Триботехнический маятник

Авторы патента:

G01N3 - Исследование прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий (тензометры G01B; измерение механических напряжений вообще G01L 1/00)

Полезная модель относится к машиностроению, конкретно к динамометрам, моментомерам и приборам для измерения силы трения, момента трения, коэффициента трения и интенсивности изнашивания материалов пары трения. Триботехнический маятник содержит физический маятник, включающий муфту, соединенную со стержнем на котором установлен груз с возможностью вертикального перемещения и фиксации контргайкой, при этом муфта свободно установлена на горизонтальный вращающийся ролик и имеет гнездо для крепления в ней образца из испытуемого материала, профиль которого соответствует профилю устанавливаемого в нем образца, источник оптического когерентного излучения, установленный на муфте и экран с вертикальной шкалой, на стержень между муфтой и грузом установлена гайка с крюком, а муфта имеет сквозное отверстие для подачи смазки в зону трения. Технический результат: повышение чувствительности и снижение погрешности измерений.

Предлагаемая полезная модель работает по принципу работы устройства, известного под названием «Маятник Фруда». Маятник Фруда - одна из простейших автоколебательных систем, состоящая из физического маятника, жестко связанного с муфтой, насаженной на вращающийся вал (Источники: Алешкевич В.А., Деденко Л.Г., Кораблев В.А. Маятник Фруда. Лекции «Колебания и волны». - М.: Издательство Физического факультета МГУ. 2001.; Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.- М.: Наука, 1974.- С.942.).

Известно «Устройство для определения момента, силы и коэффициента трения» (Патент РФ на полезную модель 54433, МПК7 G01 N19/00,G01 N3/56, 2006 г.) принятое за прототип. Устройство для определения момента, силы и коэффициента трения содержит физический маятник, включающий груз, муфту, соединенные со стержнем, причем последняя свободно установлена на горизонтальный вращающийся ролик, стержень содержит шкалу, предназначенную для замера положения груза относительно центра качения с фиксацией груза контргайкой, через центр тяжести которого проходит ось, на которой свободно подвешена стрелка, предназначенная для отсчета по горизонтальной шкале смещения центра тяжести груза от вертикальной оси, а муфта, содержащая стрелку, предназначенную для отсчета по круговой шкале угла поворота стержня относительно вертикали, установлена на вращающемся ролике, рабочая поверхность которого имеет винтовую нарезку трапецеидального профиля. Корпус муфты имеет гнездо для крепления в нем образца из испытуемого материала, профиль которого соответствует профилю устанавливаемого в нем образца.

Недостатками указанного устройства являются низкая чувствительность и высокая погрешность измерений.

Техническим результатом предлагаемого устройства повышение чувствительности и снижение погрешности измерений.

Технический результат достигается тем, что триботехнический маятник содержит физический маятник, включающий муфту, соединенную со стержнем на котором установлен груз с возможностью вертикального перемещения и фиксации контргайкой, при этом муфта свободно установлена на горизонтальный вращающийся ролик и имеет гнездо для крепления в ней образца из испытуемого материала, профиль которого соответствует профилю устанавливаемого в нем образца, источник оптического когерентного излучения, установленный на муфте и экран с вертикальной шкалой, на стержень между муфтой и грузом установлена гайка с крюком, а муфта имеет сквозное отверстие для подачи смазки в зону трения.

Сущность полезной модели поясняется чертежом.

На фигуре изображено предлагаемое устройство в сборе. устройство для измерения коэффициента трения - триботехнический маятник, содержит груз 1, размещенный на стержне 2. Для изменения чувствительности измерений триботехнического маятника груз 1 может перемещаться вдоль резьбовой поверхности стержня 2. Стержень 2 жестко соединенном с муфтой 3 содержащей источник оптического когерентного излучения 4, например лазерный указатель. Муфта 3 свободно установлена на вращающемся ролике 5. Отверстие муфты 3 имеет паз для крепления в нем образца 6 из испытываемого материала, профиль паза соответствует профилю устанавливаемого в нем образца 6. На стержне 2 между муфтой 3 и грузом 1 установлена гайка с крюком 7, с возможностью ее перемещения вдоль стержня 2. Гайка с крюком 7 предназначена для определения положение центра тяжести триботехнического маятника в сборе. Контргайка 8 предназначена для фиксации положения груза 1 на стержне 2. Устройство снабжено экраном 9 со шкалой, экран устанавливают на расстоянии L от триботехнического маятника, причем точность и чувствительность измерений повышается при увеличении расстояния L. Для подачи смазочных материалов в зону трения в муфте 3 выполнен канал 10 в виде сквозного отверстия.

Устройство триботехнический маятник работает следующим образом. Исследуемый образец 6 устанавливают в паз на муфте 3. Триботехнический маятник подвешивают на гайке с крюком 7 и перемещая ее вдоль стержня 2, определяют положение центра тяжести триботехнического маятника в сборе, затем триботехнический маятник устанавливают на ролик 5. При вращении ролика 5 под влиянием силы трения F_тр, действующей на поверхности контакта ролика 5 и образца 6, закрепленного пазу в муфте 3, муфта 3 повернется на угол Y, при этом точка лазерного луча от источника оптического когерентного излучения 4 переместится на некоторую величину h по шкале на экране 9. Величина угла Y пропорциональна величине действующей силы трения.

Вывод зависимости для определения коэффициента трения при помощи представленного устройства приведен ниже. Сила трения может быть определена согласно формулы (1):

,\tab(1)

где N - опорная реакция со стороны вала;

k - коэффициент трения.

При трении опорная реакция может быть определена согласно формулы (2):

,(2)

где Р - вес груза;

Y - угол подъема луча лазера.

Момент сопротивления трению скольжения муфты будет определяться формулой (3):

,(3)

где r - расстояние от оси ролика до центра тяжести системы;

P_x - проекция силы тяжести груза на горизонтальную ось ох,

,\tab(4)

Момент трения представляет собой равенство (5):

,(5)

где d - диаметр ролика;

N - опорная реакция со стороны вала;

k - коэффициент трения.

Таким образом, сравнивая правые части равенств (3) и (5), получаем равенство (6):

,\tab(6)

Подставляя в равенство (6) значения равенств (2) и (4), получаем равенство (7):

,\tab(7)

В равенстве (7) значение тангенса угла подъема луча лазерного указателя Y может быть определено равенством (8):

,\tab(8)

где h - перемещение светового пятна лазерного луча источника оптического когерентного излучения 4 по измерительной шкале экрана 9;

L - расстояние от центра вращения ролика 5 до экрана 9 с измерительной шкалой.

Подставляя в равенство (7) значение тангенса угла подъема лазерного луча Y (8), получаем зависимость для определения коэффициента трения (9):

,\tab(9)

Таким образом, анализируя выражение (9) можно придти к выводу, что величина коэффициента трения при исследовании его на данном устройстве пропорциональна перемещению точки лазерного луча по экрану 9. Предлагаемое устройство позволяет производить триботехнические испытания с помощью любого механизма, обеспечивающего вращение ролика 5.

Триботехнический маятник обеспечивает высокую точность и малую погрешность при проведении измерений: силы трения, момента трения, коэффициента трения и интенсивности износа испытуемых материалов пары трения, позволяет производить замеры параметров триботехнической системы при испытании изнашивания образцов пары трения и исследования смазочной способности смазочных материалов.

Триботехнический маятник, содержащий физический маятник, включающий муфту, соединенную со стержнем, на котором установлен груз с возможностью вертикального перемещения и фиксации контргайкой, при этом муфта свободно установлена на горизонтальный вращающийся ролик и имеет гнездо для крепления в ней образца из испытуемого материала, профиль которого соответствует профилю устанавливаемого в нем образца, отличающийся тем, что устройство содержит источник оптического когерентного излучения, установленный на муфте и экран с вертикальной шкалой, на стержень между муфтой и грузом установлена гайка с крюком, а муфта имеет сквозное отверстие для подачи смазки в зону трения.