Определение коэффициентов трения скольжения 1. Цель работы Цель – экспериментальное определение коэффициентов трения скольжения в трущихся парах из разных конструкционных материалов. Используется метод В.A.Желиговского (наклонной линейки), что дает возможность определять коэффициенты трения при сухом трении двух твердых поверхностей, при скольжении с относительно малой скоростью. 2. Общие теоретические тсведения 2.1. Основные понятия и термины. Внешнее трение твердых тел – сложное явление, которое зависит от многих процессов, происходящих на границе тел в зонах фактического контакта и в тонких поверхностных слоях тел при их относительном тангенциальном смещении. Сила внешнего трения скольжения – сопротивление относительному перемещению твердых тел, направленное против этого перемещения. В зависимости от состояния поверхностей твердых тел различают трение сухое, граничное и жидкостное. Сухое трение – трение двух твердых тел, если на их поверхостях нет какого-нибудь смазывающего материала. Граничоне тертя – трение двух твердых тел при наличии на поверхностях слоя жидкости, имеющей свойства, отличающиеся от объемных. Жидкостное трение – трение, возникающее при тангенциальном смещении поверхно-стей, между которыми существует относительно толстый слой жидкости с объемными свойствами. 2.2. Взаимодействие твердых тел. Молекулярно-механическая (адгезионно-деформа-ционная) теория трения объясняет процесс трения как силовое взаимодействие микровыступов шероховатых поверхностей в зонах фактического контакта. Последние занимают лишь незначительную часть номинальной поверхности контактирования и на них микровиступы поверхностей деформуются и внедряются друг в друга. Сопротивление этому деформированию определяет деформационную (механическую) составляющую силы трения. Ее можно вычислить, если известны механические характеристики поверхностных слоев, геометрические размери и форма микронеровностей, напряженное состояние материалов в зоне контакта. Молекулярная составляющая определяется взаимодействием молекулярных структур поверхностей (притяжением и отталкиванием). Эту составляющую можно рассчитать на основе полуэмпирических соотношений, полученных экспериментально. Таким образом, касательные напряжения n , возникающие на границе контакта поверхностей: n = о + pc , ( 1 ) где о та – фрикционные константы, определяющиеся условиями работи пары трения, pc – удельное давление на контактных поверхностях. 2.3. Факторы, определяющие силу трения при скольжении. Силы трения зависят от таких групп факторов: – свойств поверхностных слоев контактирующих деталей; – режима трения; – формы контактирующих поверхностей. Первая группа факторов, определяющих физико-механическое и микрогеометрическое состояние контактирующих поверхностей: молекулярное строение, структура поверхностного слоя, внутренние напряжения в нем, твердость, упругость и другие механические свойства; микрорельеф, присущий каждой технической поверхности, и т.п. Взаимодействие поверхностей при трении значительно зависит от характера деформирования микровыступов: оно может быть упругим, упруго-пластическим (чаще всего) или же пластическим. Вторая группа факторов – режим трения: удельное давление, относительная скорость, температура в контактных зонах, наличие или отсутствие на поверхностях трения оксидов или смазывющих материалов, свойства этих третьих веществ. 4. Силы при трении скольжения. Схема сил, действующих при перемещении твердого тела 1 относительно твердой поверхности 2, приведена на рис. 1. Внешняя сила Q , приложенная к телу 1, состоит из двух: нормальной N и тангенциальной P ; со стороны плоскости 2 действует реакция R , теакже имеющая составляющие Rn и R ; углы при трении: g – угол давления; jт – угол трения. Согласно (1), тангенциальная R , т.е. сила трения, зависит от свойств поверхностных слоев и удельного давления pc (которое возникает вслед-ствие действия нормальной составляющей реакции Rn ). Обычно связывют составляющие полной реакции R с помощью безразмер-ного коэффициента трения f = tan j т : Fт = R =R n tan j т = f R n . ( 2 ) Если угол давления g равен углу трения j т или превышает его, под действием силы P начнется движение тела. Рис. 1. Силы при трении скольжения В трущейся паре может возникнуть самоторможение, когда движение под действием внешней силы Pстановится невозможным, какою бы большой она ни была, т.е. при этом P < Fт ; условие самоторможения можно записать в виде: g < j т . 4. Влияние формы контактирующих поверхностей. Это учет влияния третьей группы факторов: вводят приведенный коэффициент трения – соотношение внешних сил – движущей P и сжимающей контактирующие поверхности N: f¢ = P/N. При наличии трения силу P находят через f¢ : P = Fт = f¢ N , ( 3 ) где Fт – приведенная сила трения в кинематической паре. 4. Ориентировочные значения коэффициентов трения скольжения Значения коэффициентов трения скольжения, полученные в экспериментах с разными материалами при малых скоростях скольженияя приведены ниже, но необходимо помнить про влияние вышеупомянутых групп факторов – эти значения отвечают определеннымм условиям эксперимента. Если последние будут другими, изменятся и значения коэффициента f , т.е. к подобным данным надо всегда относиться критически . Ориентировочные значения коэффициентов трения скольжения: материалы трущихся пар коэффициент трения f без смазывания со смазыванием сталь по стали 0,1 0,2 0,05 0,1 3. закаленная сталь по закаленной стали 0,12 0,25 0,06 0,12 сталь по бронзе 0,15 0,2 0,07 0,1 бронза по бронзе 0,15 0,2 0,07 0,1 сталь по алюминиевому сплаву 0,16 0,3 0,08 0,2 сталь по текстолиту 0,2 0,3 0,12 0,18 Метод В.А. Желиговского Коэффициент трения находят из соотношения f = tan j т , а угол трения j т определяют таким образом. На горизонтальной плоскости стола (рис. 2) находится линейка 1 из матераалу одного из материалов трущейся пары; одним концем она закреплена на головке 2 чертежного пантографа. Угол наклона линейки может изменяться при помощи поворотного устройства головки. К передней плоскости линейки кареткою 4прижимается образец 3 из другого материала пары трения. При перемещении линейки вправо вдоль нижнего края стола каретка, которую тянет линейка, также начнет перемещаться. Если угол наклона линейки меньше угла трения j т между линейкой и образцом, каретка вместе с образцом и линейка будуть двигаться в направлении X X как одно целое, не проскальзывая относительно друг друга. Если j т , образец будте скользить по линейке, а траекторией движения каретки будт прямая линия V V , наклоненная к нормали N N на угол j т . Рис. 2. Схема определнеия коэффициента трения 4. Проведение эксперимента Для определения коэффициента трения необходимо на листе бумаги, закрепленного на поверхности стола, прочертить прямую N N нормаль к ребру линейки. Передвигая линейку с кареткой, получить траекторию V V движения последней при помощи карандаша, установ-ленного в отверстии каретки. От точки O пересечения этих линий отложить произвольный отрезок OK , провести перпендикуляр KM к нормали N N (направление скольжения образцаа по линейке) и определить коэффициент трения f = tan j т = KM /OK . Для каждого образца материала определение провести трижды и усреднить результаты. Проанализировать и объяснить полученные данные. Оформить протокол проведения работы . 5. Литература 5.1. Крагельский И.В., Добычин М.И., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 5.2. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./ Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. 5.3. Юденич В.В. Лабораторные работы по теории механизмов и машин. М.: Высшая школа, 1962.
