СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГИБКИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК G01N19/02 

Изобретение относится к области испытания материалов и к испытательной технике, в частности к способам и к устройствам определения коэффициента трения гибких материалов, например, тканей, натуральных и искусственных кож и т.п., и может быть использовано для оценки технологических и эксплуатационных свойств этих материалов.

Известен способ определения коэффициента трения (Патент RU 2785527 «Способ определения коэффициента трения трущихся пар и устройство для его осуществления», МПК G01N 19/02, G01N 3/56, 2022 г.), включающий 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 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, ƒтр - коэффициент трения.

Недостатком указанного способа является ограниченные функциональные возможности, отсутствие возможности определения коэффициента трения материалов при изменении нагрузки на испытуемый образец.

Известен способ определения коэффициента трения трибологической пары по потребляемой электрической мощности электропривода (Патент RU 2792609, МПК G01N 19/02, 2023 г.) принятый за прототип, заключающийся в создании трения между двумя расположенными друг над другом элементами, нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу, создают электромагнитный момент вращения нижнего элемента трибологической пары с помощью асинхронного трехфазного двигателя через многоступенчатый редуктор, который компенсируется возникающей силой трения при осуществлении прижатия верхнего элемента к нижнему элементу путем переменного груза через систему рычагов, при этом коэффициент трения скольжения трибологической пары определяется по формуле:

»

где I - ток, потребляемый из сети;

U - напряжение в сети;

cosϕ - коэффициент мощности;

η - КПД привода;

n - количество оборотов в минуту;

rк - радиус тела вращения;

R - сила прижатия фрикционной накладки к телу вращения.

Недостатком прототипа является невозможность измерения триботехнических характеристик материала при воздействии внешних физических факторов (влажность и температура, изменение скорости вращения нижнего элемента), оказывающих существенное влияние на величину коэффициента трения поверхности материала; длительность обработки результатов, обусловленных выполнением дополнительных инженерных расчетов, а также сложность конструкции системы прижима элементов трибологической пары, что может отрицательно сказаться на точности определения коэффициента трения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности проводимых измерений, сокращения времени на обработку результатов, расширение функциональных возможностей при определении коэффициента трения поверхности гибких материалов с учетом физических факторов воздействия на них.

Технический результат достигается тем, что в способе определения триботехнических свойств гибких материалов заключающийся в создании трения между двумя расположенными друг над другом элементами, нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу, электромагнитный момент вращения нижнего элемента трибологической пары создают с помощью вентильного двигателя, верхний элемент выполняют с возможностью регулирования его температуры и с возможностью крепления испытуемого образца вырезанного из гибкого материала, предварительно определяют потребляемую вентильным двигателем электрическую мощность на вращение нижнего элемента без сопряжения с испытуемым образцом, с помощью разработанного программного обеспечения задают и корректируют условия испытаний, при заданных условиях измеряют напряжение и силу тока потребляемого вентильным двигателем, температуру в зоне контакта пары трения, напряжение с тензометрического датчика, а коэффициент трения испытуемого образца рассчитывают по результатам указанных измерений, с помощью разработанной программы, как разность значений потребленной электрической мощности вентильного двигателя на вращение нижнего элемента сопряженного с испытуемым образцом и без сопряжения с испытуемым образцом. Испытания проводят для заданных: скорости вращения нижнего элемента, усилии прижатия исследуемого образца, температуре в зоне контакта пары трения, концентрации раствора ПАВ. Испытания проводят при изменении температуры в зоне контакта пары трения для заданных: усилии прижатия исследуемого образца, скорости вращения нижнего элемента, концентрации раствора ПАВ. Испытания проводят при изменении концентрации раствора ПАВ для заданных: усилия прижатия исследуемого образца, скорости вращения нижнего элемента, температуры в зоне контакта пары трения. Испытания проводят при изменении скорости вращения нижнего элемента для заданных: усилия прижатия исследуемого образца, температуры в зоне контакта пары трения, концентрации раствора ПАВ.

Технический результат достигается тем, что устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов, содержит вентильный двигатель, на валу которого установлен нижний элемент в виде диска, снабженный датчиком числа оборотов, верхний элемент в виде позиционера-фиксатора с встроенным регулируемым нагревательным элементом, снабженный индентором с тензодатчиком и средством крепления испытуемого образца в виде шипа, узел прижатия испытуемого образца к нижнему элементу, выполненный с возможностью регулирования усилия прижатия, датчик температуры, контроллер к которому подключены вентильный двигатель, нагревательный элемент, датчик числа оборотов, датчик температуры, тензодатчик, в контроллер интегрирована разработанная программа нижнего уровня, формирующая управляющие сигналы, задающие и корректирующие условия испытаний, контроллер подключен к персональному компьютеру, в который интегрирована разработанной программой верхнего уровня. Устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов дополнительно содержит дозатор раствора ПАВ, закрепленный на позиционере-фиксаторе, подключенный к контроллеру. Устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов содержит набор сменных дисков из металлов, сплавов и полимеров.

Сущность изобретения поясняет чертеж, на котором приведена схема заявляемого устройства для определения триботехнических свойств гибких материалов.

Устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов, содержит вентильный двигатель 1, на валу которого установлен нижний элемент в виде диска 2, снабженный датчиком числа оборотов 3. Применение вентильного двигателя 1 для управления скоростью вращения нижнего элемента (диска 2) позволяет более точно и в более широком диапазоне проводить определение коэффициента трения по потребляемой мощности, так как вентильный двигатель имеет более широкий диапазон изменения частоты вращения, более высокою перегрузочную способность по моменту и высокий КПД по сравнению с асинхронным двигателем, используемым в прототипе. Нижний элемент в виде диска 2 может быть выполнен сменным, а устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов содержит набор дисков 2 из металлов, сплавов и полимеров. Верхний элемент в виде позиционера-фиксатора 4 с встроенным регулируемым нагревательным элементом 5, снабжен индентором с тензодатчиком 6 и средством крепления испытуемого образца в виде шипа 7. Расположение тензометрического датчика 6 в зоне контакта пары трения позволяет точно задавать необходимое усилие прижатия исследуемого образца. Позиционер-фиксатор 4 установлен на оси 8 с возможностью поворота, вращательное движение позиционера-фиксатора 4 ограничивает упор 9. Узел прижатия испытуемого образца к диску 2, выполнен с возможностью регулирования усилия прижатия. Узел прижатия закреплен на кронштейне 10, содержит указатель со шкалой 11 и пружину 12 с регулировочным винтом 13. Датчик температуры 14 обеспечивает измерение температуры в зоне прижатия испытуемого образца 15 к диску 2, т.е. в зоне контакта пары трения. Вентильный двигатель 1, нагревательный элемент 5, датчик числа оборотов 3, датчик температуры 14, тензодатчик 6 подключены у контроллеру 16. В контроллер 16 интегрирована разработанная программа нижнего уровня, формирующая управляющие сигналы задающие и корректирующие условия испытаний. Контроллер 16 подключен к персональному компьютеру 17, в который интегрирована разработанной программой верхнего уровня. Устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов может дополнительно содержать дозатор 18 раствора ПАВ, закрепленный на позиционере-фиксаторе 4, подключенный к контроллеру 16.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно проводят испытания без испытуемого образца 15 для определения потребляемой вентильным двигателем электрической мощности на вращение нижнего элемента без сопряжения с испытуемым образцом. С помощью регулировочного винта 13 и пружины 12 устанавливается по шкале 11 требуемое значение нагрузки в трибологической паре. Управляющая программа верхнего уровня на персональном компьютере 17 взаимодействует с ней в реальном времени с программой нижнего уровня, записанной в программируемый логический контроллер 16 формируют управляющий сигнал для вращения диска 2 с заданным начальным числом оборотов. Во время вращения диска 2 с помощью программно-аппаратных средств программируемого логического контроллера 16 определяют величины напряжения питания и силы тока, потребляемого вентильным двигателем 1, и по измеренным данным датчика числа оборотов 3, датчика температуры 14 и тензодатчика 6, определяют температуру в зоне контакта пары трения, а также напряжение с тензометрического датчика 6, которое эквивалентно силе прижатия текстильного материала к диску 2. По величинам всех измеренных параметров в режиме реального времени управляющая программа верхнего уровня персонального компьютера 17 на основании полученных данных рассчитывает среднее значение затраченной электрической мощности только на вращение диска 2 без образца текстильного материала. Полученные данные сохраняются на жестком диске компьютера 17. На позиционере-фиксаторе 4 крепят испытуемый образец 15. Испытуемый образец 15 используют предпочтительно прямоугольной формы, одну его сторону нанизывают на шип 7, вторую оборачивают вокруг позиционера-фиксатора 4 с индентором с тензодатчиком 6. Прижимают испытуемый образец 15 к диску 2, с помощью регулировочного винта 13 и пружины 12 устанавливается по шкале 11 требуемое значение нагрузки, которое измеряется с помощью тензометрического датчика 6, тем самым повышая точность воспроизведения нагрузки. Проводят испытания с испытуемым образцом 15 при том же начальном значении числа оборотов, как и предварительно без испытуемого образца. Во время вращения диска 2 с помощью программно-аппаратных средств программируемого логического контроллера 16 определяют величины напряжения питания и силы тока, потребляемого вентильным двигателем 1, и по измеренным данным датчика числа оборотов 3, датчика температуры 14 и тензодатчика 6, определяют температуру в зоне контакта пары трения, а также напряжение с тензометрического датчика 6, которое эквивалентно силе прижатия текстильного материала к диску 2. По величинам всех измеренных параметров в режиме реального времени управляющая программа верхнего уровня персонального компьютера 17 на основании полученных данных рассчитывает среднее значение затраченной электрической мощности вентильного двигателя на вращение нижнего элемента (диска 2) сопряженного с испытуемым образцом 15. После выполнения измерений, с использование персонального компьютера 17 и программы верхнего уровня, рассчитывается разность между затраченной электрической мощностью в опыте с испытуемым образцом и без него. Полученная разность определяет условное значение силы трения, которая прямо пропорциональна коэффициенту трения. Раствор ПАВ подают в зону контакта пары трения дозатором 18 по управляющему сигналу контроллера 16. Существует возможность варьирования скорости вращения диска, температуры в зоне контакта пары трения и влажности испытуемого образца текстильного материала. Испытания можно проводить для заданных: скорости вращения нижнего элемента, усилии прижатия исследуемого образца, температуре в зоне контакта пары трения, концентрации раствора ПАВ. Испытания можно проводить при изменении температуры в зоне контакта пары трения для заданных: усилии прижатия исследуемого образца, скорости вращения нижнего элемента, концентрации раствора ПАВ, температуру изменяют по управляющему сигналу контроллера 16 нагревательному элементу 5, контролируют датчиком температуры 15. Испытания проводят при изменении концентрации раствора ПАВ для заданных: усилия прижатия исследуемого образца, скорости вращения нижнего элемента, температуры в зоне контакта пары трения. Испытания проводят при изменении скорости вращения нижнего элемента для заданных: усилия прижатия исследуемого образца, температуры в зоне контакта пары трения, концентрации раствора ПАВ. Таким образом, заявляемые способ и устройство обеспечивают расширение функциональных возможностей устройства, позволяющего определять коэффициенты трения поверхности гибких материалов, при различных скоростях, температурах и влажности испытуемых образцов в трибологической паре с нижним вращающимся элементом из различных материалов, а также повышение точности и сокращения времени для расчета коэффициента трения.

Изобретение относится к области испытания материалов и к испытательной технике, в частности к способам и к устройствам определения коэффициента трения гибких материалов. Заявлены способ и устройство. В способе создают трение между двумя расположенными друг над другом элементами, нижний элемент приводят во вращение вентильным двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу, верхний элемент выполняют с возможностью регулирования его температуры и с возможностью крепления испытуемого образца, вырезанного из гибкого материала, предварительно определяют потребляемую вентильным двигателем электрическую мощность на вращение нижнего элемента без сопряжения с испытуемым образцом, с помощью разработанного программного обеспечения задают и корректируют условия испытаний, при заданных условиях измеряют напряжение и силу тока потребляемого вентильным двигателем, температуру в зоне контакта пары трения, напряжение с тензометрического датчика, а коэффициент трения испытуемого образца рассчитывают по результатам указанных измерений с помощью разработанной программы, как разность значений потребленной электрической мощности вентильного двигателя на вращение нижнего элемента, сопряженного с испытуемым образцом и без сопряжения с испытуемым образцом. Устройство содержит вентильный двигатель, на валу которого установлен нижний элемент в виде диска, снабженный датчиком числа оборотов, верхний элемент в виде позиционера-фиксатора с встроенным регулируемым нагревательным элементом, снабженный индентором с тензодатчиком и средством крепления испытуемого образца в виде шипа, узел прижатия испытуемого образца к нижнему элементу, выполненный с возможностью регулирования усилия прижатия, датчик температуры, контроллер, к которому подключены вентильный двигатель, нагревательный элемент, датчик числа оборотов, датчик температуры, тензодатчик, в контроллер интегрирована разработанная программа нижнего уровня, формирующая управляющие сигналы задающие и корректирующие условия испытаний, контроллер подключен к персональному компьютеру, в который интегрирована разработанная программа верхнего уровня. Технический результат: повышение точности проводимых измерений, сокращение времени на обработку результатов, расширение функциональных возможностей при определении коэффициента трения поверхности гибких материалов с учетом физических факторов воздействия на них. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения триботехнических свойств гибких материалов, заключающийся в создании трения между двумя расположенными друг над другом элементами, нижний элемент приводят во вращение двигателем, а верхний элемент подвергают прижатию к нижнему элементу, отличающийся тем, что электромагнитный момент вращения нижнего элемента трибологической пары создают с помощью вентильного двигателя, верхний элемент выполняют с возможностью регулирования его температуры и с возможностью крепления испытуемого образца, вырезанного из гибкого материала, предварительно определяют потребляемую вентильным двигателем электрическую мощность на вращение нижнего элемента без сопряжения с испытуемым образцом, с помощью разработанного программного обеспечения задают и корректируют условия испытаний, при заданных условиях измеряют напряжение и силу тока потребляемого вентильным двигателем, температуру в зоне контакта пары трения, напряжение с тензометрического датчика, а коэффициент трения испытуемого образца рассчитывают по результатам указанных измерений с помощью разработанной программы, как разность значений потребленной электрической мощности вентильного двигателя на вращение нижнего элемента, сопряженного с испытуемым образцом и без сопряжения с испытуемым образцом.

2. Способ определения триботехнических свойств гибких материалов по п. 1, отличающийся тем, что испытания проводят для заданных: скорости вращения нижнего элемента, усилия прижатия исследуемого образца, температуры в зоне контакта пары трения, концентрации раствора ПАВ.

3. Способ определения триботехнических свойств гибких материалов по п. 1, отличающийся тем, что испытания проводят при изменении температуры в зоне контакта пары трения для заданных: усилия прижатия исследуемого образца, скорости вращения нижнего элемента, концентрации раствора ПАВ.

4. Способ определения триботехнических свойств гибких материалов по п. 1, отличающийся тем, что испытания проводят при изменении концентрации раствора ПАВ для заданных: усилия прижатия исследуемого образца, скорости вращения нижнего элемента, температуры в зоне контакта пары трения.

5. Способ определения триботехнических свойств гибких материалов по п. 1, отличающийся тем, что испытания проводят при изменении скорости вращения нижнего элемента для заданных: усилия прижатия исследуемого образца, температуры в зоне контакта пары трения, концентрации раствора ПАВ.

6. Устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов, отличающееся тем, что содержит вентильный двигатель, на валу которого установлен нижний элемент в виде диска, снабженный датчиком числа оборотов, верхний элемент в виде позиционера-фиксатора с встроенным регулируемым нагревательным элементом, снабженный индентором с тензодатчиком и средством крепления испытуемого образца в виде шипа, узел прижатия испытуемого образца к нижнему элементу, выполненный с возможностью регулирования усилия прижатия, датчик температуры, контроллер, к которому подключены вентильный двигатель, нагревательный элемент, датчик числа оборотов, датчик температуры, тензодатчик, в контроллер интегрирована разработанная программа нижнего уровня, формирующая управляющие сигналы задающие и корректирующие условия испытаний, контроллер подключен к персональному компьютеру, в который интегрирована разработанной программой верхнего уровня.

7. Устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов по п. 6, отличающееся тем, что дополнительно содержит дозатор раствора ПАВ, закрепленный на позиционере-фиксаторе, подключенный к контроллеру.

8. Устройство для определения триботехнических свойств гибких материалов по п. 6, отличающееся тем, что содержит набор сменных дисков из металлов, сплавов и полимеров.