Установка для исследования трения скольжения
Полезная модель относится к устройствам для исследования трения скольжения и включает основание, привод, ременную передачу, пружину и шкалу для измерения сил трения. Образцы пар трения размещены на поворотной планшайбе в специальной обойме. При этом возможна быстрая замена образцов пар трения. Для фиксации максимального значения силы трения покоя предусмотрена отдельная стрелка. Восстановим в памяти постулаты трения по [4]. Трение внешнее - механическое взаимодействие тел в местах их соприкосновения, препятствующее относительному движению тел в плоскости их соприкосновения. Трение между взаимно неподвижными телами при предварительном их смещении называется трением покоя, а между движущимися - трением движения.
Сила трения - мера упомянутого взаимодействия. Трение покоя характеризуется отсутствием относительного движения двух соприкасающихся тел при действии на них касательных сил F
Fo=foN, где Fo - наибольшая сила трения покоя, N - сила нормального давления одного тела на другое, f o - коэффициент трения покоя (для стали по пластмассе f o
0,14; для резины по чугуну fo0,57÷0,83; для кожи по чугуну fo0,56). Трением движения называется трение скольжения, если одна и та же тоска одного тела соприкасается со следующими одна за другой точками другого тела. Трением движения называется трение качения, если каждая из точек одного тела приходит в соприкосновение только с одной из точек другого тела, а ось мгновенного относительного вращения тел проходит через точку соприкосновения.
Трение в зависимости от характера соприкосновения может быть сухим - когда поверхности трущихся тел покрыты твердыми пленками, граничным - когда поверхности покрыты тонким слоем жидкости (0,1 мкм), жидкостным - когда поверхности разделены слоем смазки, при котором неровности тел не соприкасаются. Силу трения скольжения (Фиг.1 схема а) определяют как Fc =fN, где f - коэффициент трения скольжения (обычно). Величина f зависит от материала трущихся тел 1 и 2, смазки и других параметров. Ориентировочно для сухого трения стали по чугуну f=0,10÷0,16, для жидкостного трения металлической пары f=0,002÷0,006; металла по пластмассе f=0,004÷0,008. Реакция одного тела на другое равна геометрической сумме сил N и F c. Она отклоняется от составляющей N на угол трения 
. Так как Fc=Ntg, то f=tg, откуда =arctgf. Во
вращательной паре (Фиг.1 схема б) реакция тоже отклоняется на угол . При этом создается момент трения - момент пары сил: силы давления Q и реакции R21Т o=R21h, где h - плечо силы R 21 или радиус круга трения (сила R21 как бы касается условного круга радиусом h).
Сила сухого трения качения шара (Фиг.1 схема в) или кругового цилиндра по плоскости определяют по закону Кулона: Fк =fкN/r, где fк - коэффициент трения качения (обычно fк<f), имеющий размерность
длины и характеризующий отклонение нормальной составляющей реакции R от оси катящего тела; r - радиус катящегося тела. Для стального колеса, катящегося по рельсу, fк=0,005 см, для ролика или шарика, катящегося по закаленной дорожке подшипника качения, fк =0,0005÷0,001 см. Тело может двигаться под действием момента Т=fкN либо силы F=fк N/l, где l - плечо действия силы F (Фиг.1 схема г). В частном случае, когда цилиндр зажат двумя плоскостями (Фиг.1 схема д) F=fкN/2r.
Трение движения в механизмах играет отрицательную роль: вызывает износ и сопровождается потерями энергии на нагрев. Трение покоя играет положительную роль: оно препятствует самопроизвольному скольжению одного тела относительно другого тела в клиновых механизмах, дает возможность телу катиться, а также передавать движение от одного тела другому.
Трение внутреннее - процессы внутри тел при их деформации, приводящие к необратимому рассеянию механической энергии. Трение внутреннее в жидкостях называется вязкостью.
Полезная модель относится к устройствам для исследования трения скольжения и может быть использовано в машиностроительной, деревообрабатывающей, судостроительной отраслях промышленности, а также в исследовательских организациях, в работах аспирантов и соискателей.
Известны принятые нами в качестве аналогов установки для исследования трения скольжения [1-3], а также предъявленные к ним требования [4, 5].
Из перечисленных аналогов ближе всего по технической сущности и достигаемому эффекту оказался аналог [3], принятый нами в качестве прототипа.
Прототип включает: основание, поворотную плиту, поверхность трения, каретку с размещенным в ней образцом тела трения, регулируемый привод каретки, динамометр со шкалой для измерения сил трения, устройство для подогрева плиты и поверхности трения.
Прототип работает следующим образом. При включении привода, каретка с телом трения перемещается по поверхности трения, при
этом сила трения отсчитывается по шкале, когда каретка пройдет всю плиту с поверхностью трения, опыт повторяется.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- относительно малую скорость перемещения каретки, не более 0,15 м/с;
- необходимость возврата каретки с образцом тела трения в исходное положение для повторения опыта.
Предлагаемая полезная модель устраняет указанные выше недостатки прототипа.
Конструкция установки показана на чертежах Фиг.2 и Фиг.3, где изображено:
1 - основание; 2 - поворотная планшайба 3 - первый элемент (образец) пары трения (например, сталь); 4 и 5 - второй элемент (три одинаковых образца размещенных в обойме 22) пары трения (например, чугун); 6 - стойка; 7 - шкала; 8 - стрелка, указатель трения покоя; 9 - стрелка, указатель силы скольжения; 10 - пружина; 11 - тахометр; 12 - датчик тахометра; 13 - электродвигатель; 14 - ременная передача; 15 - шкив; 16 - рукоятка; 17 - опора; 18 - шпиндель; 19 - груз; 20 - патрон; 21 - валик; 22 - обойма; 23 - ЛАТР; 24 - тумблер; 25 - сигнальная лампочка; 26 - электрокабель; 27 - заземление; 28 - блок; 29 - тросик; 30 - выемка в быстросменном кольце 3; 31 - штифт закрепленный в планшайбе 2.
Принцип работы установки.
Стрелку 8 - указатель трения покоя, поднять примерно до половины шкалы 7. Тумблером 24 включить через ЛАТР 23, электродвигатель 13 через привод, включающий передачу 14, валик 21. Обойма 22 с образцами пар трения 4, 5 начинает вращаться, увлекая при этом во вращательное движение дисковый образец пары трения и планшайбы 2. Поворот планшайбы 2 вызывает натяжение тросика 29, которое через блок 28 передается пружине 10. Пружина 10 растягивается максимально при отсутствии проскальзывания между образцами 3 и 4, 5 пары трения (например, сталь/чугун). При этом стрелка 8 смещается стрелкой 9 в крайнее положение и остается в нем до конца опыта, показывая величину силы трения покоя ТП . С началом скольжения образцов 3 и 4, 5 пары трения, сила трения уменьшается и стрелка, закрепленная на тросике 29, действием пружины 10, поднимается вверх, показывая величину силы трения скольжения ТС характерную для данной пары трения. Через 1,5-2 минуты скольжение станет устойчивым и в таблицу опытных данных можно записать значения трения покоя Т П, трения скольжения ТС, и частоту вращения по тахометру 11. Тумблером 24 выключить электропитание, стрелку 8 перевести в верхнюю часть шкалы 7. Опыт проделать 3 раза для получения средних показателей.
Источники информации
1. Ильин М.М., Поляков В.И. Установка для исследования трения скольжения влажносыпучих материалов. Труды Краснодарского политехнического института. 1970, вып.32, с.186.
2. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. Справочник. М., "Машиностроение", 1984.
3. Ильин М.И., Масликов В.А., Сескутов. Установка для исследования трения скольжения твердых и сыпучих материалов. Сб. "Научно-техническая информация" вып. 17, М., Цинтипищепром, 1965.
4. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. М., "Машиностроение". 1981.
5. Силин А.А. Трение и мы. М., "Наука", "Квант" вып. 57, 1987.
Установка для исследования трения скольжения, включающая основание с горизонтальными и вертикальными элементами, регулируемый привод вращательного движения и вертикальной подачи, а также шкалу и стрелку, отличающаяся тем, что один из элементов пары трения выполнен в виде плоского кольца с выемками под штифты по внутреннему диаметру, размещенных на штифтах на поворотной планшайбе, а второй элемент пары трения выполнен в виде трех одинаковых образцов, размещенных в обойме, вращаемой от привода через валик.
