Устройство для определения коэффициента трения скольжения
Предложение относится к области устройств для определения коэффициента трения скольжения различных материалов, используемых в конструкциях узлов трения. Устройство содержит переходник, на котором шарнирно закреплены два рычага равной длины, способных поворачиваться в вертикальной плоскости. На нижних концах рычагов снаружи закреплены два груза одинаковой массы, а изнутри - два сменных узла (ввинчиваемые в рычаги): штыри с шариками на концах для испытаний в паре трения шар-плоскость, или штыри с округлыми окончаниями, в которые вставляется пара плоских дисков для испытаний в паре трения плоскость-плоскость. Переходник присоединяется к верхней траверзе установки для механических испытаний любого типа, позволяющей реализовать возвратно-поступательное движение рабочей траверзы. В зажим испытательной машины, присоединенный к нижней траверзе, вертикально закрепляется пластина, используемая в качестве контртела, которая вводится верхним концом между оконечными деталями, закрепленными на рычагах. Измерение силы трения в процессе испытаний, а также поддержание постоянных скорости и амплитуды циклического перемещения исследуемого тела относительно контртела, как и вариация скорости в широких пределах обеспечиваются соответствующими устройствами установки для механических испытаний. При помещении устройства для определения коэффициента трения скольжения в термокамеру установки для механических испытаний обеспечивается возможность проведения трибологических исследований в широком диапазоне температур. Положительный технический результат данного предложения - обеспечение возможности быстрого измерения коэффициента трения с высокой точностью при возможности точной установки и широкой вариации величин контактного давления, скорости, длины пробега и температуры.
Ил. - 2; форм. - 3 з.п.ф.и.
Предложение относится к измерительным устройствам, в частности - устройствам для определения коэффициента трения скольжения различных материалов, используемых в конструкциях узлов трения, при различных температурах, скоростях скольжения и значениях контактной нагрузки в паре трения.
Коэффициент трения скольжения пар материалов определяют путем перемещения образца одного материала по поверхности другого с заданной скоростью при заданной температуре и заданном значении нормальной нагрузки, действующей перпендикулярно поверхности трения. В этих условиях определяют значения силы, необходимой для перемещения образца (силу трения), после чего определяют коэффициент трения как отношение силы трения к нормальной силе.
Для определения коэффициента трения обычно используют устройства двух типов.
Первую группу составляют простые устройства, в которых образец, обычно в виде прямоугольного параллелепипеда, укладывается на плоскость, выполненную из материала, трение по которому нужно определить, прижимается к плоскости с помощью груза или простых прижимных устройств и однонаправленно перемещается по этой поверхности с помощью тяги, соединенной через шкив с устройством, обеспечивающим приложение усилия к торцу образца. Это усилие - сила трения определяется с помощью динамометра. В ряде случаев эта схема измерения подвергается небольшим усовершенствованиям для повышения точности измерения.
Пример такого рода устройств - приспособление, описанное в патенте [RU 2300755 «Способ определения коэффициента трения»].
Общими недостатками всех устройств этого рода являются низкая точность определения силы трения, возможность измерений лишь в очень ограниченном диапазоне скоростей, сложность реализации измерений при повышенных температурах и очень малая величина перемещения испытываемого образца по поверхности контртела, которая может быть реализована в эксперименте (то есть определяют только начальное значение коэффициента на участке кривой трения, на котором процесс, как правило, протекает нестабильно).
Вторая группа устройств - специализированные измерительные установки, промышленно выпускаемые для определения трибологических характеристик материалов, например, устройства, описанные в ГОСТ 11629-75 «Пластмассы. Метод определения коэффициента трения». Это устройства, позволяющие осуществить перемещение образца в виде плоскости, шарика или изделия более сложной формы по поверхности контртела, задать постоянно действующую на поверхность трения нормальную силу и провести измерение силы трения, необходимой для перемещения элементов пары трения друг относительно друга. Недостатками таких решений [SU 930081 «Устройство определения коэффициента трения материалов», RU 2475723 «Установка для определения коэффициента трения скольжения»] являются необходимость использования для проведения измерений специализированного оборудования, ограниченная точность измерений и сложность организации трибологических испытаний при температурах, отличных от комнатной.
Наиболее близким техническим решением является «Устройство для испытания материалов на трение» [RU 2244290].
Прототип содержит основание, установленный на основании механизм, на котором расположены держатели с пазами для соответствующего взаимного размещения в них образца и контробразца, привод возвратно-поступательного перемещения механизма, узел нагружения образцов в виде винтового домкрата, датчик регистрации усилий и индикатор, соединенный с держателем контробразца, датчик перемещения и индикатор, соединенный с держателем образца, регистрирующую аппаратуру, с которой соединены датчик перемещения и датчик регистрации усилий. При этом каждый датчик представляет собой оптико-механическое устройство в виде диска с прорезями, надетого на ось стрелки соответствующего индикатора между излучателем и фото датчиком. В качестве регистрирующей аппаратуры использован компьютер, к которому подсоединены оба датчика. Механизм, на котором размещены держатели, выполнен в виде платформы на катках, а узел нагружения снабжен тележкой с катками, размещенными на держателе контробразца.
К недостаткам описанного устройства следует отнести то, что оно весьма сложно в изготовлении и наладке, не обеспечивает достаточной точности измерений, не позволяет проводить метрологическое обслуживание и поверку и принципиально непригодно для трибологических испытаний при температурах, отличных от комнатной.
Технической задачей и положительным результатом предлагаемого устройства являются быстрое и точное получение информации о трибологических характеристиках различных материалов в виде плоских слоев, покрытий и образцов сферической формы в парах трения с различными контртелами при возможности вариации нормальной нагрузки в трибоконтакте, скорости и температуры испытания.
Техническая задача решена за счет того, что устройство для определения коэффициента трения скольжения содержит механизмы, обеспечивающие возвратно-поступательное циклическое перемещение узла крепления испытываемого образца по поверхности контртела и измерение силы трения, реализуемой в процессе этого перемещения; при этом узлы крепления испытываемых образцов, перемещающихся относительно пластины-контртела в вертикальном направлении, закреплены на нижних концах двух рычагов, верхние концы которых шарнирно закреплены на общем переходнике, а дозированное контактное давление образцов на поверхность контртела осуществляется за счет пары грузов, присоединенных к тем же рычагам; переходник и пластина-контртело присоединены, соответственно, к верхней и нижней траверзам установки для механических испытаний, способной обеспечивать возвратно-поступательный режим перемещения, которая используется также в качестве механизма, обеспечивающего точное измерение силы трения.
Устройство характеризуется тем, что для расширения возможностей проведения трибологических испытаний узлы крепления образцов выполнены сменными, что позволяет проводить измерения коэффициента трения в системе шар-плоскость, или плоскость-плоскость.
Устройство характеризуется также тем, что для обеспечения возможности проведения трибологических исследований в широком диапазоне температур оно используется, будучи помещено в термокамеру установки для механических испытаний.
Указанный технический результат достигается за счет использования устройства для определения коэффициента трения скольжения, показанного на чертежах, где:
на фиг. 1 - схема устройства для определения коэффициента трения скольжения;
на фиг. 2 - фотография опытной модели устройства,
на фиг. 3 и фиг. 4 - детали устройства.
Устройство состоит из переходника 1, на котором шарнирно закреплены два рычага равной длины 2, способных свободно поворачиваться в вертикальной плоскости. На нижних концах рычагов снаружи закреплены два груза одинаковой массы 3, а изнутри - два сменных узла (ввинчиваемые в рычаги): штыри с шариками на концах 4 для испытаний в паре трения шар-плоскость, или штыри с округлыми окончаниями 5, в которые вставляется пара плоских дисков 6 со сферической выемкой с одной стороны.
Для проведения измерений используется обычная установка для механических испытаний любого типа, позволяющая реализовать возвратно-поступательное движение рабочей траверзы. Переходник 1 присоединяется к верхней траверзе испытательной машины. В стандартный зажим испытательной машины, присоединенный к нижней траверзе, вертикально закрепляется пластина 7, которая вводится верхним концом между оконечными деталями 4 или 5-6, закрепленными на рычагах 2.
В случаях, когда нужно определять коэффициент трения по схеме шар-плоскость, на рычагах 2 закрепляются идентичные оконечные детали 4, которые за счет веса грузов 3 осуществляют давление на противоположные стороны контртела - пластины 7, на поверхность которой могут быть нанесены слои любого испытываемого материала, или же сама эта пластина может быть выполнена из такого материала.
В случаях, когда нужно определять коэффициент трения по схеме плоскость-плоскость, на рычагах 2 закрепляются идентичные оконечные детали 5, на торцы которых надеваются диски 6 (сферические выемки дисков надеваются на ответные сферические выступы деталей 5), которые за счет веса грузов 3 осуществляют давление на противоположные стороны контртела - пластины 7. В этом случае слои испытываемых веществ могут быть нанесены на поверхность как котртела 7 с двух сторон, так и дисков 6, или сами диски 6 и (или) пластина 7 могут быть изготовлены из испытываемого вещества.
Работа устройства при проведении трибологических испытаний осуществляется в режиме циклического перемещения подвижной траверзы, при котором осуществляется циклическое возвратно-поступательное перемещение трущихся тел друг относительно друга, а именно перемещение контртела - полосы 7 в вертикальном направлении относительно деталей 4 с шарообразными окончаниями или относительно плоских торцов цилиндров 6. При этом нормальная сила, обеспечивающая давление в трибоконтактах, создается за счет массы грузов 3, стремящихся повернуться (опуститься) на рычагах 2.
Изменение нормального давления в трибоконтактах с высокой точностью и в широких пределах может осуществляться путем вариации массы грузов 3 и площади трущихся тел, закрепленных на рычагах 2 -вариацией диаметра шариков 4 (схема шар-плоскость) или диаметра дисков 6 (схема плоскость-плоскость).
Измерение силы трения с высокой точностью проводится с помощью стандартного силоизмерительного блока испытательной машины.
В процессе испытаний поддержание постоянных амплитуды и скорости возвратно-поступательного движения трущихся тел друг относительно друга, а также вариация скорости взаимного перемещения компонентов пары трения в широких пределах и с высокой точностью обеспечивается приводом испытательной машины.
Описанное устройство позволяет легко реализовать различные длительности циклических испытаний, т.е. обеспечить различные длины пробега, что позволяет изучать динамику трибологического поведения исследуемого материала в процессе трения.
В тех случаях, когда используемая в работе испытательная машина снабжена термо- или термокриокамерой, описанное устройство может быть легко смонтировано в ней, что позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур.
Наконец, дополнительным достоинством устройства является то обстоятельство, что благодаря конструкции крепления дисков 6 (шарнирное закрепление) достигается автоматическая установка рабочих поверхностей дисков строго параллельно поверхности контртела.
Хотя устройство предназначено в первую очередь для определения коэффициентов трения, с его помощью можно также легко определять скорости изнашивания трущихся материалов, как по изменению массы трущихся деталей, так и путем измерения глубины следа трения с помощью стандартных оптических методов.
1. Устройство для определения коэффициента трения скольжения, содержащее механизмы, обеспечивающие возвратно-поступательное циклическое перемещение узла крепления испытываемого образца по поверхности контртела и измерение силы трения, реализуемой в процессе этого перемещения, отличающееся тем, что узлы крепления испытываемых образцов, перемещающихся относительно пластины-контртела в вертикальном направлении, закреплены на нижних концах двух рычагов, верхние концы которых шарнирно закреплены на общем переходнике, а дозированное контактное давление образцов на поверхность контртела осуществляется за счет пары грузов, присоединенных к тем же рычагам; переходник и пластина-контртело присоединены, соответственно, к верхней и нижней траверзам установки для механических испытаний, способной обеспечивать возвратно-поступательный режим перемещения, которая используется также в качестве механизма, обеспечивающего точное измерение силы трения.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для расширения возможностей проведения трибологических испытаний узлы крепления образцов выполнены сменными, что позволяет проводить измерения коэффициента трения в системе шар-плоскость или плоскость-плоскость.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что для обеспечения возможности проведения трибологических исследований в широком диапазоне температур оно используется, будучи помещено в термокамеру установки для механических испытаний.
