Устройство для измерения силы трения
Изобретение относится к области испытания материалов, в частности к устройствам измерения силы трения и оценки пространственного положения вектора трения. Устройство для измерения силы трения содержит основание, установленные на нем держатель образца, каретку с направляющей, штоком, расположенным перпендикулярно рабочей поверхности образца с возможностью поступательного перемещения в направляющей, на одном конце которого размещен узел нагружения, а на другом - держатель контртела в виде стержня с возможностью качания, измерителем силы трения и пружиной, закрепленными на каретке оппозитно с разных сторон держателя контртела в плоскости,параллельной рабочей поверхности образца, привод перемещения одного из держателей. Также устройство снабжено гибкой муфтой, соединяющей шток с держателем контртела и фиксирующей их взаимное угловое положение, шариком, установленным соосно штоку и размещенным внутри муфты между торцами штока и держателя контртела таким образом, что обеспечивается пространственное качание держателя контртела относительно его точки контакта с шариком, а фиксация положения шарика обеспечивается упругостью муфты в осевом направлении за счет ее установки с предварительным натягом, дополнительным измерителем силы трения и дополнительной пружиной, установленными на каретке оппозитно с разных сторон держателя контртела в плоскости, параллельной рабочей поверхности образца, и ортогонально направлению установки исходного измерителя силы трения и пружины. Технический результат - повышение точности оценки сил трения и расширение функциональных возможностей устройства. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области испытания материалов, в частности к устройствам измерения силы трения и оценки пространственного положения вектора трения.
Аналогом представляемого устройства измерения силы трения является устройство для измерения силы трения (а.с. № 1388768 G01N 19/02, 1988, БИ № 14, "Устройство для измерения силы трения"), содержащее основание, установленные на нем держатель образца, каретку с держателем контртела, узел нагружения, измеритель силы трения и привод перемещения одного из держателей. Известное устройство имеет асимметричное расположение узла нагружения и держателя контртела относительно оси крепления на подвижной каретке, что ограничивает функциональные возможности устройства случаем однонаправленного поступательного движения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения силы трения (Патент РФ № 2284503, МПК7 G01N 19/02, Бюл. № 27 от 27.09.2006), содержащее основание, установленные на нем держатель образца, каретку с 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.
Представленное в качестве прототипа устройство позволяет производить оценку сил трения при организации линейных возвратно-поступательных траекторий движения образцов, при этом измерительные элементы расположены в направлении движения образцов. Однако направление вектора трения в общем случае может не совпадать с направлением движения, а возникающее в этом случае дополнительное силовое воздействие, направленное ортогонально главному направлению движения при использовании устройства прототипа, остается неучтенным. Например, такая ситуация характерна для испытания материалов, обладающих выраженной анизотропией физико-механических свойств поверхностного слоя.
Следовательно, устройство-прототип не позволяет производить оценку пространственного положения вектора трения, для чего необходимо оценивать не только силы сопротивления трению, действующие в направлении главного движения, но и силы, действующие в направлении, ортогональном главному.
Задачей изобретения является повышение точности оценки сил трения и расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная задача достигается за счет того, что конструкция устройства для измерения сил трения, содержащая основание, установленные на нем держатель образца, каретку с направляющей, штоком, расположенным перпендикулярно рабочей поверхности образца с возможностью поступательного перемещения в направляющей, на одном конце которого размещен узел нагружения, а на другом - держатель контртела в виде стержня с возможностью качания, измерителем силы трения и пружиной, закрепленными на каретке оппозитно с разных сторон держателя контртела в плоскости, параллельной рабочей поверхности образца, привод перемещения одного из держателей, снабжена гибкой муфтой, соединяющей шток с держателем контртела и фиксирующей их взаимное угловое положение, шариком, установленным соосно штоку и размещенным внутри муфты между торцами штока и держателя контртела таким образом, что обеспечивается пространственное качание держателя контртела относительно его точки контакта с шариком, а фиксация положения шарика обеспечивается упругостью муфты в осевом направлении за счет ее установки с предварительным натягом.
Применение шарика создает точечный контакт при передаче нагружающего усилия от устройства нагружения через шток к держателю контртела и обеспечит возможность пространственного качания держателя контртела. Поэтому отклонение держателя контртела в процессе взаимодействия с образцом будет совпадать с направлением действующего вектора трения, а не с направлением относительного движения образцов.
Так, если исходный измеритель установлен в направлении движения, то его показания будут соответствовать проекции вектора трения на направление движения. Соответственно для более точной оценки сил трения необходим второй измеритель силы трения, расположенный ортогонально первому. Для чего конструкция устройства для измерения сил трения снабжена дополнительным измерителем силы трения и дополнительной пружиной, установленными на каретке оппозитно с разных сторон держателя контртела в плоскости, параллельной рабочей поверхности образца, и ортогонально направлению установки исходного измерителя силы трения и пружины. При этом регистрация данных о характере изменения действующих в ортогональных направлениях компонентах вектора трения производится при помощи системы сбора данных с применением известных принципов аналого-цифрового преобразования.
Таким образом, конструкция устройства обеспечивает повышение точности и эффективности трибологических испытаний за счет регистрации двух компонент силы трения, на основе которых можно производить оценку пространственного положения вектора трения и его эффективного значения вне зависимости от направления относительного движения образцов.
На чертеже представлено устройство для измерения силы трения.
Устройство для измерения силы трения содержит основание 1, закрепленный на нем держатель 2 образца 3, установленную на основании 1 в направляющих (на чертеже не показаны) подвижную каретку 4 с направляющей 5, штоком 6, расположенным перпендикулярно рабочей поверхности образца 3 с возможностью поступательного перемещения в направляющей 5, на одном конце штока 6 размещен узел нагружения 7, а на другом - гибкая муфта 8, соединяющая шток 6 с держателем 9 контртела 10 с возможностью пространственного качания держателя 9 относительно точки контакта с шариком 11, установленным соосно штоку 6 и размещенным внутри гибкой муфты 8 между торцами штока 6 и держателя 9, измеритель силы трения 12 и пружину 13, закрепленные на каретке 4 оппозитно с разных сторон держателя 9 контртела 10 в плоскости 14 в направлении относительного движения образца 3 и контртела 10, дополнительные измеритель силы трения 15 и пружину 16, установленные на каретке 4 аналогично первым в плоскости 14 и ортогонально направлению относительного движения образца 3 и контртела 10, причем плоскость 14 расположена на расстоянии от точки контакта держателя 9 контробразца 10 с шариком 11 до рабочей поверхности образца 3, привод 17 перемещения каретки 4 и держателя 9 контртела 10, систему сбора данных 18, своими входами подключенную к выходам измерителей 12, 15.
Гибкая муфта 8 фиксирует взаимное угловое положение штока 6 и держателя 9 и выполнена упругой в осевом направлении для фиксации положения шарика 11 усилием, превышающим вес держателя 9 с контртелом 10.
В нашем конкретном устройстве были применены следующие компоненты: измерители (12, 15) - датчики силы FSG 15N1 фирмы Honeywell (Канада), система сбора данных (18) - персональный компьютер с многоканальным устройством ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов RLDA 16АС фирмы RealLab (Россия, г.Таганрог), привод (17) - двухкоординатный привод перемещения, реализованный с использованием двух передач винт-гайка и двух электродвигателей, обеспечивающих поддержание заданной траектории движения каретки 4 с контртелом 10, в качестве узла нагружения 7 использовали набор сменных грузов, размещаемых на верхнем конце штока 6.
Устройство работает следующим образом.
В держателях 2 и 9 устанавливают образец 3 и контртело 10. Каретку 4 размещают в исходной точке траектории движения. Приводят в контакт образец 3 и контртело 10, нагружают их с помощью узла нагружения 7 и включают привод 17, обеспечивающий заданную траекторию движения (линейную, круговую, овальную и т.д.) контртела 10 по поверхности образца 3. При движении контртела 10 относительно образца 3 возникает сила трения, которая пытается повернуть держатель 9 относительно точки его контакта с шариком 11 в направлении действующего вектора трения, который в общем случае (например, при контакте анизотропных тел) не совпадает с направлением, противоположным направлению движения контртела 10.
Так как держатель 9 удерживается пружинами 13 и 16 и измерителями силы трения 12 и 15 в равновесии, перпендикулярно плоскости образца 3 усилием, равным половине диапазона измерителей 12 и 15, то появление дополнительных составляющих силы трения по каждой из ортогональных координат приведет к смещению равновесия сил и измерители 12 и 15 покажут силу в два раза большую, чем действующие силы трения между контртелом 10 и образцом 3 по заданным ортогональным направлениям, в соответствии с отношением плеч сил, действующих относительно точки контакта держателя 9 и шарика 11.
Регистрация информации о мгновенных значениях сил трения, действующих в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и ее последующая обработка с использованием системы сбора данных 18 позволяет вычислить направление и значение действующего вектора трения в любой точке траектории движения образцов.
Таким образом, основной технический результат заключается в повышении точности оценки сил трения за счет регистрации мгновенного пространственного положения вектора трения и его эффективного значения и в расширении функциональных возможностей устройства за счет снятия ограничения на характер реализуемых устройством траекторий относительного движения.
1. Устройство для измерения силы трения, содержащее основание, установленные на нем держатель образца, каретку с направляющей, штоком, расположенным перпендикулярно рабочей поверхности образца с возможностью поступательного перемещения в направляющей, на одном конце которого размещен узел нагружения, а на другом держатель контртела в виде стержня с возможностью качания, измерителем силы трения и пружиной, закрепленными на каретке оппозитно с разных сторон держателя контртела в плоскости параллельной рабочей поверхности образца, привод перемещения одного из держателей, отличающееся тем, что устройство снабжено гибкой муфтой, соединяющей шток с держателем контртела и фиксирующей их взаимное угловое положение, шариком, установленным соосно штоку и размещенным внутри муфты между торцами штока и держателя контртела таким образом, что обеспечивается пространственное качание держателя контртела относительно его точки контакта с шариком, а фиксация положения шарика обеспечивается упругостью муфты в осевом направлении за счет ее установки с предварительным натягом, дополнительным измерителем силы трения и дополнительной пружиной, установленными на каретке оппозитно с разных сторон держателя контртела в плоскости, параллельной рабочей поверхности образца, и ортогонально направлению установки исходного измерителя силы трения и пружины.
2. Устройство для измерения силы трения по п.1, отличающееся тем, что оба измерителя сил трения и соответствующие им пружины размещены в одной плоскости, параллельной рабочей поверхности образца, на расстоянии 1/2 от точки контакта держателя контробразца с шариком до рабочей поверхности образца.
3. Устройство для измерения силы трения по п.1, отличающееся тем, что величина предварительного натяга упругой в осевом направлении муфты при фиксации положения шарика определяется усилием, превышающим суммарный вес контртела и его держателя.
