СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ КОЭФФИЦИЕНТАМИ ТРЕНИЯ ПОКОЯ И ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ ФРИКЦИОННОЙ ПАРЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01N19/02 

Изобретение относится к экспериментально-теоретическому определению фрикционных характеристик пары трения.

Широко известны способы определения коэффициентов трения покоя и трения скольжения фрикционной пары [1-3]. При этом под коэффициентом трения подразумевают отношение касательной силы трения, необходимой для перемещения одного тела относительно другого, к величине нормальной силы, действующей в паре трения.

Триботехническими исследованиями [1-3 и др.] установлено, что для одной и той же фрикционной пары величина коэффициента f_mpП трения покоя существенно превышает значение коэффициента f_mpСK трения скольжения. Величины данных коэффициентов определяются следующими зависимостями:

где F_mpП - максимальная сила трения, возникающая в момент страгивания одного тела относительно другого, Н;

G - нормальная сила в паре трения, Н.

где F_mpСK - сила трения, возникающая при установившемся движении одного тела по поверхности другого, Н.

Традиционно для определения каждого коэффициента трения выполняются два независимых исследования. При определении f_mpСК проблем не возникает, так как значение величины F_mpCK - хорошо регистрируется измерительным прибором ввиду достаточно высокой стабильности процесса скольжения одного тела по поверхности другого. При определении же величины F_mpП необходимо фиксировать ее максимальное значение в момент начала движения (момент «срыва») тела относительно поверхности другого. Ввиду скоротечности этого процесса фиксация достоверного значения искомой величины представляет определенную сложность.

Соотношение между этими коэффициентами до настоящего времени устанавливали только расчетом как результат указанных двух независимых исследований [1-3 и др.]

Новизна и принципиальное отличие предлагаемого способа от традиционного заключаются в том, что он позволяет с высокой точностью получить данное соотношение экспериментально в процессе одного опыта. Ввиду одномоментности фиксации сил трения покоя и сил трения скольжения при абсолютно одинаковых внешних условиях повышается достоверность результата исследований. Далее на основе установленного экспериментально значения С при необходимости можно вычислить и достоверное значение коэффициента трения покоя из соотношения f_mpП=С·f_mpCK, где значение f_mpCK предварительно получено в результате традиционного эксперимента при установившемся движении элементов пары трения.

Метод исследования

Целью исследований является установление соотношения С коэффициентов трения фрикционной пары, состоящей из материалов А и Б, в процессе одного эксперимента.

Суть методики исследования заключается в том, что образец из материала А в виде бруса 1 прямоугольного сечения длиной, равной L, располагают на двух опорах 2 и 3, изготовленных из материала Б (фиг. 1). Изначально эти опоры контактируют с концами бруса 1. В таком случае возникающие на опорах реакции F₁ и F₂ равны половине силы тяжести G бруса 1: F₁=F₂=G/2.

Затем с помощью специального устройства заставляют опоры 2 и 3 перемещаться навстречу друг другу. При этом искусственно (см. ниже) обеспечивают на опоре 3 состояние «срыва» и переход на режим скольжения, в то время как опора 2 за счет сил трения покоя остается в постоянном сцеплении с брусом 1 и перемещается совместно с ним как единое целое.

Поскольку сила трения покоя F_mpП, возникающая на опоре 2, при условии F₁=F₂ больше F_mpCK, то система 1-2 как единое целое перемещается относительно опоры 3. Такое взаимное перемещение тел приводит к изменению значений реакций F₁=F₂ и на опорах. А именно реакция F₂ по мере движения системы растет, а реакция F пропорционально уменьшается (закономерность этого изменения представлена ниже). Следовательно, и величина F_mpCK на опоре 3 постепенно увеличивается, a F_mpП на опоре 2 убывает. Как только обе величины сравняются, движение бруса 1 относительно опоры 3 прекращается и в контакте последних двух тел устанавливается трение покоя, а при дальнейшем сближении опор 2, 3 и продолжающемся уменьшении величины реакции F возникает скольжение бруса 1, но уже в обратном направлении, т.е. относительно опоры 2.

Задача эксперимента: зафиксировать начало остановки движения бруса 1 относительно опоры 3, когда сила трения покоя на опоре 2 становится равной силе трения скольжения на опоре 3.

Теоретическое обоснование способа

Установим закономерность изменения реакций на опорах в зависимости от перемещения опоры 3 относительно бруса 1.

Итак, в начальный момент опора 2 неподвижна относительно бруса 1, а опора 3 скользит вдоль него. При этом движении опора 3 имеет два граничных положения (фиг. 1): положение I - начало движения, при котором реакция F₂ опоры 3 равна половине силы тяжести бруса 1 (F₂=G/2); положение II - опора 3 располагается под центром тяжести бруса 1 и реакция опоры 3 равна силе тяжести бруса (F₂=G). В данном положении опоры 3 реакция на опоре 2 будет равна нулю F₁=0, что означает, что сила трения на этой опоре исчезнет. Очевидно, что условие, при котором величина силы трения покоя на опоре 2 сравняется с величиной силы трения скольжения на опоре 3, возникнет в некотором промежуточном положении III (фиг. 1). Таким образом, изменение сил реакции и сил трения на опорах нужно рассматривать на перемещении l опоры 3, равном не более половины длины бруса: l≤L/2.

На фиг. 2 показаны графически функции F₁=f(l) и F₂=f(l), определяющие изменение реакции на опорах в зависимости от перемещения l опоры 3 из положения I в положение II.

Решение задачи представляется системой уравнений

Для определения коэффициента трения покоя в опоре 2 используем выражение

для определения коэффициента трения скольжения в опоре 3 выражение

Как уже указывалось, при нахождении опоры 3 в положении III возникает условие F_mpП=F_mpCK, на основании которого с учетом (5) и (6) можем записать

Используя закономерности (4)-(7), представим решение задачи на конкретном примере. Длина бруса составляет L=40 см, экспериментально установлено, что условие F_mpП=F_mpCK достигается при l=6 см. Проведем соответствующие расчеты:

Определяем искомую величину:

Устройство для реализации способа

На фиг. 3 показано устройство для реализации способа, которое включает в себя: брус 1 прямоугольного сечения из материала А, опирающийся на опоры 2 и 3, изготовленные из материала Б. Опоры расположены в металлическом неподвижном корытообразном желобе 4, имеющем в середине продольный сквозной пропил длиной L. Опоры 2 и 3, свободно лежащие внутри желоба, с помощью осей 5, проходящих через пропил желоба, соединены с блочно-тросовой системой 6. При этом один конец троса жестко соединен с осью 5 опоры 3, а второй его конец прикреплен к воротку 7.

Работа устройства и методика эксперимента

Брус 1 устанавливают на опоры 2 и 3 в положение I (фиг. 1). Приводят во вращение вороток 7. При наматывании троса на вороток опоры 2 и 3 начинают сближаться. В соответствии с методикой испытаний на одной из опор обеспечивается «срыв» между контактирующими поверхностями. Это достигается тем, что конец бруса 1 на опоре 3 имеет небольшой выступ (фиг. 3, вид Z), благодаря которому основная контактная поверхность опоры 3 в начальный момент движения оказывается оторванной от бруса 1, что вызывает явление «срыва» при сходе опоры 3 с выступа (бугра). Таким образом, брус 1 начинает скользить на опоре 3, в то время как опора 2 благодаря силе трения покоя оказывается соединенной с ним неподвижно. Заметим, что явление «срыва» на опоре 3 может быть осуществлено и при отсутствии выступа на конце бруса. Для этого достаточно перед началом работы блочно-тросовой системы незначительно приподнять конец бруса 1 над опорой 3. После того, как опора 3 войдет в полный контакт с брусом 1, последний будет скользить по ней, оставаясь неподвижным по отношению к опоре 2.

Продолжают плавно вращать вороток 7 до момента, когда движение бруса 1 по опоре 3 прекратится, т.е. достигается положение III (фиг. 1). Движение воротка прекращают и измеряют расстояние l, то есть путь, пройденный опорой 3 при скольжении относительно бруса 1.

Опыт повторяют многократно и в соответствии с правилами математической статистики вычисляют математическое ожидание измеряемой величины и ошибку измерений [4]. Далее в соответствии с установленными выше зависимостями вычисляют величину С, определяющую соотношение между коэффициентами трения покоя и трения скольжения испытуемой фрикционной пары.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гаркунов Д.Н. Триботехника. / Д.Н. Гаркунов. - М.: Машиностроение, 1985.

2. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. / Б.И. Костецкий. - Киев: Техника, 1970.

3. Крагельский И.В. Основы расчетов на трение и износ. / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, B.C. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977.

4. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. / В.Е. Гмурман. - М.: Высшая школа, 1977.

Изобретение относится к экспериментально-теоретическому определению фрикционных характеристик пары трения, а именно установлению в паре трения соотношения между коэффициентами трения покоя и трения скольжения. Способ экспериментально-теоретического определения соотношения между коэффициентами f_mpП трения покоя и f_mpСK трения скольжения заключается в том, что брус прямоугольного сечения, изготовленный из материала А, устанавливают на две подвижные опоры, изготовленные из материала Б. С помощью блочно-тросовой системы обеспечивают сближение этих опор, предварительно на одной из них искусственно вызывают срыв контакта с брусом и переход в состояние скольжения, в то время как на второй опоре сохраняется неподвижная связь между контактирующими поверхностями, и данная опора совместно с брусом как единая система перемещается относительно первой опоры. При этом сближение опор приводит к изменению величины сил реакции на опорах, а следовательно, и возникающих на них сил трения. Причем на первой опоре сила трения скольжения по мере движения системы растет, в то время как на второй опоре сила трения покоя пропорционально уменьшается. Как только величина обеих сил сравняется, движение бруса относительно первой опоры прекращается. В этот момент систему останавливают и фиксируют величину перемещения бруса относительно данной опоры. Затем вычисляют величину реакции на опорах и определяют искомое соотношение между коэффициентами трения покоя и трения скольжения. Техническим результатом является установление соотношения С коэффициентов трения фрикционной пары, состоящей из материалов А и Б, в процессе одного эксперимента. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ экспериментально-теоретического определения соотношения между коэффициентами f_mpП трения покоя и f_mpСK трения скольжения путем фиксации величины сил трения во фрикционной паре в зависимости от вертикальной нагрузки в состоянии покоя и скольжения элементов исследуемой пары трения, отличающийся тем, что один образец пары трения в виде бруса прямоугольного сечения длиной L и весом G, изготовленный из материала А, размещают в горизонтальном положении на двух опорах, изготовленных из материала Б; затем опоры перемещают навстречу друг другу, предварительно на одной из опор искусственно вызвав срыв контакта и переход в состояние скольжения, в то время как на второй опоре за счет силы трения покоя сохраняется неподвижная связь между контактирующими поверхностями, и данная опора совместно с брусом как единая система перемещается относительно первой опоры; сближение опор продолжают до того момента, когда движение бруса относительно первой опоры прекращается; фиксируют величину l перемещения бруса относительно данной опоры; вычисляют величину реакции на опорах

и определяют искомое соотношение между коэффициентами

2. Устройство для определения соотношения между коэффициентами трения покоя и трения скольжения фрикционной пары, содержащее элемент пары трения, изготовленный из материала А и опирающийся на элемент пары трения, изготовленный из материала В, отличающееся тем, что элемент пары трения из материала А изготовлен в виде бруса прямоугольного сечения, и опирается на две опоры, изготовленные из материала Б; опоры расположены в металлическом неподвижном корытообразном желобе, имеющем по всей длине сквозной пропил, опоры, свободно лежащие внутри желоба, с помощью осей соединены с блочно-тросовой системой, при этом один конец троса жестко соединен с осью опоры, а второй его конец прикреплен к воротку; при вращении воротка за счет движения блочно-тросовой системы обеспечивается встречное движение опор.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что конец бруса имеет небольшой бугорок, на который опирается одна из опор в начальный период работы устройства, чем обеспечивается кратковременный разрыв контакта между поверхностью данной опоры и брусом в начальный момент сближения опор.