ, 2007, с. 95-101].
Результаты испытаний показали, что для исследуемых моделей контакта «сталь по стали» при воздействии сильных магнитных полей в зоне контакта происходит изменение величины коэффициента трения. В настоящее время данное явление объясняется прежде всего эффектом магнитопластичности, одной из главной причин которого считают увеличение подвижности дислокаций при воздействии внешнего электромагнитного поля под влиянием электронных спинов, локализованных на дефектах кристаллической решетки [Полетаев В.А., Потемкин Д.А. Энергетический анализ влияния магнитного поля на механические свойства стали. Вестник Ивановского государственного энергетического университета. - 2007 №3 - С. 8-11].
Известно [Проблемы трения и изнашивания, вып.7, «Техника» Киев, 1975. - 157 с. Коробов Ю.М., Прейс Г.А. Электропластический эффект при трении и резании металлов, С. 3-6], что при подаче электрического тока в сопряжение пары трения коэффициент трения изменяется.
Недостатком данного прибора является невозможность учета влияния внешних полей (магнитного поля и электрического тока) на коэффициент трения в функции сближения.
Техническим результатом предложенной полезной модели является определение величины коэффициента трения при воздействии внешних полей, что повышает точность расчета узлов трения на прочность и долговечность.
Это достигается тем, что прибор состоит из верхнего нагрузочного сплошного цилиндра, закрепленного в крестовине, нижнего полого образца с кольцевым пазом в верхней части, трубки с гайкой, вставленной в канал нижнего образца, стержня, вставленного в трубку, верхний конец которого упирается в верхний образец, а нижний конец упирается в полусферический выступ, закрепленный на горизонтальной пластине рамки, связанной с вертикальной пластинчатой пружиной, на которой расположены тензодатчики цилиндра, связанного с рамкой, скользящего относительно трубки, упирающегося через пружину в нижнюю поверхность основания; подвижной обоймы с расположенной на ней шестерней, необходимой для вращения верхнего образца, связанной через пластинчатые пружины с тензодатчиками и крестовиной, диамагнитной прокладки, электроизоляционной прокладки, источника тока, электромагнитной катушки, внутри которой расположен нижний образец.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. изображена принципиальная схема прибора.
Предлагаемый прибор состоит из верхнего нагрузочного сплошного цилиндра 18, закрепленного в крестовине 1, нижнего полого образца 14 с кольцевым пазом в верхней части; трубки 12 с гайкой 17, вставленной в канал нижнего образца; стержня 13, вставленного в трубку 12, верхний конец которого упирается в верхний образец 18, а нижний конец упирается в полусферический выступ, закрепленный на горизонтальной пластине рамки 10, связанной с вертикальной пластинчатой пружиной 11, на которой расположены тензодатчики (на фиг. не показаны), цилиндра 9, связанного с рамкой 10, скользящего относительно трубки 12, упирающегося через пружину 8 в нижнюю поверхность основания 7, подвижной обоймы 2 с расположенной на ней шестерней 15, необходимой для вращения верхнего образца 18, связанной через пластинчатые пружины 3 с тензодатчиками 4 и крестовиной 1, диамагнитной прокладки 6, электроизоляционной прокладки 19, источника тока 16, электромагнитной катушки 5, внутри которой расположен нижний образец.
Работа прибора осуществляется следующим образом: рамка 10 поднимается (следовательно и стержень 13) до тех пор пока верхний конец стержня 13 не упрется в торец верхнего образца 18. После этого цилиндр 9 закрепляется винтом (на фиг. не показан) на трубке 12. Создается необходимая нагрузка N между верхним образцом 18 и нижним образцом 14. Включается электромагнитная катушка 5 и подается ток от источника тока 16. Включается электродвигатель на валу которого находится зубчатое колесо
(на фиг. 1 не показано), входящее в зацепление с шестерней 15. Происходит вращение верхнего образца 18 по нижнему образцу 14. По сигналам от тензодатчиков 4, расположенных на пластинчатых пружинах 3 и тензодатчиков, расположенных на вертикальной пластинчатой пружине 11, замеряется коэффициент силы трения и величина сближения. Таким образом, определяется коэффициент трения в функции сближения твердых тел при воздействии внешних полей (магнитного поля и электрического поля). Для определения влияния только магнитного поля выключается источник тока. При определении влияния только тока, проходящего через контакт, выключается электромагнитная катушка.
Технический эффект заключается в уточнении величины коэффициента в функции сближения при воздействии внешних полей, что повышает точность расчетов узлов трения на прочность и долговечность.