Способ определения силы трения покоя

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ ТРЕНИЯ ПОКОЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Шилько Сергей Викторович Кухорев Леонид Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ определения силы трения покоя, включающий воздействие на исследуемый образец, находящийся в сопряжении с выполненным в виде прямоугольной призмы контробразцом, нормальной и монотонно возрастающей тангенциальной нагрузкой до начала его скольжения относительно контробразца и определение силы трения покоя в соответствии с величиной тангенциальной нагрузки, зафиксированной непосредственно перед началом скольжения, отличающийся тем, что для воздействия на образец используют стандартную машину для механических испытаний, нормальную нагрузку на образец, выполненный в виде прямоугольной призмы, фиксируют путем фиксации деформации сжатия указанного сопряжения, которое затем в сжатом состоянии поворачивают на 90 для приложения к торцевой поверхности образца тангенциальной нагрузки. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в сопряжение с образцом симметрично первому контробразцу приводят второй контробразец, идентичный первому по шероховатости рабочей поверхности. 11746 1 2009.04.30 Изобретение относится к трибологии и может быть использовано для определения фрикционных характеристик материалов в условиях перехода к скольжению. Как известно, сила трения покоя реализуется на стадии тангенциального (сдвигового) нагружения контакта, непосредственно предшествующей наступлению скольжения. Установлено, что переход от состояния покоя к скольжению представляет собой нелинейный и обычно быстропротекающий процесс. Нелинейность зависимости силы трения от тангенциального перемещения (сдвига) обусловлена изменением условий фрикционного взаимодействия вследствие постепенного развития проскальзывания в области контакта при увеличении сдвига 1-3. В связи с этим, способы определения силы трения покоя, равной тангенциальному усилию в момент начала скольжения, должны обеспечить высокую точность измерения указанных усилий в течение короткого промежутка времени. Существуют способы определения силы трения при скольжении 4, 5, в которых образец приводят в контакт с контробразцом, прикладывают к образцу сдвигающую нагрузку или момент вращения и регистрируют силу или момент трения при помощи силоизмерительного прибора. В частности, по способу определения силы трения покоя и скорости сдвига при скольжении 5 испытуемую пару образцов приводят в контакт, нагружают нормальной и тангенциальной нагрузками, регистрируют скорость относительного перемещения образцов,а точку приложения нормальной нагрузки перемещают вдоль направления тангенциальной нагрузки. Однако способ может быть реализован при использовании специального привода, обеспечивающего перемещение точки приложения скользящей нагрузки. Недостатком способа является также дополнительное динамическое воздействие на образец в результате перемещения точки приложения нормальной нагрузки, что вызывает возмущение исходного напряженного состояния образца и является источником погрешности определения силы трения покоя. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ 6, согласно которому характеристики статического трения определяются путем приложения к сопряжению образца и контробразца нормальной и тангенциальной нагрузок, каждая из которых создается отдельным нагружающим устройством. Однако прототип отличается трудоемкостью и предполагает одновременное использование двух средств нагружения (гидравлических прессов). Регистрация нормальных и тангенциальных нагрузок при помощи манометров, а перемещений - посредством миллиметровой шкалы имеет невысокую точность (как отмечено в 6, погрешность определения усилий свыше 5 кН достигает 10 ). Кроме того, предложенный способ не позволяет варьировать в широких пределах скорость сдвига и обеспечивать ее стабильность в процессе каждого испытания. Задачами изобретения являются повышение точности определения силы трения покоя использование одного средства нагружения в виде стандартного оборудования (пресса). Поставленные задачи решаются тем, что по предлагаемому способу осуществляется воздействие на испытуемый образец, находящийся в сопряжении с выполненным в виде прямоугольной призмы контробразцом, нормальной и монотонно возрастающей тангенциальной нагрузкой до начала его скольжения относительно контробразца и определение силы трения покоя в соответствии с величиной тангенциальной нагрузки, зафиксированной непосредственно перед началом скольжения, причем для воздействия на образец используют стандартную машину для механических испытаний, нормальную нагрузку на образец, выполненный в виде прямоугольной призмы, фиксируют путем фиксации деформации сжатия указанного сопряжения, которое затем в сжатом состоянии поворачивают на 90 для приложения к торцевой поверхности образца тангенциальной нагрузки. 2 11746 1 2009.04.30 Поставленные задачи решаются также тем, что в сопряжение с образцом симметрично первому контробразцу приводят второй контробразец, идентичный первому по шероховатости рабочей поверхности. На фиг. 1 представлены схема и внешний вид сопряжения при нормальном нагружении на фиг. 2 представлены схема и внешний вид сопряжения при тангенциальном нагружении на фиг. 3 показана типичная зависимость силы трения от перемещения на фиг. 3 дана профилограмма поверхности контртела с длиной, соответствующей длине трассына фиг. 4 дана типичная зависимость усилие-перемещение на фиг. 5. показана зависимость усилие-перемещение при скорости сдвига 10 мм/мин на фиг. 6. показаны зависимости максимальной силы трения покоя(1) и силы трения скольжения(2) от скорости сдвига . Испытание по предлагаемому способу производится в 2 этапа. На первом этапе(фиг. 1) производится сжатие сборки заданным усилием с фиксацией нормального усилия при помощи болтового или другого механического соединения (4). На втором этапе(фиг. 2) осуществляется поворот сборки на 90 и сдвиг образца относительно контробразцов путем приложения нагрузки на торцевую поверхность образца при помощи толкателя 5 с регистрацией тангенциального усилия. После наступления скольжения происходит заметное уменьшение силы трения, поскольку коэффициент трения скольжения меньше коэффициента трения покоя 1, 2, поэтому величину силы трения покоя определяют как максимальное значение тангенциального усилия на диаграмме нагружения (фиг. 4). Пример использования способа. Для осуществления предлагаемого способа в качестве нагружающего устройства использовали машину для механических испытаний материалов 5567, позволяющую варьировать скорости и нагрузки в широком диапазоне (табл. 1). Таблица 1 Характеристики машины для механических испытаний 5567 Диапазон нагрузок 0,5 Н - 30 кН Точность измерения нагрузки, перемещения и скорости 0,4-0,5 от измеряемой велинагружения чины Диапазон изменения скорости приложения нагрузки 0,001-500 мм/мин Компьютерное управление, сбор, анализ и хранение данных Автоматическая калибровка датчиков перемещений и усилий Образец призматической формы с размерами 50305 мм изготавливался путем холодного отверждения эпоксидной смолы ЭД-16 (100 мас. частей) полиэтиленполиамином(16 мас. частей) с добавлением жирной кислоты в качестве пластификатора (2 мас. части). Ингредиенты после смешения заливались в подготовленную форму. Для удаления газовых включений начальное отверждение производилось в камере вакуумного универсального поста ВУП-4 при давлении 20 Па и комнатной температуре в течение 20 минут. Доотверждение образца производилось на воздухе при комнатной температуре в течение 3 суток. Затем выполнялась механическая обработка образца для придания необходимой формы и размеров, а также качества поверхности посредством шлифования. В качестве контробразцов, сопряженных с образцом, использовались стандартные меры твердости в виде стальных прямоугольных пластин. Предварительно с помощью профилографа-профилометра 252 определялись параметры шероховатости пластин с целью подбора контробразцов с близкими характеристиками для обеспечения идентичных условий трения на обеих рабочих поверхностях образца. Профилограмма поверхности одной из пластин мер твердости приведена на фиг. 3. Установка образца выполнялась в соответствии со схемой, приведенной на фиг. 1, с использованием двух одинаковых контробразцов 1, взаимодействующих с образцом 2, и двух жестких (стальных) прижимных накладок 3, обеспечивающих равномерное распре 3 11746 1 2009.04.30 деление приложенных нагрузок. Фиксация созданного нагружающим устройством нормального усилия производилась путем затяжки болтового соединения. Согласно табл. 2, длина трассывыбиралась равной 5 мм. Так как поверхность мер твердости является однородной, можно ограничиться снятием одной профилограммы на характерном участке исследуемой поверхности с длиной, равной базовой длине . Исходя из данных, представленных в табл. 2, была выбрана базовая длина 800 мкм. Таблица 2 Длина трассы измеренияКласс чистоты поЧисло базовых длин,Базовая длина , мм, мм, не менее верхности не менее 4,5 2,5 4 10 6,7,8 0,8 4 3,2 9,10 0,8 4 3,2 11,12 0,25 6-7 1,5 13,14 0,08 8-10 0,6 Затем из набора мер твердостей выбиралась пластина с шероховатостью, наиболее близкой к шероховатости первой пластины, имеющей среднее арифметическое отклонение профиля 0,08 мкм. Выбор одинакового материала и качества поверхности обоих контробразцов является основанием считать условия трения на рабочих поверхностях образца идентичными, а силу трения одного контакта - равной половине усилия, прикладываемой к образцу нагружающим устройством. Зависимости параметров трения для различных значений скорости скольжения представлены на фиг. 4-6. Как видно из приведенных диаграмм, четко выявляются момент перехода к скольжению и величина достигаемого при этом максимального тангенциального усилия. Высокая точность измерения усилий и перемещений обеспечивается применением стандартной автоматизированной машины для механических испытаний, работающей в режиме статического сжатия. В частности, при скорости сдвига 10 мм/мин при трении эпоксидной смолы по стали предварительное смещение составило 0,12 мм,максимальная сила трения покоя 2090 Н, а сила трения скольжения 1710 Н(одному контакту соответствуют половинные значения приведенных усилий). Были показаны следующие технические возможности предложенного способа высокая точность определения силы трения покоя использование одного средства нагружения в виде стандартного оборудования (машины для механических испытаний или пресса). Источники информации 1. Верховский А.В. Явление предварительного смещения при трогании несмазанных поверхностей с места // ЖТФ. - 1926. - Вып. 3-4. -3. - С. 311-313. 2. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. - М. Наука, 1977. - С. 221. 3. Демкин Н.Б., Крагельский И.В. Предварительное смещение при упругом контакте твердых тел // ДАН СССР. - 1969. - Т. 186. -4. - С. 812-813. 4. Ясь Д.С., Подмоков В.Б., Дяденко Н.С. Испытания на трение и износ. Методы и оборудование. -Киев Техника, 1971. 5. А.с. СССР 1037145, МПК 01 19/02, 1983. 6.1467456, 1989. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6