СПОСОБ ОЦЕНКИ ФРИКЦИОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СВИТЫХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к области трибологии и триботехники и может использоваться для качественной оценки фрикционного взаимодействия при изучении трибологических свойств свитых изделий типа стальных канатов, тросов и других подобных изделий. В частности, способ полезен при выборе смазочных материалов, используемых для обработки («пропитки») стальных канатов.

Общеизвестным способом оценки различных смазочных материалов являются сравнительные испытания ряда выбранных смазок в идентичных условиях с фиксацией энергосиловых затрат при использовании известных критериев, например коэффициента или силы трения, величины износа трибосопряжения, характеристик стабильности процесса (наличия фрикционных колебаний, уровня температур в контактной зоне) и т.п. Одна из смазок в этом случае может быть использована в качестве условного эталона, по отношению к которому экспериментально определяется эффективность остальных смазочных материалов.

Однако такой подход затруднительно использовать, например, для таких специфических объектов трения, как свитые изделия: канаты, кабели, различные синтетические тросы, скрученные пряди нитей и т.п. Сложность испытаний смазочных материалов в этом случае обусловлена тем, что процесс трения в зависимости от варианта их нагружения может быть сосредоточен не только или не столько на внешней поверхности объекта, а внутри него - в частности, на поверхностях контакта между отдельными элементами изделия: нитями, проволоками, прядями и т.д.

Известен способ для определения фрикционных характеристик между элементами внутри свитых изделии (Патент РФ №2408869 С1, 2009, Бюл. №1, «Способ определения силы трения и коэффициента трения»), заключающийся в том, что витое изделие одним концом закрепляют неподвижно, а со стороны свободного конца на один из составляющих изделие элементов воздействуют осевым усилием, вытягивают элемент из свитого изделия и определяют силу и коэффициент трения по расчетным зависимостям.

Недостатком способа-прототипа являются неадекватные условия испытаний и рабочего состояния свитого изделия. Покажем это на примере стального каната. Так, при его осевом нагружении происходит некоторое уменьшение диаметра изделия и увеличение шага свивки, которые обусловлены снижением или исчезновением технологических зазоров между элементами каната как в осевом, так и в радиальном направлении.

Из практики известно, что при осевом растяжении каната происходит своего рода «раскручивание» (поворот вокруг собственной оси), это приводит к появлению взаимного скольжения между элементами каната в окружном направлении. Таким образом, при знакопеременных осевых нагрузках, характерных для значительной группы используемых на практике канатов, этот фактор также нуждается в контроле (оценке) и учете при выборе смазочного материала.

Совокупность указанных факторов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния в зоне контакта между элементами внутри свитого изделия и отражается на трибологических показателях их взаимодействия (сила и коэффициент трения).

В способе-прототипе нагружению подвергается лишь один из элементов свитого изделия, что и приводит к искажению реальной схемы нагружения. Определенная таким образом сила трения не может быть отнесена ко всем элементам, составляющим витое изделие, так, например, она не отражает условия трения элементов внешнего ряда из-за отсутствия силового воздействия на них снаружи изделия.

Также к недостаткам данного способа следует отнести невозможность заранее определить необходимую, для проведения испытаний, длину свитого элемента, так, при превышении некоторого значения действующая сила трения может превысить предел прочности исследуемого элемента, что приведет к его разрушению.

В целом указанные недостатки снижают функциональные возможности способа.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа за счет повышения достоверности сравнительного анализа фрикционных свойств смазочных материалов, применяемых при эксплуатации свитых изделий.

Поставленная задача достигается тем, что способ оценки фрикционного взаимодействия элементов свитых изделий, заключающийся в том, что одним концом изделие закрепляют неподвижно, а со стороны свободного конца на один из составляющих изделие элементов воздействуют осевым усилием, реализуется так, что осевое усилие прикладывают одновременно ко всем элементам изделия, последовательно испытывают эталонное и контролируемое изделия равной между собой и превышающей шаг свивки длины, при этом прикладывают дополнительное силовое воздействие в виде крутящего момента и поворачивают изделия вокруг вертикальной оси в направлении свивки на одинаковый угол, обеспечивающий режим трения скольжения между элементами, после чего снимают воздействие, фиксируют свободные возвратно-крутильные колебания, определяют логарифмические декременты затухания в обоих случаях, по соотношению которых оценивают фрикционное взаимодействие между элементами сравниваемых свитых изделий.

Способ реализуется следующим образом.

Гибкий элемент (канат, прядь и т.п.) обрабатывают эталонным смазочным материалом, также допускается использовать и необработанный, так называемый «сухой» образец. Прикладывают первоначальное вертикальное осевое усилие путем закрепления на образце груза массой М, а также вводят дополнительное силовое воздействие в виде момента кручения свободного конца каната на некоторый угол φ, постоянный для каждого эксперимента, затем воздействие снимают. Под действием упругих сил канат будет стремиться занять исходное состояние равновесия. При этом регистрируют отклик системы в виде затухающих возвратно-крутильных колебаний и вычисляют его логарифмический декремент затухания по известной зависимости:

где ϑ_эт - логарифмический декремент затухания для эталонного образца;

A(t) - амплитуда колебаний в момент времени t;

A(t+T) - амплитуда колебаний в момент времени t+T;

δ - коэффициент затухания;

Т - период колебаний.

Затем повторяют эксперимент с аналогичным образцом, обработанным смазочным материалом №1, далее смазочным материалом №2 и т.д., в каждом случае ведется регистрация картины затухающих колебаний с определением логарифмического декремента затухания ϑ_№1, ϑ_№2…ϑ_№n.

В качестве критерия фрикционных характеристик смазочных материалов используется отношение логарифмических декрементов затухания к логарифмическому декременту затухания эталонного образца

где n - количество исследуемых образцов смазочных материалов.

Очевидно, что чем меньше величина отношения логарифмических декрементов затухания, тем лучше фрикционные характеристики смазочного материала по сравнению с эталоном. Также для оценки смазочных материалов между собой можно использовать прямое сравнение логарифмических декрементов затухания.

Помимо применения для сравнительной оценки эффективности смазочных материалов, способ может быть успешно использован и для оценки происходящих изменений состояния фрикционного взаимодействия между элементами свитого изделия после различных внешних воздействий, в частности:

1. работы во влажной, коррозионной, запыленной, атмосфере;

2. после критического или экстремального ударного (импульсного, знакопеременного, циклического), температурного (холод, высокие температуры) нагружения, сложных комбинированных воздействий, в том числе с наложением вибрации и т.п.

Учитывая доступность и простоту способа, он может также применяться на контрольных операциях или в межоперационных переходах в цикле технологического изготовления различных свитых изделий.

Во всех перечисленных случаях способ может быть дополнительным информативным источником при рассмотрении триботехнических проблем, особенно в случаях, когда прямой теоретический подход не дает решения.

Таким образом, технический эффект изобретения достигается за счет использования явления возвратно-затухающих колебаний для сравнительной интегральной оценки фрикционного взаимодействия между элементами свитого изделия, с наложением необходимых ограничений на объект исследования и режимы испытаний.

В частности, длина отрезка свитого изделия должна превышать шаг свивки, что обеспечивает полную реализацию очага контактирования между элементами со всеми его особенностями. Очевидно, она может быть увеличена исходя из конструктивных особенностей объекта исследования.

Угол начального закручивания изделия должен обеспечивать достижение режима трения скольжения и устанавливается опытным путем.

В любом случае параметры угла закручивания и длины для всех образцов партии должны быть одинаковыми.

В предлагаемом способе фиксируется интегральная характеристика для оценки фрикционного взаимодействия, т.к. она более полно и точно отражает характер контактных процессов между элементами в свитом изделии.

Способ реализуется с помощью установки, принципиальная схема которой приведена на фиг. 1. Установка содержит неподвижное основание 1, на котором закреплен канат 2, взаимодействующий с грузом 3 датчик угла поворота (энкодер) 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, подключенный информационным выходом к компьютеру обработки данных (ПК) 6, посредством линий связи 7, и аналоговым входом к датчику угла поворота 4.

Перед началом испытаний образец находится в исходном положении равновесия. На предварительном этапе требуется подготовить необходимое количество одинаковых образцов канатов, обработанных сравниваемыми смазочными материалами.

Процедура испытаний начинается с отклонения груза 3 от положения статического равновесия путем поворота относительно вертикальной оси на некоторый угол φ. Далее система начинает совершать возвратно-крутильные колебания относительно вертикальной оси, регистрируемые компьютером обработки данных (ПК) 6, поступающие с информационного выхода аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5. В процессе сравнительной оценки смазочных материалов программа обработки данных, функционирующая на ПК, строит графики затухающих колебаний, вычисляет логарифмический декремент затухания колебаний и обеспечивает ведение архива испытаний.

Пример практической реализации способа

Объект контроля - стальной канат по DIN 30553,0; конструкция каната 6×7 (1+6), диаметр каната 3 мм, диаметр прядей 1 мм, угол свивки прядей 0,303 рад, угол свивки проволок в пряди 0,201 рад, шаг свивки прядей 20 мм, шаг свивки проволок в пряди 10 мм.

Выбраны 5 модельных состава смазочных материалов на основе шунгита, серпентинита и Торсиола-55 ГОСТ 20458-89.

Испытывались отрезки каната длиной 120 мм.

Угол закручивания составил 90°.

Полученные результаты эксперимента по сравнительной оценке фрикционных свойств смазочных материалов приведены в таблице.

Полученные результаты испытаний показывают, что предложенный способ может использоваться для сравнения фрикционных характеристик различных смазочных материалов.