Способ исследования трения материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N19/02 G01N3/56 

5

И

Изобретение относится к испытаниям материалов на трение. Целью изобретения является повышение достоверности результатов. Образец материала изготавливают, при температуре ниже точки плавления. Измеряют его массу до испытания. При температуре плавления и нормальной нагрузке осуществляют трение образца по контробразцу. В ходе испытания определяют массу расплавленного материала и путь трения, по которым находят коэффициент сопротивления скольжению.

Изобретение относится к трению и смазке, а именно к методам исследования трения материалов, и может быть использовано для исследования трения, например, воды, водных растворов органических и неорганических веществ (глицерин, этиленг- ликоль, перекись водорода и др.).

Известен способ исследования трения, заключающийся втом, что определяют количество теплоты, выделившейся при трении пары путем регистрациитвр- моэлектродвижущей силы (ЭДС), величина которой пропорциональна количеству тёп- лоты, а о фрикционных свойствах пары трения судят по величине ЭДС.

Известен способ исследования трения твердых материалов, заключающийся втом, что определяют количество теплоты, выделяющейся при трении исследуемой пары, по которому судят о фрикционных свойствах пары, а исследуемую пару размещают в теплопроводную замкнутую камеру.

v . . . .- .

Однако известный способ характеризуется сложностью и низкой точностью, обусловленной тем, что количество выделившейся теплоты определяют измеряя перепад температур между камерой из меди и термостатом с помощью термопары. В зависимости от расположения привода исследуемой пары трения вне или в камере, происходит либо утечка, либо дополнительный приток тепла, что снижает точность измерений. Кроме того, определение количества теплоты по измерению перепада температур требует соответствующую измерительную оснащенность способа, что усложняет его и также снижает точность измерений.

Целью изобретения является повышение достоверности исследования трения материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе исследования трения материалов, заключающемся в том, что в процессе треg

ния образца по контртелу при постоянной температуре и нормальной нагрузке определяют параметр, по которому оценивают фрикционные свойства материалов, трение образца по контробразцу осуществляют при температуре плавления образца, определяют массу Am расплавленного материала как разность масс образца до и после трения, а в качестве параметра определяют коэффициент f сопротивления скольжению по формуле

А Л m

f

I P

где Р - нормальная нагрузка;

I - путь трения;

Л- удельная теплота плавления.

Выполнение предлагаемого способа позволяет повысить достоверность измерения за счет проведения исследований смазочной способности материала при температуре его плавления, в результате чего достигается стабильность факторов, влияющих на процесс трения. В предлагаемом способе поверхность образца исследуемого материала лишена слоев, образованных в результате физико-химических взаимодействий, и представляет собой ювенильную поверхность. В известных способах для достижения ювенильной поверхности необходимо произвести тщательную обработку поверхности соприкосновения, а сами исследования проводить в вакууме. Кроме того, во время трения исследуемый расплавленный материал распределяется по поверхности соприкосновения равномерным слоем. Толщина смазывающего слоя остается все время постоянной, так как происходит самоудаление жидкого материала из зоны контакта. Процесс притирания образцов происходит при постоянной температуре, т.е. в зоне соприкосновения поверхностей температура всегда соответствует температуре плавления материала.

Способ осуществляют следующим образом.

Изготавливают образец исследуемого материала при температуре ниже его точки плавления. Измеряют массу образца mi и укрепляют его в держателе пары трения, размещенной в термостате, температура в котором соответствует температуре плавления исследуемого материала. Затем притирают образец исследуемого материала с образцом, температура плавления материала которого не ниже исследуемого. В процессе внешнего трения происходит трансформация механической работы в энергию внутренних процессов, что приводит к расплавлению исследуемого материала в зоне контакта образцов. Так как образцы соприкасаются в постоянной нормальной нагрузкой, то излишек жидкого расплавленного материала, смазывающего поверхность образцов, удаляется. После истечения заданного времени притирание заканчивают, с исследуемого образца удаляют жидкий материал и проводят измерение массы исследуемого образца та. Затем вычисляют массу расплавленного материала исследуемого образца А т, как разницу значения массы образца до и после притирания

A m mi - ma,

где mi - масса исследуемого образца до притирания, кг;

та - масса исследуемого образца после притирания, кг,

Энергия внутренних процессов определяется как количество теплоты, затрачиваемое на плавление исследуемого образца. Зная массу расплавленного материала рассчитывают количество теплоты Q по известной формуле

Q A Am,

где А- удельная теплота плавления материала, Дж/кг.

Определение смазочных свойств материала основывается на установлении энергетических соотношений. Для этого необходимо найти механическую работу пары трения, которая может рассчитываться как произведение нормальной нагрузки

образцов на путь трения:

, .

где А - механическая работа пары трения; Р - нормальная нагрузка. Н; I - путь трения, м.

В результате количественной оценки энергии, затрачиваемой на процесс (механическая работа А) и энергии внутренних процессов Q, приводящей к плавлению материала, можно рассчитывать коэффициент

сопротивления скольжению (интегральный коэффициент трения). Коэффициент сопротивления скольжению определяют, как отношение количества теплоты Q к механической работе А:

Q AAm А Р Ч

f -Н-.

и по нему оценивают смазочные свойства материала.

Необходимо отметить, что выведенная формула применима только для рассматриваемого случая и при расчете коэффициента сопротивления скольжению f исходят из

энергетических соотношений в системе, т.е. учитывается суммарное (интегральное) воздействие действующих сил за исследуемый промежуток времени. у

Пример. Проводят исследования по определению смазочных свойств воды в паре трения лед-сталь. Заполняют форму водой и охлаждают до образования льда. Затем образец льда вынимают из формы, измеряют его массу mi 9,3 кг и укрепляют в держателе пары трения, раз мещенной в термостате, в котором поддерживается температура 0°С. После того, как образец льда введут в соприкосновение со стальным образцом, с постоянной нормаль- ной нагрузкой р 40 Н, образец из стали начинают вращать с постоянной скоростью ,76 10 м/с. Через время Т- 100 мин притирание заканчивают. С образца льда с помощью фильтрационной бумаги удаляют воду и измеряют массу этого образца Го2 - 9,52 10 кг. Затем вычисляют массу воды

m « mi - Ш2 0,31 кг.

Расчетным путем определяют коэффи- циент сопротивления скольжению:

Я-Am 332400 -0.31

105,6 -40 332400 Дж/кг - теплота плавления 1,76- 10 6000 105.6м-путь

f I-P 0,024 где А воды;

HV- Т трения.

Для исследования закономерности проводят эксперименты, при которых изменяют давление Р и путь трения I. Так, при тех же параметрах в первом эксперименте создают нормальную нагрузку Р 400 И, а во втором, вернувшись к первоначальной нагрузке, р 40 Н, увеличивают путь трения I в 1760 нм . В результате чего получают соответствующие значения: Amp 2,99 -103 кг и щ - 4,81 кг, что под

5 0 5 0

5

0

5

0

тверждает правильность расчетной формулы.

Таким образом, исследование трения материалов по предлагаемому способу позволяет отказаться от способа измерения использованного в прототипе с применением термопары или батареи термопар и вторичного измерительного прибора, что повышает достоверность способа.

Использование предлагаемого способа исследования трения материалов обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: притирается ювенильная поверхность, толщина смазочного слоя постоянна, в зоне контактирования образца температура не изменяется и равна температуре плавления материала.

Вышеперечисленные преимущества обеспечивают чистоту, стабильность и однозначность исследований, повышают достоверность результатов.

Фор мул а изобретения

Способ исследования трения материалов, заключающийся в том, что в процессе трения образца по контртелу при постоянной температуре и нормальной нагрузке определяют параметр, по которому оценивают фрикционные свойства материала, о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения достоверности результатов, трение образца по контробразцу осуществляют при температуре плавления образца, определяют массу Am расплавленного материала как разность масс образца до и после трения, а в качестве параметра определяют коэффициент f сопротивления скольжения по формуле

А A m

f

I Р

где Р - нормальная нагрузка;

I - путь трения;

А - удельная теплота плавления материала.