Способ определения коэффициента трения эластичного материала в окружном направлении

 

Изобретение относится к области исследования механических характеристик эластичных материалов и может быть использовано в машиностроении, приборостроении. Цель изобретения - повышение информативности путем определения не только статического, но и кинематического коэффициента трения эластичного материала в окружном направлении. По заполнению зазора между валом 1 и втулкой 2 с закрепленными в ней шпильками 6 и набивкой 4 из исследуемого материала заводится грундбукса 5. На шпильки 6 одевают оттарированные пружины 7, которые фиксируют гайками 8. По величине поджатия пружин 7 определяют осевое усилие на набивку 4. Создаваемые электродвигателем обороты передаются через вал 1 на набивку 4 и фиксируются по электрическому тахометру. Угловые перемещения набивки 4 определяют по отклонению маятника 13 от вертикали по электронному измерителю перемещений. Кинематический коэффициент трения в окружном направлении определяют по формуле f_к=G·l·sinα/2πr²·P^*_rср·H,, где f_k - кинематический коэффициент трения в окружном направлении между набивкой и валом; G - вес маятника; l - длина маятника; α - угол отклонения маятника от вертикали; p = 3,1415926; r - радиус вала; P^*_rср - уточненное среднее радиальное давление по высоте разбивки; Н - длина набивки. 3 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области исследования механических характеристик эластичных материалов, например, сальников и может быть использовано в машиностроении, приборостроении и других областях техники.

Известен способ А. Н. Борохова, А. С. Ганшина, Н. Г. Додонова. Волокнистые и комбинированные сальниковые уплотнения. Изд-во "Машиностроение", М. с. 3, с.281-290, заключающийся в том, что между валом и сальницей, зафиксированной от осевого перемещения, размещают набивку. При вращательном движении вала возникающее трение между сальниковой набивкой и вращающимся валом передается через специальные грундубксовую втулку и балансирную раму в сторону вращения шпинделя. Но так как направляющий валик балансирной рамы связан с приспособлением мессдозы, то это усилие трение передается масляной мессдозе и замеряется с помощью монометра. Таким образом, определяют момент трения в окружном направлении между набивкой и вращающимся валом конкретно для каждого отдельного сальникового уплотнения.

Недостаток данного способа в том, что он не позволяет определить кинематический коэффициент трения в окружном направлении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ определения коэффициента трения эластичного материала в окружном направлении (Авторское свидетельство СССР N 1749781, кл. G 01 N 19/02, 1990 г.), заключающийся в том, что во втулке, зафиксированной от осевого перемещения, размещают исследуемый материал, на исследуемый материал,на верхний торец которого прилагают нагрузку и измеряют усилие нажатия на исследуемый материал, усилие на противоположном торце исследуемого материала, его высоту и радиальные деформации втулки, после чего на пальце, установленном во втулке, создают крутящий момент посредством рычага, измеряя приложенное к нему усилие в окружном направлении, с последующим определением коэффициента трения в окружном направлении по формуле где f_ок коэффициент трения в окружном направлении между набивкой и пальцем; N усилие на рычаге; l длина рычага; π постоянная величина 3,1415926; r радиус пальца; P^*_rср уточненное среднее радиальное давление по высоте набивки; Н высота набивки.

Данный способ не дает возможности определения кинематического коэффициента трения, так как определяет статический коэффициент трения в окружном направлении, потому как этот способ предусматривает его определение только в момент страгивания.

Целью изобретения является повышение информативности определения кинематического коэффициента трения эластичного материала в окружном направлении с учетом статического коэффициента трения для эластичных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента трения эластичного материала в окружном направлении между валом и втулкой, зафиксированной от осевого перемещения, размещают исследуемый материал, к свободному концу которого прикладывают нагрузку, вращают втулку, определяют усилие нажатия на исследуемый материал и по длине Н эластичного материала определяют с их учетом среднее радиальное давление P^*_rср, по которому определяют статический коэффициент трения эластичного материала в окружном направлении, согласно изобретению информативность повышают путем определения не только статического, но и кинематического коэффициента трения в окружном направлении за счет учета углового перемещения исследуемого материала в окружном направлении, для чего присоединяют к боковой поверхности втулки маятник и в процессе вращения вала определяют угол α отклонения маятника от втулки, а кинематический коэффициент f_k трения эластичного материала в окружном направлении определяют из соотношения:
где G вес маятника;
l длина маятника;
r радиус вала;
π 3,1415926.

На фиг. 1 изображен общий вид установки в разрезе; на фиг.2 график распределения коэффициента бокового давления по высоте уплотнения для различных осевых давлений K F(x); на фиг.3 график зависимости кинематического коэффициента трения от скорости вращения вала f_k V(x).

Устройство для осуществления заявленного способа состоит из вала 1 и втулки 2, соосно установленной на валу 1 посредством подшипника 3. Зазор между валом 1 и втулкой 2 для заполнения исследуемого материала 4. На свободном конце втулки 2 установлена грундбукса 5, которая соединена с нажимным устройством, состоящим из шпилек 6 и оттарированной пружины 7, зафиксированной гайками 8. Шпильки 6 пропущены через отверстия 9 и грундбуксы 5 и закреплены во втулке 2. Вал 1 с напрессованными подшипниками качения 10 жестко установлен на станине 11 при помощи кронштейнов 12 и соединен с электродвигателем ременной передачей и электрическим тахометром (на рисунке не показан). На боковой поверхности втулки 2 закреплен маятник 13, пропущенный через отверстие 14 в станине 11. Маятник 13 соединен с электронным измерителем перемещений (на рисунке не показано).

Способ реализуется следующим образом, в зазор между втулкой 2 и валом 1 размещают исследуемый материал (набивку) 4. На свободном торце втулки 2 устанавливают грундбуксу 5, которая имеет возможность перемещаться в осевом направлении, и монтируют нажимное устройство. Затем поджимают пружину 7, фиксируют ее гайками 8, при этом создается усилие r_o на набивку, по которому расчитывают среднее радиальное давление P^*_rср, вызывающее осевые и радиальные деформации набивки. Включают электродвигатель и создаваемые им обороты, фиксируя их электрическим тахометром, при этом возникают силы трения между валом 1 и набивкой 4, обеспечивающее угловое перемещение набивки 4, втулки 2 и отклонение маятника 13 от вертикали на угол α. По результатам измерений определяют кинематический коэффициент трения в окружном направлении с учетом уточненного среднего радиального давления P^*_rср эластичного материала из соотношения:

Так как поверхность соприкосновения втулки и эластичного материала намного больше (в раз), чем поверхность соприкосновения набивки с валом, то вследствие трения, возникающего в окружном направлении, между валом и набивкой происходит поворот втулки 2 с набивкой 4 на угол α, который фиксируется через маятник 13 электронным измерителем перемещений.

При испытании применялась набивка пеньковая, в виде квадратного шнура со стороной квадрата, равной 25 мм (ГОСТ 5152-84). Вал 1 и втулка 2 выполнены из одной марки стали Ст.2. Вес маятника G 45 Н, длина маятника l 32,5 см.

Для каждого нажимного усилия r_o, создаваемого при помощи пружин 7, и для заданной скорости вращения, создаваемой электродвигателем, фиксировали: Н - длину набивки после приложения усилия ρ_o, которую измеряли при помощи штангенциркуля; α угол отклонения маятника 13 определяли по электронному измерителю перемещений; число оборотов вала n определяли по электрическому тахометру. Замеры r_o, Н, α, n проводились для различных скоростей вращения при трехкратном повторении. Результаты измерений занесены в табл.1.

Испытания установки без набивки показали, что угол отклонения маятника a не превысил одного градуса, что дает возможность не учитывать момент трения в подшипнике 3 при расчете кинематического коэффициента трения.

Для расчета кинематического коэффициента трения в окружном направлении использованы экспериментальные данные табл. 1, а также закон распределения осевого усилия r_x по текущей длине исследуемого материала
ρ_x=ρ_o·e^-mx
где ,
P_x осевое давление на единицу площади сечения набивки;
P^*_rср среднее уточненное радиальное давление набивки на единицу площади поверхности втулки.

В табл.2, 3, 4, 5, 6, 7 приведены данные испытаний.

Для уточнения расчетов величин, входящих в формулу 1, и снижения их трудоемкости были составлены программы для персональной ЭВМ, которые позволили определить P^*_rср (табл. 6) по результатам экспериментальных данных и построить графики распределения коэффициента бокового давления по длине набивки k F(x), (фиг.2) и определить по формуле 1 значение уточненного статического коэффициента трения в осевом направлении f 0,028 для данного эластичного материала.

Воспользовавшись найденными величинами уточненного среднего радиального давления P^*_rср, получим суммарную силу F_r:
где r радиус вала;
H длина эластичного материала.

При запуске двигателя моменты от сил F_r и G уравновешены:
F_r·f_к·r=G·l·sinα
f_к·P^*_rср·2π·r²·H=G·l·sinα
где l длина маятника;
α угол отклонения маятника.

Кинематический коэффициент трения f_k в окружном направлении определяем из соотношения

Результаты вычислений представлены в табл.7.

Используя ранее программу для ЭВМ, построена зависимость кинематического коэффциента трения f_k от скорости вращения вала f_k V(x) (фиг.3).

Определенный по данному способу кинематический коэффициент трения f_k позволяет определить расчетным путем потери мощностей для всех типов и размеров уплотнений из эластичных материалов без дорогостоящих экспериментальных исследований, что позволяет определить в каждом конкретном случае расчетным путем длину уплотнения из эластичного материала.

Формула изобретения

Способ определения коэффициента трения эластичного материала в окружном направлении, заключающийся в том, что между валом и втулкой, зафиксированной от осевого перемещения, размещают исследуемый материал, к свободному концу которого прикладывают нагрузку, вращают втулку, определяют усилие нажатия на исследуемый материал и его длину Н и определяют с их учетом среднее радиальное давление P_rср по длине эластичного материала, по которому определяют статический коэффициент трения эластичного материала в окружном направлении, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности путем определения не только статического, но и кинематического коэффициента трения в окружном направлении за счет учета углового перемещения исследуемого материала в окружном направлении, присоединяют к боковой поверхности втулки маятник и в процессе вращения вала определяют угол α отклонения маятника от вертикали, а кинематический коэффициент f_к трения эластичного материала в окружном направлении определяют из соотношения:

где G масса маятника;
l длина маятника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7