Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

Тихомирова С.А., Хрусталева Н.В.

Владимирский государственный университет имени  Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (ВлГУ), Россия

СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ

Основным параметром кинематической пары трения является коэффициент трения как тангенс угла наклона характеристики. Известен способ определения коэффициента трения [1], в соответствии с которым исследуемый образец размещают между двумя одинаковыми поверхностями, шарнирно соединенными с одной стороны и сжимаемыми с равным усилием, при этом половина угла между поверхностями при остановке образца будет равна коэффициенту трения. Большую достоверность результата реализует балансирный принцип [2]. Коэффициент трения часто определяют через время движения подвижного элемента пары трения [3,4].

Однако известные установки учитывают косвенное измерение, кроме того они не учитывают влияющие факторы – скорость подвижного элемента, площадь контакта. Мал диапазон нормальной силы давления.

Предлагаем конструкцию стенда устраняющего отмеченные недостатки известных устройств – рис. 1-5.

Основные элементы установки монтируются на основании в виде стола 1 с горизонтальной столешницей. Винтами 2 с потайной головкой на каретке 3 закреплен подвижный элемент 4, исследуемой кинематической пары трения. Неподвижный элемент пары трения представлен пластиной 5, которая закреплена винтами 6 на основании.

Привод каретки представлен электродвигателем постоянного тока с параллельным возбуждением 7, на валу которого закреплен шкив 8. Связь шкива с кареткой осуществляется гибким тросом 9, при этом участок троса от каретки до цилиндрической части шкива располагается горизонтально.

Средства связи образованы линейным трансформатором, имеющем две неподвижные обмотки 10 –а, 10-б, намотанные на каркас 11, который винтами 12 закреплен на кронштейне 13, а последний винтами соединен с основанием установки. Имеются подвижные обмотки трансформатора 14-а, 14-б, которые намотаны на каркас 15, присоединенный винтами 16 с корпусом 17 каретки. Осевая длина обмоток 10, 14 выбрана таким образом, что магнитный поток трансформатора остается на достаточном уровне при перемещении каретки в процессе эксперимента.

Рис.1. Конструктивная схема установки

Средство измерения первичных параметров размещены на каретке и образованы последовательно соединенными преобразователями: преобразователем силы в перемещение, преобразователем перемещения в электрическую емкость и преобразователем электрической емкости в частотный сигнал. Преобразователь силы в перемещение конструктивно оформлен в виду мембранного блока, закрепленного на корпусе 17 каретки винтами 18. Мембрана 19 (может быть плоской или гофрированной) имеет жесткий центр 20 и кольцо 21. Крепление мембраны с этими элементами типовое – завальцовкой. В этом преобразователе под действием приложенной к жесткому центру мембраны силы, жесткий центр будет смещаться пропорционально силе. Преобразователь перемещения в электрическую емкость представлен цилиндрическим конденсатором. Имеется подвижная обкладка 22, которая через электроизоляционный диск 23 закреплена на жестком центре 20 мембраны. Неподвижная обкладка 24 установлена соосно подвижной и закреплена на плате 25 каретки. Таким образом, если к жесткому центру мембраны со стороны привода каретки будет приложена сила, то это приведет к смещению подвижной обкладки и электрическая емкость цилиндрического конденсатора будет уменьшаться. Преобразователь электрической емкости в частотный сигнал выполнен по схеме индуктивной трехточки и схематически является автогенератором. Усилительным элементом является полевой транзистор VT1 с каналом n-типа. Первичная обмотка трансформатора нагрузки соединена параллельно цилиндрическому конденсатору C2*. Один конец первичной обмотки соединен со стоком транзистора, а второй через конденсатор обратной связи С1 с затвором транзистора, при этом затвор через резистор R1 связан с общей шиной. Средний вывод первичной обмотки соединен с шиной питания Е. Исток транзистора через термостабилизирующую цель в составе параллельно соединенных резистора R2 и конденсатора С3 подключен к общей шине. Выходной сигнал в форме синусоидального напряжения частот fп транслируется вторичной обмоткой трансформатора через разделительный конденсатор С4. Рассматриваемый преобразователь конструктивно выполнен отдельной сборочной единицы – на плате 25 смонтирована электронная схема 26, плата установлена на кронштейне 27, который закреплен на корпусе каретки. Для питания автогенератора на каретке смонтирован источник вторичного электропитания 27 (рис. 4). Напряжение промышленной частоты (50 Гц) поступает от блока питания электронного блока установки через трансформатор Тр средств связи-обмотки. 10-а - 10-б на выпрямитель на диодах VD1 - VD4, далее расположен фильтр в составе дросселя Др и двух конденсаторов С1 - С2, затем следует стабилизатор на биполярном транзисторе VT со стабилитроном VD5 в цепи базы, ток которого задан резистором R. В целом каретка выполнена отдельной сборочной единицей, ее внутренний объём закрыт кожухом 30 П-образной формы, который закреплен на корпусе 17 каретки винтом 31. Верхняя горизонтальная поверхность кожуха предназначена для установки груза 32, задающего силу нормального давления исследуемой пары трения. Для соединения каретки с приводом предусмотрен винт 33, в форме рым-болта, вкручиваемый в жесткий центр 20 мембраны.

Рис. 2. Форма обкладки конденсатора

Рис. 3. Схема автогенератора

В исходном положении электродвигатель 7 привода отключен, каретка неподвижна, соответственно мембрана 19 недеформированна, осевая длина перекрытия обкладок цилиндрического конденсатора максимальна. Электрическая емкость конденсатора равна

, (1)

где - абсолютная диэлектрическая проницаемость промежутка;

- соответственно внутренний радиус обкладки 24 и внешний радиус обкладки 25.

Этому значению емкости соответствует частота автогенератора

, (2)

где – индуктивность первичной обмотки автогенератора.

Если включить электродвигатель привода, то при использовании подвижного элемента 4 по неподвижному элементу 5 исследуемой пары трения появится сила трения, которая приведет к прогибу мембраны 19.

На линейном участке характеристики справедливо соотношение для прогиба

, (3)

где Fтр – сила, приложенная к жесткому центру мембраны, т.е. сила трения; Rср= - средний радиус мембраны

R20,R21 – соответственно внутренний и внешний радиус мембраны (радиусsзакольцовки);

D= – цилиндрическая жесткость мембраны;

Em, – соответственно модуль упругости первого рода, коэффициент Пуассона и толщина мембраны.

Формулы (2), (3) показывают, что емкость С* линейно зависит от силы трения Fтр

, (4)

где константа установки равна

. (5)

Подставляя значение емкости (4) в формулу (2) получим передаточную функцию преобразователя силы

, (6)

где константа K2 установки через первичные параметры равна

, (7)

Таким образом сила трения однозначно определяется частотой автогенератора. Электрический сигнал этой частоты выводится из подвижной каретки через средства связи – обмотки 10-б, 14-б.

Установка комплектуется электронным блоком 34, для обработки первичной информации. Функционально его можно разделить на: блок питания, канал времени, канал управления и информационный канал.

Блок питания формирует m постоянных напряжений (по числу режимов испытаний) питания электродвигателя привода и напряжение питания функциональных элементов электронного блока.

Канал времени задает временную шкалу и длительность цикла испытаний. Канал составляют: генератор импульсов 36, тумблер 37, имеющий один нормально-разомкнутый контакт НР и один нормальнозамкнутый контакт Н3. Исходное положение тумблера «сброс», рабочее положение «измерение». Имеется RS – триггер 38 цикла, конъюнктор 39 счетчика 40 и дешифратор 41, имеющий n выходных шин позиционного кода. В неладном положении шина сброса «с» держит логическую единицу (напряжение питания Е микросхем) через нормальнозамкнутый контакт тумблера, при этом счетчик 40 находится в нулевом состоянии, а на выходе дешифратора 41 возбуждена шина нуль (0). При перебросе тумблера 37 в положение «измерение» импульсы генератора 36 начинают заполнять счетчик 40 и на выходе дешифратора 41 последовательно появляются логические единицы. Для заполненного счетчика возбуждается шина n дешифратора, потенциал которой опрокидывает триггер 38 цикла и его выход закрывает конъюнктор 39, поступление импульсов генератора на счетчик прекращается.

Рис. 4. Средство связи

Канал управления предназначен для переключения режима испытаний (скорость движения подвижного элемента, нормальная сила давления) и формирования интервала движения, на котором скорость постоянна. Канал содержит пакетный переключатель 42 на m положений (по количеству режимов испытаний). Входные контакты каждой группы переключателя соозначены с шинами дешифратора 41, которые получают логическую единицу в момент времени прохождения первого участка движения каретки – S1, в момент прохождения второго участка S2, и соответствующих выходов напряжения питания электродвигателя привода на блоке питания. Выходные контакты переключателя 42 передают названные сигналы на электронные ключи 43, которые записывают электродвигатель привода в интервале от момента включения (шина 1 дешифратора) до момента (окончания прохода кареткой всего пути движения S1+S2.) Триггер 44 интервала формирует импульс длительность равной времени прохождения кареткой интервала S2. Комплектация подключения входных контактов переключателя производится исходя из следующих соотношений:

На первом участке S1 движения каретки имеет место равноускоренное движение, а второй участок S2 каретка проходит с постоянной скоростью

(8)

где, – частота вращения вала электродвигателя 7,

– радиус шкива 8 электродвигателя.

В качестве электродвигателя привода принят электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, который имеет линейные, скоростную и механическую характеристики с малым наклоном, поэтому определяется только магнитным потоком двигателя, т.е. напряжением питания

(9)

Характеристики двигателя обеспечивают постоянство частоты вращения в функции нагрузки (величины силы трения), т.е. не зависит от общей массы каретки, а определяется только напряжением питания.

Скорость каретки на первом участке

(10)

С учетом характеристик двигателя можно принять

. (11)

Поскольку длины участков S1, S2 постоянны, то необходимо выдержать постоянство произведений скорости на время

,

. (12)

Для наглядности на рис. 5 для одного положения переключателя выходные шины дешифратора наименованы вышепринятыми обозначениями.

Информационный канал предназначен для формирования прямоугольного импульса длительностью, равной периоду T сигнала автогенератора

(13)

где – выражается формулой (6).

Функцию формирования длительности (13) выполняет счетный триггер 47, который устанавливается в исходное состояние шиной сброса «С» электронного блока. Управляющий сигнал этого триггера создается формированием 48, на выход которого поступает сигнал автогенератора . Схемотехнически формирователь построен на основе триггера Шиндта, а выходной сигнал соответствует фронту импульсов триггера Шмидта. Конечным элементом информационного канала является конъюнктор 49. Выходной сигнал конъюнктора 49 представляет собой прямоугольный импульс длительностью T – формула (13), - который присутствует в интервале движения каретки где скорость каретки постоянна.

Сила трения будет найдена по формулам (6), (13), а коэффициент трения для принятого режима испытаний равен

(14)

где сила нормального давления N равна сила веса P каретки совместно с грузом 32.

Установка для определения коэффициента трения работает следующим образом. Предварительно выбирают режим испытаний:

- скорость перемещения подвижного элемента исследуемой пары трения устанавливают пакетным переключателем 42 (m вариантов);

- сила N нормального давления окладывается из паспортного значения веса каретки и веса добавочного груза 32.

После переброса тумблера в положение «измерение» импульсы генератора 36 через конъюнктор 39 начинают заполнять счетчик 40, дешифратор 41 переводит двоичный код счетчика в позиционный. В процессе накопления импульсов в счётчике последовательно появляется логическая единица на выходных шинах дешифратора. Потенциал шины 1 через электронный ключ 43 обеспечит включение электродвигателя 7 привода каретки, и каретка начнет движение. В конце первого участка S1 логическая единица шины через дизнъюнктор 45 переведет триггер 44 интервала в единичное состояние. При дальнейшем движении каретки будут накапливаться импульсы генератора на счетчике и получит логическую единицу шина дешифратора. Потенциал этой шины через электронный ключ 43 отключит электропитание двигателя 7, одновременно через дизъюнктор 46 триггер 44 вернется в исходное состояние. Процесс работы счетчика 40 прекратится при его заполнении, при этом потенциал шины n дешифратора опрокинет триггер 38 цикла, который закроет конъюнктор 39.

На участке S2 – от момента времени до скорость движения каретки постоянна, поэтому сила трения также постоянна. Этой силе соответствует постоянное значения перемещения жесткого центра 20 мембраны 19, следовательно будет постоянным и перемещение подвижной обкладки 22 цилиндрического конденсатора и постоянное значение частоты автогенератора. Период T этого сигнала будет сформирован триггером 47 и поступит на выход конъюнктора 49.

Исходный коэффициент трения определится по формуле (14).

Таким образом, предлагаемая установка для определения коэффициента трения позволяет находить коэффициент трения при различных комбинациях площади, силы нормального давления и скорости движения подвижного элемента исследуемой пары трения. Получаемая информация достоверна за счет исключения влияющих факторов. В конструкции установки применен принцип агрегатности, что повышает ее технологичность, электронный блок выполнен на типовых элементах электроники.

Литература:

1. Способ определения коэффициента трения. Патент RU 2 343 455 МПК G01N 19/02./ П.Я. Лобачевский, А.Ю. Несмиян, В.И. Хижняк. Опубл. 10. 01. 2009.

2. Устройство для определения коэффициента трения материалов. Патент RU 2461811 МПК G01N 19/02./В.А. Борисенко, С.А. Барышников, В.В. Ерофеев и др. Опубл. 20.03.2012.

3. Устройство для определения коэффициента трения. Патент RU 2340886 МПК G01N 19/02./ П.Я. Лобачевский, А.Ю. Несмиян, В.И. Хижняк. Опубл. 10.12.2008.

4. Способ определения коэффициента трения. Патент RU 2375700 МПК G01N 19/02./ П.Я. Лобачевский, В.И. Хижняк, А.Ю. Несмиян, М.П. Лобачевская. Опубл. 10.12.2009.