Способ определения коэффициента трения трущихся пар и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2785527:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Астраханский государственный технический университет, ФГБОУ ВО (АГТУ) (RU)
Изобретение относится к испытанию материалов трением. Сущность: осуществляют закрепление неподвижного образца в держателе, на неподвижный образец в ненагруженном состоянии помещают рабочее тело - волчок Томсона, рабочее тело приводят во вращение с угловой скоростью где - моменты инерции относительно основных осей симметрии, Р - вес тела, r и h - радиус кривизны и расстояние от центра масс до точки опоры, необходимой для прецессии волчка и его отклонения от вертикального положения, затем измеряют усилие, с которым ножка волчка давит на измеритель при его отклонении от вертикального положения, обрабатывают полученные сигналы, по формуле для гироскопического момента волчка определяют силу трения -
где
- гироскопический момент,
- сила трения,
- радиус вектор (расстояние) до центра тяжести волчка, затем определяют коэффициент трения
где N - нормальная реакция опоры,
- коэффициент трения. Устройство содержит неподвижный образец и держатель рабочее тело - волчок Томсона, установленный на неподвижный образец и закрепленный на двух жестких подвесах. Рабочее тело и подвесы соединены через подшипник скольжения с возможностью свободного вращения волчка в подвесе. Подвесы закреплены на корпусе устройства. Между корпусом и подвесами установлены тензодатчики, определяющие усилие от вращения рабочего тела - волчка Томсона, соединенные с компьютером. Рабочее тело соединено с пускателем, связанным с электродвигателем, пускатель имеет захват для отсоединения рабочего тела в момент начала прецессии, а на валу электродвигателя установлен тахометр. Технический результат: повышение точности измерения коэффициента трения трущейся пары. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к испытанию материалов трением, в частности к способам измерения коэффициента трения трущихся пар.
Известен способ определения коэффициента трения, заключающийся в том, что образец деформируют путем приложения к нему сжимающего усилия и измеряют параметр процесса нагружения, образовавшийся в результате деформирования, по которому судят о коэффициенте трения, отличающийся тем, что до начала деформирования на одну из поверхностей образца наносят координатную сетку, по искажению которой устанавливают параметры деформированного состояния, а коэффициент трения определяют по формуле 
- (патент РФ 2654901, 2016 г.) Однако данный способ отличается невысокой точностью.
Наиболее близким по технической сути является способ определения коэффициента трения при пластинчатой деформации, заключающийся в том, что образец с рабочей поверхностью поверхностью в виде усеченного конуса приводят во вращение вдоль оси конуса и поступательное вдоль оси конуса движения относительно контробразца с внутренней цилиндрической рабочей поверхностью, с целью снижения трудоемкости при определении коэффициента трения для различных углов конуса рабочей поверхности образца, скорость вращательно и поступательного движения образца задают из условия 
а угол конуса рабочей поверхности образца задают большим, чем максимальный из исследуемых углов β1 (а/с SU №1245955, 1986 г.). Однако данный способ имеет невысокую точность.
Технический результат - повышение точности измерения коэффициента трения трущейся пары.
Он достигается тем, что в известном способе, включающем закрепление неподвижного образца в держателе, на неподвижный образец в ненагруженном состоянии помещают рабочее тело - волчок Томсона, рабочее тело приводят во вращение с угловой скоростью 
где 
- моменты инерции относительно основных осей симметрии, Р - вес тела, r и h - радиус кривизны и расстояние от центра масс до точки опоры, необходимой для прецессии волчка и его отклонения от вертикального положения, затем измеряют усилие, с которым ножка волчка давит на измеритель при его отклонении от вертикального положения, обрабатывают полученные сигналы, по формуле для гироскопического момента волчка определяют силу трения - 
где 
- гироскопический момент, 
- сила трения, 
- радиус вектор до центра тяжести волчка, затем определяют коэффициент трения 
где N - нормальная реакция опоры, 
- коэффициент трения.
Рабочее тело помещают на образец в ненагруженном состоянии, что позволяет увеличить точность измерения коэффициента трения. Волчок Томсона выбранный в качестве рабочего тела имеет наибольший момент отклонения, что позволяет использовать его для измерения коэффициента трения.
Способ осуществляют следующим образом
Неподвижный образец закрепляют в держателе, на образец в ненагруженном состоянии помещают рабочее тело - волчок Томсона, рабочее тело, приводят во вращение с угловой скоростью 
необходимой для прецессии волчка и его отклонения от вертикального положения, затем с помощью тензометров измеряют усилие с которым ножка волчка давит на измеритель при его отклонении от вертикального положения, обрабатывают сигналы от тензометра, по формуле для гироскопического момента волчка находят силу трения - 
, затем определяют коэффициент трения для вращающегося тела 
где N - нормальная реакция опоры.
Пример 1 - измерение коэффициента трения стали: Неподвижный образец из стали закрепляют в держателе, на образец в ненагруженном состоянии помещают рабочее тело - волчок Томсона, рабочее тело, приводят во вращение с угловой скоростью 
необходимой для прецессии волчка и его отклонения от вертикального положения, затем с помощью тензодатчиков измеряют усилие с которым ножка волчка давит на измеритель при его отклонении от вертикального положения, обрабатывают сигналы от тензодатчиков, по формуле для гироскопического момента волчка находят силу трения - 
затем определяют коэффициент трения для вращающегося тела 
Испытание повторяют несколько раз для усреднения результатов эксперимента.
Пример 2 - измерение коэффициента трения композитного материала на основе пластмассы:
Образец из композитного материала закрепляют в держателе, на образец помещают рабочее тело - волчок Томсона, рабочее тело, приводят во вращение с угловой скоростью 
необходимой для прецессии волчка и его отклонения от вертикального положения, затем с помощью тензодатчиков измеряют усилие с которым ножка волчка давит на измеритель при его отклонении от вертикального положения, обрабатывают сигналы от тензодатчиков, по формуле для гироскопического момента волчка находят силу трения - 
затем определяют коэффициент трения для вращающегося тела 
Испытание повторяют несколько раз для усреднения результатов эксперимента.
Силу трения находят по следующим зависимостям:
где 
- гироскопический момент, 
- сила трения, 
- коэффициент трения, N - нормальная реакция опоры.
Система обрабатывается с помощью вычислительного устройства - компьютера.
Способ осуществляют с помощью трибометра.
Известно устройство, содержащее подвижный и неподвижный образцы, помещенные в камеру, состоящую из корпуса, в котором размещена ванночка с испытуемой жидкостью, нагрев которой обеспечивается нагревательным элементом, причем подвижный образец по поверхности неподвижного образца, жестко скрепленного с сердечником дроссельной катушки, может совершать возвратно-поступательное движение, при этом в зоне трения образцов нагрузочным устройством обеспечивается необходимая нагружающая сила (патент РФ №72069, 2007 г.). Однако данное устройство обладает низкой точностью измерений коэффициента трения из-за особенностей конструкции.
Наиболее близким по технической сути является трибометр, содержащий подвижный и неподвижный образцы, помещенные в камеру, состоящую из корпуса, в котором на постоянном магните, выполненном в форме цилиндра, размещена ванночка с испытуемой жидкостью, нагрев которой обеспечивается нагревательным элементом и регулируется контактным термометром, причем подвижный образец по поверхности неподвижного образца, прикрепленного нижней частью к постоянному магниту, может совершать возвратно-поступательное движение, при этом в зоне трения образцов нагрузочным устройством обеспечивается необходимая нагружающая сила (патент РФ №70579, 2007). Однако данное устройство обладает низкой точностью измерений коэффициента трения из-за особенностей конструкции.
Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем неподвижный образец и держатель, имеется рабочее тело, волчок Томсона, установленный в ненагруженном состоянии на неподвижном образец закрепленный на двух жестких подвесах, рабочее тело и подвесы соединены через подшипник скольжения, с возможностью свободного вращения волчка в подвесе, подвесы закреплены на корпусе устройства, между корпусом и подвесами установлены тензодатчики, соединенные с компьютером, определяющие усилие от вращения волчка Томсона, рабочее тело соединено с пускателем, связанным с электродвигателем, пускатель имеет захват для отсоединения рабочего тела в момент начала прецессии, а на валу электродвигателя установлен тахометр.
В данном устройство тензодачтики позволяют измерить величину усилия от гироскопического момента вращения волчка и найти коэффициент трения неподвижного образца. Захват на пускателе позволяет отсоединить рабочее тело при раскрутке до нужных оборотов по сигналу от тахометра, что позволяет снизить погрешность измерения в данном устройстве.
На чертеже схематично изображено предлагаемое устройство -трибометр для измерения коэффициента трения трущихся пар:
фиг. 1 - общий вид
Устройство содержит корпус 1, неподвижный образец 2 расположенный в нижней части корпуса 1, рабочее тело 3, представляющее собой волчок Томсона, расположенное на неподвижном образце 2, пускатель 4, соединенный с электродвигателем 5 и рабочим телом 3 с помощью захвата 6, на валу электродвигателя 5 имеется тахометр 7, подвесы 8, соединенные с рабочим телом 3 через подшипник скольжения 9, тензодатчики 10, установленные внутри корпуса 1 и соединенные с компьютером 11.
Устройство работает следующим образом.
Рабочее тело 3 помещают на неподвижный образец 2. Затем рабочее тело раскручивают до оборотов начала прецессии с помощью электродвигателя 5 через пускатель 4, обороты регулируют с помощью тахометра 7. Затем рабочее тело 3 отсоединяют от пускателя 4 с помощью захвата 6. Рабочее тело 3, вращаясь на неподвижном образце 2 давит на тензодатчики 10 через подвесы 8. Сигнал от тензодатчиков 10 поступает в компьютер 11, где обрабатывается, после чего рассчитывается коэффициент трения.
Положительный эффект - предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют повысить точность измерения коэффициента трения трущихся пар и применить его для разных материалов, а также определять коэффициент трения трущихся пар с повышенной точностью за счет улучшения конструкции.
1. Способ измерения коэффициента трения трущихся пар, включающий закрепление неподвижного образца в держателе, отличающийся тем, что на неподвижный образец в ненагруженном состоянии помещают рабочее тело – волчок Томсона, рабочее тело приводят во вращение с угловой скоростью 
где Jx, Jz – моменты инерции относительно основных осей симметрии, Р – вес тела, r и h – радиус кривизны и расстояние от центра масс до точки опоры, необходимой для прецессии волчка и его отклонения от вертикального положения, затем измеряют усилие, с которым ножка волчка давит на измеритель при его отклонении от вертикального положения, обрабатывают полученные сигналы, по формуле для гироскопического момента волчка определяют силу трения - 
где 
– гироскопический момент, 
– сила трения, 
– радиус вектор (расстояние) до центра тяжести волчка, затем определяют коэффициент трения 
где N – нормальная реакция опоры, 
– коэффициент трения.
2. Устройство для измерения коэффициента трения трущихся пар для осуществления способа по п. 1, содержащее неподвижный образец и держатель, отличающееся тем, что имеется рабочее тело – волчок Томсона, установленный на неподвижный образец и закреплённый на двух жёстких подвесах, рабочее тело и подвесы соединены через подшипник скольжения с возможностью свободного вращения волчка в подвесе, подвесы закреплены на корпусе устройства, между корпусом и подвесами установлены тензодатчики, определяющие усилие от вращения волчка Томсона, соединённые с компьютером, рабочее тело соединено с пускателем, связанным с электродвигателем, пускатель имеет захват для отсоединения рабочего тела в момент начала прецессии, а на валу электродвигателя установлен тахометр.
