Способ определения коэффициента трения покоя поверхностного слоя материала

При осуществлении способа образец устанавливают с возможностью поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, а измерительный щуп - с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости. Нагружают измерительный щуп, контактирующий с поверхностью образца в одной точке. Перемещают образец в паре со щупом до их взаимного сдвига в двух взаимно противоположных направлениях с фиксацией момента сдвига измерительного щупа относительно образца. Коэффициент трения покоя рассчитывают по предлагаемой формуле, обеспечивающей повышение точности определения коэффициента трения при очень малых нагрузках. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к области испытаний материалов и может быть использовано в машиностроении для определения фрикционных характеристик поверхностей материалов, в частности коэффициента трения покоя поверхностных слоев.

Известен способ определения химической чистоты поверхности образца с использованием измерительного щупа, заключающийся в определении силы трения между поверхностью образца и измерительного щупа в момент его отрыва от образца, причем используют щуп, контактирующий в одной точке с поверхностью образца, например, диск или шарик. Исследуемый образец закрепляют на предметном столике, устанавливают щуп на поверхности образца, постепенно увеличивают тяговое усилие, фиксируют момент сдвига, замеряют показания динамометра и сравнивают с показаниями динамометра по эталонной модели (RU №188106, кл. G01N 13/00, 1996 г.).

Недостатками способа являются:

- невозможность его использования для измерения собственно коэффициента трения,

- необходимость сравнения результатов с измерениями на эталонном образце,

- ограничение точности измерения точностью тарировки динамометра, что приводит к погрешностям, если измерения выполнять при малых нормальных нагрузках в контакте щупа и образца.

Наиболее близким к заявляемому относится способ определения коэффициента трения покоя поверхностных слоев материала (RU №2150688, кл. G01N 19/02, 2000 г.), заключающийся в установке измерительного щупа на поверхность образца и фиксации момента сдвига измерительного щупа относительно образца. Образец устанавливают с возможностью поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, измерительный щуп устанавливают с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости на длинных гибких связях. Затем измерительный щуп нагружают и перемещают образец в паре со щупом до их взаимного сдвига. Рассчитывают величину линейного перемещения образца как разность конечного δ₂ и начального δ₁ показаний по шкале микрометрического винта. Коэффициент трения покоя рассчитывают по формуле

где Р - вес измерительного щупа;

δ=δ₁-δ₂ - величина линейного перемещения образца;

G - дополнительная нагрузка на измерительный щуп;

L - длина гибких связей.

Недостатком прототипа является то, что коэффициент трения покоя рассчитывают по приближенной (неточной) формуле, которая дает завышенный результат, так как из условия равновесия точная расчетная формула используемой схемы измерения имеет вид

где Р - вес измерительного щупа,

G - дополнительная нагрузка на измерительный щуп,

ϕ - угол поворота измерительного щупа в вертикальной плоскости,

α - угол отклонения гибких связей в вертикальной плоскости (фиг.1).

Так как углы ϕ и α практически определить невозможно вследствие их малости, то невозможно и использование точной формулы.

Задачей изобретения является повышение точности определения коэффициента трения при очень малых нагрузках, особенно при решении вопросов моделирования фрикционного взаимодействия на единичном контакте, при исследовании процессов в тонких пленках на поверхностях трения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения коэффициента трения покоя поверхностного слоя материала, заключающимся в установке образца с возможностью поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, а измерительного щупа, контактирующего с поверхность образца - в одной точке, с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости на гибких связях, нагружении измерительного щупа и перемещении образца в паре со щупом до их взаимного сдвига, фиксации момента сдвига измерительного щупа, относительно образца и расчете коэффициента трения покоя по формуле, согласно изобретению образец перемещают в паре со щупом до их взаимного сдвига в двух противоположных направлениях, а величину коэффициента трения покоя, как среднее значение, рассчитывают по формуле

где Р - вес измерительного щупа;

δ₁ - величина линейного перемещения образца в первоначальном направлении;

δ₂ - величина линейного перемещения образца в противоположном направлении;

G - дополнительная нагрузка на измерительный щуп;

L - длина гибких связей.

Коэффициент трения покоя рассчитывают как среднее арифметическое значение результатов двух измерений, проведенных в двух противоположных направлениях, что уменьшает суммарную погрешность результата измерения и тем самым повышает точность его определения.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 - изображены схемы измерения коэффициента трения по предлагаемому способу, а на фиг.3 изображен вид прибора для реализации способа.

Способ реализуется в устройстве, состоящем из укрепленного на основании 1 предметного столика 2, на котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости установлен держатель образца 3 с образцом 4; кронштейна 5 с жестко закрепленным в нем приводом линейного перемещения, выполненного в виде микрометрического винта 6; стойки 7 с закрепленной на ней с возможностью возвратно-поступательного перемещения в вертикальной плоскости балки 8. На балке 8 при помощи ползуна 9 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в горизонтальной плоскости укреплена траверса, выполненная в виде стержня 10 с закрепленной на противоположных концах ее гибкой связи 11. Крестообразная балка состоит из двух взаимно перпендикулярных стержней 12 и 13, подвешена на гибкой связи 11, пропущенной через полый стержень 12, равный своей длиной и параллельный стержню 10 траверсы. На противоположных концах стержня 13 расположены измерительный щуп 14 с грузом 15 и противовес 16 измерительного щупа.

Способ осуществляют следующим образом. Образец 4 устанавливают на поверхность держателя образца 3, который устанавливают так, что он одной стороной упирается в шток привода линейного перемещения 6 (микрометрический винт) и фиксируют начальное показание δ' по шкале микрометрического винта 6. Перемещая противовес 16 измерительного щупа 14, приводят крестообразную балку в равновесие относительно оси, проходящей через точки ее подвеса на гибких связях 11. Перемещая балку 8 по стойке 7, приводят измерительный щуп 14 в соприкосновение с образцом 4 в выбранной точке. Затем нагружают измерительный щуп 14 грузом 15 и, плавно вращая головку микрометрического винта 6 по часовой стрелке, перемещают держатель образца 3 вместе с образцом 4 в горизонтальной плоскости. В результате действия силы трения Р измерительный щуп 14 перемещается вместе с образцом 4, а гибкие связи 11, на которых подвешен измерительный щуп 14, отклоняются от вертикального положения до тех пор, пока горизонтальные составляющие сил реакции нитей не превысят значение силы трения покоя между поверхностями образца 4 и измерительного щупа 14 и не произойдет сдвиг образца 4 и измерительного щупа 14 относительно друг друга. В этот момент прекращают перемещение держателя образца 3 и фиксируют конечное значение δ" и определяют величину линейного перемещения А-А', равную δ₁=δ₁"-δ₁' (см. фиг.1), вычисляемую как разность конечного δ" и начального δ' показаний на шкале микрометрического винта 6. Затем снимают груз 15 с измерительного щупа 14 и приводят крестообразную балку в равновесие и в соприкосновение с образцом. Снова нагружают измерительный щуп 14 грузом 15 и, плавно вращая головку микрометрического винта 6 против часовой стрелки, перемещают держатель образца 3 вместе с образцом 4 в горизонтальной плоскости в направлении, противоположном первоначальному направлению. Аналогичным образом определяют величину линейного перемещения А-А", равную δ₂=δ₂"-δ₂' (см. фиг.2).

Коэффициент трения покоя рассчитывают по формуле

где

Р - вес измерительного щупа;

δ₁=δ₁"-δ₁' - величина линейного перемещения образца в первоначальном направлении;

δ₂=δ"₂-δ'₂ - величина линейного перемещения образца в противоположном направлении;

G - дополнительная нагрузка на измерительный щуп;

L - длина гибких связей.

Была проведена серия измерений коэффициента трения покоя одной и той же поверхности стального образца с покрытием из нитрида титана, нанесенного ионно-плазменным способом. Использовался микротрибометр со следующими параметрами: вес измерительного щупа - 2,32 г; дополнительная нагрузка на измерительный щуп - 0,1 г, длина гибких связей - 222 мм.

Измерения осуществляли попеременными перемещениями образца в паре со щупом в двух противоположных направлениях. Для этого вначале вращали головку микрометрического винта по часовой стрелке до момента сдвига образца и измерительного щупа относительно друг друга. Затем вращали головку микрометрического винта против часовой стрелки до момента сдвига образца и измерительного щупа относительно друг друга в направлении, противоположном первоначальному направлению. Затем цикл измерений повторяли. Коэффициент трения покоя при измерении в каждом из направлений рассчитали по формуле прототипа. Далее рассчитали коэффициент трения покоя по формуле предлагаемого способа (как среднее из замеров в двух противоположных направлениях).

Коэффициент трения покоя от величины перемещения образца зависит линейным образом, поэтому статистическую обработку массива результатов проводили по методике для косвенных измерений с многократными наблюдениями при линейной зависимости (Димов Ю.В. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов. 2-е изд. - СПб.: Питер, 2006. С.234-240). В ней за результат измерения принимают среднее арифметическое результатов многократных наблюдений. Доверительные границы случайной погрешности результата измерения находили при доверительной вероятности Р=0,95 и числе измерений n=10.

Результаты измерений и их обработки приведены в таблице.

Таблица
Расчет по прототипу	Расчет по прототипу, но при перемещении в противоположном направлении	Расчет по предлагаемому способу
0,33		0,29
	0,24
0,27		0,25
	0,23
0,24		0,22
	0,20
0,30		0,26
	0,22
0,37		0,32
	0,26
0,37		0,32
	0,27
0,30		0,30
	0,30
0,45		0,42
	0,38
0,30		0,29
	0,27
0,37		0,36
	0,35
Среднее значение и доверительные границы случайной погрешности
0,33±0,043	0,27±0,040	0,30±0,040

Из результатов измерений видно, что расчет коэффициента трения покоя по способу-прототипу дает систематически завышенный результат. Расчет коэффициента трения покоя по формульной зависимости способа-прототипа, но при перемещении образца в паре со щупом в противоположном направлении дает систематически заниженный результат. Предлагаемый способ позволяет компенсировать систематическую погрешность за счет выполнения измерений с двумя наблюдениями, выполняемыми так, что систематическая погрешность входит в результат этих наблюдений с разными знаками.

Таким образом, применение предлагаемого способа уменьшает суммарную погрешность результата измерения и, тем самым, повышает точность определения коэффициента трения покоя.

Изобретение реализовано в виде лабораторного образца и применяется для измерения коэффициента трения покоя в научно-исследовательских целях.

Способ определения коэффициента трения покоя поверхностного слоя материала, заключающийся в установке образца с возможностью поступательного перемещения в горизонтальной плоскости, а измерительного щупа, контактирующего с поверхностью образца в одной точке, с возможностью углового перемещения в вертикальной плоскости на гибких связях, нагружении измерительного щупа и перемещении образца в паре со щупом до их взаимного сдвига, фиксации момента сдвига измерительного щупа относительно образца и расчете коэффициента трения покоя по формуле, отличающийся тем, что образец перемещают в паре со щупом до их взаимного сдвига в двух противоположных направлениях, а величину коэффициента трения покоя рассчитывают по формуле

где Р - вес измерительного щупа;

δ₁ - величина линейного перемещения образца в первоначальном направлении;

δ₂ - величина линейного перемещения образца в противоположном направлении;

G - дополнительная нагрузка на измерительный щуп;

L - длина гибких связей.