4.8.3. Определение характеристик трения нитей с применением прибора «т-метр»

Цель работы. Ознакомление с современной техникой электрических из­мерений иеэлектрических величин и методом непосредственного определения коэффициента трения.

Задание. 1. Собрать установку с емкостными датчиками для изме­рения натяжения нитей, коэффициента трения, усилий. Провести тарировку датчиков.

2. Определить натяжение нити, коэффициенты трения нити по цилиндру, изучить зависимость коэффициента трения от скорости скольжения и давле­ния нити на цилиндр.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Для измерения натяжения нити и коэффициента трения на приборе «Г-метр» используется стенд (рис. 4.29), который состоит из держателя для паковки 1 испытуемой нити 2, натяжного устройства 3—4, стабилизирующего натяже­ние набегающей ветви нити, и контактной поверхности в виде круглого ци­линдра б, укрепленного на стойке-штативе. В качестве цилиндра могут быть использованы рабочие детали текстильных машин, по которым скользит нить при ее получении и переработке. Цилиндр может быть обтянут любым мате­риалом: пленкой, бумагой, кожей. Натяжение набегающей и сбегающей вет­вей измеряется с помощью емкостных датчиков 5 и 7, каждый из которых установлен па своем штативе. Испытания ведут на непрерывно движущейся нити, поэтому в стенд включено устройство 8 с регулятором скорости, обес­печивающее движение нити. Угол а обхвата контактного цилиндра нитью

α = μ + 2πn,

где μ — угол обхвата нитью цилиндра, меньший 2π; n — число полных витков нити па контактном цилиндре; при n= 0 α = μ.

Установку следует собрать так, чтобы набегающая и сбегаю­щая ветви нити были параллельны. Тогда μ = 180° = π рад. В каче­стве натяжного устройства могут быть использованы шайбовые, гребенчатые, роликовые и любые иные натяжные устройства, при­меняемые при перематывании пяти. Возможно также создание натяжения нити путем дополни тельного огибания ею цилиндра 4. На­тяжное устройство крепят на отдельном штативе.

Рис. 4.29. Стенд для измерения коэффи­циента трения и на­тяжения нити

Рис. 4.30. Схема заправки нити в дат­чик

Прибор «f-метр» предназначен для измерения коэффициента трения нити при скольжении се по круглой цилин­дрической поверхности. Он обеспечивает непрерывное визуальное наблюдение и регистрацию натяжения набегающей 1г и сбегающей 1\ ветвей нити, а также коэффициента трения \.

В основе расчета коэффициента трения лежит формула Эйлера

t1/t2= е^fа,

где е = 2,718 — основание натуральных логарифмов; α — угол обхвата ци­линдра нитью, рад.

Логарифмируя это уравнение, получают выражения для расчета коэффи­циента трения:

Для измерения натяжения набегающей и сбегающей ветвей нити приме­няют два одинаковых емкостных датчика (рис. 4.30). На торце датчика уста­новлены нитенаправители / и 3 с канавками и стержень 2 — упругий элемент датчика. Заправку нити 4 производят согласно стрелке 5, указывающей на­правление прогиба стержня 2.

Натяжение нити создает нагрузку Р на конце стержня 2, представляю­щего собой консольную балочку. Прогиб балочки под действием силы Р изме­няет положение укрепленной на ней обкладки емкостного датчика, что вызы­вает изменение емкости плеч в электрической схеме прибора. Прогиб балоч­ки весьма мал и не превышает 0,1 мм, что позволяет считать постоянным угол (3, определяющий направление нити в датчике, а следовательно, соот­ношение изгибающей силы Р и натяжения нити I. Это соотношение остается постоянным и может быть рассчитано по формуле

P=2t sin β/2

При β = 30° sin β/2= 0.259 и 0,5Н.

Датчики натяжения ветвей нити включены в измерительные схемы как емкостные делители напряжением 55 В с частотой 100 кГц, подаваемым от генератора высокой частоты, имеющего схему компенсации нулевого напря­жения (рис. 4.31). Сигналы разбаланса усиливаются и подаются на показы­вающие и регистрирующие приборы.

Модулятор поочередно подает на вход логарифмического усилителя вы­ходные напряжения обеих измерительных каналов. В основу работы лога­рифмического усилителя положен кремниевый диод с экспоненциальной ха­рактеристикой, который осуществляет нелинейную отрицательную обратную связь. Таким образом, на вход следующего дифференциального усилителя по­очередно с частотой 250 Гц (частота модулирования) подаются напряжения, пропорциональные 1\ и 1г, а выходное напряжение этого усилителя пропор­ционально величине

f_α=ln t₁- ln t₂

Рис. 4.31. Блок-схема прибора «f-метр»

Oперация fα/α осуществляется на усилителе с переменным коэффициен­том усиления. Последний устанавливается в зависимости от угла обхвата а и равен К = К₁/α.

Электрическая схема имеет выход на показывающий и регистрирующий приборы. Для предупреждения неправильного выбора диапазона измерения в схему введено индикаторное устройство с выходом па сигнальные лампы «диапазон измерения мал» и «диапазон измерения велик» (см. рис. 4.31). Передняя панель прибора «{-метр» показана на рис. 4.32. В левом ниж­нем углу панели находится ручка функционального переключателя с 11 воз­можными положениями, указанными в табл. 4.2. В левом верхнем углу па­нели расположен переключатель диапазона измерения с тремя положения­ми— 25, 50, 100. В этих положениях при пользовании 100-граммовыми дат­чиками вся шкала приборов 1\ и 1₂ соответственно равна 25, 50 и 100 гс.

Рис. 4.32. Передняя па­нель прибора «f-метр»

Два переключателя в правом нижнем углу панели устанавливают со­гласно принятому в эксперименте углу обхвата цилиндра нитью: левый — по полному числу витков нити вокруг контактной цилиндрической поверхности, правый — угол ц, меньший 2я.

В верхней части панели расположены приборы, показывающие величины 1\ и 1%. Под каждым из них находятся по две рукоятки регулировки нуля прибора (слева) и тари­рования шкалы (справа). В правом верхнем углу расположен прибор с тремя шкалами, показы­вающий величину коэф­фициента трения /. Спра­ва от этого прибора, од­на над другой, размеще­ны три разноцветные лампы, указывающие, по какой из трех шкал следует вести отсчет показаний прибора. Рабочей шкалой является та, против которой загорается лампа.

Таблица 4.2

Положение функцио­нального переключа­теля (см. рис. 4.32) Функция

1 Прибор включен

2 Прибор включен; контроль показывающих приборов. При этом положении все стрелки показывающих приборов должны отклониться на всю шкалу

3| Установка нуля прибора /1

4\ Тарирование прибора 1\

5\ Установка нуля прибора 1%

6\ Тарирование прибора 4

7 Нормальное рабочее положение для измерения 1\, 1% и !

8, Инерционное измерение. Определение ^^, 1ч. и / по шкалам

| прибора

9) Рабочее положение для измерения 1/10 от нормальных зна-

' чений /1 и ^. Это положение используется в том случае, ко-

!; гда из-за большой разницы 1\ и 1% для измерения 1^ приме-

няют датчик, в 10 раз более чувствительный 10, Инерционное измерение 1/10 (то же, что и в предыдущем)

\ для измерения 1\, (₂ и }

111 Для измерения только 1\ и /₂; при этом коэффициент трения /

па приборе не измеряется

Подготовка стенда и прибора к работе. Работа начинается с компоновки стенда согласно рис. 4.29 и проверки правильности монтажа путем предвари­тельной заправки нити и ее протяжки. Затем датчики освобождают от нити. Подсоединяют коммутационными проводами датчики и, включив прибор в сеть, ставят функциональный переключатель (ФП) в положение 2 (см. рис. 4.32). Прогревают прибор в течение 15—20 мин.

Для тарирования датчика натяжения 1\ сбегающей ветви нити при по­ложении 3 ФП устанавливают стрелку прибора ^\ на нуль шкалы, пользуясь расположенной под прибором левой ручкой. Затем при положении 4 ФП укрепляют датчик 7 (см. рис. 4.29) в штативе так, чтобы оси нитенаправи-телей и стержня датчика лежали в одной вертикальной плоскости (рис. 4.33).

Рис. 4.33. Схема заправки нити при тарировании дат­чика

Заправив в датчик нить с подвешенным к ней эталонным грузом, вели­чину которого выбирают в зависимости от диапазона измерений, медленно и равномерно тянут нить вверх. В это время ручкой калибровки 1\, находя­щейся справа под прибором (см. рис. 4.32), устанав­ливают стрелку на последнее деление шкалы прибора.

Подобным же способом проводят установку нуля и тарирование второго датчика натяжения ^ при поло­жении 5, а затем 6 ФП, но с той разницей, что нить в этом случае следует тянуть не вверх, а равномерно вниз. Необходимо учитывать, что движение нити при тарировке должно иметь то же направление относи­тельно датчика, что и при измерениях.

Перед измерением 1\, {% и I следует: заправить нить на стенде, выбрав нужный угол обхвата ею ци­линдра 6 (см. рис. 4.29); установить датчики 5 и 7 так, чтобы оси нитенаправителей и измерительного стержня были в горизонталь­ной плоскости; заправить датчики нитью; пользуясь штативом, установить датчики так, чтобы они не вызывали отклонение нити от ее положения перед заправкой в датчики; перед измерением еще раз проверить схему заправки нити, обратив особое внимание на то, не встречает ли нить на своем пути каких-либо дополнительных препятствий. Если нить огибает ци­линдр 6 более чем на 1 оборот, необходимо устранить возможный контакт ветвей нити, скользящих по цилиндру в разных направлениях.

Для измерения (\, 1₂ и ] (см. рис. 4.32) переключатели угла обхвата ста­вят в положение, соответствующее принятому углу обхвата цилиндра питью. Функциональный переключатель ставят в положение 8, устанавливают при­нятую скорость устройства 8 (см. рис. 4.29), тянущего нить, и ведут наблю­дение за показаниями той шкалы прибора «Г-метр», против которой загоре­лась сигнальная лампа (см. рис. 4.32). Если наблюдается колебание стрелки прибора, следует, сделав некоторое число замеров, рассчитать среднее значе­ние коэффициента трения скольжения нити по поверхности цилиндра. Меняя скорость движения нити, можно найти зависимость коэффициента трения от скорости и построить график зависимости f — v.

Для контроля показаний шкалы прибора «Г-метр», а также в тех случаях, когда возникает необходимость определить на­тяжение сбегающей и набегающей ветвей нити, ведут наблюде­ние за показаниями приборов /_ь (₂ и «Г-метр». Затем, рассчи­тав среднее значение 1\ и (₂, определяют расчетное значение / и сопоставляют его со средним показателем прибора «Г\f-метр».

Изменяя натяжение нити с помощью натяжного устройства 3 — 4 (см. рис. 4.29), можно изучать зависимость коэффициента трения от давления между цилиндром и нитью и построить со­ответствующие графики.

Удельное погонное давление нити на цилиндр § (гс/см или сН/см) рассчитывают по формуле

q=P/R

где Р — натяжение нити в данной точке ее касания с цилиндром, гс или кгс (сН, Н); R — радиус цилиндра, см.

Удельное погонное давление нити на цилиндр меняется по дуге касания от Р_п до Р_с. При построении графика зависимости коэффициента трения f от удельного погонного давления q можно взять среднюю величину давления:

q`=(Pc+Pн)/(2R)

УКАЗАНИЯ ПО ОТЧЕТУ

Отчет должен содержать: схему стенда для измерения коэффициента трения; блок-схему прибора «1-метр»; схему тарировки датчика; методику измерения; результаты измерений, их математическую обработку (следует сопоставить коэффициенты трения разных нитей по различным поверхностям).