LV14795B - Miera stāvokļa berzes koeficienta un virsmu slīdēšanas īpašību noteikšanas mēriekārta - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Izgudrojums attiecas uz mašīnu un aparātu būvi un ir paredzēts divu kontaktā darbojošos virsmu savstarpējā miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanai, kā arī, ģeometriski un svara ziņā vienādu, bet virsmas apstrādes vai pārklājuma ziņā atšķirīgu eksperimentālo paraugu slīdēšanas īpašību noteikšanai.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze

Ir zināmas vairākas metodes, kā noteikt slīdes berzes koeficientu [1], no kurām populārākā ir „lodīte pret disku” metode, kura izmantota tribometros [2]. «Lodīte pret disku” metodes iekārtas sastāv no pētāmā parauga, kurš iestiprināts satverošajā spīlē, kura rotē, un cilindriskā stienītī iestiprinātas lodītes, kuru ar konstantu, lietotāja noteiktu, spēku (normālās reakcijas spēks) spiež pie rotējošā pētāmā parauga. Uz lodīti, tai nonākot kontaktā ar pētāmo paraugu, iedarbojas berzes spēks, kurš vērsts pa kontakta pieskares līniju pretēji parauga rotācijas virzienam. Šo berzes spēku nosaka ar sensoru palīdzību. Slīdes berzes koeficientu iegūst, dalot izmērīto berzes spēku ar paraugam pielikto normālās reakcijas spēku. Kā būtisku trūkumu šai metodei ir jāmin to, ka kontakts starp lodīti un pētāmo virsmu sākotnēji teorētiski notiek tikai vienā punktā (praktiski kontakta laukums ir nedaudz lielāks), bet, notiekot eksperimentam, lodīte dilst, kas palielina kontakta laukumu. Tas jūtami izmaina eksperimenta norisi. Arī pieliktais spēks, ar kādu lodīti spiež pie pētāmā parauga, būtiski ietekmē mērijumu rezultātus, jo liela spēka pielikšanas gadījumā lodīte dziļi tiek iespiesta pētāmā materiāla virskārtā un tā var uzsākt materiāla virskārtas mikrogriešanu, kas šādos eksperimentos nav pieļaujama. Arī piedāvātais lodīšu materiālu un izmēru klāsts ir ierobežots. Lai veiktu eksperimentus ar šāda tipa mēriekārtu, ir nepieciešams augstas kvalifikācijas speciālists, kas prot izvairīties no visām minētajām problēmām.

Ir zināma slīpās plaknes metode un iekārta [3], kura pieņemta par izgudrojuma prototipu. Miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanas mēriekārtas [3] darbība balstās uz fizikālo sakarību, ka divu kontaktā esošu objektu miera stāvokļa slīdes berzes koeficients ir tieši proporcionāls leņķa tangensam, kādā jāsagāž šie objekti, lai viens no tiem uzsāktu kustību attiecībā pret otru. Par prototipu pieņemtā iekārta sastāv no pamatnes, kurai ar elektromotora palīdzību var mainīt slīpuma leņķi. Elektromotors atrodas pamatnes lejasgalā, ap kuru notiek rotācija, proti, pamatnes slīpuma maiņa. Pētāmā materiāla loksni novieto uz augstāk minētās pamatnes, uz kuras savukārt novieto ražotāja izveidotu slīdēšanas bloku, kas kalpo kā otrs slīdes pāra elements. Aktivizējot mēriekārtu, tai tiek palielināts pamatnes slīpuma leņķis līdz brīdim, kamēr slīdēšanas bloks uzsāk kustību, tad plaknes slīpuma palielināšana tiek pārtraukta. Faktu, ka bloks ir izkustējies, nosaka ar optiskā sensoru palīdzību. Lietotājs no mēriekārtai pievienotās skalas nolasa leņķi, pie kura notikusi bloka izslīdēšana un, ja ir zināms leņķis, ir zināms arī miera stāvokļa slīdes berzes koeficients.

Par prototipu pieņemtajai iekārtai ir vairāki trūkumi. Kā pirmo jāmin, ka tā ir paredzēta plānu pamatņu testēšanai (papīra loksnes, plēves, folijas utt.), kas būtiski samazina iekārtas pielietojuma iespējas. Eksperimentu dažādības iespējas vēl vairāk samazina fakts, ka iekārtā par otru slīdēšanas pāra elementu ir jāizmanto speciāls, ražotāja izstrādāts, slīdēšanas bloks, kuru daudzveidība ir ļoti maza (ražotājs piedāvā 6 variantus un to cena ir 700 $ par vienu bloku) [3]. Ir iespējams pasūtīt individuālus slīdēšanas blokus, bet to izgatavošanas process ir laikietilpīgs un dārgs. Arī bloka izmēri ir stingri determinēti. Līdz ar to, lai uzsāktu specifiskus mērījumus ar šo iekārtu, ir liela iespēja, ka būs nepieciešams ilgs sagatavošanās periods, kā arī liels starta kapitāls. Kā būtisks mīnuss jāmin fakts, ka par prototipu izvēlētajai iekārtai plaknes slīpumu izmainošais elektromotors atrodas plaknes lejasgalā, kas nozīmē, ka elektromotoram un tam pieliktajam reduktoram ir jāuzņem liela slodze, proti, viss plaknes svars plus slīdēšanas bloka svars. Kā tika novērots iekārtas prezentācijas videomateriālā [4], slīdēšanas blokam izslīdot, tiek apturēts elektromotors, bet, blokam pārvietojoties no slīpās plaknes augšas līdz lejai, plaknes slīpuma leņķis nedaudz palielinās uz tā rēķina, ka, blokam noslīdot no pamatnes augšgala, samazinās spēka moments, kas sākotnēji tiek pielikts motoram ar reduktoru. Šāda iekārtas konstrukcija ievieš mērījumos sistemātisku kļūdu.

Izgudrojuma mērķis un būtība

Izgudrojuma mērķis ir paplašināt mērījumu dažādības iespējas miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanai, paaugstināt mērījumu precizitāti, kā arī miera stāvokļa berzes koeficientam papildus sniegt slīdēšanas īpašības raksturojošu informāciju. Piedāvātā miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanas mēriekārta, kas satur pamatni ar maināmu slīpuma leņķi, elektromotoru un tam pievienotu skrūves pārvadu, optisko sensoru, kas novietots pamatnes augšgalā, ir raksturīga ar to, ka tā papildus satur:

- otru optisko sensoru, kas novietots pamatnes lejasgalā, un

- datorizētu vadības sistēmu, kas ietver: optisko sensoru signālu ievades bloku, kurš saņem optisko sensoru ģenerētos signālus, tos konvertē datoram saprotamā signālā un nosūta vadības programmai; vadības programmas signālu izvades bloku, kas konvertē vadības programmas ģenerētos izejas signālus izpildiekārtu vadībai nepieciešamā spriegumā, kas ļauj kontrolēt elektromotoru un līdz ar to realizēt plaknes slīpuma maiņu,

- pie kam datorizētā vadības sistēma var saturēt personālo datoru ar konfigurētu vadības programmu, kas koordinē daļēji automatizēto miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanas procesu, kā ari paraugu konstantās distances slīdēšanas laika noteikšanu un iegūto datu automātisku apstrādi.

Izgudrojuma pielietošanas iespējas

Piedāvātajai mēriekārtai ir liela maināmo slīdēšanas pamatņu variācijas iespēja, jo uz mēriekārtas var novietot pamatni, kuras maksimālie izmēri var būt 2000 mm garumā, 160 mm platumā un 40 mm augstumā. Atšķirībā no prototipa, izgudrotajai mēriekārtai lietotājs pats izveido viņa konkrētajiem pētījumiem atbilstošākus slīdēšanas paraugus. Tas nozīmē, ka uz mēriekārtas ir iespējams veikt eksperimentus ar jebkādas formas slīdes paraugiem, kuru gabarītu izmēri nepārsniedz 100 x 100 x 30 mm, kas būtiski palielina specifisku eksperimentu veikšanas iespējas. Saprotams, ka labāk pieturēties pie taisnstūrveida paraugu formas, bet, ja eksperimentam nepieciešama specifiska, piemēram, trīsstūrveida vai apaļa parauga forma, mēriekārta pieļauj darbošanos ar tāda veida paraugiem. Arī paraugu materiālam un svaram nav ierobežojumu - paraugus izveido tieši tā, kā iekārtas ekspluatētājs to vēlas. Tieši šos aspektus ir jāizceļ kā izgudrojuma vienu no plusiem.

Izgudrojums pieļauj jebkādas formas paraugu izmantošanu, jo tam pievienoti optiskie sensori, kas darbojas uz to ģenerētā gaismas stara pārtraukšanu. Tas nozīmē, ka sensors dod vadības signālu datu apstrādāšanas programmai tad, kad tā ģenerēto gaismas staru pārtrauc kāds objekts, un nav svarīgi kādas formas vai materiāla ir šis objekts. Savukārt par prototipu pieņemtajai iekārtai optiskais sensors ir novietots tā, ka tas detektē tikai slīdēšanas blokiem speciāli piestiprinātu plāksnīti, kas izslēdz jebkāda veida slīdēšanas bloka formas izmaiņas.

Lai izveidotie paraugi nenokristu no slīdēšanas pamatnes, tai gar malām var nostiept smalkas ierobežojošās stieplītes, kuru kontaktējošais virsmas laukums ar paraugu saskares gadījumā ir niecīgs, un tas neatstāj jūtamu ietekmi uz mērījumu rezultātu.

Izgudrojumam pamatnes slīpuma maiņa tiek realizēta ar pārvada palīdzību, kurš atbalstīts pret pamatnes augšas galu. Tehniskajā literatūrā šādu risinājumu sauc par tangensa mehānismu [1]. Šāds risinājums novērš prototipam atklāto sistemātisko mērījumu kļūdu, kad pamatne izmaina savu slīpuma leņķi slīdēšanas blokam noslīdot līdz pamatnes lejai, jo atbalsts tangensa mehānismā novietots tā, lai pamatne nevarētu locīties vai brīvi svārstīties.

Tā kā atšķirībā no prototipa, mēriekārta saskaņā ar izgudrojumu ir papildināts ar otru optisko sensoru, kas ļauj noteikt laiku, kāds nepieciešams pētāmajam paraugam, lai veiktu distanci no iekārtas pamatnes viena gala līdz otram pie noteikta plaknes leņķa. Veicot šādu eksperimentu ar ģeometriski un svara ziņā vienādiem, bet dažādiem virsmas pārklājumiem apklātiem vai kādā citā veidā apstrādātiem paraugiem, ir iespējams salīdzināt šo paraugu pārklājumu vai virsmas apstrādes veida ietekmi uz to slīdēšanas īpašībām.

Uz izgudrojumā aprakstītās mēriekārtas var veikt divu veidu eksperimentus. Kā pirmo jāmin divu virsmu savstarpējā miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanu. Mēriekārtas darbības princips, attiecībā uz statiskās miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanu, ir līdzīgs kā prototipam [3]. Mēriekārtas slīpās plaknes leņķa palielināšana norit automatizēti un to organizē datorprogrammā izveidots vadības algoritms. Pēc operatora atļaujas (programmas aktivizēšanas) vadības sistēma formē signālu ieslēgties elektromotoram, kas palielina pamatnes slīpuma leņķi līdz brīdim, kad pētāmais paraugs pārvar miera stāvokļa berzi un uzsāk kustību lejā pa plakni. Parauga izslīdēšanas faktu konstatē optiskais sensors. Šis sensors dod ieejošo signālu mēriekārtas vadības programmai pārtraukt elektromotora enerģijas padevi. Operators no iekārtai pievienotās skalas var nolasīt pamatnes slīpuma leņķi, līdz ar to ari noskaidrot konkrētā slīdes pāra miera stāvokļa slīdes berzes koeficientu.

Otrs eksperimentu tips, kuru var realizēt uz mēriekārtas saskaņā ar izgudrojumu, ir slīdēšanas īpašību noteikšana mērot laiku, kāds nepieciešams pētāmajam paraugam, lai, pie konkrēta pamatnes slīpuma leņķa, veiktu noteiktu distanci pa pamatni. Mēriekārtas pamatnei, kura ir 2000 mm gara, piestiprināti optiskie sensori, kuri fiksē parauga kustēšanās sākumu un noteiktās distances sasniegšanas beigas. Vadības programma, kura izveidota personālajā datorā, veic laika aprēķinu starp abu sensoru nostrādāšanas sākotnējiem momentiem, kas ari ir parametrs, kurš ļauj novērtēt parauga slīdēšanas īpašības. Lai palielinātu rezultātu ticamību, iekārta ļauj veikt eksperimentu sēriju ar lietotāja izvēlētu mērījumu skaitu (piemēram, 100). Mērījumu sērijas beigās programma automātiski aprēķina vidējo mērījumu laiku un vidējo kvadrātisko novirzi no datu vidējās vērtības, kā arī izveido grafiku, kurā atspoguļotas visas mērijumu sērijas vērtības un aprēķinātā vidējā vērtība, kas ļauj vizuāli novērtēt kā ritējusi eksperimenta gaita. Veicot šādas eksperimentu sērijas ģeometriski un svara ziņā vienādiem, bet dažādiem virsmas pārklājumiem vai atšķirīgām apstrādes metodēm apstrādātiem paraugiem pie vienāda plaknes slīpuma leņķa, ir iespējams novērtēt kura parauga pārklājums vai virsmas apstrāde uzrāda vislabākās slīdēšanas īpašības.

Izgudrojuma aprakstam ir pievienoti sekojoši zīmējumi:

- l.zīm., kurā ir parādīta mēriekārtas kinemātiskā shēma, kur: 1 ir elektromotors; 2 ir gliemežreduktors; 3 ir sajūgs; 4 ir vadotne; 5 ir skritulis; 6 ir skrūves pārvada karietīte; 7 ir vītņstienis; 8 ir slīpās plaknes pamatne; 9 ir optiskais sensors; 10 ir optiskā sensora reflektors; 11 ir maināmā slīdēšanas pamatne; 12 ir paraugu palaišanas mehānisms; 13 ir sensoru signālu ievades, pārveidošanas un izvades modulis; 14 ir dators;

- 2.zīm., kurā ir parādīta mēriekārtas elektroniskā principiālā shēma, kur: 1 ir elektromotors; 2 ir optiskais sensors; 3 ir signālu ievades/izvades bloks; 4 ir signālu pārveidotājs; 5 ir dators; 6 ir releja spole;

- 3.zīm., kurā ir parādīta mēriekārtas realizācijas piemēra 3D modeļa kopskats (skats no priekšpuses);

- 4.zūn., kurā ir parādīta mēriekārtas realizācijas piemēra 3D modeļa kopskats (skats no aizmugures);

- 5.zīm., kurā ir parādīta mēriekārtas realizācijas piemēra priekšējās daļas komponenti, kur: 1 ir pēda; 2 ir vienas brīvības pakāpes šamīrs; 3 ir leņķa mērīšanas skala; 4 ir slīpās plaknes pamatne; 5 ir maināmā slīdēšanas pamatne; 6 ir optiskā sensora reflektors; 7 ir optiskais sensors; 8 ir optiskā sensora aizsargs;

- 6.zīm., kurā ir parādīta mēriekārtas realizācijas piemēra 3D modeļa aizmugures daļas komponenti (1.skats), kur: 6 ir optiskā sensora reflektors; 7 ir optiskais sensors; 9 ir paraugu palaišanas mehānisms; 10 ir vertikālais balsts; 11 ir vītņstienis; 12 ir sajūgs; 13 ir elektromotors;

- 7.zūn., kurā ir parādīta mēriekārtas realizācijas piemēra 3D modeļa aizmugures daļas komponenti (2.skats), kur: 6 ir optiskā sensora reflektors; 9 ir paraugu palaišanas mehānisms; 10 ir vertikālais balsts; 14 ir skrūves pārvada karietīte; 15 ir skritulis;

- 8.zīm., kurā ir parādīts eksperimentā iegūto datu piemērs.

Izgudrojuma realizācijas piemērs

Mēriekārtas slīpā plakne veidota no standartizēta alumīnija profila (5.zīm., 4), kura izmēri ir 2000x160x40 mm. Tam gareniskā virzienā ir iestrādātas rievas dažādu stiprinājumu piestiprināšanai, konkrētajā gadījumā sensoriem (5.zīm., 7) un to reflektoriem (5.zūn., 6), kā arī paraugu palaišanas mehānismam (6.zīm., 9).

Profila gals piestiprināts pie vienas brīvības pakāpes šamīra (5.zīm., 2), kurš ļauj veikt tikai pamatnes slīpuma maiņu. Pie šamīra piestiprināta mērskala (5.zīm., 3), no kuras tiek nolasīts pamatnes slīpuma leņķis. Šamīrs pieskrūvēts smagai metāla pēdai (5.zīm., 1), lai nodrošinātu mēriekārtas stabilitāti.

Uz profila tiek novietota eksperimentam izvēlētā mērījumu pamatne (5.zīm., 5), kuras izmēri nedrīkst pārsniegt 2000x120x40 mm. Šo pamatni vienkārši novieto uz pamata profila, un tās galu atbalsta pret speciāli paredzētām atbalsta skrūvēm, kuras neļauj pamatnei noslīdēt no profila. Ja ir vajadzība pēc spēcīgākas vai cita veida pamatnes fiksācijas, to var izdarīt izmantojot stiprinājumus, kuri pieliekami pie standartizētā pamatnes profila.

Pie profila sānu malām piestiprināti stiprinājumi, kuri tur optiskos sensorus (6.zīm. 7) un tiem pretī nepieciešamos atstarojošos elementus - reflektorus (6.zīm., 6). Stiprinājumi veidoti tā, lai operators var veikt manuālu sensoru augstuma, kā ari to savstarpējā attāluma pieregulēšanu. Pie profila piestiprināta pētāmo paraugu palaišanas iekārta (6.zīm., 9), kuras augstums manuāli pieregulējams atkarībā no vajadzības. Palaišanas iekārta sastāv no elektromagnēta, kurš pēc vadības signāla saņemšanas, pievelk tam tuvumā esošo dzelzs plāksnīti, kura sākotnēji bloķē pētāmā parauga kustību.

Profila slīpuma maiņa tiek panākta ar pārvada palīdzību, kurš sastāv no vītņstieņa (6.zīm., 11) uz kura uzskrūvēta karietīte (7.zīm., 14) ar skrituli (7.zīm., 15), kurš atrodas kontaktā ar pamatnes profilu. Šis pārvads tiek piedzīts ar 24 V līdzstrāvas dzinēju (6.zīm., 13), kura vadība tiek organizēta no personālā datora. Pārvads piestiprināts pie vertikālā balsta (6.zīm., 10), kas pievienots otrai pēdai.

Iekārtas vadība tiek organizēta gan ar fizisku spiedpogu, gan datortehnikas palīdzību. Pamatnes slīpuma maiņa, kā ari mērījumi, kas saistīti ar laika fiksēšanu, tiek organizēti ar datortehnikas palīdzību, bet pētāmo paraugu palaišanas iekārta tiek kontrolēta ar spiedpogas palīdzību, jo tādējādi lietotājam ir ērtāk veikt mērījumus.

Optisko sensoru (2.zīm.) 2 ģenerētie ieejas signāli, kā ari elektromotora 1 vadības signāli tiek saņemti un formēti elektrisko signālu savākšanas un izvades blokā 3, kurš caur signālu pārveidotāju 4 savienots ar datoru 5. Vadības signāla pastiprināšanai priekš elektromotora tiek izmantotas releju spoles 6. Datorā izstrādāta vadības programma, kurā ar viegli uztveramiem vizuālās programmēšanas elementiem izveidots vadībai nepieciešamais algoritms. Vadības programma veic laika aprēķinu starp optisko sensoru nostrādāšanas brīžiem, kā arī šī laika dokumentēšanu, kas svarīgs tālākai datu apstrādei.

Pēc noteiktas mērījumu sērijas beigšanas, programma apkopo visus slīdēšanas laikus un automātiski veic vidējā laika, kā ari vidējās datu standartnovirzes aprēķinu. Datorprogramma izveido grafiku, kurš sevī attēlo visu veikto mērījumu laikus un aprēķināto vidējo laiku, kas ļauj vizuāli novērtēt, kā attīstījusies mērījumu gaita. Grafikā ar Delta apzīmēta laika starpību starp abu sensoru nostrādāšanas brīžiem, kas ir vienāda ar pētāmā parauga slīdēšanas laiku sekundēs. Mērījumu tabula un grafiks apskatāms 8.zīm.

Informācijās avoti:

1. I.Oditis, J.Rudzītis, Precizitāte un drošums. Rīga, RTU, 2008.g.-116.1pp.

2. Interneta resurss, skatīts 08.2013- http://www.cetr.com/ASTM Standard/ASTM G9995.htm.

3. Interneta resurss, skatīts 08.2013 - http://www.testingmachines.com/32-25-coefficientfriction-tester.html.

4. Interneta resurss, skatīts 17.09.2013 - http://www.youtube.com/watch?v=0ttiB9qCpDg

Claims (2)

1. Pretenzijas

   1. Miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanas mēriekārta, kas satur pamatni ar maināmu slīpuma leņķi, elektromotoru un tam pievienotu skrūves pārvadu, optisko sensoru, kas novietots pamatnes augšgalā, atšķiras ar to, ka papildus satur:

   - otru optisko sensoru, kas novietots pamatnes lejasgalā, un

   - datorizētu vadības sistēmu, kas ietver: optisko sensoru signālu ievades bloku, kurš saņem optisko sensoru ģenerētos signālus, tos konvertē datoram saprotamā signālā un nosūta vadības programmai; vadības programmas signālu izvades bloku, kas konvertē vadības programmas ģenerētos izejas signālus izpildiekārtu vadībai nepieciešamā spriegumā, kas ļauj kontrolēt elektromotoru un līdz ar to realizēt plaknes slīpuma maiņu.
2. 2. Miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanas mēriekārta saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka papildus satur personālo datoru ar konfigurētu vadības programmu, kas koordinē daļēji automatizēto miera stāvokļa berzes koeficienta noteikšanas procesu, kā arī paraugu konstantās distances slīdēšanas laika noteikšanu un iegūto datu automātisku apstrādi.