Способ определения коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях
Владельцы патента RU 2491531:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)
Изобретение относится к области исследований и физических измерений. Сущность: одну неподвижную деталь фрикционной пары, выполняющую функцию демпфера, прижимают с варьируемым регулируемым усилием к другой подвижной детали этой пары, совершающей на резонансной частоте быстро осцилирующее перемещение с одним свободным и другим закрепленным противоположным концом. Регистрируют вибронапряжения подвижной детали, изменяющиеся при взаимодействии деталей фрикционной пары соответственно рассеиванию энергии колебаний из-за сухого трения между деталями. Оцифрованную запись сигнала фильтруют от помех и формируют экспериментальную зависимость отфильтрованных вибронапряжений от усилий прижатия. Сравнивают значения экспериментальной зависимости с расчетными, полученными по модели конечно-элементным анализом, при значениях соответственного варианта усилий прижатия. Перебирают значения коэффициента расчетной зависимости и определяют коэффициент сухого трения как значение коэффициента, при котором расчетное вибронапряжение максимально приближено к экспериментальному значению для данного усилия прижатия. Технический результат: повышение достоверности определения коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях. 7 ил.
Изобретение относится к области исследований и физических измерений, а более точно касается способа определения коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях.
Надежное определение коэффициентов сухого трения (кинематических коэффициентов трения без смазки) является важной и актуальной задачей машиностроения, поскольку позволяет повысить достоверность расчетов исследования конструкционного демпфирования деталей машин путем введения специальных устройств, а также при исследовании прочности узлов подвижных соединений. При работе некоторых контактирующих деталей (например, рабочих лопаток турбомашин с демпферами) исключается возможность использования смазки, что приводит к условиям сухого трения.
Коэффициент трения является условной характеристикой, отражающей связь между усилием прижатия контактирующих поверхностей и возникающей при их относительном сдвиге силой трения при конкретных условиях испытаний.
Известны различные способы определения коэффициентов трения между контактирующими поверхностями деталей.
Известен способ определения коэффициента трения между пластически деформируемым материалом и инструментом (патент РФ №2429464, опубл. 20.03.2011). Способ заключается в предварительном расчете напряженно-деформированного состояния инструмента и образца с учетом свойств материалов, геометрических размеров и температуры нагрева, построении но полученным расчетным данным диаграммы технологического процесса «технологический параметр-коэффициент трения», определении на том же технологическом процессе технологического параметра, соответствующего реальному состоянию поверхностей инструмента, образца и используемою смазочного материала. По полученной ранее диаграмме определяют коэффициент трения, соответствующий экспериментально полученному значению технологического параметра. В качестве технологического параметра используют длину отростка образца, полученного в процессе вылавливания в полости открытого штампа. При расчете напряженно-деформированного состояния инструмента и образца учитывают температуры их нагрева.
Известен способ определения коэффициента трения между инструментом и заготовкой при пластическом деформировании металлов (патент РФ №2251680, опуб. 2005). Предварительно рассчитывают напряженно-деформированное состояние инструмента и заготовки с учетом их материала и геометрических размеров, по полученным расчетным данным строя диаграмму «сила деформирования - коэффициент трения» технологического процесса пластического деформирования. Затем на этом же технологическом процессе экспериментально определяют силу деформирования, соответствующую реальному состоянию поверхностей инструмента и заготовки и используемому смазочному материалу, и по диаграмме «сила деформирования - коэффициент трения» определяют коэффициент трения, соответствующий экспериментально полученному значению силы деформирования.
Известен способ управления фрикционным взаимодействием пар трения (патент РФ №2374628, опуб. 2009), заключающийся в том, что пару трения, в зоне контакта которой хотя бы одно из тел обладает анизотропией физико-механических свойств поверхностного слоя, с известным расположением осей скольжения, приводят в контакт под действием нормальной силы, устанавливают исходную взаимную ориентацию осей скольжения пары трения задают при помощи привода движения необходимое относительное в процессе относительного движения пары трения, вычисляют величину силы сопротивления, на основе которой осуществляют управление взаимной ориентацией осей скольжения пары трения в соответствии с заданной целевой функцией в диапазоне регулирования между точками экстремумов (min и мах) силы сопротивления для данной контактной пары.
Данный способ может быть использован как для регулирования силы сопротивления по одной из координат, например, в направлении, обратом направлению движения пары трения для поступательного движения пары трения или силы, действующей ортогонально направлению главного движения пары трения, так и для регулирования сил сопротивления с учетом полного вектора сил трения.
Известен способ определения коэффициента трения гибких тел (патент РФ №2420727). Способ заключается в том, что пару трения приводят в контакт и осуществляют перемещение гибкого тела относительно контртела. Затем фиксируют силу скольжения. Контртело устанавливают на плавающую платформу, помещаемую в емкость с жидкостью, предварительно измерив ее уровень. При последующем перемещении гибкого тела измеряют силу трения скольжения и уровень жидкости в динамическом режиме. Коэффициент трения определяют по формуле, включающей измеренные величины.
Однако известные технические решения не позволяют исследовать и определить коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях.
Известна работа, посвященная проблеме определения коэффициентов трения [C.W. Schwingshakl, E.P. Petrov, D.J. Ewins. Validation of test rig measurements and prediction tools for friction interface modelling. Proc. of ASME Turbo Expo 2010, GT2010-23274] (пер. Проверка достоверности стенда испытаний измерительных устройств и инструментов для моделирования поверхности трения. Просп. АСМЕ Турбо Экспо, ЖТ2010-23274), где исследовался коэффициентов трения в условиях осциллирующего движения двух экспериментальных образцов из одинаковых материалов, возбуждение проводилось на специальном стенде в диапазоне 40-290 Гц, коэффициенты трения определялись при различном уровне силового возбуждения по ширине петли гистерезиса (при нормальном уровне контакт был «схвачен» - характеризуется острым пиком, при увеличении силы возбуждения проявлялось скольжение - пик становится растянут).
Однако данная работа в данной постановке эксперимента не позволяет достоверно определить коэффициент сухого трения фрикционных пар при их быстро осциллирующих перемещениях, в частности, при сухом трении наружных поверхностей колеблющейся лопатки авиадвигателя и демпфирующего устройства.
В основу изобретения положена задача создания способа, позволяющего определить коэффициент сухого трения фрикционных пар при их быстро осциллирующих перемещениях, возникающих, например, при сухом трении наружных поверхностей колеблющейся лопатки двигателя и демпфирующего устройства.
Техническим результатом является повышение достоверности определения коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях.
Поставленная задача решается тем, что в предложенном способе определения коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях, одну неподвижную деталь фрикционной пары, выполняющую функцию демпфера, прижимают с варьируемым регулируемым усилием к другой подвижной детали этой пары, совершающей на резонансной частоте быстро осцилирующее перемещение с одним свободным и другим закрепленным противоположным концом, регистрируют вибронапряжения подвижной детали, изменяющиеся при взаимодействии деталей фрикционной пары соответственно рассеиванию энергии колебаний из-за сухого трения между деталями, оцифрованную запись сигнала фильтруют от помех и формируют экспериментальную зависимость отфильтрованных вибронапряжений от усилий прижатия, сравнивают значения экспериментальной зависимости с расчетными, полученными по модели конечно-элементным анализом при значениях соответственного варианта усилий прижатия, при этом перебирают значения коэффициента расчетной зависимости и определяют коэффициент сухого трения как значение коэффициента, при котором расчетное вибронапряжение максимально приближено к экспериментальному значению для данного усилия прижатия.
В дальнейшем способ поясняется описанием и фигурами, на которых изображено:
фиг.1. - принципиальная схема устройства взаимодействия пары трения;
фиг.2. - принципиальная схема установки деталей фрикционной пары в устройстве;
фиг.3 - график экспериментальной зависимости вибронапряжений σ от усилий прижатия F, (в ньютонах N) при быстро осциллирующих перемещениях;
фиг.4 - совмещенные графики экспериментальной зависимости фиг.3 и расчетных (пунктирные линии А, В, С) при различных значениях коэффициента сухого трения;
фиг.5 - достижение совпадения графиков экспериментальной и расчетной зависимостей;
фиг.6 - график коэффициента сухого трения µ в зависимости от усилий прижатия F, N, определенный согласно изобретению.
фиг.7 - иллюстрация достоверности определения коэффициента сухого трения по способу, согласно изобретению.
Способ согласно изобретению описан на примере контактного взаимодействия фрикционной пары в виде совершающей быстро осциллирующие перемещения колеблющейся пластины и неподвижно закрепленной упругой балки, выполняющей функцию демпфера, с помощью устройства, показанного на фиг.1 и фиг.2.
Устройство содержит подвижную плиту 1 вибратора, на которой расположены толкатель 2, в котором одним концом заделан (закреплен) плоский образец - подвижная деталь пластина 6 фрикционной пары, при осуществлении способа совершающая резонансные колебания, и закрепленная в рамке толкателя 2 винтом 4. На плите 1 расположена также неподвижная деталь фрикционной пары - балка 3.
Контроль уровня переменных вибронапряжений, возникающих при быстро осциллирующих перемещениях пластины 6 при резонансных колебаниях, производят с помощью тензорезистора (не показан), наклееного на пластину 6 на выбранном расстоянии от конца 5 заделки и связанного для регистрации переменных вибронапряжений с прибором тензорезистра, например, МПС-300, (не показан) и вольтметром (для визуальной регистрации, не показан). Указанные приборы являются серийными изделиями, предназначенными для контроля испытаний в промышленности, и в заявке не приводятся.
Начальную регулировку балки 3 относительно торцевой поверхности пластины 6 проводят с помощью поворота и перемещения подвижной штанги 7 путем ослабления винтов 8 муфты 9. При касании балки 3 торцевой поверхности пластины 6 винты 8 зажимают и штанга 7 вместе с балкой 3 фиксируется неподвижно. Данная компоновка деталей на вибростенде соответствует отсутствию прижатия балки 3 к пластине 6.
Способ осуществляют следующим образом:
Прижимают балку 3 к пластине 6 винтом 8 с усилием прижатия, измеряемым по показаниям динамометра (под «усилием прижатия» понимаются показания динамометра). Возбуждают колебания пластины 6 вибратором на резонансной частоте. Пластина 6 совершает быстро осциллирующие перемещения. В фрикционной паре - между неподвижной деталью фрикционной пары балкой 3, выполняющей функцию демпфера, и подвижной деталью пластиной 6 - возникает сухое трение, которое контролируют регистрируя вибронапряжения с помощью прибора тензорезистора, и визуально по показаниям вольтметра.
Варьируют прижатие и повторяют эксперимент несколько раз, например, отраженный на фиг.3 эксперимент проводили с 4 вариантами усилий прижатия, которые составляли 10, 20, 30 и 40 N.
При увеличении усилий прижатия балки 3 к торцевой поверхности колеблющейся на резонансной частоте пластины 6 происходит снижение вибронапряжений за счет возникших при контакте тел сил сухого трения, при этом показания тензорезистора регистрируют снижения вибронапряжений.
Это может объяснено тем, что возникающие при контакте деталей силы трения, характеризующие коэффициент трения между контактирующими поверхностями, рассеивают энергию механических колебаний и снижают резонансные вибронапряжения в колеблющейся детали.
Полученную в экспериментах запись сигналов оцифровывают и фильтруют от помех. Фурье-преобразованием определяют действующие амплитуды напряжений в зависимости от усилий прижатия демпфера.
Затем по отфильтрованной записи сигнала аппрокисмацией экспериментальных точек строят график экспериментальной зависимости вибронапряжений от усилий прижатия (кривая фиг.3) На фиг.3 видно снижение уровня вибронапряжений σ от действующих усилий прижатия 10, 20, 30 и 40 N.
Полученная кривая, (фиг.3) является исходной для последующего определения коэффициентов трения расчетным путем по модели расчетной зависимости вибронапряжений от усилий прижатия в форме программы, считываемой компьютером с командами, которые при их выполнении вызывают выбор значения коэффициента для определения коэффициента сухого трения конечно-элементным анализом.
Для формирования расчетной зависимости вибронапряжений от усилий прижатия строят конечно-элементную (КЭ) модель системы «пластина-балка (демпфер)». Для этого предварительно определяют необходимый уровень возбуждения и присутствующего вязкого демпфирования в системе (по показаниям тензорезистора при возбуждении резонансных колебаний без прижатия балки) с помощью решения задачи линейного частотного отклика. После этого проводят расчеты вынужденных колебаний системы «образец-балка» с варьируемыми значениями коэффициента трения при тех же прижимающих усилиях, как и в эксперименте - в примере 10, 20, 30 и 40 H.
Сопоставление результата расчетов и экспериментов при прижатии балки к пластине приведено на фиг.4, где сплошная линия (кривая D) соответствует экспериментальной кривой по фиг.3, а штриховые линии относятся к разным расчетным кинематическим коэффициентам сухого трения между пластиной и балкой: нижняя (кривая С) - коэффициенту 0.35, верхняя (кривая А) - коэффициенту 0.1. Кривая В соответствует коэффициенту 0.2. Из фиг.4 видно, что для исследованной частоты колебаний и принятых условий линейно-вязкого внутреннего трения в материале элементов системы коэффициент сухого трения µ лежит в пределах 0.2-0.35.
Задав область поиска коэффициента трения системы 0.2≤µk≤0.35, по вышеуказанной модели уточняют его значения на каждом фиксированном усилии поджатия (в примере варианты усилия - 10, 20, 30 и 40 H) метолом перебора так, чтобы точки расчетной и экспериментальной кривой зависимости вибронапряжений от усилия прижатия балки к пластине при значениях соответствующего варианта усилия совпали. Для данной системы «пластина-балка» при определенных значениях коэффициента µ совпадение расчетной и экспериментальной кривой приведено на фиг.5. Сплошная кривая на фиг.5 соответствует экспериментальной кривой, пунктирная линия соответствует результатам уточненного расчета при определенных значениях коэффициента µ. Характер изменения коэффициента сухого трения µ в зависимое) и от значений усилий прижатия приведен на фиг.6.
Дополнительную проверку правильности определения коэффициентов трения проводят по результатам испытаний при прижатии балки уже на другом выбранном расстоянии, см. фиг.7. Сплошная линия на фиг.7 соответствует результатам испытаний, пунктирная - расчетам при уже определенных коэффициентах трения. Удовлетворительное визуальное совпадение указывает на правильное, достоверное определение µ.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает достоверность определения коэффициентов сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях.
Предлагаемое изобретение может быть использовано для определения коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях. Определенный таким способом коэффициент сухого трения повышает достоверность расчетов при исследования конструкционною демпфирования колебаний деталей машин с помощью специальных устройств, например, задач конструкционного демпфирования лопаток ГТД с помощью специальных демпфирующих устройств, а также исследовании прочности узлов подвижных соединений, трения деталей авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), работающих в условиях быстрой осцилляции и с заданными условиями механической обработки контактирующих поверхностей.
Способ определения коэффициента сухого трения фрикционных пар при быстро осциллирующих перемещениях, заключающийся в том, что одну неподвижную деталь фрикционной пары, выполняющую функцию демпфера, прижимают с варьируемым регулируемым усилием к другой подвижной детали этой пары, совершающей на резонансной частоте быстро осциллирующее перемещение с одним свободным и другим закрепленным противоположным концом, регистрируют вибронапряжения подвижной детали, изменяющиеся при взаимодействии деталей фрикционной пары соответственно рассеиванию энергии колебаний из-за сухого трения между деталями, оцифрованную запись сигнала фильтруют от помех и формируют экспериментальную зависимость отфильтрованных вибронапряжений от усилий прижатия, сравнивают значения экспериментальной зависимости с расчетными, полученными по модели конечно-элементным анализом, при значениях соответственного варианта усилий прижатия, при этом перебирают значения коэффициента расчетной зависимости и определяют коэффициент сухого трения как значение коэффициента, при котором расчетное вибронапряжение максимально приближено к экспериментальному значению для данного усилия прижатия.
