Устройство для измерения силы трения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТРЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) 1. Устройство для измерения силы трения, содержащее станину, на которой установлен электродвигатель, кинематически связанный с тахогенератором и посредством механической передачи связанный с вращающимся диском для размещения исследуемого плоского образца, установленным в подшипнике, жестко прикрепленном к станине контртело в виде индентера со сферическим наконечником, изготовленного из твердого металла, который установлен на уравновешенном подвесом коромысле и выполнен с 17305 1 2013.06.30 возможностью прижатия съемной нагрузкой к вращающемуся образцу, при этом крепление коромысла выполнено посредством жестко установленной на станине оси с обеспечением коромыслу двух степеней свободы датчик малых перемещений на эффекте Холла,содержащий неподвижно размещенный на станине элемент Холла, находящийся в магнитном поле первого постоянного магнита, ролики на двух вращающихся осях для калибровки устройства, отличающееся тем, что на свободном конце коромысла размещен удлиненный цилиндрический магнит, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки с витками, которая прикреплена к станине неподвижно и через измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока, к которому подключена плата обработки и усиления сигнала с элемента Холла, причем к первому магниту прикреплен идентичный ему второй постоянный магнит так, что они соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно элементу Холла и расположены посредством немагнитного кронштейна на коромысле. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что станина снабжена установочными опорными винтами для установки начального горизонтального положения на станине размещены два упругих ограничителя движения для коромысла. Заявляемое изобретение относится к области испытания материалов, в частности к устройствам измерения мгновенных значений силы трения по схеме с вращающимся диском в широком диапазоне скоростей. Из уровня техники известно устройство для измерения силы трения 1, содержащее основание, установленные на нем держатель образца, каретку с держателем контртела,узел нагружения, измеритель силы трения и привод перемещения одного из держателей. Также оно снабжено направляющей, закрепленной на каретке перпендикулярно поверхности образца, штоком, перемещающимся в направляющей поступательно, узлом нагружения, закрепленным на одном конце штока, шарниром, расположенным на другом конце штока, причем шарнир выполнен с осью качания, параллельной поверхности образца и перпендикулярной направлению перемещения образца и контртела, держателем в виде стержня, один конец которого закреплен на оси шарнира, а на другом крепится контртело,пружиной и измерителем силы трения, установленными на каретке оппозитно с разных сторон держателя контртела и параллельно плоскости образца на равном расстоянии от оси шарнира до рабочей поверхности образца и удерживающими держатель контртела перпендикулярно рабочей плоскости образца усилием, выбираемым из условия необходимого диапазона измерения сил трения в обоих направлениях. Недостатками этого устройства являются низкая точность измерения мгновенных значений силы трения из-за влияния силы инерции подвижных частей устройства, и неопределенность измерений в точках (остановки) реверса движения при возвратно-поступательном движении вследствие неконтролируемости параметров движения в этих точках. Кроме того в данной конструкции нельзя проводить измерения в широком диапазоне скоростей. Наиболее близким к заявляемому является устройство 2 (прототип), в котором использована схема с вращающимся диском, где величина отклонения коромысла под действием силы трения измеряется бесконтактным датчиком малых перемещений на эффекте Холла Оно содержит исследуемый плоский образец, закрепленный на диске, который вращается в подшипнике, причем подшипник жестко прикреплен к станине. Сопряженным телом служит индентер со сферическим наконечником (контртело), изготовленный из твердого металла, который устанавливается на уравновешенном подвесом коромысле и прижимается под действием съемной нагрузки к вращающемуся образцу. Крепление коромысла производится с помощью оси, обеспечивающей коромыслу две степени свободы. Скорость скольжения между индентером и образцом устанавливается путем регулирования радиального расстояния между центром диска и точкой касания индентера (точка ка 2 17305 1 2013.06.30 сания образца индентером вынесена за ось вращения диска), а также изменением скорости вращения электродвигателя, кинематически связанного с диском, которая стабилизируется тахогенератором. Смещение коромысла, вызванное силой трения, отклоняет мездозу,выполняющую функцию упругого элемента. Отклонение мездозы измеряется датчиком малых перемещений на основе эффекта Холла. Величина этого перемещения прямо пропорциональна измеряемой силе трения. Датчик малых перемещений содержит элемент Холла с плоскими магнитомягкими концентраторами магнитного потока, установленный неподвижно на станине и размещенный вблизи него на немагнитном кронштейне, закрепленном на мездозе, постоянный магнит из самарий-кобальта, который отклоняется вместе с мездозой. Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений, вызванная криволинейностью траектории вращения диска и криволинейностью перемещения индентера. В зависимости от величины коэффициента трения наблюдается изменение радиуса дорожки трения, значительное ее уширение. Погрешность измерений из-за указанных эффектов увеличивается с ростом величины нагрузки на образец в области касания его индентером. Наличие плоских магнитомягких концентраторов магнитного потока для элемента Холла вызывает проявление магнитных гистерезисных эффектов, что также ухудшает точность измерений. Начальное положение коромысла в мездозе определено с точностью до зазоров, следовательно, оно ухудшает точность измерений, особенно при малых нагрузках или в образцах с небольшим коэффициентом трения. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерения. Для решения поставленной задачи предлагается следующая конструкция устройства. Устройство для измерения силы трения содержит станину, на которой установлен электродвигатель, кинематически связанный с тахогенератором и посредством механической передачи связанный с вращающимся диском для размещения исследуемого плоского образца, установленным в подшипнике, жестко прикрепленном к станине контртело в виде индентера со сферическим наконечником, изготовленного из твердого металла, который установлен на уравновешенном подвесом коромысле и выполнен с возможностью прижатия съемной нагрузкой к вращающемуся образцу, при этом крепление коромысла выполнено посредством жестко установленной на станине оси с обеспечением коромыслу двух степеней свободы датчик малых перемещений на эффекте Холла, содержащий неподвижно размещенный на станине элемент Холла, находящийся в магнитном поле первого постоянного магнита, ролики на двух вращающихся осях для калибровки устройства. Устройство отличается тем, что на свободном конце коромысла размещен удлиненный цилиндрический магнит, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии катушки с витками, которая прикреплена к станине неподвижно и через измерительный резистор подключена к регулируемому источнику тока, к которому подключена плата обработки и усиления сигнала с элемента Холла, причем к первому магниту прикреплен идентичный ему второй постоянный магнит так, что они соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно элементу Холла и расположены с посредством немагнитного кронштейна на коромысле. Устройство отличается тем, что станина снабжена установочными опорными винтами для установки начального горизонтального положения на станине размещены два упругих ограничителя движения для коромысла. По мнению автора, устройство содержит ряд новых элементов, изложенных в отличительной части вышеизложенного текста и позволяющих реализовать значительное повышение точности измерения мгновенных значений силы трения. Анализ предлагаемого решения и известных показывает, что конструкция устройства позволяет осуществить компенсационный принцип, что и позволяет повысить точность измерений. А именно выводы катушки через измерительный резистор подключены к регулируемому источнику тока, который регулируется платой обработки сигнала с датчика Холла, и поэтому ток,3 17305 1 2013.06.30 проходящий через катушку, создает магнитное поле, силовым образом воздействующее на удлиненный цилиндрический магнит таким образом, что при воздействии силы трения оно удерживает коромысло в одной точке над элементом Холла, соответствующей переходу индукции магнитного поля, вызванного полюсами двух магнитов, расположенных на немагнитном кронштейне коромысла, через нуль. При этом осуществляется компенсация силы трения силовым взаимодействием тока катушки и удлиненного цилиндрического магнита в ней. Сигнал снимается с измерительного резистора. Дорожка трения не имеет уширения даже при значительных изменениях коэффициента трения с глубиной, что позволяет исследовать трибологические свойства покрытий и тонких пленок. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 представлена схема функционирования устройства. На фиг. 2 изображено схематичное расположение магнитов датчика малых перемещений и распределение нормальной составляющей индукции магнитного поляот этих двух постоянных магнитов, размещенных на немагнитном кронштейне коромысла вдоль оси перемещенийпри расстоянии до элемента Холла 0,5 мм (линия ) и расстоянии 1,0 мм (линия ). Длина, ширина и высота магнитов равны 5 мм. Магниты марки 5 с удельной энергией 20. Координата- точка перехода индукции магнитного поля через нулевое значение, т.е.0. Рабочая область малых перемещений находится вблизи точки , составляет несколько десятков микрон и не выходит за область линейности функции . На фиг. 3 - приведена электронная функциональная схема устройства. При этом ЭДС,снимаемая с датчика Холла , подается на операционный усилитель (ОУ) 1, выход которого подключен к регулируемому источнику тока (фактически в технической литературе используется термин усилитель мощности на транзисторах 1 и 2). Устройство измерения силы трения содержит станину 1, на которой установлен электродвигатель 2, кинематически связанный с тахогенератором 3 и посредством механической передачи 4 связанный с вращающимся диском 5, установленным в подшипнике 6,жестко прикрепленном к станине 1, так что исследуемый плоский образец 7 размещен на диске 5, а контртелом служит индентер 8 со сферическим наконечником, изготовленный из твердого металла, который установлен на уравновешенном подвесом 9 коромысле 10. Коромысло 10 выполнено с отверстиями 11, имеющими резьбу для вкручивания индентера 8 с целью изменения радиуса дорожки трения исследуемого образца 7. Индентер 8 прижимается под действием съемной нагрузки 12 к вращающемуся образцу 7, причем крепление коромысла производится с помощью жестко установленной на станине 1 оси 13, обеспечивающей коромыслу 10 две степени свободы, датчик малых перемещений на эффекте Холла содержит неподвижно размещенный на станине 1 элемент Холла 14 (вместе с платой обработки и усиления сигнала 15), находящийся в магнитном поле первого постоянного магнита 16, ролики 17 на двух вращающихся осях, установленные на станине 1 для калибровки устройства. На свободном конце коромысла 10 размещен удлиненный цилиндрический магнит 18, намагниченный аксиально и расположенный соосно в отверстии 4 17305 1 2013.06.30 катушки 19 с витками (число витковот 2000 до 5000), которая прикреплена к станине 1 неподвижно и через измерительный резистор м подключена к регулируемому источнику тока (он размещен на плате 15 и собран на транзисторах 1 и 2 в соответствии с электронной функциональной схемой датчика наклона, изображенной на фиг. 3), который регулируется платой обработки и усиления сигнала с элемента Холла 14 с помощью операционного усилителя ОУ, причем к первому магниту 16 приставлен индентичный ему второй постоянный магнит 20, так что они соприкасаются и противоположными полюсами ориентированы перпендикулярно пластине Холла и расположены с помощью немагнитного кронштейна (не изображен) на коромысле 10. Станина 1 снабжена установочными опорными винтами 21 для установки начального горизонтального положения, и дополнительно на станине 1 размещены два упругих ограничителя 22 движения для коромысла 10. Расстояние между упругими ограничителями 22 не более 1 мм. Устройство работает следующим образом. Вначале устройство калибруется с помощью роликов 17 и подвешенных вертикально тарированных грузов (грузы определенной массы). Процесс калибровки такой же как описан в прототипе. Перед измерениями установочными опорными винтами 21 устанавливается начальное горизонтальное положение,при этом выходной сигнал вых, снимаемый с измерительного резистора м, соответствует величине, установленной при калибровке устройства на горизонтальном стенде, в условиях отсутствия силы трения (без вращения образца) и без ограничения общности можно считать вых 0, а плоскость, разделяющая магниты, находится над датчиком Холла в точке . Образец 7 приводится во вращение с помощью электродвигателя 2. Скорость скольжения между индентером 8 и образцом 7 устанавливается путем регулирования радиального расстояния между центром диска и точкой касания индентера, а также изменением скорости вращения электродвигателя, кинематически связанного с диском,которая стабилизируется тахогенератором 3. При воздействии силы трения (отклоняющая сила) через контртело на коромысло элемент Холла 9 вырабатывает ЭДС разбаланса ,которая подается на операционный усилитель 1, и после усиления с помощью транзисторов 1 и 2 регулируется ток комп. Таким образом, управляющий ток комп, вырабатываемый платой 15, проходящий через катушку с витками 19, создает магнитное поле, силовым образом воздействующее на удлиненный цилиндрический магнит 18 таким образом, что при воздействии силы трения оно удерживает коромысло в одной точке с координатой(точка устойчивого равновесия в горизонтальной плоскости) над элементом Холла, соответствующей переходу индукции магнитного поля через нуль, по линии смены полюсами двух магнитов датчика малых перемещений. При этом осуществляется полная компенсация силы трения силовым взаимодействием тока катушки и удлиненного цилиндрического магнита 18 в ней. Следует отметить, что контакт контртела с образцом осуществляется по одной и той же замкнутой кривой, практически по окружности, следовательно,не наблюдается изменения ширины дорожки трения. Сигнал, снимаемый с измерительного резистора м, пропорционален силе трения трвых, т.е. при заданной силе прижима контртела к образцу с силой нагрузкикоэффициент трения определяется из соотношениятр/Рвых/Р, где- коэффициент, определяемый при калибровке устройства, который принимает ряд дискретных значений, которые зависят от расстояния между осью 13 и индентером, которое может дискретно регулироваться перед началом измерений (индентер 8 вкручивается в отверстия с резьбой 11 коромысла 10). Упругие ограничители 22 движения для коромысла 10 могут использоваться как механические ограничители при внештатной ситуации, при сбоях в электронике или запредельном движении коромысла от координаты устойчивого равновесия . При взаимном износе сферического наконечника индентера и образца (взаимопроникновение) координата устойчивого равновесияв горизонтальной плоскости не меняется, что следует из зависимостей , приведенных на фиг. 2 (линиииимеют различный градиент вдоль оси , но пересекаются в одной точке с координатой Хо). Таким образом, использование 5 17305 1 2013.06.30 компенсационного принципа измерения позволяет значительно повысить точность измерения мгновенных значений силы трения. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Патент 2284503, МПК 701 19/02, 2006. 2. Васильев И.И., Прокошин В.И., Шпилевский Э.М. Установка с холловскими датчиками малых перемещений для измерения трибологических параметров фуллереносодержащих пленок. Фуллерены и фуллереноподобные структуры Сб. науч. трудов. - Минск БГУ, 2000. - С. 195-200 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6