СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ МЕЖДУ ДВУМЯ ПОДВИЖНЫМИ ОБРАЗЦАМИ Российский патент 2015 года по МПК G01N19/02 

Описание патента на изобретение RU2545073C2

Изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению динамического коэффициента трения при взаимном перемещении образцов.

Известны способы определения динамического коэффициента внешнего трения, состоящие в измерении силы трения на образцах при их взаимном перемещении. Недостатком таких способов является необходимость применения силоизмерительных механизмов, усложняющих применяемые устройства.

Существуют способы и устройства, позволяющие исключить измерение силы трения. Например, распространен способ определения статического коэффициента внешнего трения путем измерения угла наклона φ относительно горизонтальной плоскости двух образцов, расположенных один на другом, в момент начала скольжения одного образца относительно другого, с расчетом коэффициента m внешнего трения по формуле m=tgφ [патент США №3020744, кл. 73-9, кл. G01N 19/02, 1962]. Известен способ определения динамического коэффициента внешнего трения скольжения при наклоне двух образцов, нижний из которых, имеющий форму диска, приводят во вращение вокруг своей оси и постепенно наклоняют относительно горизонта, а верхний образец удерживают в том месте диска, где его линейная скорость направлена вверх по уклону, при этом коэффициент трения определяют, используя ту же формулу, по текущему значению угла наклона φ в тот момент, когда верхний образец начинает соскальзывать вниз [патент РФ №2458336, кл. G01N 19/02, опубл. 10.08.2012].

Недостатком рассмотренных способов определения коэффициента трения является погрешность определения угла трения, выполняемого при изменении угла наклона образцов. С одной стороны, вследствие инерционности системы, момент начала соскальзывания образца определяется с погрешностью. С другой стороны, результат эксперимента проявляется одномоментно, для набора статистических данных требуются приведение системы в исходное положение и повторение опытов.

Известен также выбранный в качестве прототипа способ определения динамического коэффициента внешнего трения между двумя расположенными друг на друге и совершающими относительное перемещение образцами, нижний из которых располагают с некоторым фиксированным в опыте углом наклона φ относительно горизонтального положения, а верхний образец подвешивают с помощью шарнирной связи и перемещают относительно нижнего по горизонтали до образования установившегося угла α между шарнирной связью и направлением перемещения, при этом динамический внешний коэффициент трения определяют по формуле m = t g ϕ t g α [патент РФ №2444000, кл. G01N 19/02, опубл. 27.02.2012]. К достоинствам данного способа, помимо отсутствия необходимости измерения сил, относится достижение в процессе опыта устойчивого состояния системы, однозначно определяющего величину коэффициента трения. Недостатком способа является ограничение пути относительного перемещения системы габаритами образцов. При ограниченном пути перемещения для достижения установившегося состояния системы требуются повторные опыты с целью последовательного достижения установившегося угла α между шарнирной связью и направлением перемещения. По этой же причине скорость относительного перемещения образцов ограничивается весьма низкими значениями.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является возможность непрерывного и точного определения динамического коэффициента внешнего трения, а также оценки его вариации при изменении скорости относительного перемещения образцов, с измерением только геометрических параметров системы, без определения силы трения.

Технический результат достигается тем, что для определения динамического коэффициента внешнего трения используются два образца, расположенных друг на друге и имеющих возможность наклоняться относительно горизонта на некоторый угол φ, величина которого в ходе опыта остается неизменной. Нижний образец приводят во вращение вокруг оси, перпендикулярной его плоской рабочей поверхности, а центр опорной поверхности верхнего образца совмещают с одной из точек на поверхности нижнего, где скорость последнего направлена горизонтально, т.е. на линии наибольшего ската, проходящей через ось вращения. При этом верхний образец удерживают с помощью шарнирной связи, имеющей возможность свободного поворота в плоскости, параллельной поверхности нижнего образца. Для придания верхнему образцу необходимого положения регулируют положение точки подвески шарнирной связи или длину шарнирной связи. После достижения заданного стабильного положения образца определяют установившийся при этом угол α между шарнирной связью и проходящей через точку ее подвески горизонталью, после чего определяют динамический внешний коэффициент трения по формуле m = t g ϕ t g α .

На фиг.1 показан пример исполнения устройства для реализации предлагаемого способа определения динамического коэффициента внешнего трения с двумя подвижными образцами, на фиг.2 показана схема движения образца и действующих при этом усилий в плоскости вращающегося образца, где: 1 - нижний образец; 2 - верхний образец; 3 - шарнирная связь; 4 - точка подвески шарнирной связи.

Нижний образец 1 наклоняют относительно горизонта с некоторым углом φ и приводят во вращение вокруг оси, перпендикулярной его плоской рабочей поверхности, в связи с чем предпочтительно изготовление нижнего образца 1 в форме диска. На рабочую поверхность нижнего образца 1 устанавливают верхний образец 2, который удерживают от вращения под воздействием нижнего образца 1 при помощи шарнирной связи 3. Шарнирная связь 3 имеет возможность свободного поворота относительно точки подвески 4 в плоскости, параллельной поверхности нижнего образца 1. Удерживаемый шарнирной связью 3 верхний образец 2 занимает на поверхности вращающегося нижнего образца 1 некоторое положение, при котором все действующие на верхний образец 2 силы уравновешиваются. Изменяя положение точки подвески 4 или длину шарнирной связи 3, приводят верхний образец 2 в такое положение, чтобы направленный через его центр массы вектор силы тяжести проходил через точку рабочей поверхности нижнего образца 1, в которой вектор линейной скорости направлен горизонтально. Такие точки расположены на линии наибольшего ската, проходящей через ось вращения нижнего образца 1. В случае правильной формы верхнего образца это условие обеспечивается при совмещении с линией наибольшего ската центра его опорной поверхности.

Определение динамического коэффициента внешнего трения по предлагаемому способу заключается в следующем. При достигнутом стабильном положении верхнего образца 2 шарнирная связь 3 принимает положение, определяемое некоторым углом α относительно горизонтали, проходящей через точку поворота шарнирной связи 4. Условием стабильного положения верхнего образца 2 является равновесие действующих на него сил. В плоскости, перпендикулярной вектору линейной скорости (фиг.1), сила тяжести G образца 2 может быть представлена как геометрическая сумма двух сил: силы нормального давления GN образца 2 на образец 1 и тангенциальной к поверхности нижнего образца 1 скатывающей силы Gφ. Обе составляющие зависят от угла наклона системы φ:

GN=G·cosφ

Gφ=G·sinφ.

Между образцами 1 и 2 возникает сила трения Fтр вследствие вращения нижнего образца 1, совпадающая с вектором его линейной скорости, направленным горизонтально. Сила трения Fтр пропорциональна силе нормального давления GN и динамическому коэффициенту трения m:

Fтр=GN·m=G·cosφ·m.

Из рассмотренной совокупности сил в плоскости рабочей поверхности на верхний образец 2 действуют сила трения Fтр и скатывающая сила Gφ, образующие геометрическим суммированием равнодействующую F. Равнодействующая F уравновешивается реакцией шарнирной связи 3. Вектор реакции шарнирной связи 3, в соответствии с законами механики, совпадает с ее направлением. Таким образом, условие равновесия имеет вид

t g α = G ϕ F т р = G sin ϕ G cos ϕ m = t g ϕ m .

На основании полученного условия равновесия системы определяется коэффициент трения между образцами 7 и 2 в зависимости от установившегося угла α наклона шарнирной связи 3 с учетом величины угла наклона φ образцов:

m = t g ϕ t g α .

С точкой опоры шарнирной связи 3 совмещают начало координат угловой шкалы для отсчета угла α. Возможно применение как угловой, так и специальной шкалы, на которой вместо значений угла α проставлены соответствующие значения коэффициента трения m. Для этого в требуемой дискретности должен быть произведен предварительный пересчет угловых координат для ряда последовательных величин m в соответствии с формулой, полученной из предыдущего выражения

α = a r c t g t g ϕ m .

Естественно, что такая шкала применима только при конкретном значении угла наклона образцов φ, поэтому при перемене угла наклона используют сменные шкалы. Можно также использовать электронный датчик угла поворота α с логическим устройством для автоматического вычисления коэффициента трения m с учетом полученного значения α и установленной величины угла наклона φ, при этом обеспечивается непосредственная индикация величины коэффициента трения на цифровом табло.

При исследовании различных пар материалов, когда коэффициент трения измеряется в широких пределах, целесообразна оптимизация угла наклона платформы φ. Если наклон платформы не менять, при больших коэффициентах трения угол α может быть весьма малым, а при малых значениях коэффициента трения будет стремиться к 90°. В подобных экстремальных случаях погрешность определения коэффициента трения увеличивается. Погрешность опыта минимальна при углах α, близких к 45°, что, в соответствии с вышеприведенным выражением, при известном приближенном или предварительно определенном значении m легко обеспечивается выполнением условия

ϕ a r c t g t g 45 o m .

Достоинством предлагаемого способа экспериментального определения динамического коэффициента внешнего трения является фиксация искомого значения коэффициента трения в процессе проведения опыта, что позволяет наблюдение его в течение продолжительного времени, оценивая стабильность или пределы вариации. Изменяя частоту вращения нижнего образца, можно оценивать вариацию динамического коэффициента внешнего трения в широком диапазоне скоростей относительного перемещения образцов.

Похожие патенты RU2545073C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ 2010
  • Иванов Алексей Александрович
  • Сысоев Николай Яковлевич
  • Гостев Владимир Николаевич
RU2444000C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ СФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ 2014
  • Иванов Алексей Александрович
  • Сысоев Николай Яковлевич
  • Гостев Владимир Николаевич
  • Крылов Иван Михайлович
RU2565359C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО И ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТОВ ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ 2013
  • Иванов Алексей Александрович
  • Сысоев Николай Яковлевич
  • Гостев Владимир Николаевич
  • Крылов Иван Михайлович
RU2537745C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ 2015
  • Иванов Алексей Александрович
  • Гостев Владимир Николаевич
  • Крылов Иван Михайлович
RU2589955C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ С УДЕРЖАНИЕМ ОБРАЗЦА НА НАКЛОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ 2014
  • Иванов Алексей Александрович
  • Сысоев Николай Яковлевич
  • Гостев Владимир Николаевич
  • Крылов Иван Михайлович
RU2563904C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ 2021
  • Иванов Алексей Александрович
  • Гостев Владимир Николаевич
  • Коршунов Михаил Дмитриевич
RU2778049C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ 2021
  • Иванов Алексей Александрович
  • Гостев Владимир Николаевич
  • Коршунов Михаил Дмитриевич
RU2754204C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ И ПОКОЯ 2017
  • Иванов Алексей Александрович
  • Гостев Владимир Николаевич
  • Крылов Иван Михайлович
RU2672809C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ 2017
  • Иванов Алексей Александрович
  • Гостев Владимир Николаевич
  • Крылов Иван Михайлович
RU2677110C1
СТЕЛЬКА С АНТИФРЕТТИНГОВЫМИ СВОЙСТВАМИ 2013
  • Александров Сергей Петрович
  • Шмелева Яна Андреевна
  • Жуковская Татьяна Владимировна
RU2546447C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 545 073 C2

Реферат патента 2015 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ МЕЖДУ ДВУМЯ ПОДВИЖНЫМИ ОБРАЗЦАМИ

Изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению динамического коэффициента трения при взаимном перемещении образцов. Сущность: нижний образец наклоняют относительно горизонта с некоторым углом φ, верхний образец устанавливают на рабочую поверхность нижнего, удерживают при помощи шарнирной связи, имеющей возможность свободного поворота относительно точки подвески в плоскости, параллельной поверхности нижнего образца, организуют относительное перемещение образцов в горизонтальном направлении, измеряют установившийся при этом угол α поворота шарнирной связи и определяют динамический внешний коэффициент трения по формуле m = t g ϕ t g α . Нижний образец выполняют в виде диска, приводят во вращение вокруг оси, перпендикулярной его плоской рабочей поверхности. Перемещением точки подвески шарнирной связи или изменением ее длины приводят верхний образец в положение, при котором проходящий через его центр массы вектор силы тяжести пересекает линию наибольшего ската на поверхности нижнего образца, проходящую через ось его вращения. Технический результат: возможность непрерывного и точного определения динамического коэффициента внешнего трения, а также оценки его вариации при изменении скорости относительного перемещения образцов, с измерением только геометрических параметров системы, без определения силы трения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 545 073 C2

1. Способ определения динамического коэффициента внешнего трения между двумя расположенными друг на друге образцами, нижний из которых наклоняют относительно горизонта с некоторым углом φ, верхний образец устанавливают на рабочую поверхность нижнего, удерживают при помощи шарнирной связи, имеющей возможность свободного поворота относительно точки подвески в плоскости, параллельной поверхности нижнего образца, организуют относительное перемещение образцов в горизонтальном направлении, измеряют установившийся при этом угол α поворота шарнирной связи и определяют динамический внешний коэффициент трения по формуле m = t g ϕ t g α , отличающийся тем, что нижний образец выполняют в виде диска, приводят во вращение вокруг оси, перпендикулярной его плоской рабочей поверхности, и перемещением точки подвески шарнирной связи или изменением ее длины приводят верхний образец в положение, при котором проходящий через его центр массы вектор силы тяжести пересекает линию наибольшего ската на поверхности нижнего образца, проходящую через ось его вращения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нижний образец выполнен в виде диска.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2545073C2

СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ 2010
  • Иванов Алексей Александрович
  • Сысоев Николай Яковлевич
  • Гостев Владимир Николаевич
RU2444000C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВНЕШНЕГО ТРЕНИЯ 2011
  • Иванов Алексей Александрович
  • Сысоев Николай Яковлевич
  • Гостев Владимир Николаевич
RU2458336C1
Устройство для определения коэффициента трения плоских образцов материала 1990
  • Шендрик Станислав Владиславович
  • Тимофеев Анатолий Трофимович
  • Ватолин Валентин Владимирович
  • Крячков Михаил Анатольевич
  • Дулькин Игорь Иосифович
  • Шитов Сергей Леонидович
  • Козлов Дмитрий Андреевич
  • Гадуашвили Владимир Михайлович
  • Елецкая Вера Константиновна
SU1718050A1
JP 2007127551 A 24.05.2007

RU 2 545 073 C2

Авторы

Иванов Алексей Александрович

Сысоев Николай Яковлевич

Гостев Владимир Николаевич

Крылов Иван Михайлович

Даты

2015-03-27Публикация

2013-07-23Подача