SE500155C2 - Förfarande och anordning för mätning av friktion hos skiktformigt material - Google Patents

Description

...x Uï 01 EOÛ 2 material vars friktion mot olika andra material man önskar bestämma.

Ett vanligt sätt att bestämma friktionen mot ett skiktformigt material är enligt teknikens tidigare ståndpunkt att anbringa det skiktformiga materialet på en plan yta, som stöder det skiktformiga materialet, och uppmäta den kraft som erfordras för att bringa en pà det skiktformiga materialets yta anbringad motytbildande kropp med känd vikt att röra sig över det skiktformiga materialets yta. Den normalkraft, som krop- pen utövar mot ytan, beror av kroppens vikt under inverkan av tyngdkraften. Det skiktformiga materialet kan anbringas på en stödyta vars plan kan lutas i den grad som erfordras för att den motytbildande kroppen skall börja röra sig över ytan genom inverkan av den i ytans plan verkande kraftkomposanten, varvid planets lutning mot horisontalplanet vid begynnande glidning ger ett màtt pà friktionskraften och friktionskoef- ficienten ifråga, eller också kan kroppen dragas över den företrädesvis horisontellt anordnade skiktmaterialytan samt dragkraft och normalkraft samt företrädesvis även ytbelast- ningen vid begynnande glidning uppmätas. Dessa tidigare kända metoder har emellertid avsevärda brister orsakade t.ex. av snedbelastningar av friktionskraften, uppträdande av spràng- vis rörelse hos kroppen, uppkommande av accelerationskrafter som stör mätningen av friktionskraften av att anbringande av normalkraften kan ske under sidorörelse av normalkraften och att pàläggandet av normalkraften kan ske spràngartat eller med variation från försök till försök, och mätförfarandena är ofta tidsödande och komplicerade, etc.

Det har helt överraskande visat sig möjligt att helt eller i väsentlig grad eliminera dessa brister och även att förenkla mätningen med förfarandet och anordningen enligt uppfin- ningen.

Enligt uppfinningen hàlles vid friktionsmätning av ovan angivet slag läget av de normalkrafter, som belastar det 500.' 'E55 3 skiktformiga materialet, väsentligen stationärt, vari inne- fattas att angreppspunkten för dessa krafter eventuellt förskjutes i en mot friktionsytan vinkelrät riktning, t.ex. om ett stödjande underlag för skiktmaterialet är elastiskt eftergivligt och sammantryckbart under inverkan av dessa normalkrafter. Normalkrafternas angreppsyta förflyttas däre- mot vid mätningen företrädesvis icke alls eller endast i ringa grad i en mot normalkrafterna vinkelrät riktning, bortsett från den rörelse genom elastisk deformation och apparatglapp, som kan uppträda vid anbringandet av en frik- tionsmätkraft på skiktmaterialets friktionsyta, dvs. med normalkraften belastade ytområde, i riktningen av friktions- ytans plan. Enligt uppfinningen föredrages vidare att prov- materialet är förskjutbart endast i riktningen av dess ytplan av en kraft, företrädesvis dragkraft, som utövas på prov- materialet i riktningen av dess ytplan vid friktionsmät- ningen. Detta kan åstadkommas genom att provmaterialet vid provningen är fast inspänt i en eller fler fastspännings- backar. Vidare är det betydelsefullt att anordningens utform- ning motverkar att provmaterialet ömsom fastnar och ömsom gör språngvisa rörelser. Till detta bidrager även att provmate- rialet kan ges ringa massa, vilket motverkar masskrafternas inverkan på mätningen. Vidare kan provmaterialet ges ringa tjocklek, vilket gör att dragkrafter kan anbringas mycket nära provmaterialskiktet, så att uppkomst av böjmoment på provet motverkas.

För mätning av friktionen belastas sålunda skiktmaterialet med i friktionsytans plan verkande krafter (friktionsmät- krafter), företrädesvis dragkrafter, företrädesvis av sådan storlek att en förflyttning eller begynnande förflyttning (glidning) av skiktmaterialet i förhållande till motytmate- rialet uppträder resp. upphör.

Storleken av dessa friktionkrafter kan uppmätas och registre- ras med kända kraftmätorgan, t.ex. med trådtöjningsgivare. Överföringen (kopplingen) av kraften från de friktionsmät- U1 CJ CD .Ä (H (J: 4 kraftutövande organen till skiktmaterialet kan vara mer eller mindre elastisk. Vanligen är det lämpligt eller acceptabelt att denna koppling vid mätningen av den statiska friktionen är mer elastisk än vid mätning av den kinetiska friktionen.

Kraftöverföringens elasticitet kan göras varierbar för anpassning till friktionstypen. Lämpligen användes backar, i vilka det skiktformiga materialet inspännes, t.ex. mellan gripkäftar, varvid minst en av dessa backar är anordnad förskjutbar i sådan riktning, att den kan utöva en kraft pá det skiktformiga materialet i skiktriktningen, företrädesvis en dragkraft.

Det skiktformiga materialet användes vid provningen lämpligen i form av remsor, som anbringas mellan de motställda belast- ningsytorna med minst en ände sträckande sig ut från dessa, så att den kan inspännas i den rörliga backen för utövande av en kraft i friktionsytans riktning (friktionsmätkraften).

Enligt en fördelaktig utföringsform anordnas belastnings- ytorna vertikalt riktade eller snedställda mot horisontalpla- net, sà att det skiktformiga provmaterialet, företrädesvis i form av en remsa, lätt kan föras in i gapet mellan dessa under inverkan av tyngdkraften, varvid företrädesvis även gapet mellan den rörliga backens inspänningsorgan är riktat parallellt med gapet mellan belastningsytorna, liksom före- trädesvis även gapet mellan fastspänningsorgan i en eller fler eventuellt använda ytterligare backar för fasthállning av ett ytterligare vid provningen använt skiktformigt mate- rial (motytmaterial).

Vid provningen kan med fördel även motytmaterialet vara skiktformigt och användas t.ex. i form av en remsa. Motyt- materialet kan t.ex. vara samma slags material som provmate- rialet, t.ex. papper. Härvid kan t.ex. en remsa av skikt- materialet, vars ena ände är inspänd i en rörlig, dragkraft- utövande back, i gapet mellan belastningsytorna anbringas mellan tvà andra stycken, företrädesvis tvá remsor eller en dubbelvikt remsa av det skiktformiga motytmaterialet, varvid UI (...

(D -à rj1 01 5 motytmaterialet lämpligen hàlles stilla mellan belastnings- ytorna, t.ex. genom att en utstickande ände av motytmaterial- stycket eller -styckena fasthálles i en fast (stillastående) inspänningsback. På detta sätt mätes enkelt friktionen av t.ex. papper mot samma slags papper. Pappersbanriktningen (maskinriktningen) hos provmaterial och motytmaterial kan härvid vara riktade i samma riktning, 90° mot varandra, l80° mot varandra, eller andra inbördes riktningar, etc. och olika kombinationer av skiktens översidor och undersidor (vira- sidor) anliggande mot varandra. Vid mätningen kan man antingen anbringa en normalkraft av konstant storlek mot skiktmaterialets och motytmaterialets friktionsytor och variera friktionsmätkraften i friktionsytans riktning eller anbringa en konstant friktionsmätkraft och variera normal- kraften tills glidning uppträder resp. upphör.

För mätning av friktionen mot endast en av det skiktformiga materialets ytor kan man även anordna en av de motställda belastningsytorna rörlig i friktionsytplanets riktning, företrädesvis med lägsta möjliga friktion och företrädesvis friktion av känd storlek, t.ex. genom att den rörliga belast- ningsytan är rörlig pà rullkroppslager eller liknande.

Det är även vanligen väsentligt att de belastningsytor, som utövar normalkraft mot det skiktformiga materialet, styras sà att de hållas parallella med varandra och vinkelräta mot det skiktformiga materialet och i synnerhet att förhindra att belastningsytorna ger en fastknipande effekt på det skikt- formiga materialet genom inverkan av dragkraft i skiktrikt- ningen, dvs. att dragkraften skapar en normalkraftkomposant.

Riskerna för detta kan minskas genom att friktionskraften anbringas i friktionsytans plan.

Det är vanligen väsentligt att belastningsytorna utföras av ett elastiskt material, företrädesvis med ett skikt av elas- tiskt material pà ett plant underlag av styvt material, t.ex. metall, så att ett jämnt fördelat kontakttryck pà det skikt- formiga materialet erhålles.

Det är vidare värdefullt att provmaterialet, företrädesvis provremsan, endast kan röra sig i dragriktningen och att glidning i andra riktningar förhindras effektivt, lämpligen genom fast inspänning i fastspänningsbackar under mätför- loppet. Anordningen skall dessutom i möjligaste mån förhindra att ytorna ömsom fastnar och ömsom gör sprángvisa rörelser, s.k. stick-slip-rörelse.

Det är även betydelsefullt att provmaterialet och eventuellt motytmaterialet har ringa tjocklek så att dragkraften (frik- tionskraften) kan anbringas nära friktionsytan, och även så att böjande moment på provmaterialet undvikas eller minskas.

En tjocklek av under 2 mm, vanligen under l mm eller under 0,5 mm, t.ex. under 0,2 mm, är ofta ett värde som ger goda provningsbetingelser, t.ex. vid provning av papper (inklude- rande även papp, kartong o.d.).

Enligt uppfinningen är det möjligt att använda provstycken med mycket lág vikt, vilket gör det möjligt att minska mass- krafternas inverkan vid friktionsmätningen. vid användning av remsformigt provmaterial kan remsorna t.ex. ha en längd av högst 300 mm, t.ex. högst 200 eller högst 100 mm, och en minimilängd som bestämmes av utrustningen, ofta minst 20 mm eller minst 50 mm, i samtliga fall enkelt eller dubbelvikt, och bredden kan ofta vara högst 100 mm eller högst 75 mm, vanligen ned till minst 5 mm eller minst 10 mm eller minst 25 mm, t.ex. en bredd av ca 50 mm, t.ex. l50x50 mm eller 300x50 mm dubbelvikt till halva längden, vilket ofta är lämpligt för papper.

En ytterligare fördel med uppfinnigen är att provstycken kan framställas enkelt och rationellt, t.ex. genom klippning eller stansning av remsor av skiktmaterialet, och att prov- styckena lätt kan införas i provanordningen utan att kontakt- ytorna (friktionsytorna) behöver beröras vid hanteringen. (fï CD CD *WW |J1 hä! 7 Det är även vanligen väsentligt att normalkraften, som verkar mellan de friktionsytor som skall mätas páföres under kont- rollerade betingelser. Vanligtvis eftersträvas en successiv uppbyggnad av normalkraften där friktionsytorna sammanföras utan inbördes glidning. Vidare är det väsentligt att kontrol- lera den tidrymd under vilken normalkraften påverkar frik- tionsytorna innan mätningen utföres.

Det är vid mätning av friktionen hos sådana material som papper och liknande ofta väsentligt att friktionsmätningen utföres ett upprepat antal gånger pà samma ytor för att ett stabilt och reproducerbart resultat skall uppnås.

Pâ den bifogade ritningen visar: Figurerna 1 och 2 ett exempel pà en anordning som kan användas för genomförande av förfarandet enligt uppfinningen; figurerna 3 och 4 exempel pà en anordning av dubbla och enkla remsor av skiktmaterial, t.ex. papper, som uppvisar varie- rande egenskaper i olika riktningar.

Pà figur 1 visas en normalkraftbelastningsanordning 1 med en (vid mätning) fast normalkraftsback 2 med ett skikt 3 av elastiskt material, som bildar den ena belastningsytan, samt en rörlig och kraftutövande normalkraftsback 4 med ett skikt 5 av elastiskt material, som bildar den andra belastnings- ytan. Den vid mätning fast anordnade backen 2 kan även vara förskjutbar frán den motstàende backen 4 till ett laddnings- läge, i vilket iläggning av det skiktformiga materialet mellan backarna 2,4 underlättas, samt åter mot den motstàende backen 4 till ett fast mätläge, i vilket den fasta backen 2 belastas med den av den rörliga backen 4 utövade normalkraf- ten. Normalkraften àstadkommes enligt den visade utförings- formen, enligt vilken de bàda belastningsytorna är vertikalt riktade, med en vikt 6, som via en hävarm 7, vilken är vrid- bar runt en horisontell axel 8, överför den i horisontell in CJ C ) .._\ U1 Uï 8 riktning omriktade tyngdkraften på den rörliga backen 4, som är infäst i tunna bladfjädrar 9. En remsa ll av ett skikt- formigt material är anordnat mellan de elastiska skikten 3 resp. 5 hos backarna 2 resp. 4, och en ände av remsan ll är fastspänd i en rörlig dragback 12 i ett gap 13 mellan fast- spänningsorgan (fastspänningskäftar). Motytmaterialet utgöres av en dubbelvikt remsa 14 av ett skiktformigt material, mellan vars båda skänklar provmaterialremsan ll är anbringad. Änden av remsan 14 fasthålles i en fast anordnad fasthåll- ningsback 15 i ett gap 16 mellan fastspänningsorgan. Prov- materialet kan emellertid alternativt utgöras av två enkla remsor lagda intill varandra eller av en dubbelvikt remsa och i båda alternativen vara anbringat mellan de båda skikten av motytmaterial. Den såsom friktionsmätkraft verkande drag- kraften utövas på den rörliga backen 12 av en skissartat antydd dragkraftanordning 17, visad som skruv-mutteranord- ning, med en drivanordning 19, visad som en motor, som vrider skruven. Dragkraftanordningen är via en kraftmätcell 18, t.ex. med en trådtöjningsgivare, kopplad till backen 12.

Signaler från mätcellen 18 föras via en beräkningsenhet 20 till en display-printeranordning 21. Uppmätta värden av normalkraft och friktionsmätkraft utnyttjas för beräkning av friktionskoefficienten för ytorna ifråga vid det aktuella belastningstillståndet.

På figurerna 3 och 4 visas skissartat ett exempel pà det inbördes förhållandet mellan provremsor och motytremsor av skiktformigt material med i olika ytplanriktningar varierande egenskaper, typiskt papper, som framställts i en pappersmas- kin och som uppvisar en "maskinriktning" och en "översida" samt en "undersida", vilken sistnämnda varit vänd mot en viraduk eller liknande. Pilarnas riktning anger maskinrikt- ningen, varvid pilen med dubbellinje anger översidan och enkeldragen pil undersidan, samt heldragna linjer mot resp. streckade linjer från betraktaren vända ytor. Figurerna 3 och 4 är exempel på prov- och motytmaterialarrangemang, som kan användas i anordningen enligt figur 1. 9 Pà figur 4 visas motsvarande förhållanden när även provmate- rialet har dubbla skänklar, i detta fall en dubbelvikt remsa.

Såsom omedelbart inses kan även ett antal andra kombinationer av riktningar och sidor åstadkommas, varvid maskinriktningen även kan vara ställd i vinkel i förhållande till remsans längdriktning, t.ex. 90”.

Den ovan beskrivna anordningen har med gott resultat använts för mätning av friktionen hos skrivpapper, kopieringspapper, säckpapper, wellpappkartong m.m. mot samma slags material samt mot andra slags material, såsom aluminium, järn, poly- etenplast m.m., varvid mätresultat med ringa spridning er- hölls.

Claims (10)

M9 PATENTKRAV

1. Förfarande för mätning av friktionen och friktionskoef- ficienten hos skiktformigt material, i synnerhet papper, k ä n n e t e c k n a t därav, att en provyta av materialet och en motyta hos ett material, mot vilket man önskar mäta friktionen, vid provningen med hjälp av två motställda plana belastningsytor belastas med en mot provytan hos skiktmateri- alet verkande normalkraft, vars läge i rummet hålles väsent- ligen stationärt vid provningen, och en friktionskraft ver- kande i den provade ytans riktning, och att man bestämmer den kombination av friktionskraft verkande i den provade ytans riktning samt normalkraft, som kan utövas utan glidning resp. erfordras för glidning mellan provytan och motytan, för bestämning av vilofriktion (statisk friktion) resp. glid- friktion (kinetisk friktion) mellan provytan och motytan.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att friktionskraften i ytans riktning utgöres av en dragkraft, som utövas på provmaterialskiktet eller ett skikt av motytmaterialet.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att provmaterialet och motytmaterialet utgöres av samma material, företrädesvis papper.

4. Förfarande enligt nàgot av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att provmaterialet utgöres av en remsa av ett skiktformigt material, företrädesvis papper, som hålles normalkraftbelastat mellan tvà skikt av företrä- desvis samma slags material, varvid friktionskraften utövas såsom dragkraft på materialremsan i materialytans riktning, företrädesvis genom inspänning av en remsände i en rörlig back, för utövande av en dragkraft i friktionsytans riktning.

5. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att det skiktformiga prov- materialet vid provningen anordnas med ytplanet i huvudsak vertikalt och företrädesvis med en väsentligen horisontellt riktad eller väsentligen vertikalt riktad dragkraft (frik- tionskraft) verkande på provmaterialskiktet, eller med ytplanet och dragkraften (friktionskraften) i huvudsak hori- sontellt riktade.

6. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att vid mätningen den i rikt- ningen av det skiktformiga materialets yta verkande kraften eller normalkraften hålles konstant och att den andra av dessa krafter gradvis ändras så att glidning resp. stille- stånd mellan provyta och motyta uppträder.

7. Friktionsmätanordning för genomförande av förfarandet enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k - n a d därav, att den innefattar en belastningsandordning (l) med två motställda plana belastningsytor (3,5), av vilka minst en är rörlig i en mot ytans plan vinkelrät riktning för anbringande av en normalkraft, som under kontrollerade betingelser påföres vinkelrätt mot ett mellan ytorna anbringat skiktformigt provmaterial (ll) och ett motytmate- rial (14), mot vilket det skiktformiga materialets friktion skall mätas, varvid belastningsanordningen är anordnad med belastningsytorna stationära, bortsett från rörlighet i den mot ytornas plan vinkelräta riktningen, och anordningen är försedd med minst en rörlig inspänningsback (12) för det skiktformiga provmaterialet eller motytmaterialet, varmed det skiktformiga materialet och/eller motytmaterialet kan utsät- tas för en uppmätt, i det skiktformiga materialets ytplan verkande friktionskraft, varvid anordningen innefattar organ för mätning av normalkraften och/eller friktionskraften.

8. Anordning enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d därav, att belastningsytorna är anordnade vertikala med minst 01 I) CJ -à (H 01 EL en belastningsyta förskjutbar i horisontell riktning för utövande av en horisontellt riktad normalkraft mot ett mellan belastningsytorna anordnat skiktformigt provmaterial, vars ytplan är anordnat vertikalt, så att ett provstycke av det skiktformiga provmaterialet vid provningen kan iläggas i ett vertikalt riktat gap mellan belastninsytorna och företrädes- vis i ett vertikalt gap (13) i fastspänningsbacken, vilka gap kan tillslutas vid provningen.

9. Anordning enligt patentkrav 7 eller 8, k ä n n e - t e c k n a d därav, att normalkraftsbelastningen pà prov- materialet åstadkommas med fjäderorgan eller genom vikt- belastning (6), företrädesvis via ett kraftomriktningssystem (7,8), som omriktar viktkraften från vertikal riktning till företrädesvis horisontell riktning.

10. Anordning enligt något av patentkraven 7 - 9, k ä n - n e t e c k n a d därav, att belastningsytor och inspän- ningsgbackar (12,15) är anordnade så att provmaterialet, företrädesvis pappersremsor eller liknande, vid provningen kan röra sig endast i provmaterialets ytplan.