Трибометр

Полезная модель относится к средствам испытания материалов на трение. Полезная модель направлена на расширение функциональных возможностей известных трибометров, а именно обеспечивается возможность контроля общего коэффициента трения и его адгезионной составляющей при упругом контакте. Трибометр содержит корпус с соосно расположенными в нем держателями образца и контробразца, выполненного со сферической рабочей поверхностью, привод относительного вращения сопряженных образцов, механизм их нагружения нормальной нагрузкой и средства регистрации их параметров трения, при этом он снабжен приводом поперечного смещения контробразца, выполненного в виде индентора из прозрачного материала, и видеорегистратором зоны контакта, при этом держатель контробразца выполнен в виде рамочного каркаса, обе полки которого жестко связаны с его боковыми стенками, контробразец жестко закреплен в нижней полке держателя, а видеорегистратор установлен внутри рамочного каркаса и жестко закреплен на одной из его боковых стенок соосно с контробразцом и датчиком нормальной нагрузки. Кроме того, контробразец может быть выполнен в виде плосковыпуклой стеклянной линзы, а в качестве видеорегистратора может быть установлена видеокамера, в частности цифровая. Также трибометр может быть снабжен жестко закрепленной на планшайбе ванночкой для смазочного материала. 1 н.п.ф., 3 з.п.ф., 1 илл.

Полезная модель относится к средствам испытания материалов на трение.

В соответствии с молекулярно-механической (адгезионно-деформационной) теорией трения [1-3] при относительном скольжении твердых тел общая сила внешнего трения, а следовательно и коэффициент трения, представляет собой сумму двух составляющих (адгезионной и деформационной), соотношение между которыми может существенно изменяться в зависимости от конкретных условий на контакте: механических свойств сопряженных тел, наличия смазки и т.д.

И если деформационную составляющую с достаточной точностью можно вычислить, учитывая механические характеристики (, E) менее жесткого элемента пары трения и параметры микрогеометрии (r, R_max) контртела, то методов расчета адгезионной составляющей коэффициента трения пока не разработано. При необходимости ее определяют экспериментальным путем. Широкое распространение для этих целей получил способ определения адгезионной прочности [4], основанный на вращении сферического индентора, сдавленного между двумя симметрично расположенными плоскопараллельными образцами. При использовании в качестве индентора закаленного шара с чистотой поверхности не ниже 12 класса сила сопротивления его вращению практически полностью (до 0,5%) совпадает с адгезионной составляющей силы трения [1].

Для реализации этого способа разработан трибометр, содержащий корпус с соосно расположенными в нем держателями образца и контробразца, выполненного со сферической сферической рабочей поверхностью, привод относительного вращения сопряженных образцов, механизм их нагружения нормальной силой и средства регистрации их параметров трения [5] (принято за прототип).

Работа на нем осуществляется следующим образом. Испытуемые образцы в виде двух плоскопараллельных пластин толщиной 6-10 мм, выполненных из исследуемого материала, крепятся в нижнем и верхнем своих держателях, а между ними устанавливается гладкий и высокотвердый шаровой индентор (контробразец), запрессованный в обойму, связанную с приводом его вращения. С помощью механизма нагружения к сопряженным образцам прилагают сжимающую нагрузку вплоть до образования на них отпечатков, выдерживают их в таком положении в течение времени, достаточного для стабилизации пластической деформации (примерно 520 сек), а затем с помощью привода задают вращение шаровому индентору и регистрируют необходимый для этого крутящий момент.

По завершении этого этапа испытуемые образцы переставляют в новое место и повторно проводят весь цикл вышеуказанных операций, но уже при многократно большей сжимающей нагрузке. Зная усилия деформирования, размеры и площади отпечатков, а также крутящие моменты, необходимые для вращения шарового индентора в условиях пластического контакта при существенно различных нормальных напряжениях (p_r), расчетным путем определяют средние касательные напряжения (т) на контакте, а следовательно, и адгезионную составляющую коэффициента трения.

Недостаток известного технического решения состоит в том, что оно не обеспечивает возможности достоверной оценки адгезионных потерь при трении в условиях упругого контакта, когда отпечатки отсутствуют, а зона контакта недоступна для визуального наблюдения. Такая задача возникает при исследовании, например, резин, эластомеров, различных пластмасс и т.д.

Указанный результат достигается тем, что трибометр, содержащий корпус с соосно расположенными в нем держателями образца и контробразца, выполненного из твердого материала со сферической рабочей поверхностью, привод относительного вращения сопряженных образцов, механизм нагружения их нормальной нагрузкой и средства регистрации их параметров трения, снабжен приводом поперечного смещения контробразца, выполненного в виде плосковыпуклой линзы из твердого прозрачного материала, и видеорегистратором зоны контакта, держатель контробразца выполнен в виде рамочного каркаса, обе полки которого жестко связаны с его боковыми стенками, контробразец жестко закреплен в нижней полке держателя, а видеорегистратор установлен внутри рамочного каркаса и жестко закреплен на одной из его боковых стенок соосно с контробразцом и датчиком нормальной нагрузки.

Указанный результат достигается также тем, что контробразец выполнен в виде плосковыпуклой стеклянной линзы.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве видеорегистратора установлена видеокамера, в частности цифровая.

Указанный результат достигается также тем, что он снабжен жестко закрепленной на планшайбе ванночкой для смазочного материала.

Предложенный трибометр иллюстрируется чертежом (см. рис.1).

Он содержит корпус 1 (показан условно) со смонтированными в нем приводом 2 вращения испытуемого образца 3, каретку 4 с приводом ее поперечного перемещения (схематично показан в виде ориентированных навстречу друг другу стрелок) и с жестко закрепленными на ней датчиками нормальной нагрузки 5 и момента трения 6, а также держателем контробразца 7.

Держатель контробразца представляет собой рамочный каркас, образованный боковыми стенками 8, 9, жестко соединенными между собой верхней и нижней полками 10, 11. В центре нижней полки посредством промежуточного кольца 12 жестко закреплен контробразец-индентор 7, представляющий собой прозрачную плосковыпуклую линзу, выполненную из оптического стекла K8, обладающего высокой твердостью (Н_к=500 кг/мм²). Внутри каркаса соосно с контробразцом 7 установлен видеорегистратор 13, который расположен на одной из его боковых стенок и с помощью центрирующего и регулировочного винтов 14, 15 жестко закреплен на ней.

Такая компоновка полностью исключает воздействие внешних нагрузок непосредственно на видеорегистратор при внедрении индентора в исследуемый материал. Его назначение состоит лишь в визуализации и измерении (при необходимости) зоны фрикционного контакта.

В собранном виде контробразец (индентор), видеорегистратор, датчики силы и крутящего момента должны быть расположены на одной оси.

При совмещении ее с осью вращения исследуемого образца зона фрикционного контакта этого материала с прозрачной линзой-индентором всегда будет находиться в поле зрения видеорегистратора, обеспечивающего (при необходимости) трансляцию изображения на дисплей компьютера.

В качестве видеорегистратора могут быть использованы микроскоп или видеокамера, в частности, цифровые.

Благодаря наличию этих признаков становится возможной визуализация и регистрация параметров зоны контакта сопряженных элементов пары трения при их упругом взаимодействии, причем не только в статическом положении, но и в движении. Это важно при исследовании упругих материалов типа резин, эластомеров или пластмасс при определении их физико-механических и триботехнических свойств.

В частности, при совмещении оси индентора с осью вращения образца реализуется схема трения верчения, при которой фрикционное взаимодействие индентора с упругим образцом (резиной) обусловлено только адгезионными силами на контакте.

Если же индентор смещен относительно оси образца на радиус R, то к ним добавляются гистерезисные потери в материале образца, обусловленные волной деформации в виде валика перед индентором.

Таким образом в одних и тех же условиях экспериментально определяются как общие потери на трение, так и доля этих потерь, обусловленная непосредственно адгезией. Причем, адгезионные процессы можно исследовать как при трении без смазки (например, фрикционный перенос, износ резин «скатыванием»), так и при граничном (жидкостном) трении, имитируя, например, условия на контакте при взаимодействии шины с дорожным полотном. Для этого необходимо на планшайбе 2 закрепить ванночку для жидкой среды (на чертеже не показана) и в ней установить образец 3.

В статическом положении прибор можно использовать для определения контактного модуля упругости эластомеров по зависимости площади контакта от нормального давления, которое можно регулировать не только изменяя нагрузку, но и используя плосковыпуклые стеклянные линзы различного радиуса кривизны.

Апробация данного технического решения была выполнена в процессе экспериментального исследования зависимости релаксационных свойств вязкоупругих материалов от режимных и технологических параметров, в частности, влияния давления, скорости скольжения на диссипацию энергии в условиях фрикционного контакта.

Испытания проводились на универсальном триботестере UMT-2, оснащенным программным комплексом, приводами вращения планшайбы и поперечного перемещения каретки и обладающим достаточно широкими возможностями как в отношении вариации режимных параметров (P и V), так и в отношении точности регистрации контролируемых параметров, в частности коэффициента трения. Цель этого исследования состояла в определении соотношения адгезионной и деформационной составляющих коэффициента трения при упругом контакте резины со стеклянным индентором в условиях сухого и граничного трения.

Источники информации

1. Трение, изнашивание и смазка - Справочник т. 1 М.: Машиностроение 1978 г., 400 с.

2. И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов, «Основы расчетов на трение и износ», М. Машиностроение, 1972 г., 525 с.

3. Склерометрия - сборник статей, М. изд-во «Наука», 1968 г.

4. Авторское свидетельство СССР 244686, 6.0114, 19/02, 1969 г.

5. ГОСТ 23.203-78, «Метод определения прочности адгезионной связи твердых тел при трении», М. Госкомитет стандартов при Совете Министров СССР (прототип).

1. Трибометр, содержащий корпус с соосно расположенными в нем держателями образца и контробразца, выполненного из твердого материала со сферической рабочей поверхностью, привод относительного вращения сопряженных образцов, механизм их нагружения нормальной нагрузкой и средства регистрации их параметров трения, отличающийся тем, что он снабжен приводом поперечного смещения контробразца, выполненного в виде индентора из прозрачного материала, и видеорегистратором зоны контакта, при этом держатель контробразца выполнен в виде рамочного каркаса, обе полки которого жестко связаны с его боковыми стенками, контробразец жестко закреплен в нижней полке держателя, а видеорегистратор установлен внутри рамочного каркаса и жестко закреплен на одной из его боковых стенок соосно с контробразцом и датчиком нормальной нагрузки.

2. Трибометр по п.1, отличающийся тем, что контробразец выполнен в виде плосковыпуклой стеклянной линзы.

3. Трибометр по пп.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве видеорегистратора установлена видеокамера, в частности цифровая.

4. Трибометр по пп.1 или 2, отличающийся тем, что он снабжен жестко закрепленной на планшайбе ванночкой для смазочного материала.

РИСУНКИ