Способ определения динамического коэффициента внешнего трения

Использование: механические испытания материалов, в частности определение динамического коэффициента внешнего трения. Для определения динамического коэффициента внешнего трения используются два образца, нижний из которых закрепляют на платформе, способной поворачиваться относительно горизонтальной оси подвески в вертикальной плоскости. Плоскую рабочую поверхность платформы располагают параллельно оси подвески и перпендикулярно плоскости, проходящей через ось подвески и геометрический центр рабочей поверхности платформы. Верхний образец свободно устанавливают на поверхности нижнего, платформу с образцами отклоняют из нижнего положения на некоторый угол θ и отпускают для свободного движения по закону физического маятника. На пути платформы помещают упор, останавливающий ее вместе с нижним образцом в нижнем горизонтальном положении. После измерения пути S, по инерции пройденного верхним образцом на поверхности нижнего, определяют динамический коэффициент внешнего трения по формуле. Техническим результатом является возможность определения динамического коэффициента внешнего трения при ограниченных габаритах образцов одинаковой формы без измерения сил трения путем использования принципа равенства между кинетической энергией образца, движущегося с определенной начальной скоростью, и работой силы трения, совершаемой в процессе относительного перемещения образца до полной его остановки. 1 ил.

 

Изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению динамического коэффициента трения при взаимном перемещении образцов.

Известны способы определения динамического коэффициента внешнего трения, состоящие в непосредственном измерении силы трения на образцах при их взаимном перемещении.

Недостатком таких способов является необходимость применения силоизмерительных механизмов, усложняющих применяемые устройства.

Существуют способы и устройства, позволяющие исключить непосредственное измерение силы при определении динамического коэффициента трения, основанные на законах механики, определяющих соотношение между силой тяжести подвижного образца и углом наклона испытательной системы. Например, известен способ определения динамического коэффициента внешнего трения скольжения при наклоне двух расположенных друг на друге образцов, нижний из которых, имеющий форму диска, приводят во вращение вокруг своей оси и наклоняют относительно горизонта, удерживая верхний образец в том месте диска, где его линейная скорость направлена вверх по уклону, при этом динамический коэффициент трения определяют по текущему значению угла наклона φ в тот момент, когда верхний образец начинает соскальзывать вниз [патент РФ №2458336, G01N 19/02, опубл. 10.08.2012].

Недостатком этого способа определения коэффициента трения является необходимость больших габаритов приводящегося во вращение образца, что трудно обеспечить при исследовании некоторых материалов с особыми свойствами.

Известен также выбранный в качестве прототипа способ определения динамического коэффициента внешнего трения между двумя расположенными друг на друге образцами, нижний из которых имеет цилиндрическую или сферическую вогнутую рабочую поверхность. Поворачивая образцы относительно горизонтальной оси, измеряют угол наклона φ1 относительно вертикали, при котором происходит соскальзывание верхнего образца, и угол φ2, при котором соскальзывание образца завершается, по значениям углов φ1 и φ2, исходя из равенства работы, совершаемой силой трения при соскальзывании верхнего образца, сопутствующему изменению потенциальной энергии верхнего образца, меняющего положение по вертикали, рассчитывают динамический коэффициент внешнего трения как , где k - расчетный поправочный коэффициент, учитывающий несовпадение центра тяжести верхнего образца с рабочей поверхностью нижнего образца [патент РФ №2537745, G01N 19/02, опубл. 10.01.2015].

К числу недостатков способа относится необходимость использования, по крайней мере у одного из образцов, достаточно протяженной и обязательно криволинейной, с постоянным радиусом, рабочей поверхности, что усложняет технику эксперимента, а при наличии только плоских образцов исключает возможность его проведения. Помимо этого выбранный в качестве прототипа способ обладает систематической погрешностью, для компенсации которой требуются дополнительные действия по определению поправочного коэффициента.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является возможность определения динамического коэффициента внешнего трения при ограниченных габаритах образцов одинаковой формы без измерения сил трения, путем использования принципа равенства между кинетической энергией образца, движущегося с определенной начальной скоростью, и работой силы трения, совершаемой в процессе относительного перемещения образца до полной его остановки.

Для достижения технического результата используют два образца, расположенных друг на друге, при этом нижний образец закрепляют в центре платформы, способной поворачиваться относительно горизонтальной оси подвески. Плоскую рабочую поверхность платформы располагают параллельно оси подвески, перпендикулярно плоскости, проходящей через ось подвески и геометрический центр рабочей поверхности платформы. Верхний образец свободно устанавливают на поверхности нижнего, отклоняют платформу с образцами от вертикального положения на некоторый угол θ и отпускают для свободного движения под действием силы тяжести по закону физического маятника. На пути движения платформы помещают упор, останавливающий ее вместе с закрепленным на ней нижним образцом в момент, когда платформа принимает нижнее положение. После остановки измеряют путь S, который по инерции проходит верхний образец по остановившейся в горизонтальном положении поверхности нижнего образца. Динамический коэффициент внешнего трения определяют по формуле

,

где θ - угол отклонения платформы от вертикального положения;

l - расстояние от центра тяжести верхнего образца до точки подвески платформы;

g - ускорение свободного падения;

Т - период колебаний платформы с образцами, определяемый в дополнительном опыте в процессе свободных колебаний, совершаемых ею без ограничения движения упором при отведении на такой же угол θ от вертикального положения.

С момента встречи платформы с препятствием и остановки нижнего образца верхний образец, двигаясь по инерции, проходит на поверхности нижнего некоторый путь, преодолевая силу трения, пропорциональную его весу и динамическому коэффициенту внешнего трения, и совершает работу, пропорциональную пройденному пути. Динамический коэффициент внешнего трения определяют из условия равенства кинетической энергии верхнего образца, движущегося в момент столкновения с известной скоростью, работе, которую производит, преодолевая силу трения, образец при перемещении после столкновения.

На фиг. 1 показана схема реализации предлагаемого способа экспериментального определения динамического коэффициента внешнего трения, объединенная со схемой действующих на образец усилий, где:

1 - нижний образец;

2 - верхний образец;

3 - платформа;

4 - ось подвески;

5 - упор.

Для определения динамического коэффициента внешнего трения используют два образца (фиг. 1), нижний 1 и верхний 2. Нижний образец 1 устанавливают и закрепляют на выполненной в виде физического маятника платформе 3, способной совершать свободные колебания относительно горизонтальной оси подвески 4. Рабочую поверхность платформы 3 располагают параллельно оси подвески 4 и перпендикулярно плоскости, проходящей через ось подвески 4 и геометрический центр рабочей поверхности платформы 3. На пути движения платформы 3 устанавливают жесткое препятствие в виде упора 5, способное остановить движение платформы 3 в ее нижнем положении. При отсутствии упора 5 платформа 3 может совершать колебательные движения относительно оси подвески 4 под действием собственного веса и веса установленных на ней образцов.

Определение динамического коэффициента внешнего трения производят в следующем порядке. Платформу 3 с нижним образцом 1 и верхним образцом 2 отклоняют от вертикального положения на некоторый фиксированный угол θ и отпускают, после чего она начинает свободное движение по закону гармонических колебаний. Предварительно на пути платформы 3 размещают упор 5, который останавливает ее движение в момент достижения нижнего положения, при котором рабочая поверхность нижнего образца 1 и вектор скорости верхнего образца 2 направлены горизонтально. К этому моменту движущаяся по закону физического маятника система приобретает некоторую угловую скорость ω, а линейная скорость верхнего образца 2, центр тяжести которого конструктивно находится на некотором расстоянии l от точки подвески 4, составит v=ωl. После остановки платформы 3 и закрепленного на ней нижнего образца 7 верхний образец 2, двигаясь по инерции, скользит по поверхности нижнего образца 1 и проходит некоторый путь S, зависящий от достигнутой скорости и величины динамического коэффициента трения. Если величина этого пути больше или меньше оптимального значения, обусловленного размерами образцов, опыт повторяют, изменяя скорость образцов вариацией угла θ между исходным и нижним положениями платформы 3. В конечном счете, определяют угол θ, при котором проходимый верхним образцом 2 путь S оптимален, и фиксируют значение пути, соответствующее данному углу.

Проходя по инерции путь S, верхний образец 2 совершает работу, обусловленную наличием силы трения Fтр. В момент столкновения платформы 3 с упором 5 рабочая поверхность нижнего образца 1 и вектор скорости верхнего образца 2 направлены горизонтально, поэтому силу трения можно определить как

Fтр=Mgfдин,

где g - ускорение свободного падения; fдин - динамический коэффициент трения.

Работа, которая совершается верхним образцом 2 в процессе скольжения до полной остановки, находится по формуле

A=Fтр·S=Mgfдин,

где S - путь, пройденный верхним образцом 2.

Исходя из закона сохранения энергии совершенная работа и начальная кинетическая энергия верхнего образца 2 равны между собой. Кинетическая энергия верхнего образа 2, имеющего массу М, равна

Таким образом,

,

что дает основание записать выражение для определения динамического коэффициента трения в виде

Для определения динамического коэффициента трения по формуле (1) используется величина линейной скорости v верхнего образца 2, связь которой с параметрами колебательного движения платформы 3 определяется теорией гармонических колебаний. При небольших углах колебания θ (менее 15°) с погрешностью менее 0,5%, допустимой при определении коэффициента трения, движение платформы 3 описывается уравнением [Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989, с. 410]

,

где θт - текущее угловое отклонение оси маятника от вертикального положения; θ - максимальное угловое отклонение оси маятника; t - текущее время процесса, прошедшее от начала колебаний; Т - период колебаний; φ - некоторая начальная фаза колебаний.

Угловая скорость ω колеблющегося маятника определяется как производная текущего угла поворота θт

.

Как следует из полученной формулы, угловая скорость системы также изменяется по закону гармонических колебаний, достигая максимального по абсолютной величине значения при нижнем положении платформы 3 с образцами, т.е. при . Таким образом, максимальная угловая скорость системы в нижнем положении платформы составляет

С помощью полученной формулы находят максимальную линейную скорость центра тяжести верхнего образца 2

где l - расстояние от оси подвески 4, являющейся центром поворота, до центра тяжести верхнего образца 2, определяемое конструктивно.

Использованием полученного выражения позволяет, не производя сложное измерение скорости верхнего образца 2 в момент соударения, определять ее простым расчетно-экспериментальным путем. Для этого проводят дополнительный опыт по определению периода колебаний Т, во время которого упор 5 убирают, а платформу 3 с образцами приводят в колебательное движение из того же исходного положения с углом отклонения θ. Период колебаний Т находят, определяя при помощи хронометража продолжительность одного цикла колебаний. Для повышения точности результата определяют суммарную продолжительность t некоторого числа n полных циклов колебаний, а величину периода колебаний находят по формуле

.

После нахождения значения Т с использованием формулы (2) определяют скорость верхнего образца 2 в момент столкновения. С учетом формул (1) и (2) определяют динамический коэффициент внешнего трения

.

Для расчета коэффициента внешнего трения величину исходного угла отклонения платформы θ определяют в радианах, период колебаний платформы с образцами Т - в секундах, величину смещения S верхнего образца 2 по поверхности нижнего образца 1 и расстояние l от точки подвески 4 платформы 5 до центра тяжести верхнего образца 2 - в метрах, величину ускорения свободного падения принимают равной g=9,8 м/с2.

Предлагаемый способ определения динамического коэффициента внешнего трения, реализуемый при малых скоростях относительно перемещения, наиболее целесообразен для статических систем с крепежными элементами и другими неподвижными соединениями, основанными на использовании сил трении, в которых велика вероятность нарушения относительной неподвижности вследствие внешних вибраций или ударных нагрузок и надежность системы должна оцениваться с учетом динамического коэффициента трения, который у большинства материалов уступает по величине статическому. Достоинством способа является возможность его реализации с использованием образцов весьма малых размеров, таких же, как и при определении статического коэффициента внешнего трения. Используемая для реализации способа оснастка универсальна, с ее помощью может определяться не только динамический, но и статический коэффициент внешнего трения. Для этого платформу 3 с образцами постепенно отклоняют от вертикального положения, увеличивая угол θ, до того момента, при котором произойдет соскальзывание верхнего образца 2, а по определенному в момент соскальзывания верхнего образца 2 предельному углу рассчитывают статический коэффициент внешнего трения по известной формуле.

Способ определения динамического коэффициента внешнего трения при относительном перемещении двух образцов, расположенных друг на друге, отличающийся тем, что нижний образец закрепляют в центре платформы, способной поворачиваться относительно горизонтальной оси подвески, плоскую рабочую поверхность платформы располагают перпендикулярно плоскости, проходящей через ось подвески и геометрический центр рабочей поверхности платформы, верхний образец свободно устанавливают на поверхности нижнего, отклоняют платформу с образцами от вертикального положения на угол θ и отпускают для свободного движения под действием силы тяжести по закону физического маятника, на пути движения платформы помещают упор, останавливающий ее вместе с нижним образцом в нижнем горизонтальном положении, измеряют путь S, который проходит по инерции верхний образец, и определяют динамический коэффициент внешнего трения по формуле

где θ - угол отклонения платформы от вертикального положения;
l - расстояние от центра тяжести верхнего образца до точки подвески платформы;
g - ускорение свободного падения;
Т - период колебаний платформы с образцами, определяемый в дополнительном опыте в процессе свободных колебаний, совершаемых ею без ограничения движения упором при отведении на такой же угол θ от вертикального положения.



 

Похожие патенты:

Трибометр // 2559798
Изобретение относится к испытательным и обкаточным стендам. Трибометр состоит из предметного стола, ограничивающей рамки, заполняемой пробой насыпного груза, навески и тягового органа для предметного стола с прибором для определения его тягового усилия.

Изобретение относится к области «Физики материального контактного взаимодействия» жесткого плоского тела с пористой материальной средой и предназначено для определения ее параметров деформируемости и прочности.

Изобретение относится к области инженерных изысканий и предназначено, в частности, для определения распределения реактивных нормальных напряжений грунтовых оснований по площади приложения нагрузки, необходимых для расчета внутренних усилий в теле фундаментов, и может быть использовано для определения деформационных характеристик грунтов.

Изобретение относится к испытательной технике, к методам определения механических свойств материалов. Сущность: испытывают одновременно два объекта испытаний.

Изобретение относится к области исследований и анализа физических свойств изделий и материалов и может быть использовано преимущественно для определения физических свойств текстильных изделий путем приложения сжимающих нагрузок.

Изобретение относится к испытательной технике и, в частности, к определению коэффициента сцепления транспортного средства с дорожным покрытием. Метод заключается в измерении параметров дорожного покрытия непосредственно на транспортном средстве с учетом его параметров.

Изобретение относится к области методов контроля качества сталей и сплавов. Технический результат - повышение точности измерений.

Использование: для изучения первичной рекристаллизации. Сущность: заключается в том, что осуществляют нагартовку образца и повышение его температуры до температуры прохождения рекристаллизации, при этом к образцу прикладывают постоянную нагрузку, приводящую к упругой деформации, а при повышении температуры фиксируют изменение модуля упругости, находят на зависимости изменения модуля упругости в функции температуры зону повышения градиента модуля упругости, продолжают линию, предшествующую началу зоны смены градиентов модуля упругости, продолжают линию после завершения зоны смены градиентов модуля упругости до пересечения с линией, предшествующей зоне смены градиентов модуля упругости, и идентифицируют абсциссу этой точки с температурой начала рекристаллизации.

Использование: для лазерной вибродефектоскопии крупногабаритных оболочек из полимерных многослойных клееных материалов. Сущность: заключается в том, что устройство лазерного вибропреобразователя содержит корпус с размещенным в нем оптоволокном с объективом лазерного излучения, соединенным с преобразователем, при этом преобразователь выполнен в виде подпружиненного бойка, взаимодействующего одним концом с оптоволокном, установленным в корпусе с возможностью качания, а другим с исследуемым объектом, при этом на подпружиненном бойке жестко закреплена упругая пластина, конец которой жестко связан с корпусом, а подпружиненный боек имеет паз под выступы ротора, установленного в корпусе, при этом оптоволокно оптически связано с отражающим зеркалом, которое также взаимодействует с чувствительным элементом, электрически связанным с вычислительной машиной, при этом сам корпус связан с динамометром посредством пружины сжатия и с устройством перемещения, взаимодействующие между собой с помощью направляющей, при этом в корпусе установлены шаровые опоры, перемещающиеся по исследуемому объекту, обеспечивающие зазор.

Изобретение относится к области анализа материалов, преимущественно смазочных масел, в частности для оценки влияния масел на поверхности деталей двигателей внутреннего сгорания в зонах высоких температур, и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для оценки моющих свойств масел при их допуске к производству и применению в технике.

Изобретение относится к способам определения компонентного (морфологического) состава и свойств твердых коммунальных отходов (ТКО) с использованием оптико-механической сортировки и предназначено для достоверной оценки ТКО как сырья с целью последующей переработки. Способ оценки компонентного состава твердых коммунальных отходов (ТКО) включает отбор проб ТКО, отделение компонентов первой пробы оптико-механической сортировкой, замер площади и массы каждого компонента пробы. Согласно формуле изобретения массу и место отбора первой анализируемой пробы с неопределенным составом выбирают в зависимости от категорий компонентов, причем первую пробу предварительно сортируют на два типа, а именно не подлежащих и подлежащих оптико-механической сортировке. Не подлежащие сортировке компоненты взвешивают, а у оставшихся компонентов определяют площадь оптико-механической сортировкой и массу каждого компонента в отдельности, после чего вычисляют коэффициент К перевода единиц площади в единицы массы. Далее осуществляют обработку последующих проб ТКО с разных мест отбора в количестве не менее 30. Затем компоненты, не подлежащие оптико-механической сортировке, взвешивают, а для компонентов, подлежащих оптико-механической сортировке, с учетом вычисленных ранее коэффициентов К и величин площадей соответствующих компонентов указанных проб ТКО определяют массу каждого из компонентов и с учетом массы не подлежащих оптико-механической сортировке компонентов и массы остальных компонентов осуществляют расчет компонентного состава всех проб ТКО и оценку потенциала ТКО как сырья. Техническим результатом является получение высокой статистической достоверности и низкой погрешности при оценке компонентного состава твердых коммунальных отходов с широким перечнем компонентов, что позволяет достоверно оценивать их как сырье для последующей переработки и использования содержащихся в нем компонентов. 4 табл.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для определения состояния контакта опорного валика конвейерной ленты с конвейерной лентой во время ее перемещения. Представленное устройство содержит датчик давления (5), имеющийся на вращающейся поверхности (2а) измерительного валика (2), который вращается в контакте с внутренней периферийной поверхностью (16) конвейерной ленты (15), натянутой между шкивами, и определяет силу сопротивления (f), возникающую при перемещении конвейерной ленты (15) по измерительному валику (2); датчик углового положения (6), определяющий угловое положение на вращающейся поверхности (2а), датчик давления (5). Получаемые с датчиков данные передаются за пределы измерительного валика (2) последовательно беспроводным путем с помощью блока передачи (8), установленного на измерительном валике (2), и принимаются приемником (9). Технический результат заключается в возможности точного определения состояния контакта между конвейерной лентой и опорными валиками. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к пуленепробиваемым волокнистым композитам и касается пуленепробиваемых однонаправленных лент или изделий с жесткой структурой и низким значением глубины отпечатка и способов их изготовления. Пуленепробиваемый волокнистый композит содержит множество смежных слоев на основе волокон, причем каждый слой на основе волокон содержит синтетические волокна с высоким модулем упругости при растяжении, характеризующиеся наличием поверхностей, которые, по меньшей мере, частично покрыты полимерным материалом, при этом указанные волокна преимущественно не содержат защитного покрытия волокон так, что указанный полимерный материал находится преимущественно в непосредственном взаимодействии с поверхностями волокон, при этом указанный волокнистый композит характеризуется значением динамического модуля упругости, которое превышает значение динамического модуля упругости сопоставимого волокнистого композита, характеризующегося наличием поверхностей волокон, которые преимущественно покрыты защитным покрытием волокон, при этом указанное защитное покрытие волокон расположено между поверхностями волокон и полимерным материалом. Описаны также способы изготовления пуленепробиваемого композита. Изобретение обеспечивает создание композитов с улучшенными свойствами устойчивости к воздействию пуль и осколков, в частности улучшенными значениями динамического модуля упругости, что коррелирует с низкой глубиной отпечатка композита. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к технологическим процессам. Периферийное устройство для использования в системе управления технологическим процессом содержит процессор; память; функциональный блок для инициализации запланированных действий и модуль планирования. Процессор получает введенное время и действие от главного устройства, подключенного через каналы передачи данных к периферийному устройству. Введенное время и действие указывает на запланированное время выполнения запланированного действия или последовательности действий. В запланированное время и без дополнительной передачи данных от главного устройства, автоматически выполняют запланированное действие или последовательность действий. Формируют состояние инициализации, которое передается на главное устройство, и состояние инициализации, которое сохраняется в локальной памяти периферийного устройства. Состояние инициализации указывает на выполнение процесса инициализации действия или последовательности действий. Сокращается время обмена данными. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к технике для определения физико-механических свойств сыпучих материалов, в частности их фрикционных характеристик. Заявленное устройство для определения фрикционных характеристик сыпучих материалов содержит корпус с приводом вращения вертикального вала регулируемой частоты, силоизмеритель, а также чашку и обойму, расположенные соосно, первая из которых соединена с валом, а вторая взаимодействует с силоизмерителем, при этом обойма свободно центрируется по чашке и выполнена с одной или несколькими неподвижными перегородками, расположенными вдоль ее оси. Технический результат - обеспечение точности результатов исследований фрикционных характеристик сыпучих материалов: коэффициента внутреннего трения покоя и коэффициента внутреннего трения движения одного сыпучего материала, коэффициента взаимного трения покоя и коэффициента трения движения разных сыпучих материалов, а также коэффициента трения покоя и коэффициента трения движения разных сыпучих материалов о различные жесткие материалы, а также упрощение конструкции устройства, а также обеспечение гарантированного сдвига и точного замера силы сдвига в зазоре между чашкой и обоймой за счет исключения при измерении неконтролируемого сдвига проб относительно обоймы и/или чашки. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Использование: механические испытания материалов, в частности определение динамического коэффициента внешнего трения. Для определения динамического коэффициента внешнего трения используются два образца, нижний из которых закрепляют на платформе, способной поворачиваться относительно горизонтальной оси подвески в вертикальной плоскости. Плоскую рабочую поверхность платформы располагают параллельно оси подвески и перпендикулярно плоскости, проходящей через ось подвески и геометрический центр рабочей поверхности платформы. Верхний образец свободно устанавливают на поверхности нижнего, платформу с образцами отклоняют из нижнего положения на некоторый угол θ и отпускают для свободного движения по закону физического маятника. На пути платформы помещают упор, останавливающий ее вместе с нижним образцом в нижнем горизонтальном положении. После измерения пути S, по инерции пройденного верхним образцом на поверхности нижнего, определяют динамический коэффициент внешнего трения по формуле. Техническим результатом является возможность определения динамического коэффициента внешнего трения при ограниченных габаритах образцов одинаковой формы без измерения сил трения путем использования принципа равенства между кинетической энергией образца, движущегося с определенной начальной скоростью, и работой силы трения, совершаемой в процессе относительного перемещения образца до полной его остановки. 1 ил.

Наверх