Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych z Teorii Maszyn i Mechanizmów
Laboratorium Teorii Maszyn i Mechanizmów
Bielsko-
Biała 2011
o
o
o
p
p
p
r
r
r
a
a
a
c
c
c
o
o
o
w
w
w
a
a
a
ł
ł
ł
A
A
A
r
r
r
k
k
k
a
a
a
d
d
d
i
i
i
u
u
u
s
s
s
z
z
z
T
T
T
r
r
r
ą
ą
ą
b
b
b
k
k
k
a
a
a
ĆWICZENIE NR ...
BADANIE WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA PRZY MAŁYCH
PRĘDKOŚCIACH
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest określenie kinetycznego współczynnika tarcia suchego przy
małych wartościach prędkości w miejscu styku (w zakresie 0
3 x 10
-3
ms
-1
).
2. Opis stanowiska
Zasadniczą część stanowiska przedstawionego na rysunku 1 stanowi układ próbek
trących w postaci skojarzenia ciernego stalowej tarczy obrotowej 2 (o średnicy 0.240
m) z po
wierzchnią próbki 1 osadzonej w gnieździe ślizgacza 14.
Próbka w kształcie tarczy jest osadzona na pionowym wale napędzanym silnikiem
prądu stałego 4 typu P20b32a, o mocy 0.8 kW, poprzez przekładnię zębatą 6
o
przełożeniu
5000
1
. Tarcza została wykonana ze stali 40 (węglowej konstrukcyjnej
wyższej jakości), którą obrobiono cieplnie. Powierzchnia tarczy ma chropowatość
określoną średnim arytmetycznym odchyleniem profilu R
a
= 0.20
m.
Próbki osadzane w gnieździe ślizgacza wykonano ze stali, żeliwa, mosiądzu oraz
aluminium, tworząc w ten sposób typowe dla układów rzeczywistych skojarzenia
cier
ne. Każda z tych próbek wykonana została w dwóch wariantach różniących się
kształtem powierzchni styku z tarczą, tzn. o styku płaskim oraz punktowym.
Prędkość obrotowa silnika jest regulowana tyrystorowym układem sterowania typu
DMM, który pozwala uzyskać szeroki zakres zmian jej wartości. Prędkość ta
mierzona jest multitachometrem DMT 21. Ślizgacz 14 przymocowany jest do
ramienia 7 osadzonego na wałku ułożyskowanym w nieruchomej podstawie.
BADANIE WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA PRZY MAŁYCH PRĘDKOŚCIACH
Laboratorium Teorii Maszyn i Mechanizmów
2
10
9
7
1
2
8
3
6
11
4
12
5
13
14
s
A
B
R
1
– próbka o styku płaskim lub
punktowym,
2
– próbka w kształcie tarczy,
3
– tarcza podtrzymująca,
4
– silnik prądu stałego,
5
– prądniczka tachometryczna,
6
– przekładni zębata wielostopniowa,
7
– ramię ślizgacza,
8
– sprzęgło,
9
– czujnik do pomiaru prędkości
obrotowej,
10
– sprzęgło wejściowe,
11
– koło zębate,
12
– sprzęgło prądniczki tachometrycznej,
14
–ślizgacz.
Rys. 1. Schemat stanowiska
3. Zależności obliczeniowe
Pomiary współczynnika tarcia kinetycznego wykonuje się dla wybranych stałych
wartości względnych prędkości próbek. Prędkości te mierzy się na określonej
długości pomiarowej toru ślizgacza, na tarczy wykonującej ruch obrotowy.
Względną prędkość poślizgu próbek określa się ze wzoru (1):
5000
R
v
(1)
gdzie:
R
– odległość pomiędzy osią obrotu tarczy a centralnym punktem gniazda
ślizgacza (rys. 1),
– prędkość kątowa silnika określona na podstawie zależności (2):
30
n
(2)
gdzie:
n
– prędkość obrotowa silnika odczytana z tachometru.
Współczynnik tarcia kinetycznego
wyznacza się metodą pośrednią korzystając ze
wzoru (3):
Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych z Teorii Maszyn i Mechanizmów
Laboratorium Teorii Maszyn i Mechanizmów
3
N
T
(3)
gdzie:
T -
siła tarcia między próbkami,
N -
siła nacisku ślizgacza na tarczę.
Aby wyznaczyć siłę tarcia T należy porównać momenty od sił oddziałujących na
ramię ślizgacza, tzn. moment od siły tarcia T działającej na odcinku równym długości
ramienia ślizgacza L oraz moment od siły docisku S (ramienia ślizgacza do
nieruchomej podstawy stanowiska) działającej na odcinku L
S
od osi obrotu ramienia
ślizgacza do osi czujnika siły zabudowanego w gnieździe na nieruchomej podstawie
stanowiska.
Siłę docisku S rejestruje się w sposób ciągły przez podany okres czasu za pomocą
przyrządu pomiarowego Spider 8 firmy Hottinger Baldwin Messtechnik, natomias do
obliczeń wykorzystuje się jej wartość średnią.
Siłę nacisku N stanowi ciężar obudowy ślizgacza.
4. Przebieg ćwiczenia
Etap 1
– sprawdzenie wymiarów stanowiska:
1.
Zmierzyć odległość R pomiędzy osią obrotu tarczy a miejscem styku elementu
trącego z tarczą;
2.
Zmierzyć długość ramienia ślizgacza L;
3.
Zmierzyć odległość L
S
pomiędzy osią obrotu ramienia i miejscem jego styku
z
czujnikiem siły.
R
L
L
S
START
Regulacja
prędkości
obrotowej
STOP
BADANIE WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA PRZY MAŁYCH PRĘDKOŚCIACH
Laboratorium Teorii Maszyn i Mechanizmów
4
Etap 2
– aktywacja modułu pomiarowego:
1.
Włączyć zasilanie mikrokomputera oraz systemu pomiarowego „Spider 8”;
2.
Uruchomić program „CATMAN” obsługujący system pomiarowy „Spider 8”;
3. W programie CATMAN
wybrać „Configure I/O channels”, a następnie
„Otwórz”;
4.
W oknie plików do otwarcia wybrać „wsptarcia.IOD” i potwierdzić wybór;
5.
Otworzyć zakładkę „Measure”, a następnie wskazać „Execute CAT module” –
„Spider 8” – „Data logger”. Zatwierdzić wciskając przycisk „Run module”;
6.
Gdy pojawi się okno z zapytaniem „Load setup ?” wybrać „No”;
7.
Ustawić w Settings “150 Samples/s”, ustawić w Visualization Window “y(t)-
Stripchart”, następnie należy aktywować moduł pomiarowy wybierając „RUN”;
8.
Odznaczyć „Update” w lewym dolnym rogu okna programu.
Etap 3
– zerowanie czujnika siły:
1.
Odsunąć ramię ruchome ślizgacza od czujnika siły;
2.
Na pasku zadań wskazać „CATMAN Navigator”,
wybrać „Setup instrument”, a następnie „Otwórz”;
3.
W oknie plików do otwarcia wybrać „wsptarcia.SP8” i potwierdzić wybór;
4.
Zaznaczyć „Chan 0”, ustawić: „Measuring rate – 150 Hz”, „Filter type –
bessel”, „Filter frequency – 20 Hz”;
5.
Wcisnąć przycisk „Test device”, a następnie „OK”;
6.
Kliknąć „Tare”, po czym zamknąć okno.
Etap 4
– sprawdzenie siły nacisku N ślizgacza na płytę obrotową:
1.
Wyjąć czujnik siły z gniazda uchwytu ramienia ślizgacza;
2.
Umieścić czujnik pomiędzy tarczą obrotową a ślizgaczem;
3.
Uruchomić odczyt wciskając F5, po 5 sekundach zatrzymać rejestrację siły
nacisku poprzez ponowne wciśnięcie F5;
4.
Wyjąć czujnik siły spod ślizgacza;
5.
Umieścić czujnik siły ponownie w gnieździe uchwytu ramienia ślizgacza;
Instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych z Teorii Maszyn i Mechanizmów
Laboratorium Teorii Maszyn i Mechanizmów
5
6.
Odczytać siłę nacisku z okna programu „CATMAN” biorąc pod uwagę, że
wskazania czujnika siły mają przelicznik 1 mV/V = 1000 N.
Etap 5
– pomiar:
1.
Pobrać od prowadzącego zajęcia elementy trące do badań – UWAGA –
każda sekcja otrzymuje dwa elementy trące z tego samego materiału, ale
różniące się kształtem powierzchni styku z tarczą obrotową (styk
punktowy oraz styk powierzchniowy)
, a także dowiedzieć się dla jakich
prędkości obrotowych silnika należy wykonać pomiary oraz obliczenia;
2.
W programie CATMAN, w głównym oknie pomiarowym, wybrać zakładkę
„Meas. Settings”, wpisać wartość 150 samples/s, zaznaczyć okno wyboru
„store samples to database”, a następnie zatwierdzić;
3.
Pomiędzy płytą obrotową a ślizgaczem umieścić element trący;
4.
Przełącznik na tablicy zasilania obok stanowiska ustawić w poz. 1;
5.
Uruchomić napęd płyty obrotowej poprzez wciśnięcie zielonego przycisku na
panelu sterowania stanowiskiem;
6.
Ustawić prędkość obrotową silnika napędowego na wartość wskazaną przez
prowadzącego ćwiczenie (przełożenie pomiędzy płytą obrotową a silnikiem
napędowym wynosi 1/5000);
7.
Uruchomić pomiar w programie CATMAN wciskając F5, po upływie co
najmniej 5 sekund zatrzymać rejestrację ponownie wciskając F5;
8.
Przejść do zakładki „Database”;
9.
Wyeksportować wyniki pomiaru do pliku zewnętrznego (możliwego do odczytu
w programie EXCEL) poprzez wybranie „Export data”, zaznaczenie „ASCII”,
„DB1”, DB2”, wpisanie nazwy pliku, wybranie rozszerzenia DAT (menu
rozwijalne pod oknem z nazwami plików już zapisanych), zatwierdzenie „OK”;
10.
Zamknąć „Database editor”;
BADANIE WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA PRZY MAŁYCH PRĘDKOŚCIACH
Laboratorium Teorii Maszyn i Mechanizmów
6
Czynności opisane w punktach 6-10 powtórzyć 3 razy dla każdej z zadanych
prędkości.
11.
Wyłączyć napęd płyty obrotowej poprzez wciśnięcie czerwonego przycisku na
panelu sterowania stanowiskiem;
12.
Przełącznik na tablicy zasilania stanowiska ustawić w poz. 0.
Czynności opisane w punktach 3-12 powtórzyć dla drugiego z elementów trących.
Etap 6
– dezaktywacja modułu pomiarowego:
1.
Zamknąć program „CATMAN” obsługujący system pomiarowy „Spider 8”;
2.
Zamknąć system operacyjny;
3.
Wyłączyć zasilanie mikrokomputera oraz systemu pomiarowego „Spider 8”.
Etap 7
– obliczenia:
1.
Dla zadanych prędkości obrotowych wyznaczyć prędkości względne poślizgu;
2.
Dokonać zamiany wartości rejestrowanych sił docisku z [mV/V] na [N];
3.
Obliczyć wartość średnią każdej z sił docisku S na podstawie
zarejestrowanych przebiegów ich zmienności w czasie 5 sekund;
4.
Obliczyć średnie wartości sił tarcia T odpowiadające każdej ze średnich
wartości sił docisku S;
5.
Na podstawie średnich wartości sił tarcia określić wartości współczynników
tarcia kinetycznego;
6.
Wartości sił tarcia T oraz odpowiadające im współczynniki tarcia zestawić
w tabeli
grupując te wielkości w funkcji prędkości względnej poślizgu oraz
rodzaju powierzchni styku.
5. Zawartość sprawozdania
Cel ćwiczenia;
Przebieg ćwiczenia (w punktach);
Schemat stanowiska laboratoryjnego z opisem
oraz zwymiarowaniem wielkości
R, L, L
S
;
D
ane wejściowe do przeprowadzanego ćwiczenia;
Zestawienie wyników pomiarów (należy sporządzić cztery wykresy – po dwa dla
każdej z par trących oraz każdej z zadanych prędkości obrotowych – i umieścić
na każdym z nich po trzy przebiegi rejestrowanych sił docisku S. Przed
sporządzeniem wykresów należy dokonać zamiany wartości sił z [mV/V] na [N]);
Przykładowy przebieg obliczeń z podaniem wzorów oraz podstawień do wzorów;
Zestawienie wyników obliczeń;
Sporządzony w trakcie ćwiczeń protokół;
Wnioski, spostrzeżenia i uwagi.