Установка для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения токсичных материалов при повышенных температурах Российский патент 2021 года по МПК G01N19/02 

Изобретение относится к области триботехнических испытаний материалов, в частности к определению коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения при взаимном перемещении образцов из токсичных материалов в вакууме при повышенных температурах.

Известны различные способы определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения на образцах при их взаимном перемещении. В большинстве случаев для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения требуется не только проведение отдельных опытов, но и использование различных устройств.

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 наклоняют относительно горизонта, удерживая верхний образец в том месте диска, где его линейная скорость направлена вверх по уклону, при этом динамический коэффициент трения определяют по текущему значению угла наклона ϕ в тот момент, когда верхний образец начинает соскальзывать вниз [патент РФ №2458336, опубл. 10.08.2012]. Недостатком способа является необходимость проведения раздельных опытов для определения статического и динамического коэффициентов трения, а также невозможность проведения безопасного для персонала и окружающей среды испытания образцов на определение коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения из токсичных материалов при повышенных температурах.

Известен способ для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения на образцах используют два расположенных друг на друге образца, один из которых, базовый образец выполняют в виде кольца с внутренней рабочей поверхностью сферической или цилиндрической формы с горизонтальной осью и обеспечивают возможность его поворота вокруг этой оси [патент RU №2537745, опубл. 10.01.2015]. Опорную поверхность второго, подвижного образца, выполняют плоской или выпуклой, с радиусом не меньше радиуса рабочей поверхности базового образца. Поворачивая базовый образец вокруг оси, постепенно увеличивают угол смещения центра опорной поверхности подвижного образца относительно исходного нижнего подвижного положения до некоторого угла ϕ₁, при котором произойдет соскальзывание подвижного образца под действием силы тяжести, и по значению угла ϕ₁ определяют коэффициент внешнего трения покоя как:

Затем измеряют угол ϕ₂, соответствующий новому неподвижному положению подвижного образца относительно нижнего исходного положения и определяют коэффициент внешнего трения скольжения по формуле:

полученной из условия равенства между уменьшением потенциальной энергии подвижного образца в процессе соскальзывания и работой, производимой силой трения при движении образца.

Недостатком данного способа, выбранного в качестве прототипа, является отсутствие возможности проведения безопасного для персонала и окружающей среды испытания образцов на определение коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения из токсичных материалов при повышенных температурах.

Задачей, стоящей перед авторами предполагаемого изобретения, является разработка установки для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения из токсичных материалов при повышенных температурах с возможной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых токсичных материалов.

Техническим результатом изобретения является возможность проведения испытаний токсичных материалов при повышенных температурах, получение значений коэффициента внешнего трения покоя и скольжения в зависимости от температуры в диапазоне температур 20°С-200°С, с одновременной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых токсичных материалов, путем двойной герметизации образцов из токсичных материалов.

Технический результат достигается тем, что установка для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения токсичных материалов при повышенных температурах содержит базовый и подвижный образцы, при этом последний выполнен с плоской или выпуклой опорной поверхностью и установлен на базовом образце с возможностью перемещения по нему, базовый и подвижный образцы помещены в герметичную вакуумную камеру с встроенным наблюдательным окном, напротив него последовательно закреплены шкала для регистрации перемещений подвижного образца и базовый образец, выполненный в виде полусферы и соединенный с нагревателем, оснащенным термопарой, вакуумная камера снабжена охлаждающим контуром. Охлаждающий контур имеет полость, заполненную проточной водой, и штуцеры подвода и вывода воды. Нагреватель снабжен распределителем тепла для выравнивания температурного поля. Вторым контуром герметизации является герметичный перчаточный бокс, в котором помещена установка.

Возможность проведения испытаний образцов из токсичных материалов при повышенных температурах достигается применением герметичной вакуумной камеры и нагревателя. Испытание образцов именно из токсичных материалов стало возможным при размещении рабочей камеры в герметичном перчаточном боксе и создании вакуума в рабочей камере.

Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает возможность определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения образцов из токсичных материалов при повышенных температурах.

На фиг. 1 и 2 показана схема реализации предлагаемого устройства для определения коэффициента внешнего трения покоя и скольжения при повышенной температуре образцов из токсичных материалов, где:

1 - герметичная вакуумная камера;

2 - нагреватель;

3 - термопара;

4 - шкала;

5 - крышка;

6 - штуцер для присоединения к вакуумной системе;

7 - штуцер для присоединения к системе охлаждения;

8 - базовый образец;

9 - наблюдательное окно;

10 - подвижный образец.

Устройство работает следующим образом. Базовый образец 8 и подвижный образец 10 помещены в герметичную вакуумную камеру 1 с встроенным наблюдательным окном 9, напротив которого последовательно закреплены шкала 4 для регистрации перемещений подвижного образца 10 и базовый образец 8, выполненный в виде полусферы и соединенный с нагревателем 2, оснащенным термопарой 3. Вакуумная камера 1 снабжена охлаждающим контуром и штуцером 6 для присоединения вакуумной системы. Охлаждающий контур имеет полость, заполненную проточной водой, и штуцеры 7 для подвода и вывода воды. Нагреватель 2 снабжен распределителем тепла для выравнивания температурного поля (на фиг. 1 и фиг. 2 не показан). Ось рабочей сферической поверхности базового образца 8 совместно с вакуумной камерой 1 располагается горизонтально и при этом обеспечивается возможность поворота относительно нее базового образца 8.

При достижении заданной температуры, определяемой с помощью термопары 3, установку поворачивают относительно оси базового образца 8. После соскальзывания подвижного образца 10 по шкале 4 через наблюдательное окно 9 определяются углы ϕ₁ и ϕ₂. Затем по формулам (1) и (2) рассчитываются значения коэффициентов трения покоя (f_п) и скольжения (f_c).

Изготовлен опытный образец установки, испытан, результаты подтвердили работоспособность установки и получение нового технического результата.

Изобретение относится к области триботехнических испытаний материалов, в частности к определению коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения при взаимном перемещении образцов из токсичных материалов в вакууме при повышенных температурах. Установка содержит базовый и подвижный образцы, при этом последний выполнен с плоской или выпуклой опорной поверхностью и установлен на базовом образце с возможностью перемещения по нему. Базовый и подвижный образцы помещены в герметичную вакуумную камеру с встроенным наблюдательным окном, напротив него последовательно закреплены шкала для регистрации перемещений подвижного образца и базовый образец, выполненный в виде полусферы и соединенный с нагревателем, оснащенным термопарой, причем вакуумная камера снабжена охлаждающим контуром. Технический результат: возможность проведения испытаний токсичных материалов при повышенных температурах, получение значений коэффициента внешнего трения покоя и скольжения в зависимости от температуры в диапазоне температур 20-200°С с одновременной защитой персонала и окружающей среды от воздействия испытуемых токсичных материалов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Установка для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения токсичных материалов при повышенных температурах, содержащая базовый и подвижный образцы, при этом последний выполнен с плоской или выпуклой опорной поверхностью и установлен на базовом образце с возможностью перемещения по нему, отличающаяся тем, что базовый и подвижный образцы помещены в герметичную вакуумную камеру с встроенным наблюдательным окном, напротив него последовательно закреплены шкала для регистрации перемещений подвижного образца и базовый образец, выполненный в виде полусферы и соединенный с нагревателем, оснащенным термопарой, вакуумная камера снабжена охлаждающим контуром.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что охлаждающий контур имеет полость, заполненную проточной водой, и штуцеры подвода и вывода воды.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что нагреватель снабжен распределителем тепла для выравнивания температурного поля.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она помещена в перчаточный бокс.