Способ определения коэффициента трения скольжения
Владельцы патента RU 2778049:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Изобретение относится к области механических испытаний материалов, в частности к определению коэффициента трения скольжения при взаимном перемещении образцов. Сущность: два образца с плоскими рабочими поверхностями, расположенные друг на друге, размещают на платформе, наклоненной относительно горизонта на некоторый угол ϕ. Верхний образец перемещают по нижнему при помощи прикрепленной к нему гибкой тяги, которую в исходном состоянии образцов располагают горизонтально параллельно плоской поверхности платформы. После перемещения верхнего образца на некоторое расстояние определяют начальный угол β отклонения траектории его перемещения от направления, совпадающего с исходным направлением гибкой тяги. Коэффициент трения скольжения определяют по формуле Технический результат: возможность определения с высокой точностью коэффициента внешнего трения скольжения с измерением только геометрических параметров системы, без измерения силы трения при малом однократном перемещении. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Способ относится к области триботехнических испытаний материалов, в частности, к определению коэффициентов внешнего трения скольжения при взаимном перемещении образцов.
Известны различные способы определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения на образцах при их взаимном перемещении. В большинстве случаев для определения коэффициентов внешнего трения покоя и скольжения требуется не только проведение отдельных опытов, но и использование различных устройств.
Существуют способы и устройства, позволяющие исключить измерение силы трения и определять коэффициент внешнего трения косвенно, измерением геометрических параметров определенным образом организованной механической системы. Известен способ определения коэффициента внешнего трения покоя путем измерения угла наклона ϕ относительно горизонтальной плоскости двух образцов, расположенных один на другом, в момент начала скольжения одного образца относительно другого, с расчетом коэффициента m внешнего трения по формуле m = tgϕ [патент США №3020744, кл. 73-9, кл. G01N 19/02, 1962]. Недостатком способа является его непригодность для определения коэффициента внешнего трения скольжения.
Известен также выбранный в качестве прототипа способ определения динамического коэффициента внешнего трения между двумя расположенными друг на друге и совершающими относительное перемещение образцами, нижний из которых располагают с некоторым фиксированным в опыте углом наклона ϕ относительно горизонтального положения, а верхний образец подвешивают с помощью шарнирной связи и перемещают относительно нижнего по горизонтали до образования установившегося угла, а между шарнирной связью и направлением перемещения, при этом динамический внешний коэффициент трения определяют по формуле 
[патент РФ №2444000, кл. G01N 19/02, опубл. 27.02.2012]. К достоинствам данного способа, помимо отсутствия необходимости измерения сил, относится достижение в процессе опыта устойчивого состояния системы, однозначно определяющего величину коэффициента трения. Недостатком способа является ограничение пути относительного перемещения системы габаритами образцов. При ограниченном пути перемещения для достижения установившегося состояния системы требуются повторные опыты с целью последовательного достижения установившегося угла, а между шарнирной связью и направлением перемещения. По этой же причине скорость относительного перемещения образцов ограничивается весьма низкими значениями.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является возможность определения с высокой точностью коэффициента внешнего трения скольжения с измерением только геометрических параметров системы, без измерения силы трения при малом однократном перемещении.
Технический результат достигается тем, что для определения коэффициента трения скольжения используют два расположенных друг на друге образца с плоскими рабочими поверхностями, размещенных на платформе, наклоненной относительно горизонта на некоторый угол ϕ, недостаточный для скатывания верхнего образца вниз по уклону. Верхний образец перемещают по нижнему при помощи прикрепленной к нему гибкой тяги, которую в исходном состоянии образцов располагают горизонтально, параллельно плоской поверхности нижнего образца. После перемещения верхнего образца на некоторое расстояние определяют начальный угол β отклонения траектории его перемещения от направления, совпадающего с исходным направлением гибкой тяги. Коэффициент трения скольжения определяют по формуле 
Для определения коэффициента трения скольжения при повышенных давлениях к верхнему образу прикладывают дополнительную вертикальную нагрузку подвешиванием к нему свободно висящего груза.
На фиг.1 и 2 показана система сил и вызываемых ими реакций между образцами и гибкой тягой в момент начала перемещения верхнего образца, на фиг.3 приведен вариант приложения к верхнему образцу дополнительной вертикальной нагрузки, где:
1 - нижний (неподвижный) образец;
2 - верхний (подвижный) образец;
3 - платформа;
4 - гибкая тяга;
5 - подвеска;
6 - груз.
Платформу 3, на которую устанавливают нижний образец 1 и верхний образец 2 с плоскими рабочими поверхностями, наклоняют относительно горизонта на некоторый угол ϕ, недостаточный для скатывания верхнего образца 2 вниз по уклону. Из-за наклона платформы 3 сила тяжести G верхнего образца 2 раскладывается на две составляющие, показанные на фиг.1. В направлении, перпендикулярном контактирующим поверхностям образцов, возникает нормальная сила
где G - вес верхнего образца.
Вторая составляющая действует в плоскости контакта образцов, она направлена вниз по уклону и представляет собой скатывающую силу
К верхнему образцу 2 прикрепляют гибкую тягу 4 (фиг.2, вид А) и располагают ее горизонтально, параллельно плоской поверхности нижнего образца. При помощи гибкой тяги 4 перемещают образец 2 на некоторое ограниченное расстояние. Необходимое для перемещения образца 2 усилие Т зависит от силы трения скольжения между образцами Fск, которая пропорциональна коэффициенту трения скольжения ƒск и нормальной силе между образцами GN:
Сила трения между образцами Fск в момент начала движения равна по величине и направлена противоположно равнодействующей R двух сил: скатывающей силы Gϕ и усилия в гибкой тяге Т. Из схемы сил на фиг.2 следует, что равнодействующая R, а соответственно и траектория движения образца в начале перемещения направлены под углом относительно β исходного горизонтального направления гибкой тяги 4. Вследствие этого условие равновесия сил в плоскости контакта образцов имеет вид
После преобразования с использованием формул (1) и (2) и с учетом того, что равнодействующая R равна силе трения скольжения Fск, выражение (3) принимает вид
Так как вектор силы R и направление перемещения верхнего образца 2 совпадают, угол β определяют экспериментально как угол отклонения траектории его перемещения от направления, совпадающего с исходным положением гибкой тяги в начале движения. После определения угла β коэффициент трения рассчитывают по формуле, полученной преобразованием выражения (4):
Предложенное техническое решение может быть использовано для определения коэффициента трения скольжения при повышенных давлениях. Для этого к образцу 2 подвешивают при помощи подвески 5 свободно висящий груз 6, сила тяжести которого, направленная строго вертикально, суммируется с силой тяжести образца. Подвеске 5 придают форму, обеспечивающую огибание ею наклонной платформы 3. Вертикальное приложение дополнительного усилия на верхний образец 2 обеспечивает возможность рассмотренных закономерностей и в данном случае. Свободная подвеска груза 6, в совокупности с возможностью проведения опыта при малой величине перемещения верхнего образца 2, практически исключают влияние на точность определения коэффициента трения инерционных сил, возникающих при перемещении груза 6 вслед за образцом 2. Это обусловлено тем, что свободная подвеска не способна передавать тангенциальные нагрузки, а в момент начала перемещения образца 2, которому соответствует определяемый в опыте угол β, отсутствует отклонение силовой линии подвески от вертикального положения.
1. Способ определения коэффициента трения скольжения между двумя расположенными друг на друге образцами с плоскими рабочими поверхностями, размещенными на платформе, наклоненной относительно горизонта на некоторый угол ϕ, верхний из которых перемещают по нижнему при помощи гибкой тяги, отличающийся тем, что прикрепленную к верхнему образцу гибкую тягу в исходном состоянии образцов располагают горизонтально параллельно плоской поверхности нижнего образца, после перемещения верхнего образца на некоторое расстояние определяют угол β отклонения траектории его перемещения в начале движения от направления, совпадающего с исходным направлением гибкой тяги, и определяют коэффициент трения скольжения по формуле 
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения коэффициента трения скольжения при повышенных контактных давлениях к верхнему образу прикладывают дополнительную вертикальную нагрузку подвешиванием к нему свободно висящего груза при помощи подвески, огибающей наклонную платформу.
