6857

Визначення коефіцієнтів тертя ковзання

Лабораторная работа

Физика

Визначення коефіцієнтів тертя ковзання Мета роботи Метою є експериментальне визначення коефіцієнтів тертя ковзання у тертєвих парах з різних конструкційних матеріалів. Використовується метод В.О. Желіговського (нахиленої лінійки), що дає можли...

Украинкский

2013-01-08

87 KB

31 чел.

Визначення коефіцієнтів тертя ковзання

  1.  Мета роботи

Метою є експериментальне визначення коефіцієнтів тертя ковзання у тертєвих парах з різних конструкційних матеріалів. Використовується метод В.О. Желіговського (нахиленої лінійки), що дає можливість визначати коефіцієнти тертя при сухому терті двох твердих поверхонь, при ковзанні з відносно малою швидкістю.

  1.  Загальні теоретичні відомості

2.1. Основні поняття та терміни. Зовнішнє тертя твердих тіл – складне явище, що залежить від багатьох процесів, які відбуваються на межі розділу у зонах фактичного контакту та у тонких поверхневих шарах тіл при їх відносному тангенційному зміщенні. Сила зовнішнього тертя ковзання – опір відносному переміщенню твердих тіл, що спрямований проти цього переміщення. В залежності від стану поверхонь твердих тіл розрізняють тертя без змащування, граничне та рідинне.

Тертя без змащуванння (сухе) – тертя двох твердих тіл, якщо на їх повернях нема будь-якого змащувального матеріалу.

Граничне тертя – тертя двох твердих тіл при наявності на поверхнях шару рідини, яка має властивості, що відрізняються від обємних.

Рідинне тертя – тертя, що виникає при тангенційному зміщенні поверхонь, між якими існує відносно товстий шар рідини з обємними властивостями.

2.2. Взаємодія твердих тіл.  Молекулярно-механічна  (адгезійно-деформаційна) теорія тер-тя пояснює процес тертя як силову взаємодію мікровиступів шорстких поверхонь у зонах фактичного контакту. Ці останні займають лише незначну частину номінальної поверхні контак-тування й на них мікровиступи поверхонь деформуються та вкорінюються одни у одни. Опір цьому деформуванню визначає деформаційну (механічну) складову сили тертя. Її можна обчис-лити, якщо відомі механічні характеристики поверхневих шарів, геометричні розміри та форма мікронерівностей, напружений стан матеріалів у зоні контакту.  Молекулярна складова визна-чається взаємодією молекулярних структур поверхонь (притяганням та відштовхуванням). Цю складову можна розрахувати на основі напівемпіричних співвідношень, що були одержані у експериментальних дослідженнях.

Таким чином, дотичні напруження  n , що виникають на межі контакту поверхонь:

   n =  о +  pc ,                                                                          ( 1 )

де   о   та    – фрикційні константи, що визначаються умовами роботи пари тертя,  pc –  питомий тиск на контактних поверхнях.

2.3. Фактори, що визначають силу тертя при ковзанні.

     Сили тертя залежать від таких груп факторів:

            властивостей поверхневих шарів контактуючих деталей;

    – режиму тертя;

    – форми поверхонь кінематичної пари.

Перша група факторів, що визначають фізико-механічний та мікрогеометричний стан контактуючих поверхонь: молекулярна будова, структура поверхневого шару, внутрішні напруження у ньому, твердість, пружність та інші механічні властивості; мікрорельєф, притаманий кожній технічній поверхні, та ін.

Взаємодія поверхонь при терті суттєво залежить від характеру деформування мікровис-тупів: воно може бути пружним чи пружно-пластичним  (частіше всього) або ж пластичним.

          Друга група факторів  режим тертя: питомий тиск, відносні швидкості, температура у контактних зонах, присутність або відсутність на поверхнях тертя оксидів або змащуючих материалів,  властивості цих третіх речовин.

 

  1.  Сили при  терті ковзання.

Схема сил, що діють при переміщенні твердого тіла 1 відносно твердої поверхні 2, наведена на мал. 1.

      

  

     

Мал. 1. Сили при  терті

             ковзання                       

У тертєвій парі може виникнути самогальмування, коли рух під дією зовнішньої сили P стає неможливим, якою великою б вона не була, тобто при  цьому  P < Fт ;  умову самогаль-мування  можливо  записати  у  вигляді: g  < j т .

  1.  Вплив форми контактуючих поверхонь.

Це врахування впливу третьої групи факторів: вводять зведений коефіцієнт тертя співвідношення зовнішніх сил рушійної  P та  стискаючої контактуючі поверхні  N:  f¢ = P/N. При наявності тертя силу P знаходять через  f¢ :

                                                     P = Fт = f¢ N ,                                                           ( 3 )

де  Fт  зведена сила тертя у кінематичній парі.

2.6.  Параметри мікрорельєфу технічних поверхонь

   Мікрорельєф, згідно зі стандартами, описують десятьма параметрами, серед яких, крім параметрів, що характеризують висоту та крок мікронерівностей, повинні бути їх форма та напрямок "у плані".

     

                      Мал. 2.  Мікроелементи профілю

    

Висота Rmax  технічних поверхонь звичайно лежить у межах від 0.025 до 1600 мкм – це відстань між лініями виступів та западин. Крім того, висоту нерівностей виміряють параметрами:  Rz – висотою за десятьма точками ,  що є  сумою середніх арифметичних абсолютних відхилень п¢яти найбільших мінімумів Himin та п¢яти найбільших максимумів Himax  від середньої лінії  m,  яка провадиться так, щоб у межах базової лінії середнє квадратичне відхилення точок профілю до неї було мінімальне :

                                       

та  Raсереднім арифметичним абсолютних значень відхилень y(x) профілю:

                                    

 

Середній крок мікронерівностей  Sm  - середнє арифметичне значення кроку нерівностей у межах базової довжини.

Відносна опорна довжина профілю tp – це сума довжин відрізків bi , що знаходяться на визначеному рівні у матеріалі виступів на лінії, еквідистантній середній лінії; а відносна опорна довжина

                                                                 

 

        Мал. 3. Опорні криві для різних                

           способів обробки поверхонь:                     

     1 – точення; 2 – шлифування; 3 – полірування

що безпосередньо приймає участь у контактуванні поверхонь; її наближено можна описати  рівнянням   tp = aen . Значення коефіцієнтів  а та n  для стальних поверхонь такі:

вид обробки

а

n

точення

1.8

1.8

шліфування

2.3

1.6

полірування

2.5

1.6

    За допомогою параметрів опорної кривої розраховують зусилля, що виникають при контактуванні поверхонь, коефіцієнти тертя, параметри процесів зношування, герметичність стиків.

  1.  Розрахунок коефіцієнтів тертя при ковзанні

Для найбільш типових методів обробки поверхонь (середні значення коефіцієнтів опорної кривої  а = 2, n = 2)  коефіцієнт тертя при пружному контакті може бути розрахований за формулою

                        

де   = (1 2 )/E  пружна константа матеріалу; E  модуль пружності,   коефіцієнт Пуасона;  (для двох контактуючих поверхонь = 1 + 2; = Rmax/ra1/ , r  радіус мікронерівностей ; еф коефіцієнт гістерезисних втрат (для сталі  еф =0,1).

Значення величин у формулі (7) для інших матеріалів та умов контактування наведені у довідниках.

  1.  Орієнтовні значення коефіцієнтів тертя ковзання

Значення коефіцієнтів тертя ковзання, одержані у експериментах з різнимі матеріалами при малих швидкостях прослизання наведені нижче, але потрібно памятати про вплив вищезга-даних груп факторів – ці значення відповідають визначеним умовам експерименту.  Якщо останні будуть іншимі, зміняться й значення коефіцієнту  f , тобто до подібних даних потрібно завжди відноситися критично .

 

Орієнтовні значення коефіцієнтів тертя  ковзання

матеріали тертевих пар

коефіцієнт тертя   f

без змащування

із змащуванням

сталь по сталі

0,1 0,2

0,05 0,1

закалена сталь по закаленій сталі

0,12 0,25

0,06 0,12

сталь по бронзі

0,15 0,2

0,07 0,1

бронза по бронзі

0,15 0,2

0,07 0,1

сталь по алюмінієвому сплаву

0,16 0,3

0,08 0,2

сталь по текстоліту

0,2 0,3

0,12 0,18

  1.  Метод В.А. Желіговського

Коефіцієнт тертя знаходять із співвідношення  f  = tan j т , а кут тертя  j т визначається таким чином.

         

                               Мал. 4. Схема визначення коефіцієнту тертя

На горизонтальній площині столу (мал. 4) знаходиться лінійка 1 з матеріалу одного з матеріалів тертєвої пари; одним кінцем вона закріплена на голівці  2  креслярського приладу.  Кут нахилу лінійки  може змінюватися за допомогою поворотного пристрою голівки. До передньої площини лінійки кареткою 4  притискається зразок  3  з другого матеріалу пари тертя.

При переміщенні лінійки праворуч вздовж нижнього краю столу каретка, яку тягне лінійка, також почне переміщуватися. Якщо кут нахилу лінійки   менш куту тертя  j т  між ліній-кою та зразком, каретка разом зі зразком та лінійка будуть рухатися у напрямку  X    X  як одне ціле, не прослизаючи одна відносно другої.  Якщо   j т  , зразок буде прослизати по лінійці, а траєкторією руху каретки буде пряма лінія   V   V , що нахилена до нормалі  N    N  на кут j т .

  1.  Проведення експерименту

Для визначення коефіцієнту тертя необхідно на аркуші паперу, закріпленому на поверхні столу, прокреслити пряму  N    N  - нормаль до ребра лінійки. Пересуваючи лінійку з кареткою, одержати траєкторію  V   V  руху останньої за допомогою олівця, що встановлений у отвору каретки.  Від точки  O  перетину цих ліній відкласти довільний відрізок  OK , провести перпенди-

куляр  KM до нормалі  N    N  (напрямок ковзання зразка по лінійці) та визначити коефіцієнт тертя  f = tan j т  = KM /OK .

Для кожного зразку матеріалу визначення провести тричі та усереднити результати. Проаналізувати та пояснити одержані дані.

Оформити протокол проведення роботи .

  1.  Контрольні запитання

  1.  Який вплив сил тертя на працездатність механізмів ?
    1.  Які фактори впливають на сили тертя ?
    2.  Як впливають властивості досліджувальних матеріалів на коефіцієнти тертя ?
    3.  Які основні параметри мікрогеометрії технічних поверхонь ?
    4.  Яким чином шорсткість паперу, по якому переміщується каретка, впливає на результати визначення коефіцієнтів тертя методом  В.А. Желіговського ?

  1.  Література

  1.  Крагельский И.В., Добычин М.И., Комбалов В.С.  Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977.
    1.  Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн./ Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978.
    2.  Юденич В.В. Лабораторные работы по теории механизмов и машин. М.: Высшая школа, 1962. 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

61537. Жизнь древних славян 21.73 KB
  Педагогические задачи: Образовательная: формировать представление о жизни древних славян. Конечный результат: расширятся знания о жизни древних славян об их быте и культуре.
61538. Способы получения информации 20.44 KB
  Цели: Научить учащихся выделять ситуации в которых встречаются действия с информацией; различать основные способы получения информации человеком.
61541. Сложение и вычитание в пределах 100 698.18 KB
  Закрепление изученного материала Дидактическая цель Закреплять вычислительные навыки сложения и вычитания в пределах 100 Задачи Совершенствовать умения решать задачи. Развивать вычислительные навыки, умение рассуждать
61542. Свойства диагоналей прямоугольника 314.11 KB
  Разрежьте прямоугольник по диагонали. Теперь возьмите зеленый прямоугольник и проведите диагональ из верхнего левого угла в нижний правый и разрежьте его по диагонали. Какой можно сделать вывод диагонали равны Возьмите синий прямоугольник.
61543. Трёхзначные числа 20.35 KB
  Итак прежде чем приступим давайте проверим все ли готовы к уроку. А теперь давайте настроимся на работу с небольшой зарядкой. Молодцы Перед тем как мы приступим хочу сказать что я подготовила для вас одно очень интересное задание...
61544. Приёмы вычислений для случаев вида 26+4 21.13 KB
  Тип урока: комбинированный Средства обучения: примеры на доске учебник наглядное пособие карточки с примерами Литература для учителя: Математика. На доске записаны числа...
61545. Что значит быть внимательным 17.58 KB
  Развивающие: развивать внимание память обогащать словарный запас. Ребята скажите а как вы думаете что такое внимание ответы детей Как вы думаете у всех ли есть внимание Как вы считаете что значит быть внимательным ответы детей Внимание есть у всех.