Способ определения коэффициента трения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ(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 коэффициента трения, заключающийся в том, что образец, выполненный в виде прямоугольной призмы, устанавливают между контробразцами, выполненными в виде прямоугольных призм с одинаковой шероховатостью рабочих поверхностей, размещают контробразцы между жесткими прижимными накладками,устанавливают между контробразцом и накладкой вязкоупругую прокладку, сжимают полученное сопряжение нормальным усилием и фиксируют при помощи четырех стяжных болтов, на которых установлены тензодатчики сопротивления, осуществляют поворот сопряжения на 90, прикладывают к торцовой поверхности образца постоянную тангенциальную нагрузку до момента начала скольжения образца относительно контробразцов,регистрируют максимальное значение приложенной тангенциальной нагрузки в момент начала скольжения, регистрируют действующее сжимающее усилие в момент начала скольжения, регистрируют установившееся значение тангенциальной нагрузки после начала скольжения образца относительно контробразцов, определяют силу трения как половину значения приложенной тангенциальной нагрузки, а коэффициент трения определяют как отношение силы трения к нормальной нагрузке. 14868 1 2011.10.30 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вязкоупругая прокладка выполнена из однонаправленного армированного волокнистого материала с ориентацией армирующих волокон по направлению тангенциального нагружения. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вязкоупругая прокладка выполнена из полимерной пленки с деформационным упрочнением. Изобретение относится к трибологии и может быть использовано для определения фрикционных характеристик материалов в условиях перехода от состояния покоя к скольжению, а также при малом пути трения и скольжении с малой скоростью. Трение покоя реализуется в сопряжении при переходе к скольжению и представляет собой быстропротекающий нелинейный процесс 1-3. Кроме того, во многих технических приложениях реализуется скольжение при весьма малых величинах скорости и пути трения, но значительном контактном давлении. К ним относятся условно неподвижные соединения, подрельсовые прокладки, опоры мостов, а также взаимодействие заготовки с инструментом при штамповке, ковке, прессовании и т.д. Такие режимы трения отсутствуют в известных трибометрах, работающих при относительно высоких скоростях скольжения и низких контактных давлениях. Для определения коэффициента трения в указанных условиях необходимо использовать способы, обеспечивающие высокую точность измерения в течение короткого промежутка времени, при малых перемещениях и высоких давлениях. В известных способах определения коэффициента трения, описанных, например, в 47, образец приводят в контакт с контробразцом, прикладывают к образцу тангенциальное и нормальное усилия, регистрируя их при помощи силоизмерительного прибора. При определении коэффициента трения покоя, а также коэффициента трения в условиях весьма малой скорости и пути трения, но при значительном контактном давлении необходимо одновременное использование двух нагружающих устройств. В частности, по способу 8 нормальная и тангенциальная нагрузки создаются отдельными гидравлическими прессами. Кроме того, приложение тангенциальной нагрузки вызывает смещение точки приложения нормальной нагрузки и асимметрию контактных давлений в сопряжении, что является источником погрешности при определении коэффициента трения. Указанные недостатки частично устранены в способе 9, по которому 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 известный способ предполагает использование специального привода, обеспечивающего перемещение точки приложения нормальной нагрузки. Недостатком способа является также дополнительное динамическое воздействие на образец в результате работы специального привода, что снижает точность определения коэффициента трения. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является способ 10, согласно которому испытуемый образец приводят в контакт с контробразцом, осуществляют нормальное и тангенциальное нагружение сопряжения, образец и контробразец выполняют в виде прямоугольных призм, нормальную нагрузку сохраняют путем фиксации деформации сжатия сопряжения образца с контробразцом, сопряжение в сжатом состоянии поворачивают на 90, тангенциальное нагружение сопряжения осуществляют путем монотонного увеличения нагрузки на торцевую поверхность образца до начала скольжения относительно контробразца, регистрируют тангенциальную нагрузку на образец, за силу трения покоя принимают максимум тангенциальной нагрузки,предшествующий моменту ее резкого снижения, а для нагружения используют стандартную машину для механических испытаний. Способ 10 предполагает также использова 2 14868 1 2011.10.30 ние двух контробразцов с одинаковой шероховатостью рабочей поверхности, расположенных симметрично относительно образца. Ограничением прототипа является необходимость монотонного увеличения тангенциальной нагрузки, что предполагает использование прецизионного нагружающего устройства в виде машины для механических испытаний. Это затрудняет возможность измерения коэффициента трения в особых условиях (высокие температуры, давления,космос, жидкая среда, ограниченное пространство), в которых затруднено использование прецизионных приводов. Задачами изобретения являются повышение точности определения коэффициента трения покоя и скольжения при малом пути трения, высоком контактном давлении и скольжении с малой скоростью осуществление тангенциального нагружения сопряжения образец-контробразец без использования прецизионного привода. Поставленные задачи решаются тем, что по предлагаемому способу осуществляется воздействие на испытуемый образец, находящийся в сопряжении с выполненными в виде прямоугольной призмы контробразцами с одинаковой шероховатостью рабочей поверхности, нормальной и тангенциальной нагрузкой до начала его скольжения относительно контробразца и определение коэффициента трения, равного отношению силы трения к нормальной нагрузке, для воздействия на образец используют стандартную машину для механических испытаний, фиксируют нормальную нагрузку на образец, выполненный в виде прямоугольной призмы, путем фиксации деформации сжатия указанного сопряжения, которое затем в сжатом состоянии поворачивают на 90, к торцевой поверхности образца прикладывают к образцу тангенциальную нагрузку, причем в контакт с контробразцом дополнительно вводят вязкоупругую прокладку, задают постоянную величину тангенциальной нагрузки, не вызывающую скольжения образца относительно контробразцов, регистрируют нормальную нагрузку и определяют силу трения как половину приложенной тангенциальной нагрузки. Поставленные задачи решаются также тем, что вязкоупругая прокладка выполняется из однонаправленно армированного волокнистого материала с ориентацией армирующих волокон по направлению тангенциального нагружения. Поставленные задачи решаются также тем, что вязкоупругая прокладка выполняется из деформационно упрочненной полимерной пленки. На фиг. 1 представлены схема и внешний вид сопряжения образца с контробразцами при сжатии на фиг. 2 показаны установка тензодатчика на затяжном болте и подключение датчиков измерителя деформации на фиг. 3 представлены схема и внешний вид сопряжения при сдвиге на фиг. 4 показана зависимость нормального усилия от времени на фиг. 5 показана зависимость силы трения от перемещения. Испытание по предлагаемому способу проводится в 2 этапа. Как показано на фиг. 1,образец 1 устанавливается между контробразцами 2. Контробразцы размещаются между жесткими прижимными накладками 3, обеспечивающими равномерное распределение приложенных нагрузок. Между контробразцом и накладкой устанавливается вязкоупругая прокладка 4. Фиксация созданного нагружающим устройством нормального усилия производится путем затяжки болтов 5. Усилие сжатия контролируется тензодатчиками сопротивления, установленными на затяжных болтах (фиг. 2). На втором этапе опорные плиты нагружающего устройства разводятся, осуществляется поворот сопряжения на 90 и повторная установка сопряжения между опорными плитами, как показано на фиг. 3. Затем на торцевую поверхность образца при помощи толкателя 6 прикладывается постоянная тангенциальная нагрузка, не вызывающая скольжения образца относительно контробразцов. Как показано на фиг. 4, происходит монотонное уменьшение нормального усилия, обусловленное вязкоупругостью прокладки. При определенной величине нормального усилия наступает скольжение образца. В этот мо 3 14868 1 2011.10.30 мент приложенная тангенциальная нагрузка становится равной силе трения между образцом и двумя контробразцами. Выбор одинаковых материала и качества поверхности контробразцов обеспечивает идентичность условий трения на рабочих поверхностях образца. Таким образом, сила трения определяется как половина приложенной тангенциальной нагрузки. Коэффициент трения определяется как отношение силы трения к нормальной нагрузке. Коэффициент трения покоя соответствует максимальному значению усилия в начале диаграммы тангенциального нагружения (фиг. 5). После наступления скольжения, как правило, происходит заметное уменьшение силы трения и коэффициент трения скольжения соответствует установившемуся значению тангенциального усилия. Применение стандартной автоматизированной машины для статических механических испытаний обеспечивает высокую точность измерения усилий, перемещений и скорости перемещения образца относительно контробразцов в режиме малых перемещений и значительных усилий. Пример использования способа. При осуществлении предлагаемого способа для нагружения и определения параметров движения использовали высокоточную автоматизированную машину для статических механических испытаний материалов 5567 с силоизмерителем модели 2000(2002, Великобритания). Установка тензодатчика на поверхности болта и подключение измерителя деформации показаны на фиг. 2. Образец призматической формы с размерами 50305 мм изготавливался путем холодного отверждения эпоксидной смолы ЭД-16 (100 мас. ч.) полиэтиленполиамином(16 мас. ч.) с добавлением жирной кислоты в качестве пластификатора (2 мас. ч.). 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. После доотверждения образца на воздухе при комнатной температуре в течение 3 суток выполнялось его шлифование для придания необходимых формы и размеров, а также качества поверхности. В качестве контробразцов, сопряженных с образцом, использовали стандартные меры твердости в виде стальных прямоугольных пластин. Предварительно с помощью профилографа-профилометра 252 определяли параметры шероховатости пластин для подбора контробразцов с близкими характеристиками и обеспечения идентичных условий трения на обеих рабочих поверхностях образца. Вязкоупругая прокладка изготавливалась из листового полипропилена толщиной 2 мм. Для реализации вязкоупругого деформирования преимущественно в нормальном к поверхности направлении целесообразно использовать анизотропную прокладку из анизотропного однонаправленно армированного материала, ориентированного по направлению тангенциального нагружения. В частности, с этой целью использовались прокладки из полиэтиленовой пленки, армированной стекловолокном, и полимерные пленки после деформационного упрочнения (вытяжки), обладающие выраженной анизотропией. Сжатие сопряжения на испытательной машине производилось нормальным усилием 600 с фиксацией полученного сближения стальных прижимных накладок при помощи 4 стяжных болтов. Усилие сжатия в процессе испытания контролировалось прибором ИДЦ-1. Начальная тангенциальная нагрузка, не приводящая к скольжению, задавалась равной 230 . Вязкоупругость прокладки приводила к монотонному уменьшению нормального усилия, как показано на фиг. 4. Выбор материала и толщины прокладки, влияющих на скорость релаксации, определялся исходя из времени, необходимого для установки и выполнения тангенциального нагружения на второй стадии испытаний (фиг. 3). Уменьшение скорости релаксации приводит к увеличению длительности испытаний, что снижает производительность заявляемого способа. 4 14868 1 2011.10.30 Зависимость сдвигающего усилия в процессе страгивания образца и его последующего перемещения представлена на фиг. 5. Как видно из приведенной диаграммы, четко выявляется момент перехода к скольжению и величина достигаемой силы трения покоя. В момент начала скольжения максимальное значение тангенциальной нагрузки, равное суммарной силе трения покоя для двух контактов образец-контробразец составило 228 . Аналогично установившееся после начала скольжения значение тангенциальной нагрузки,равное 186 , соответствовало суммарной силе трения скольжения для двух контактов образец-контробразец. Таким образом, сила трения покоя составила 0,5228114 , а сила трения скольжения 0,518693 соответственно. Действующее в этот момент сжимающее усилие было равно 501 . Следовательно, коэффициент трения покоя составил 0,114/5010,228, коэффициент трения движения составил 93/5010,185 соответственно. Были показаны следующие технические возможности предложенного способа высокая точность определения силы трения покоя и движения при низкой скорости скольжения использование одного средства нагружения в виде стандартного оборудования (машины для механических испытаний или пресса) осуществление тангенциального нагружения сопряжения образец-контробразец без использования прецизионного привода. 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. Гриб В.В., Лазарев Г.Е. Лабораторные испытания материалов на трение и износ. . Наука, 1968. - С. 60. 6. Крагельский И.В., Добычин М.И., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. - М. Машиностроение, 1997. 7. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трибология. Принципы и приложения. - Гомель ИММС НАНБ, 2002. - С. 155-156. 8. Пранч А.С. Сдвиг в неоднородных средах. - Рига Зинатне, 1982. - С. 109. 9. А.с. СССР 1037145, МПК 01 19/02, 1983. 10. Шилько С.В., Кухорев Л.П. Методика и результаты исследования металлополимерного сопряжения в условиях предварительного смещения // Трение и износ. - Т. 27.5. - 2006. - С. 101 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6