Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальності 132 "Матеріалознавство"

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальності 132 "Матеріалознавство"




Сторінка1/4
Дата конвертації24.05.2017
Розмір0.84 Mb.
ТипМетодичні вказівки
  1   2   3   4


Міністерство освіти і науки України



Триботехнічні матеріали

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт

для студентів спеціальності 132 “Матеріалознавство”

денної та заочної форм навчання


Луцьк 2016

УДК 621.891 (07)

Т-67


До друку ________________ Голова Навчально-методичної ради Луцького НТУ.

(підприс)
Електронна копія друкованого видання передана для внесення в репозитарій Луцького НТУ ________________ директор бібліотеки.

(підприс)
Затверджено Навчально-методичною радою Луцького НТУ,

протокол № від « » 20 ___ року.


Рекомендовано до видання Навчально-методичною радою технологічного факультету Луцького НТУ, протокол № від « » 20 ___ року.

________________ Голова навчально-методичної ради технологічного факультету

(підпис)
Розглянуто і схвалено на засіданні кафедри матеріалознавства та ПФКМ Луцького НТУ, протокол № 2 від «16 » вересня 2016 року.



Укладач: ___________

(підпис)

В.П. Кашицький, кандидат технічних наук, доцент кафеди М та ПФКМ Луцького НТУ

Укладач: ___________

(підпис)

О.Л. Садова, кандидат технічних наук, асистент кафедри М та ПФКМ Луцького НТУ

Рецензент: ___________

(підпис)

Д.А. Гусачук, кандидат технічних наук, доцент Луцького НТУ

Відповідальний




за випуск: ___________

(підпис)

М. Д. Мельничук, кандидат технічних наук, доцент кафедри М та ПФКМ Луцького НТУ



Т-67

Триботехнічні матеріали

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів спеціальності 132 “Матеріалознавство” денної та заочної форм навчання / уклад.


В.П. Кашицький, О.Л. Садова. – Луцьк: Луцький НТУ, 2016. – 62 с.

Видання містить методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни «Триботехнічні матеріали». Призначене для студентів напрямів спеціальності


132 “Матеріалознавство” денної та заочної форм навчання.

© В.П. Кашицький, О.Л. Садова, 2016

В С Т У П


З тертям пов'язана одне із найактуальніших питань сучасності –зношування машин і механізмів. Витрати на відновлення машин величезні, які щорічно збільшуються. Подовження довговічності машин й устаткування навіть у невеликому ступені рівносильно введенню значних нових виробничих потужностей.
Виробни́ча поту́жність (рос. производственная мощность, англ. production capacity, productive capacity; нім. Betriebskapazität f) - розрахунковий, максимально можливий річний (добовий) випуск продукції або обсяг переробки сировини в номенклатурі і асортименті, що передбачається на плановий період при повному використанні виробничого обладнання і площ з урахуванням застосування передової технології, організації виробництва і праці.

Розвиток техніки й, зокрема, машинобудування, додало питанню підвищення довговічності машин величезну значимість із погляду економії матеріальних ресурсів і робочої сили й залучило до нього широке коло конструкторів, технологів, експлуатаційників, а також учених різних спеціальностей. Це дозволило не тільки розробити конструктивні й технологічні заходи щодо підвищення терміну служби машин і створити раціональні методи догляду за ними, але й на базі досягнень фізики, хімії й матеріалознавства закласти основи навчання про тертя, зношування й мащення машин.

Дане видання містить лабораторні роботи із вивчення питань тертя, зношування та мащення, які спрямовані на засвоєння студентами базових знань та оволодіння практичними навичками із галузі триботехніки.
1. МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Матеріальне забезпечення лабораторних робіт включає: 50-ти тонні гідравлічні преси, прес-форми, металографічні та біологічні мікроскопи;

Гідравлічний прес - це гідравлічна машина, в якій за допомогою гідравлічного циліндра створюється велика стискаюча сила. Гідравлічний прес використовує гідравлічний еквівалент механічного важеля. Використовується для обробки матеріалів під тиском.
ДСТУ і ТУ на матеріали, що вивчаються; засоби вимірювання технічних величин; персональну ЕОМ.

В тому випадку, якщо для повноцінного виконання роботи необхідне додаткове обладнання, воно наведене у відповідних інструкціях.
2. ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ І ОХОРОНА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА

Техніка безпеки при проведенні лабораторних робіт забезпечується комплексом заходів, які включають проведення інструктажу в цілому та конкретно на кожному робочому місці, а також застосування засобів захисту:



  • забезпечення централізованого заземлення електричних приладів та пристроїв будь-якого призначення;
    Електри́чний при́стрій - це пристрій, який працює за допомогою електроенергії, перетворюючи її в будь-яку іншу енергію (наприклад механічну). У сучасному суспільстві, більшість приладів є електричними, багато людей не можуть уявити своє життя без них.
    Охорóна прáці (рос. охрана труда; англ. labour protection; нім. Arbeitsschutz m) - це: система правових, соціально-економічних, організаційно-технічних, санітарно-гігієнічних і лікувально-профілактичних заходів та засобів, спрямованих на збереження життя, здоров'я і працездатності людини в процесі трудової діяльності; діюча на підставі відповідних законодавчих та інших нормативних актів система соціально-економічних, організаційно-технічних, санітарно-гігієнічних і лікувально-профілактичних заходів та засобів, що забезпечують збереження здоров'я і працездатності людини в процесі праці. дозвіл на початок робіт підвищеної небезпеки, який необхідний організації чи підприємству, хто працює в будівництві.
    Робо́че мі́сце - елементарна одиниця виробничої структури, що містить частину простору виробничого підрозділу, яка потрібна для здійснення трудової операції та оснащена матеріально-технічними засобами, що використовуються у процесі праці.


  • використання захисних засобів при роботі обладнання;

  • рукавиць та кліщів при роботі на нагрівальному обладнанні.

При підготовці лабораторних досліджень необхідно вирішити комплекс питань, що передбачають охорону навколишнього середовища: охорона і раціональне використання водних ресурсів, охорона атмосферного повітря, охорона і раціональне використання земель, охоронні території (фауна і флора), охорона надр і раціональне використання мінеральних ресурсів, заходи щодо усунення шумів, вібрацій, твердих відходів.
Землекористування - поняття, яке має декілька значень і використовується, як іменник та дієслово.
Охоро́на надр (рос. охрана недр, англ. conservation of mineral resources, нім. Lagerstättenschutz m, Erdinnerenschutz m) - комплекс заходів, здійснюваних з метою найповнішого (комплексного) видалення корисних копалин з надр і максимально можливого, економічно доцільного зменшення втрат при їх розробці.
Во́дні ресу́рси (англ. water resources, water supply; нім. Wasserreserven f pl) - всі води гідросфери, тобто води рік, озер, каналів, водосховищ, морів й океанів, підземні води, ґрунтова волога, вода (льоди) гірських і полярних льодовиків, водяна пара атмосфери.
Пові́тря - природна суміш газів, з яких складається атмосфера, тобто повітряна оболонка планети. Спочатку це слово виникло для опису повітря планети Земля, ще в ті часи, коли інші планети мало цікавили людство і тому нині воно все ще вживається саме в такому значенні.
Охоро́на довкі́лля (англ. environmental protection / control / conservation, нім. Umweltwissenschaften) - система заходів щодо раціонального використання природних ресурсів, збереження особливо цінних та унікальних природних комплексів і забезпечення екологічної безпеки.

При вирішенні цих питань варто передбачити:



  • технологічні процеси, що супроводжуються найменшою кількістю викидів шкідливих речовин;

  • застосування прогресивної технології (лазерне зміцнення, СВЧ), що дозволяє виключити загартування в оливі, промивання, очищення, застосування захисних атмосфер;

  • заміну сухих способів очищення від окалини мокрими;

  • встановлення пальників, що забезпечать повне спалювання окису вуглецю;

  • герметизацію обладнання й апаратури;

  • автоматичну сигналізацію при виділенні шкідливих домішок;

  • повне вловлювання (парів оливи, солей, лугів і ін.) і очищення технологічних викидів (встановлення пилогазоочисного обладнання), а також забрудненого повітря, що видаляється вентиляцією, (утилізація вторинних продуктів і очищення газів);

  • вдосконалювання водовикористання шляхом створення замкнутих циклів і безстічних систем водопостачання;

  • застосування електрохімічного очищення стоку, утилізація домішок, що вловлюються.

3. ЗМІСТ РОБІТ


Лабораторна робота №1
Тема: ТИПОВІ МАШИНИ ТЕРТЯ ТА СХЕМИ ТРИБОКОНТАКТУ

Мета: Ознайомитися із основними машинами та допоміжним обладнанням для трибологічних досліджень матеріалів, а також найпоширенішими методами випробувань.
Теоретичні відомості:
Більшість трибосполучень за нормальних режимів експлуатації піддається в основному втомному, окисному і молекулярно-механічному зношуванню. Ці та інші види зношування можуть реалізуватись одночасно, проте домінуючим є один з них. При зміні режимів навантаження, а також в процесі випробувань або експлуатації супутній вид зношування може стати домінуючим, і навпаки. Тому типові машини тертя передбачені для проведення випробувань матеріалів на тертя і знос незалежно від вкладу кожного з названих видів в загальний процес зношування.

Можна умовно розділити існуючі типові машини на чотири групи.

До першої групи відносяться машини, що моделюють умови навантаження трибосполучень зі зворотно-поступальним рухом тіл трибопари (пари тертя газорозподільний клапан - втулка - сідло, супорт - направляюча, циліндр - поршневе кільце, плунжер - втулка, колодка магніторельсового гальма - рейок тощо.).

Поршневе́ кільце́ (англ. piston ring) - металевий круглий пружний елемент з відносно високим рівнем деформації. Монтується у відповідній і кільцевій канавці на зовнішній боковій поверхні поршня. Поршневе кільце, рухаючись зворотно-поступально та (чи) обертово, забезпечує ущільнення під час перепаду тиску газу або рідини по поверхнях: робоча поверхня кільця - поверхня циліндра, торцева поверхня кільця-поверхня канавки.
До цієї групи належить машина тертя типу 77 М-1 (рис. 1.1). Конструкція машини дозволяє проводити випробування за схемою площина - площина. Випробуваний зразок 1 установлюється на повзуні 3, якому задається зворотно-поступальний рух кривошипним механізмом 4. Повзун виконаний самовстановлюючим у вигляді напівциліндра, ковзаючого по внутрішній циліндричній поверхні нерухомої підставки 5.
Циліндри́чна пове́рхня - поверхня другого порядку, яка утворюється рухом прямої лінії (твірної), що рухається, залишаючись паралельною заданому напряму і ковзає по заданій кривій (напрямній).
Повзун має можливість повертатися навколо своєї осі, що дозволяє виключити виникаючу через перекоси нерівномірність розподілу навантаження по контактній площині в напрямку, перпендикулярному до вектора швидкості. Навантаження на верхній зразок 6 (контртіло), створене за допомогою важільного пристрою, передається через напівциліндр 7. Така схема навантаження сприяє рівномірному розподілу навантаження на контакті в напрямку ковзання контртіла. Для проведення випробувань в рідкому середовищі зразок 1 розміщений у ванні 2.

Машина 77 М-1 забезпечує проведення досліджень при нормальному навантаженні, що змінюється в інтервалі 100 - 600 Н і ступінчастій зміні швидкості ковзання. Передбачена можливість проведення випробувань зразків, вирізаних з гільз циліндрів, поршнів і поршневих кілець.

Випробування перерахованих деталей в умовах, більш наближених до реальних, можливі на імпульсно-силовій трибометричній установці (ІСТТУ). За кінематичною ознакою і схемою контакту тіл трибопари вона принципово не відрізняється від машини тертя 77 М-1. Особливість ІСТТУ в тому, що вона дозволяє досить точно моделювати температурний режим навантаження зразків. Для цього один елемент пари тертя встановлюється в холодильнику (в якості холодоагенту використовується вода), а другий - в нагрівачі. Установка забезпечує можливість створювати умов аксіального взаємодії зразків без їх тангенціального переміщення, тобто моделювати роботу таких деталей двигуна внутрішнього згоряння, як клапан і сідло.

Температу́ра (від лат. temperatura - належне змішування, нормальний стан) - фізична величина, яка описує стан термодинамічної системи.
Двигу́н вну́трішнього згоря́ння - тип двигуна, теплова машина, в якій хімічна енергія палива, що згоряє в робочій зоні, перетворюється в механічну роботу. ККД = 10-50%.


Рис. 1.1. Принципова машина тертя 77М-1


ІСТТУ забезпечує проведення випробувань при нормальному навантаженні до 8000 Н, температурі нагрівального зразка до 700 °С, частоті переміщення 2,5 - 14 Гц, довжині ходу до 40 мм. Температура охолоджуваного зразка може перебувати в інтервалі 10-70 ° С.

Вивчення триботехнічних властивостей полімерних матеріалів і композитів на їх основі проводять на машині для дослідження пластмас на тертя МПТ-1 (рис. 1.2).

Поліме́ри (грец. πολύ- - багато (poli); μέρος - частина (meres) - «складається з багатьох частин») - природні та штучні високомолекулярні сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками в довгі лінійні або розгалужені ланцюги.
Нижній зразок 6 встановлюється на повзуні 5, який приводиться в рух гвинтовою парою. У тілі повзуна виконана камера 4 для охолоджуючої рідини, наприклад рідкого азоту. Три верхніх зразка 1 кріпляться в тримачі 7. При зворотно-поступальному переміщенні повзуна під дією сили тертя між зразками 1 і 6 відбувається деформація тензометричного кільця 3, за величиною, якої визначають силу тертя.
Си́ла тертя́ у фізиці - це непотенційна сила, яка протидіє рухові фізичного тіла, розсіюючи його механічну енергію в тепло.
Рідкий азот (англ. Liquid nitrogen, LIN, LN2) - рідина прозорого кольору, є азотом у рідкому стані при надзвичайно низькій температурі. Рідкий азот має питому густину 0,808 г/см³, точна точка кипіння складає 77,4 K (-195,75 °C).
Тертя́ - сукупність явищ, що спричиняють опір рухові одне відносно одного макроскопічних тіл (зовнішнє тертя) або елементів одного і того ж тіла (внутрішнє тертя), при якому механічна енергія розсіюється переважно у вигляді тепла.
Для випробувань при підвищеній температурі випробувальний вузол установки розміщений в термокамері 2, а повзун забезпечений нагрівачем.

Машина МПТ-1 дозволяє проводити дослідження при нормальному навантаження до 200 II. Діапазон зміни швидкості ковзання відповідає
10-4 – 10-2 м/с. Температура сполучених тіл змінюється від -30 до 200 °С. Для випробувань можуть вибрані сферичні або циліндричні зразка, що контактують з плоским зразком торцевої або бічній поверхні. Можливе застосування зразків у вигляді паралелепіпеда.

Рис. 1.2. Схема випробувального вузла машини для дослідження пластмас на тертя


При зворотно-поступальному русі плоских зразків тертя досліджується також на машині для трибологічних досліджень KEWAT-1. У порівнянні з раніше розглянутими машинами KEWAT-1 забезпечує більш високі швидкості ковзання (0,25 – 4,0 м/с) і тиск в зоні контакту (0,02- 100 МПа).

Друга група типових машин тертя дозволяє моделювати режими експлуатації зубчастих коліс, підшипників ковзання і кочення, фрикційних накладок, пар тертя колесо - рейка та інших трибосполучень.
Вальни́ця ко́взання - це елемент опор валів і осей, поверхня цапфи яких взаємодіє в умовах проковзування через шар мастила або безпосередньо з поверхнею вальниці, що її охоплює.
В якості рухомого зразка застосовують циліндр, що обертається, а сполучений з ним нерухомий або рухливий зразок має форму циліндра або порожнього циліндра з плоскою або криволінійною поверхнею тертя. До цієї групи відносяться пальчикова машина Арчарда, машина МИ-1М, машина для випробування матеріалів на тертя і знос СМТ-1 тощо.

Машина СМТ-1 дозволяє проводити випробування матеріалів при терті кочення за схемою контакту зразків, представленої на рис. 1.3, а. Для цього на основний вихідний вал і вал каретки встановлюються два циліндричних зразка 1 і 2 і приводяться в контакт бічними поверхнями.

Змінюючи діаметр змінного шківа, що приводить в обертання вал каретки, можна задавати різну швидкість обертання верхнього зразка. При постійній частоті обертання основного валу це дозволяє встановлювати необхідний коефіцієнт просковзуванння тіл кочення.

Частота́ (англ. frequency) - фізична величина, що дорівнює кількості однакових подій за одиницю часу. Вона є характеристикою будь-яких процесів, які регулярно повторюються (кількість подій за одиницю часу) або величиною, що виражає: кількість рухів, коливань, повторень за одиницю часу тощо.

Триботехнические характеристики матеріалів для прогнозування їх експлуатаційних властивостей в якості підшипників ковзання визначаються за схемою вал - частковий вкладиш (рис. 1.3, б) і вал - втулка (рис. 1.3, в).

Момент тертя вимірюється за допомогою безконтактного індукційного датчика, увімкненого в силовий ланцюг машини. Вимірювання зношування зразків можливе шляхом їх періодичного зважування або за допомогою датчиків (індикаторів) переміщення.



Перші дві схеми контакту (рис. 3) реалізуються також на машині тертя МИ-1М, що дозволяє проводити випробування при нормальному навантаженні 500 - 2000 H і максимальній частоті обертання валу 70 с-1. Аналогом МИ-1М є машина типу Amsler, в якій навантаження на зразки i залишає 10 - 250 H, а швидкість відносного переміщення сполу-чених тіл 0,1 - 1,5 м/с.

П
Рис. 1.3. Схеми контакту зразків в типових машинах тертя: СМТ-1
(а, б, в), МИ-1М (а, б), Арчарда (г)
альчикова машина Арчарда
реалізує контакт циліндричної поверхні обертового вала діаметром 25-30 мм з плоскою (рис. 1.3, г) або

циліндричною поверхнею пальчи-

кового зразка діаметром 6 мм. Забезпечує можливість проведення випробувань при високих тисках (осі сполучених зразків розташовані під кутом 90°, а в контакт приводяться циліндричні поверхні) та введення в зону контакту мастильних матеріалів.

Масти́льні матеріа́ли (рос. смазочные материалы; англ. lubricants, oils, нім. Schmiermittel n pl) - речовини, які мають мастильні властивості.
Швидкість ковзання змінюється плавно шляхом регулювання частоти валу.


Г
Рис. 1.4. Схеми випробувального вузла машини ЛТС


раничну вантажопідйомність матеріалів, призначених для експлуатації в якості підшипників ковзання, визначають на машині ЛТС, яка реалізує схему випробувань вал - частковий вкладиш (рис. 1.4). Випробовуваний зразок 5, виконаний у вигляді вкладиша, приводиться в контакт із циліндричним контртілом 3. закріпленим на обертовому валу

4. Навантаження на зразок пере-

дається штоком 6 від важеля 7.

Рівномірний переміщення кінця важеля вгору, здійснюване електродвигуном, дозволяє плавно збільшувати навантаження на зразок до тих пір, поки момент тертя не почне різко зростати. Найбільше навантаження, відповідна різкого підйому моменту тертя, приймається за граничну вантажопідйомність випробувального матеріалу. Для випробувань в умовах змащення передбачеена подача масла на відкриту частину контртіла із зрошувальної системи 1, а випробувальний вузол поміщений в камеру 2.

Машина ЛТС дозволяє проводити випробування при максимальній навантаженні на підшипник (вкладиш) до 100 кН, частоті обертання валу 25 - 125 з 1 і швидкості навантаження 3,3 і 25 кПа/с.

Для вимірювання міцності масляного шару між труться тілами і визначення фрикційних характеристик матеріалів, що працюють в режимі граничного тертя, застосовують машину типу Fаlех. Вузол тертя виконаний у вигляді обертового вала, до циліндричної поверхні якого прижилися-маються з двох протилежних сторін зразки досліджуваного матеріалу. Поверхня тертя кожного з них являє собою дві розташовані під кутом один до одного площині. Можлива також схема контакту обертаючий вал - дві часткових вкладиша. Міцність мастильного шару досліджують при швидкості ковзання 0,1 м/с, поступово збільшуючи навантаження. Максимально допустиме значення нормального навантаження відповідає 20 -400 Н.



Третя група машин тертя дозволяє моделювати умови навантаження матеріалів торцевих ущільнень, дисків зчеплення, наполегливих підшипників, дискових гальм та інших вузлів тертя.
Дискове гальмо - гальмо, в якому колодки притискаються до зовнішніх площин чавунного або сталевого диску.
До цієї групи відносяться дискова машина тертя МДП-1, машина для випробувань матеріалів на фрикційну теплостійкість МФТ-1, універсальна машина тертя УМТ-1 тощо. Тіла трибопари в цих машинах тертя можуть бути виконані у вигляді шайб, порожнистих циліндрів, циліндрів і диска, що контактують плоскими поверхнями.

Конструкція МФТ-1 дозволяє проводити випробування зразків, виконаних у вигляді порожнистих циліндрів однакових розмірів (28x20x15 мм), притиснутих один до іншого торцями. При цьому осі циліндрів збігаються. Один із зразків може бути з виїмками, що зменшує коефіцієнт взаємного перекриття. Притиснення зразків здійснюється за допомогою пневматичного механізму. Вимірювання моменту тертя і зносу забезпечується індукційними датчиками. Частота обертання рухомого циліндра змінюється іупенчато і становить 21, 52, 73, 105, 157, 210, 262, 315, 420 і 525 с-1. Температура поблизу поверхні тертя реєструється за допомогою термопар.

Дискова машина тертя МДП-1 містить в якості піддослідних зразків трьох розташовані по колу на однаковій відстані один від одного циліндра, що контактують торцями з плоскою поверхнею обертаючого кільця (диска). Відстань циліндричних зразків від осі обертання кільця може змінюватися в межах 60 - 150 мм, що дозволяє в широкому інтервалі змінювати швидкість ковзання. При регульованою частоті обертання кільця від 1 до 315 с-1 швидкість ковзання знаходиться в інтервалі 0,06 - 47 м/с. Пневматично створювана нормальне навантаження на зразки може змінюватися від 100 до 4500 Н. Для вимірювання моменту тертя застосовуються тензометричні перетворювачі, а сумарний знос тіл тертя реєструється індуктивними датчиками. Машина дозволяє проводити дослідження тертя і зносу матеріалів, призначених для експлуатації в важконавантажених сполученнях. Аналогічні випробування дозволяє проводити машина торцевого тертя типу IAT-CI фірми Tokyo resting Machine (Японія).

Значно більш широкими можливостями володіє універсальна машина тертя УМТ-1. Вона реалізує не тільки закладену в МДП-1 схему контакту, але і тертя співвісно розташованих двох циліндрів однакового діаметра, що контактують плоскими поверхнями, а також схеми контакту вал - вкладиш і вал – втулка (рис. 1.3, б, в).

С
Рис. 1.5. Схеми випробувань на машині УМТ “Унитрибˮ
творена в Російській Федерації універсальна машина тертя УМТ "Унитриб" забезпечує можливість проводити випробування за восьма схемами.

Росі́йська Федера́ція або Росі́я (рос. Российская Федерация, рос. Россия МФА: [rɐˈsʲːijə]) - держава у північній Євразії, федеративна змішана республіка, столиця - Москва. З площею 17 098 246 км² Росія є найбільшою за територією країною у світі, що охоплює більше однієї восьмої площі суходолу Землі та дев'ятою за чисельністю населення із населенням 143 мільйони осіб (2015 ).
Крім чотирьох схем контакту на УМТ-1 при обертальному русі контртіла, можливі випробування при реверсивному русі контртіла або зразка (рис. 1.5). Це випробування за схемами вал - втулка (рис. 1.5, а) і вал – три
циліндри (кульки) (рис. 1.5, б)
при зворотно-обертовому русі валу, а також циліндр - площина і циліндр – циліндр при зворотно - поступальному ковзанні контртіла (рис. 1.5, в, г). Привід рухливого контртіла (зразка) здійснюється від кривошипа, пов'язаного з обертовим валом редуктора. Машина забезпечена системою крапельного змащення і мембранним пневмомеханізмом навантажування інтервалі від 200 до 5000 Н. Частота обертання-або коливань контртіла (зразка) мож плавно змінюватися в інтервалі 0,4 - 50 с-1.

До четвертої групи можна відніс машини для моделювання тертя знашування ниток, волокон, канатів, тканей і сполучених з ними деталей. В цих машинах використовують схему контакту двох перехрещених циліндрів. Така схема досить проста в реалізації і забезпечує можливість створеня значних тисків у зоні контакту.

Дослідження товстих полімерних волокон можна здійснювати на приладі з перехресними циліндрами (рис. 1.6). Нижній циліндр (волокно) 1 закріплюється в затискачах рухливої каретки 2, яка здійснює зворотно-поступальне переміщення. Верхнє волокно 3 встановлюється нерухомо в консольної балці 4 пів-прямим кутом до нижнього і притискається до нього за рахунок вигину в вертикальної площини. Зміщуючи в цій площині консольну балку, можна змінювати нормальне навантаження. При переміщенні каретки відбувається вигин тяганині. в горизонтальній площині під дією сили тертя. Величина вигину волокна служить мірою сили тертя.

Прилад дозволяє проводити випробування при нормальному навантаженні від 0,01 мкН до 0,1 Н в середовищах регульованого складу і у вакуумі. Застосується також для випробування високомодульних волокон, довжина і діаметр яких відрізняються не більше ніж на два порядки.

Асортимент що підлягають випробуванню волокон значно розширюється, при використанні машині тертя, схема якої наведена на рис. 1.7. Волокно 3 пов'язано з консольної балкою 1 через тензометричне кільце 2 і приводиться в контакт з обертовим циліндром 4. Нормальне навантаження задається за допомогою вантажів 7, підвішених до вільного кінця волокна.

Рис. 1.6. Схема випробувального приладу Рис. 1.7. Схема машини тертя для

з перехресними циліндрами (вид зверху) випробування волокон і виробів
Кут охоплення циліндра змінюється шляхом зміщення по дугоподібної направляючої 6 відхиляючого пристрою 5, що представляє собою два підшипника кочення, між зовнішніми кільцями яких пропускається волокно. Сила тертя реєструється тензометричним методом, а сумарний знос тіл тертя визначається зі зміщення вантажу у вертикальній площині, а також за зміною діаметра волокна і розміру доріжки тертя на поверхні циліндра. Машина дозволяє також дослідити процеси тертя і зношування канатів, тканин, плівок з полімерних матеріалів. Схеми контактування зразків в установках для триботехнічних досліджень подано на рис. 1.8.

В останні роки інтенсивно розробляються багатофункціональні мікротрибометри, в яких вхідні і вихідні параметри трибосистем задаються і реєструються за допомогою мікропроцесорів. Так, створений в 1997 трибологічним центром США універсальний мікротрибомстр ІМТ-10000 дозволяє проводити дослідження процесів тертя, знашування і мастила в


макро-, мікро- і наномасштабі. При цьому реалізуються наступні схеми контакту: палець - диск, кулька - диск, диск - диск, площина - площина, кільце - колодка, кулька – один, два або три кульки. За допомогою комп'ютера реєструються і обробляються кінетичні залежності сили і коефіцієнта тертя, швидкості та інтенсивності зношування, контактного опору, температури тертьових тіл поблизу зони тертя, сили адгезійного взаємодії і навантаження, що притискує тертьові тіла один до одного.
Коефіціє́нт тертя́ - це величина, що характеризує силу опору від тертя між взаємодіючими тілами і зазвичай позначається μ, k або f. У залежності від виду тертя відрізняють і відповідний коефіцієнт тертя.


Рис. 1.8. Схеми контактування зразків в установках для триботехнічних досліджень

Мікротрибометр ІМТ-10000 дозволяє проводити випробування металів, кераміки, полімерів і композитів при граничному і рідинному терті, терті без мастильних матеріалів в діапазоні зміни швидкості ковзання 10-3 - 20 м / с. Забезпечується можливість проведення випробувань при знижених температурах і в умовах низького вакууму.
Прилади та матеріали:

Машина тертя СМЦ-2, динамометр, зразки досліджуваних матеріалів, шліфувальний папір, рідини для промивання і знежирення поверхні, термопара.


Порядок виконання роботи:

  1. Ознайомитись з конструкцією та схемою вимірювання сили тертя на машині СМЦ-2.

  2. Вивчити будову приладу, регулювання та порядок виконання вимірювань.

  3. Провести вимірювання сили тертя запропонованих матеріалів.


Контрольні запитання:

  1. На які групи можна умовно поділи машини тертя?

  2. Охарактеризуйте машину тертя типу 77 М1.

  3. За допомогою якої машини тертя визначають зносостійкість пластмас?

  4. Охарактеризуйте машину тертя СМТ-1.

  5. Який принцип роботи пальчикової машини тертя Арчарда?

  6. Охарактеризуйте універсальну машину тертя УМТ “Унитрибˮ.

  7. На яких машинах тертя проводять дослідження полімерних волокон?


Лабораторна робота № 2
Тема: МЕТОДИ ВИМІРЮВАННЯ СИЛИ ТЕРТЯ.

Мета: Ознайомитися з існуючими методами та навчитись вимірювати силу тертя
Теоретичні відомості:

Для оцінки сили тертя використовуються методи, засновані: на введенні в силовимірювальну систему машини тертя пружного елемента, на реєстрації за допомогою різних датчиків зсуву одного з тертьових тіл відносно іншого, на реєстрації енергетичних витрат на тертя.



Використання пружних елементів. Суть методу полягає в тому, що в якості вимірювача використовують пружний елемент, що врівноважує силу тертя. Виникаюча під дією сили тертя деформація елемента реєструється візуально або записується протягом усього періоду випробувань на рухому стрічку або обертовий барабан. За способом реєстрації деформації пружного елемента розрізняють силовимірювальні системи із застосуванням механічних датчиків і датчиків, що перетворюють деформацію елемента в електричний сигнал.
Електричний сигнал - сигнал у вигляді електричного діяння, дієвою величиною якого є сила струму або напруга;

До першої групи належать методи, реалізація яких передбачає застосування динамометрів і торсіонів. Принципові схеми вимірювання сили тертя за допомогою динамометрів показані на рис. 2.1. При обертанні контртіла 1, виконаного у вигляді диска (рис. 2.1, а) або валу (рис. 2.1, б), приведений у контакт з його поверхнею досліджуваний зразок 2 зміщується щодо свого вихідного положення в напрямку обертання контртіла. При цьому зразок повертає важіль 3, з яким він механічно зв'язаний. Важіль розтягує або стискає пружний елемент динамометра 4, який врівноважує силу тертя. За деформації пружного елемента або зсуву важеля судять про силу тертя.

Для вимірювання моменту сили тертя часто використовують динамометри кручення, або торсіони.

Моме́нт си́ли - векторна фізична величина, рівна векторному добутку радіус-вектора, проведеного від осі обертання до точки прикладення сили, на вектор цієї сили. Момент сили є мірою зусилля, направленого на обертання тіла.
Найчастіше торсіони застосовують в машинах тертя, що реалізують контакт двох циліндрів (у тому числі порожнистих) торцями, контакт циліндра з диском плоскими поверхнями, контакт конуса або кулі з плоским тілом.

Один з варіантів вимірювання сили тертя за допомогою торсіонів представлений на рис. 2.2. При обертанні державки 1, на якій нерухомо закріплені досліджувані зразки 2, під дією сили тертя зразків по контртілі 3 відбувається закручування торсіона 4, який врівноважує силу тертя. Кут закручування торсіона збільшується пропорційно моменту тертя.



Рис. 2.1. Схеми вимірювання сили тертя із застосуванням динамометрів

Рис. 2.2. Схеми вимірювання сили тертя за допомогою торсіона

Основним недоліком описаних приладів є низька точність вимірювання.

То́чність вимі́рювань (англ. accuracy of measurement) - головна характеристика якості вимірювання, що відображає близькість результату вимірювання до істинного значення вимірюваної фізичної величини .
Тому більш широке розповсюдження в останні роки отримала друга група силовимірювачів, в яких деформація пружного елементу перетворюється за допомогою зв'язаного з ним датчика в електричний сигнал. До них, зокрема, відносяться тензометричні, п'єзоелектричні і електричні датчики. Схема приладу, що реалізує тензометричний метод вимірювання сили тертя, представлена на рис. 2.3. При переміщенні зразка 1, закріпленого на рухомій каретці 2, відбувається зміщення контртіла 3 в напрямку переміщення зразка. При цьому деформуєтся тензодатчик 4, наклеєний на пружний елемент (балка або кільце) 5, зв'язаний з контртілом тягою 6. Датчик являє собою вкладену у вигляді синусоїди або намотану в кілька витків на паперову або плівкову основу фольгу або дріт діаметром 10-30 мкм. Фольга або дріт вибираються з матеріалу, який має високий електричний опір, наприклад константану.
Ме́тод вимі́рювання - сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципів вимірювань для створення вимірювальної інформації.
Електри́чний о́пір - властивість провідника створювати перешкоди проходженню електричного струму.
При розтягуванні (стисканні) датчика товщина і довжина дроту змінюються, що призводить до зростання (зменшення) його електричного опору. Це викликає зміну струму у вимірювальній схемі (зазвичай бруківці), в яку включений датчик. За величиною струму визначають силу тертя.

У
Рис. 2.3. Схема вимірювання сили тертя із застосуванням тензодатчиків
ряді машин тертя використовують індуктивні, трансформаторні, магніто-пружні перетворювачі. Принцип їх дії заснований на зміні характеристик електро-магнітної ланцюга датчика при переміщенні в його магнітному полі рухомого магнетика, який пов'язаний з допомогою пружного елемента з одним із тертьових тіл. Менш поширені ємнісні датчики.

Заміна пружного елемента 5 (рис. 2.3) на п'єзоелектричний датчик також дозволяє вимірювати силу тертя. При відносному переміщенні контактуючих тіл п'єзоелектричний датчик (кристал) деформується, і між його протилежними гранями виникає різниця потенціалів, величина якої пропорційна силі тертя, деформуючій кристал.

Різниця потенціалів - характеристика електричного поля, різниця електростатичних потенціалів у двох точках простору.
Датчики цієї групи володіють високою точністю вимірювання, малою інерційністю і забезпечують можливість вивчення кінетики процесу тертя, наприклад при попередньому зміщенні.



Маятниковий метод. В основу цього методу покладено явище затухання коливань маятника, викликане тертям в контакті з опорною поверхнею досліджуваного зразка. На відміну від методу пружних елементів, які мають власну резонансну частоту коливань, маятниковий метод дозволяє вивчати автоколивання трибосистеми, викликані тертям, вплив вібрацій, створюваних зовнішнім джерелом, на силу тертя.

Маятниковий метод реалізується в різних варіантах. Найбільш ефективним з них є поєднання математичного маятника з нахиленою площиною (рис. 2.

Математи́чний ма́ятник - теоретична модель маятника, в якій матеріальна точка масою m підвішена на невагомій нерозтяжній і продовгуватій нитці при цьому здійснюючи рух в вертикальній площині під впливом сил тяжіння з прискоренням вільного падіння g.
4), що утворить так званий похилий маятник. Маятник масою m, відхилений на кут α від положення рівноваги ОО', здійснює затухаючі під дією сили тертя коливання. Маятник буде здійснювати коливання до тих пір, поки сила F1, яка являє собою складову від складової сили тяжіння, буде більше сили тертя F маятника по площині.
Гравіта́ція або тяжіння - властивість тіл із масою притягуватись одне до одного. Гравітаційна взаємодія найслабша із фундаментальних взаємодій, однак її характерною особливістю є те, що тіла, які мають масу, завжди притягаються одне до одного.
Змінюючи кут β нахилу площини до горизонталі, може змінювати силу і нормальне навантаження, притискаюче маятник до площини.



Рис. 2.4. Схема похилого маятника


Похилий маятник дозволяє вимірювати кінетичні коефіцієнт тре¬нія ковзання ƒ повзуна і коефіцієнт тертя кочення ƒк кулі по площині, використовуючи дані про загасання коливань.
Тертя́ ко́чення - опір рухові, що виникає при перекочуванні тіла одне по одному. За ДСТУ 2823-94 тертя кочення - тертя руху, під час якого швидкості тіл однакові за величиною і напрямком, принаймні, в одній точці зони контакту.
Розрахунок ƒ та ƒк здійснюють за формулами:



де Rм – довжина маятника; Аo і Аn – початкова та кінцева амплітуди коливань; nм – число коливань маятника за даний проміжок часу; r – радіус кулі.

Д
Рис. 2.5. Схема вертикального маятника
осить просте рішення за допомогою вертикального маятника, який представлено на рис. 2.5. Досліджуваний зразок 1, нерухомо закріплений на станині приладу, контактує з контртіло 2, жорстко зв'язаним з маятником 3. При відхиленні від положення рівноваги на кут α маятник здійснює затухаючі коливання. Декремент загасання залежить від сили тертя сполучених тіл 1 і 2. Ця залежність використовується для визначення сили тертя ковзання.

Колива́ння- специфічні рухи або зміни стану систем різної фізичної природи, для яких спостерігається певна повторюванність в часі. Якщо це відбувається через однаковий проміжок часу - період Т, то коливання називають періодичними.
Тертя́ ко́взання - зовнішнє тертя руху, під час якого швидкості тіл в точках дотику відрізняються за величиною і (чи) напрямком і діє на тіло у напрямку, протилежному до напрямку проковзування.
При жорсткому закріпленні зовнішнього кільця підшипника кочення зі станиною, а внутрішнього – з маятником забезпечується можливість вимірювання сили тертя кочення.

Одним з варіантів маятникового методу є метод оцінки коефіцієнта зору кочення за ГОСТ 27640-88. Сутність його полягає у вимірі амплітуд затухаючих з часом вільних коливань маятника, в якому опорами кочення є дві жорстко зв'язаних між собою кулі, приведених в контакт з плоскою поверхнею досліджуваного зразка. Маятник являє собою врівноважений з двох сторін вантажами важіль, хитний на двох кульових опорах, встановлених так, що проходить через їх центри вісь паралельна миттєвої осі кочення. Знаючи амплітуду коливань Ао в початковий момент часу і Аn через n повних коливань маятника і представляючи їх в радіанної мере, розраховують коефіцієнт опору коченню за формулою:



Замінивши кулі циліндром, можна моделювати тертя кочення і оцінювати ƒс в роликових опорах кочення, важільних вагах та інших пристроях.

Момент часу - точка на часовій осі. Про події, що відповідають одному моменту часу, говорять як про одночасні.
Відмінною особливістю пристроїв, що реалізують маятниковий метод, є простота конструкції і висока точність вимірювання. До недоліків можна віднести те, що швидкість відносного переміщення тіл тертя є змінною величиною. Навіть при малих кутах відхилення маятника (рис. 13) нормальне навантаження, притискає сполучені тіла один до одного, не постійна і залежить від α.


Метод рівних моментів (сил). Суть методу в тому, що сила (момент сили) тертя врівноважується складової (моментом складової) нормального навантаження, що притискує тертьові тіла один до одного, або сили тяжіння противаги. Реалізується цей метод в конструкції так званого маятникового силовимірювача і у вимірах сили тертя за допомогою похилій площині.


Рис. 2.6. Схема вимірювання сили тертя із застосуванням маятникового силовимірювача
Мабуть, маятниковий сило-вимірювачем з великою підставою можна називати важільним. Один з варіантів вимірювання сили тертя за допомогою важеля представлений на рис. 2.6. При обертанні валу 1 в зоні його контакту зі зразком 2 виникає сила тертя F, яка зміщує зразок у напрямку вектора швидкості. Пов'язана з зразком тяга 3 передає зусилля на важіль 4, розташований на опорі кочення 5, і повертає його на деякий кут α. При збільшенні сили тертя кут а зростає до тих пір, поки момент складової сили тертя не стане рівним моменту складової сили тяжіння вантажу 6. Силу тертя визначають з умови рівності моментів

де l2 – відстань від точки опори важеля до точки прикладання сили тяжіння вантажу; l1 – відстань від точки опори важеля до точки прикладання сили тертя; m – маса вантажу.

Метод вимірювання сили тертя із застосуванням важеля досить простий у виконанні, проте має низку недоліків. До них, зокрема, відносяться: нелінійність вимірювальної шкали; інерційність; обмежений робочий діапазон зміни кута ос; вплив тертя в опорі кочення важеля на точність вимірювань.

Найбільш простим засобом вимірювання сили тертя є похила площина (рис. 2.7). Одне з тертьових тіл, виконане у вигляді кулі, циліндра або паралелепіпеда 1, розташовується на плоскій поверхні пластини 2. Кут α нахилу пластини до горизонту збільшують до тих пір, поки тіло 1 не починати рівномірно ковзати (котитися), тобто поки сила тертя не стане рівною за абсолютною величиною складової F сили тяжіння, що притискує тертьові тіла один до одного.

Абсолютна величина чи модуль - у математиці, величина, значення або число незалежно від знака. Абсолютна величина числа n записується |x| (іноді - Abs(x) ) і визначається як додатній квадратний корінь з x².
У цьому випадку сила тертя F = mgsinα. Основними недоліками є: можливість фіксації тільки статичного коефіцієнта тертя і залежність навантаження N на зразок від кута нахилу площини ковзання α. Похила площина може застосовуватися тільки для наближеної оцінки фрикційних властивостей матеріалів.



М
Рис. 2.7. Використання похилої площини для вимірювання сили тертя
етод реєстрації втрати потужності рухомого тіла або джерела руху (двигуна).
Про момент тертя судять, наприклад, по величині сили струму, необхідної для досягнення швидкості обертання вала електродвигуна після прикладення навантаження, рівної швидкості до її прикладання. Можлива оцінка сили тертя в трибосполученнях двигуна по втраті потужності на валу відбору потужності. Цей метод забезпечує можливість отримання орієнтовних даних про силу тертя.

У метальних установках, наприклад, при вивченні сили тертя снаряда при русі по стовбуру знаряддя або тертя об повітря ефективно застосування варіанту цього методу, суть якого зводиться до наступного. На шляху руху тіла (снаряда) встановлюють датчики швидкості на заданій відстані один від одного. Як датчики використовують лазери, промінь кожного з яких спрямований перпендикулярно до вектора швидкості переміщення снаряда і потрапляє на свій фотоприймач. Реєструючи моменти пересічення снарядом променів лазерів, встановлених уздовж його траси, реєструють вимірювання швидкості руху снаряда на заданій ділянці шляху тертя. За уповільненню руху снаряда (втраті потужності) судять про силу тертя:



де m – маса рухомого тіла тертя; L – довжина шляху тертя; ν0, ν1 - швидкості руху тіла відповідно на початку і наприкінці вибраної ділянки шляху тертя.

Метод дає можливість визначати середнє значення F на обраному ділянці тертя.

Імпульсний метод. Заснований на реєстрації втрат енергії вільно падаючого тіла, що обертається при ударі об горизонтальну плоску поверхню нерухомого зразка. Згідно ГОСТ 2764-88, індентор зі сталі ШХ-15 (виконаний у вигляді кулі діаметром 10 мм або кільця товщиною 3 мм, внутрішнім діаметром 22 мм і зовнішнім 30 мм) поміщають на висоті Н щодо горизонтально розташованого зразка з плоскою поверхнею тертя. Надають індентору обертальний рух відносно горизонтальної осі і звільняють його для падіння на нерухомий плоский зразок. Для оцінки сили тертя вимірюють відстань L між точками першого і другого ударів обертового індентора об поверхню зразка.

Змінюючи висоту падіння індентора, можна регулювати контактний тиск в момент удару. Швидкість ковзання індентора по поверхні зразка задається частотою обертання індентора.

Коефіцієнт тертя індентора за зразком обчислюють за формулою:

де H1 – висота відскоку кулі після удару.

Для індентора, виконаного у вигляді кільця, k = 0,5, для кулі k = 0,25. При вимірюванні замість H, тривалості польоту індентора після удару формула для оцінки коефіцієнта тертя набуває вигляду:

де t – тривалість польоту кільця між першим і другим співударами із зразком; g – прискорення вільного падіння.

Прискорення вільного падіння (позначення g) - прискорення, яке отримує тіло, рухаючись під впливом сили тяжіння планети. Воно однакове для всіх тіл, залежить від географічної широти місцезнаходження тіла, його відстані від центра планети та інших факторів.

Даний метод дозволяє також оцінювати механічні властивості (твердість) досліджуваних матеріалів.
Прилади та матеріали:

Машина тертя СМЦ-2, динамометр, зразки досліджуваних матеріалів, шліфувальний папір, рідини для промивання і знежирення поверхні, термопара.


Порядок виконання роботи:

  1. Ознайомитись з конструкцією та схемою вимірювання сили тертя на машині СМЦ-2.

  2. Вивчити будову приладу, регулювання та порядок виконання вимірювань.

  3. Провести вимірювання сили тертя запропонованих матеріалів.


Контрольні запитання

  1. Як проводять вимірювання сили тертя за допомогою пружних елементів?

  2. Які є види тензодатчиків?

  3. Які є види маятників та як за допомогою їх проводять вимірювання сили тертя?

  4. В чому полягає суть вимірювання сили тертя методом рівних сил?

  5. Охарактеризуйте метод реєстрації втрати потужності рухомим тілом або джерелом руху (двигуна).

  6. В чому полягає суть імпульсного методу?
  1   2   3   4