2.3.2 Колебания при наличии сил трения

В пункте 2.3.1 были рассмотрены собственные колебания кантилевера при отсутствии каких-либо внешних сил. В реальных системах всегда происходит диссипация энергии. Если потери энергии не будут компенсироваться за счет внешних устройств, то колебания с течением времени будут затухать и через какое-то время прекратятся вообще. Рассмотрим колебания пружинного маятника в вязкой среде.

Для тела, движущегося в однородной вязкой среде, сила трения зависит только от скорости. При малых скоростях можно считать, что сила трения

(1)

где – положительный постоянный коэффициент.

С учётом силы трения (1) уравнение свободных колебаний пружинного маятника (см. пункт 2.3.1) принимает вид [1-3]:

(2)

где – коэффициент затухания.

Решение уравнения (2) разбивается на три случая:

1. Если (случай большого сопротивления), тогда решение уравнения (2) запишется следующим образом

   (3)

   где независимые постоянные и определяются из начальных условий. Легко видеть, что в этом случае колебания происходить не будут. Такой режим движения называется апериодическим.
2. Если решение уравнения (2) запишется в виде

   В данном случае характер колебаний при наличии силы трения описывается периодическим законом c экспоненциально убывающей от времени амплитудой.

3. В случае равенства говорят о критическом затухании. Решение уравнения (2) примет вид
   (5)
   где независимые постоянные и определяются, как и раньше, начальными условиями.

На рис. 1 приведена зависимость амплитуды колебаний от времени при различных соотношениях между параметрами и .

Рис. 1. Зависимость при различных соотношениях между собственной частотой
и коэффициентом затухания .

Очень часто «качество» колебательной системы характеризуют безразмерным параметром , называемым добротностью. Добротность пропорциональна отношению запасенной энергии к энергии теряемой за период [

3]:

(6)

В случае слабого затухания () зависимость полной энергии от времени выражается в виде

(7)

где – начальное значение полной энергии осциллятора. Тогда в соответствие с формулами (6) и (7)

Таким образом, добротность характеризует скорости превращения энергии в колебательной системе. С другой стороны по порядку величины это есть не что иное, как число колебаний, совершаемых системой за характерное время их затухания . Следует отметить, что добротность не только характеризует затухание колебаний, но и является важной величиной, определяющей параметры вынужденных колебаний, осуществляемых под действием внешней периодической силы (см.

пункт 2.3.3).

---

Выводы.

Литература.

1. С.Э. Хайкин. Механика. – М.: ОГИЗ, 1947. – 574 с.
2. Д. В. Сивухин. Механика. – М.: Наука, 1989. – 576. с.
3. Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Колебания, волны, структуры. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 496 с.

В ЕС первой реакцией на любые трения является угроза санкций — Российская газета

Традиционная точка зрения состоит в том, что даже в моменты самой безысходной конфронтации необходимо поддерживать разговор, чтобы понимать настрой друг друга и избегать худшего. В условиях сколько-нибудь упорядоченной международной политики так и есть. К сожалению, нам о таких условиях остается только мечтать. А когда внешнеполитические действия в быстро растущей степени определяются сиюминутными внутренними задачами, рациональное обсуждение возможностей разрядки становится почти невозможным.

Попытки, тем не менее, не прекращаются, организовать их стремятся по двум знакомым из недавнего прошлого моделям. Первая питается наследием периода непосредственно после холодной войны. Тогда считалось, что сотрудничество возможно только на основе определенного набора ценностей, соответствие которым и является критерием успеха. Это прежде всего европейский подход. Вторая, к которой тяготеют российские эксперты и часть американских, реанимирует схемы времен холодной войны. Какие бы ни были разногласия, есть общая ответственность двух сверхдержав за стратегическую стабильность, и поэтому надо находить сегменты плодотворного взаимодействия.

С первым все уже достаточно понятно. Разговор на идеологической основе был возможен (не синоним — продуктивен), когда все его участники признавали наличие универсальных принципов. В нашем общении с Западом это продолжалось (затухая) примерно до середины 2000-х годов. Потом началось все более явное разночтение, приведшее к полному идейно-политическому размежеванию в середине прошлого десятилетия.

Проблема нынешнего общения с Европой, например, заключается в том, что европейские собеседники по инерции следуют в этой колее, хотя никто уже не считает, что она куда-то приведет. Другого варианта не придумали и в обозримом будущем не придумают, поскольку, по крайней мере, с европейской стороны возможность переосмысления упирается в неразбериху внутри самого Евросоюза. Отсюда удивительная скудость ассортимента мер политики. Первой реакцией на любые трения является угроза санкций, а потом вокруг этой угрозы начинается хореография внутри ЕС, результатом которой, как правило, становятся символические меры. Символические, поскольку пойти на реальный пересмотр отношений в сторону признанной конфронтации мешают все еще довольно крупные экономические интересы и отсутствие консенсуса в Союзе. Примечательно, что скромность реальных мер стараются компенсировать наиболее вызывающей формой их подачи, что, говоря словами классиков, атмосферу тоже не озонирует.

Первой реакцией Евросоюза на любые трения является угроза санкций, а потом вокруг этой угрозы начинается хореография внутри самой ЕС

Со вторым подходом несколько сложнее. Разумная часть политического истеблишмента, естественно, понимает, что некоторые темы требуют не идеологического, а сугубо прикладного подхода. И отношения в сфере ядерного оружия, а также других способов нанесения серьезного военного урона друг другу нуждаются в прагматике. На уровне военных здравое отношение сохранилось, но как только делается шаг в политическом направлении — гарантии нет. Даже когда профессионалы понимают важность обсуждения и знают, о чем его вести, внутриполитическое потрясения могут вмешаться в любой момент. В этом смысле всех переплюнула предшествующая администрация США. При ней едва ли не вся внешнеполитическая активность Вашингтона, в том числе в важнейшей стратегической сфере, была подчинена интересам внутренней борьбы. Нынешний Белый дом в этом плане более традиционен, что ему плюс, но угроза вторжения идеологических факторов туда, где они только мешают, не исчезает ни на секунду.

Диктат внутренних вопросов сказывается и на качестве экспертного или неформального диалога. Фигуры умолчания и обязательные мантры имелись всегда, но сейчас они вытесняют все остальное. Вплоть до того, что стирается различие между публичными и непубличными формами общения, а различия эти были всегда, и без определенной степени откровенности в кулуарах контакты становятся декоративными. Это, помимо прочего, продукт всеобщей экзальтации и поляризации позиций.

Только сейчас начинает налаживаться реально содержательный разговор с китайскими коллегами — долгое время они не снимали маску вежливой лозунговости

Все вышеописанное делает работу экспертов по налаживанию международных связей не только и не столько ненужной, сколько скучной. Все становится предсказуемо. Но это на западном направлении. Зато только сейчас начинает налаживаться реально содержательный разговор с китайскими коллегами (долгое время они не снимали маску вежливой лозунговости). Предметные вопросы обсуждаются на встречах с коллегами из Центральной Азии (свежий пример — центральноазиатская конференция клуба «Валдай» в Казани). Идет поиск тем и форм разговора с турками, представителями арабских стран, Восточной Азии. В этих контактах нет идеологической предзаданности, а есть желание достичь результата. С Западом мы к этому тоже придем. Но не сразу.

Магнитные силоксановые наножидкости адаптированные для условий граничного трения

А.Н. Болотов, О.О. Новикова, В.В. Новиков

^{ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет»}

DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.546

Оригинальная статья

Аннотация: Известные в настоящее время магнитные смазочные наножидкости имеют недостаточно хорошие триботехнические характеристики при эксплуатации в режиме граничного трения. Предложен способ адаптации для граничного трения магнитных силоксановых наножидкостей, путем модификации их состава химически активными антифрикционными, противоизносными и противозадирными присадками. Создан ряд смазочных композиций магнитных наножидкости на основе полиэтилсилоксана ПЭС-5. Приведенные экспериментальные исследования показали, что наиболее значительное улучшение антифрикционных и противоизносных свойств наножидкостей достигается при введении в их структуру хлорсодержащих присадок Совол и 3Н2ТЭ. Добавление в наножидкость антиокислительной присадки ДФ-11, фторсодержащей присадки ЭО-1, металлоплакирующего соединения МКФ-18 не привело к значимому улучшению антифрикционных свойств. Установлено, что магнитные наножидкости с модифицирующими присадками, по трибосвойствам сопоставимы с традиционными немагнитными жидкими смазочными материалами и превосходят пластичные смазки на основе полиэтилсилоксана. Разработанные композиции на основе силоксановых наножидкостей, будут востребованы для смазывания подшипников качения и скольжения, зубчатых передач, контактных уплотнений, которые функционируют при низких и повышенных температурах в газовой среде или в условиях вакуума. Наиболее успешно они могут применяться в вакуумной и космической технике, для магнитных трибоузлов, где возможна только однократная заправка ограниченным объемом смазочного материала.

Ключевые слова: магнитная смазочная наножидкость, граничное трение, изнашивание, смазка, антифрикционные и противоизносные присадки

• Болотов Александр Николаевич – д.т.н., профессор, заведующий кафедрой прикладной физики ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет»
• Новикова Ольга Олеговна – к.т.н., доцент, доцент кафедры прикладной физики ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет»
• Новиков Владислав Викторович – к.т.н., доцент, доцент кафедры прикладной физики ФГБОУ ВО «Тверской государственный технический университет»

Ссылка на статью:

Болотов, А.Н. Магнитные силоксановые наножидкости адаптированные для условий граничного трения / А.Н. Болотов, О.О. Новикова, В.В. Новиков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — Тверь: Твер. гос. ун-т, 2020. — Вып. 12. — С. 546-556. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.546.

Полный текст: download PDF file

Библиографический список:

1. Odenbach, S. Ferrofluids: Magnetically controllable fluids and their applications / S. Odenbach // Lecture Notes in Physics. – Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2002. – 256 p. DOI: 10.1007/3-540-45646-5.
2. Ермаков, С.Ф. Влияние смазочных материалов и присадок на триботехнические характеристики твердых тел. Часть 2. Активное управление трением / С.Ф. Ермаков // Трение и износ. – 2012. – Т. 33. – № 3. – С. 275-283.
3. Сутягин, О.В. Контакт шероховатых тел с твердосмазочными покрытиями: монография / О.В. Сутягин, А.Н. Болотов, М.В. Васильев. – Тверь: Твер. гос. техн. ун-т, 2014. – 124 с.

4. Берковский, Б.М. Магнитные жидкости / Б.М. Берковский, В.Ф. Медведев, М.С. Краков. – М.: Химия, 1989. – 240 с.
5. Болотов, А.Н. Расчет и оптимизация постоянных магнитов для специальных подшипниковых опор: монография / А.Н. Болотов, В.В. Новиков, О.О. Новикова. –Тверь: Твер. гос. техн. ун-т, 2013. – 123 с.
6. Uhlmann, E. Application of magnetic fluids in tribotechnical systems / E. Uhlmann, G. Spur, N. Bayat, R. Patzwald // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2002. – V. 252. – Р. 336-340. DOI: 10.1016/S0304-8853(02)00724-2.
7. Sarkar, C. Synthesis and characterization of antifriction magnetorheological fluids for brake / C. Sarkar, H. Hirani // Defence Science Journal. – 2013. – V. 63. – №. 4. – P. 408-412. DOI: 10.14429/dsj.63.2633.
8. Urreta, H. Seals based on magnetic fluids for high precision spindles of machine tools / H. Urreta, G. Aguirre, P. Kuzhir, L.N. Lopez de Lacalle // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. – 2018. – V. 19. – I. 4. – P. 495-503. DOI: 10.1007/s12541- 018-0060-9.
9. Wang, L.J. Experimental research on tribological properties of Mn0.78Zn0.22Fe2O4 magnetic fluids. / L.J. Wang, C.W. Guo, R. Yamane // Journal of Tribology. – 2008. – V. 130. – I. 3. – P. 031801-1-031801-5. DOI:10.1115/1.2913539.
10. Bombard, A.J.F. Tribological behavior of ionic liquid-based magnetorheological fluids in steel and polymeric point contacts / A.J.F. Bombard, F.R. Gonҫalves, K. Shahrivar, A.L. Ortiz, J. De Vicente // Tribology International. – 2015. – V. 81. – P. 309-320. DOI: 10.1016/j.triboint.2014.09.013.

11. Болотов, А.Н. Магнитные масла триботехнического назначения / А.Н. Болотов, В.В. Новиков, О.О. Новикова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2009. – Вып. 1. – С. 5-9.
12. Shahrivar, K. A comparative study of the tribological performance of ferrofluids and magnetorheological fluids within steel-steel point contacts / K. Shahrivar, A. L. Ortiz, J. De Vicente // Tribology International. – 2014. – V. 78. – P. 125-133. DOI: 10.1016/j.triboint.2014.05.008.
13. Rosa, W.O. Tribological behavior of glycerol/water-based magnetorheological fluids in PMMA point contacts / W.O. Rosa, F. Vereda, J. Vicente // Frontiers in Materials. – 2019. – V. 6. – P. 1-11. DOI: 10.3389/fmats.2019.00032.
14. Болотов, А.Н. Смазочные свойства магнитных наножидкостей на основе эфиров карбоновых кислот / А.Н. Болотов, О.О. Новикова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 555-563. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.555.
15. Bolotov, A.N. Studying tribotechnical properties of nanostructured lubricating oils with various dispersive media / A.N. Bolotov, V.V. Novikov, O.O. Novikova // Journal of Friction and Wear. – 2017. – V. 38. – № 2. – P. 121-125. DOI: 10.3103/S1068366617020040.
16. Скороходов, И.И. Олигоорганосилоксаны. Свойства, получение, применение / И.И. Скороходов, К.П. Гриневич, Т.В. Королева, М.В. Соболевский; под общ. ред. М.В. Соболевского. – М.: Химия, 1985. – 264 с.
17. Бибик, Е.Е. Достижения в области получения и применения ферромагнитных жидкостей / Е.Е. Бибик, О.В. Бузунов. – М.: Электроника, 1979. – 59 с

Силы трения

Силой трения называют обратное усилие, распределенное по площади контакта соприкасающихся твердых тел, возникающее при движении или удержании в равновесии одного тела относительно другого.

Рисунок 1

При стремлении сдвинуть тело, лежащее на шероховатой поверхности, возникает сила реакции R, которая имеет две составляющие – нормальную N и силу трения F_mp (рисунок 1).

В теоретической механике обычно рассматривается только сухое трение между поверхностями, при этом различают трение при покое или равновесии тела и трение скольжения при движении одного тела по поверхности другого с некоторой относительной скоростью.

Сила трения скольжения

Рисунок 2

При покое сила трения скольжения зависит только от активных сил и может быть определена (рисунок 2) как:

F_mp=∑F_iτ. (2.49)

В результате экспериментальных исследований французскими учеными Гийомом Амонтоном и Шарлем Кулоном были установлены законы для сухого трения:

1. сила трения находится в общей касательной плоскости соприкасающихся поверхностей тел и направлена в сторону, противоположную направлению возможного скольжения тела под действием активных сил. Величина силы трения зависит от активных сил и заключена между нулем и своим максимальным значением, которое достигается в момент выхода тела из положения равновесия:

   0 ≤ F_mp ≤ F_mp^max;

2. максимальное значение силы трения при прочих равных условиях не зависит от площади контакта трущихся поверхностей и пропорционально нормальной реакции:

   F_mp^max=fN [Н],

   где f – коэффициент трения, являющийся безразмерной величиной и зависящий от материала и физического состояния трущихся поверхностей.

Угол трения

Если твердое тело под действием активных сил находится на шероховатой поверхности в предельном состоянии равновесия (сила трения достигает своего максимального значения), то полная реакция шероховатой поверхности отклонена от нормали к общей касательной плоскости трущихся поверхностей на наибольший угол φ, который называют углом трения (рисунок 3). При этом

tgφ=F_mp^max/N=fN/N=f. (2.50)

То есть тангенс угла трения равен коэффициенту трения.

Рисунок 3

Конус трения

Конусом трения называют конус, описанный линией действия полной реакции, построенной на максимальной силе трения, вокруг направления нормальной реакции.

Для равновесия тела на шероховатой поверхности необходимо и достаточно, чтобы линия действия равнодействующей активных сил, действующих на тело, проходила внутри конуса трения или по его образующей через его вершину.

Сила трения качения

Трением качения называется сопротивление, возникающее при качении одного тела по поверхности другого.

Вследствие деформации тел их касание происходит вдоль площадки AB, появляется распределенная система сил реакций, которая, согласно основной теореме статики, может быть заменена силой и парой сил (рисунок 4).

Сила раскладывается на две составляющие – нормальную N и силу трения F_mp, пара сил называется моментом сопротивления качению M_C.

Рисунок 4

При равновесии тела момент сопротивления качению определяется из условий равновесия системы сил. При этом установлено, что момент сопротивления принимает значения от нуля до максимального значения. Максимальное значение момента сопротивления, соответствующее началу качения, определяется равенством

M_C max=δN [Нм],

где δ – коэффициент трения качения, измеряемый в метрах и зависящий от материала контактирующих тел и геометрии зоны контакта.

---

Дополнительно:

В глубины поверхности. На проблемы трения посмотрят свежим взглядом

Оно же, добавим, порождает массу проблем, которые на протяжении веков пытаются решить исследователи. Наука о контактном взаимодействии твердых тел называется трибологией. Она охватывает комплекс вопросов о трении, износе трущихся элементов и смазке между ними. Результаты поиска в этой области помогают решать актуальные проблемы экономии энергии и материалов, повышения надежности и безопасности механических систем, даже экологии. Достижения ученых-трибологов обеспечивают снижение затрат труда на техническое облуживание машин, стоимость капитальных ремонтов, уменьшение расхода запасных частей и горюче-смазочных материалов, уменьшение расхода металла на изготовление конструкций узлов трения.

Однако задачи, решаемые трибологией, можно назвать «вечными»: видоизменяясь, они возникают снова и снова, поскольку стремление к техническому прогрессу непреодолимо.

Так, сегодня по технологическим и экономическим причинам практически исчерпали себя возможности повышения ресурса деталей за счет использования высокопрочных, высоколегированных и износостойких материалов. Нужны новые подходы, идеи, направления. В последнее время они рождаются в ходе масштабных исследований, которые ведут при поддержке РНФ ученые Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС). Проект называется «Создание триботехнических материалов и покрытий нового поколения на основе интеллектуальной (цифровой) технологии синтеза».

Современная модификация

Под современным углом зрения «вечная» проблема видится следующим образом: есть два соприкасающихся тела, под воздействием сил трения в поверхностном слое каждого из них происходят физические, химические, молекулярные изменения. С каждым требуется детально разобраться, чтобы придумать, как этими процессами управлять. «В первую очередь нужно разработать теоретические основы и научные принципы технологического управления состоянием поверхности трибосопряжений, – говорит руководитель проекта, президент РГУПС, академик РАН Владимир Колесников. – Это одна из важнейших задач проекта. Решив ее, мы сможем модифицировать (менять) поверхностный слой, создавать многофункциональные покрытия, обладающие ко всему прочему эффектом памяти формы».

Одно из перспективных направлений, по мнению ученого, – создание на поверхностях трибосопряжений саморегулирующихся структур. Трибология начала интенсивно развиваться во второй половине прошлого века благодаря исследованиям советских ученых, базируясь на отечественных научных открытиях безызносного трения и водородного изнашивания металлов. На современном этапе к созданию саморегулирующихся структур ученые подключили искусственный интеллект, взяли на вооружение интеллектуальные (цифровые) технологии синтеза.

Стоит отметить, что подход к направленному перестраиванию структуры, а значит, и свойств поверхностного слоя принципиально отличен для металлополимерных и металлических трибосистем. Для первых раскрытие механизма и кинетики образования вторичных структур на поверхности – это путь к созданию новых высокоэффективных самосмазывающихся полимерных композиций. Для вторых – металлических узлов трения – основой поиска является создание материалов, технологии и режимов модифицирования металлической поверхности с помощью физических методов обработки поверхности и использования алмазоподобных покрытий. «Например, нам нужно создать узел трения, состоящий из композита и металла, – говорит руководитель проекта. – Берем фенилон С-2 – хорошо известный, достаточно прочный и термостойкий полимер. Вводим его в матрицу фтор-полимер 4МБ. Получаем композит, из которого изготавливаем деталь, которая будет работать в узле трения. Вторым компонентом, так сказать, «напарником», выступает металл. Под действием сил трения композит начинает разрушаться. Продукты фенилона за счет высокой адгезии (прилипания) удерживаются на поверхности металлического «напарника». Фенилон имеет положительный заряд. А вот продукты фторопласта – отрицательный. За счет электрических сил они удерживаются на фенилоне, а на металле образуется пленка переноса, которая увеличивает износостойкость, снижает коэффициент трения. На практике процесс гораздо сложнее: помимо фторполимера в матрицу фенилона вводятся и другие наполнители – волокна аримида-Т, наноразмерные добавки (шпинели), которые изменяют физико-механические свойства полимерного композита: твердость, модуль упругости, индекс пластичности и другие».

Предмет нынешнего исследования для металлических поверхностей – наиболее перспективные ионно-плазменные покрытия: металлокерамические, алмазоподобные, нанокомпозитные, высокоэнтропийные. Их можно использовать в различных областях, в широком интервале баротермических условий трения, включая области высоких и криогенных температур. Результаты проекта могут стать основой получения изделий, способных работать как на Крайнем Севере, который наша страна активно осваивает, так и в космосе. Иными словами, в самых экстремальных условиях.

Решить обозначенные задачи невозможно на каком-то одном научном направлении. Проект потребовал интеграции методов нескольких взаимодополняющих дисциплин: трибологии, инженерии поверхности, материаловедения, многомасштабного моделирования, в том числе квантово-химического, методов молекулярной динамики, анализа данных с помощью искусственного интеллекта.

Трение – помощник

В ходе реализации проекта, исследуя фрикционные узлы с высоким коэффициентом трения (пример такого узла – колесо подвижного состава и тормозная колодка), исследователи пришли к принципиально важному в трибологии выводу: трение может быть не только разрушительным процессом, что давно признано мировым сообществом ученых и инженеров, но и созидательным. Этот феноменальный результат получен на основе квантово-химических расчетов с применением диффузионно-сегрегационных процессов.

“Возьмем колеса подвижного состава и тормозные колодки, – объясняет Владимир Колесников. – Со времен создания паровоза и до 70-80-х годов прошлого века их лили из чугуна. В 70-е годы советский ученый Шая Билик создал полимерный композит. Колодки, изготовленные из него, прекрасно работали, но в ходе эксплуатации специалисты обратили внимание на быстрый износ поверхности катания колеса. Сначала причину видели в слабой теплопроводности. В колодку стали добавлять компоненты, хорошо уводившие тепло из зоны трения. Не помогло. Целые куски металла с поверхности катания колеса (до двух, трех и более килограммов) отслаивались и прилипали к композиционной колодке. Наши исследования показали, что при эксплуатации из нее выделяется водород, в ионном виде и атомарном (электропассивном). Он проникает в металл, где соединяется с углеродом, создает напряжение и разрушает поверхность катания колеса”.

В трибологии это явление получило название «водородный износ». Для решения проблемы разработан целый комплекс мер. Наиболее эффективным стало изменение знака заряда на колодке с положительного на отрицательный. Это достигалось добавлением в композит специальных элементов, например, политетрафторэтилена (ПТФЭ), с уникальными химическими и антифрикционными свойствами. В результате на колодке возникает отрицательный заряд, и атомарный водород не проникает в поверхность катания колеса.

Самые значимые результаты получены в последние годы. Разработана методика изучения диффузионно-сегрегационных процессов (перемещения и разделения молекул и атомов веществ) происходящих в зоне взаимодействия полимерного композита с металлом. В итоге ученые доказали, что некоторые химические элементы способствуют упрочнению, а некоторые – разупрочнению поверхностей металлического контртела. Так, добавляя в полимерную тормозную колодку упрочняющий химический элемент, который при торможении проникает в поверхность катания колеса, мы тем самым упрочняем ее. Это позволило сделать принципиально важный для трибологии вывод: трение можно использовать как созидательный процесс.

На сегодняшний день разработаны теоретические и практические критерии создания нового класса металлополимерных трибосистем. Еще более интересными и в определенной степени неожиданными для ученых оказались процессы в узлах трения при наличии смазки. Например, в буксе подвижного состава. Вместе с тем, в ходе реализации проекта со всей очевидностью возникла необходимость формулировать обобщающий подход к прогнозированию состава и структурных параметров материалов. По мнению Колесникова, сделать это можно с помощью нейросетевых технологий. Благодаря развитию новых численных методов появилась возможность установить более глубокие взаимосвязи между структурой и свойствами материалов.

И еще на один принципиальный момент в ходе исследований обратили внимание ученые. Несмотря на широкое применение вакуумных методов напыления покрытий, пока не сформулированы фундаментальные основы их получения, учитывающие эволюцию покрытий при изменении условий эксплуатации. Например, при отрицательных температурах. Решение этой задачи особенно актуально в свете современных технологических вызовов, стоящих перед Российской Федерацией.

Уже полученные результаты, а также те, что видятся в перспективе по ходу осуществления проекта, вселяют уверенность в ученых. Новые функциональные материалы с заданными триботехническими и механическими характеристиками под конкретные условия эксплуатации, будут разработаны. Итогом должно стать повышение ресурса узлов трения различных транспортных механизмов – от железнодорожного транспорта до космических аппаратов. Вот один из конкретных результатов: совместно с индустриальными партнерами разработаны предложения по повышению износостойкости и надежности шлицевого соединения вертолетов. Тем самым выполняется одно из требований РНФ.

«В грантовой политике Фонда заложены ключевые факторы: научные идеи, востребованность результатов исследований экономикой, развитие инновационной инфраструктуры и, конечно, подготовка для нее кадров, – говорит Колесников. – То есть выстроена логическая цепочка бизнес – наука – кадры. О взаимодействии с индустриальными партнерами особо сказано. Кроме того, у нас сейчас по проекту защищены две кандидатские диссертации, готовятся к защите две докторские. Это пример грантовых задач РНФ, нацеленных на неразрывное единство развития науки и образования. Совершенно естественно в этой связи участие в реализации нынешнего проекта не только опытных, авторитетных исследователей, но и молодых ученых, даже студентов».

Такой подход должен обеспечить перспективу опережающего развития российской экономики.

Киреенков А.А., Жаворонок С.И., Нуштаев Д.В. О моделях шины, учитывающих как деформированное состояние, так и эффекты сухого трения в области контакта

Предложена новая приближенная модель качения деформируемого колеса с пневматиком, позволяющая учесть как усилия в пневматике, так и влияние сил сухого трения на устойчивость прямолинейного качения колеса при прогнозировании явления шимми. Модель основана на теории сухого трения с комбинированнойкине матикойотно сительного движения соприкасающихся тел, т. е. при одновременном качении, скольжении и верчении при учете реальнойф ормы области контакта и распределения контактного давления. Главный вектор и главный момент сил, возникающих при контактном взаимодействии с сухим трением, определяются путем интегрирования по области контакта. При этом контактное давление покоя при нулевых скоростях относительного поступательного движения и верчения и в отсутствие качения определяется из решения статической контактной задачи для пневматика с учетом его реальной структуры и физических свойств материалов. В работе использована конечно-элементная модель типового пневматика с продольным протектором. Расчет осуществлен при фиксированном внутреннем давлении наддува, заданной вертикальной силе и коэффициенте трения покоя, равном 0.5. Получены также решения задач о напряженно-деформированном состоянии пневматика при кинематическом нагружении в боковом направлении и при скручивании относительно вертикальной оси. Показано, что с достаточной степенью точности контактное взаимодействие пневматика с абсолютно жесткой опорной поверхностью можно представить в виде двух этапов — адгезии и проскальзывания, при этом, однако, форма пятна контакта остается близкой к круговой. Построены диаграммы, аппроксимирующие численные решения, для боковой силы и момента; на начальном участке взаимодействия зависимости линейны и соответствуют упругой деформации пневматика, на втором участке величины силы и момента постоянны и соответствуют силе сухого трения и моменту трения верчения. Для последних участков получены приближенные выражения для продольной и боковой силы трения, а также момента трения верчения в соответствии с теорией сухого трения с комбинированной кинематикой. Полученная модель может трактоваться как комбинация модели упруго деформируемого колеса по Келдышу, катящегося без проскальзывания, и жесткого колеса по Климову –Журавлёву, взаимодействующего с опорой посредством сил сухого трения.

Ключевые слова: трение сухое, кинематика комбинированная, шины пневматические, состояние деформированное

Цитата: Киреенков А.А., Жаворонок С.И., Нуштаев Д.В. О моделях шины, учитывающих как деформированное состояние, так и эффекты сухого трения в области контакта // Компьютерные исследования и моделирование, 2021, т. 13, № 1, с. 163-173

Citation in English: Kireenkov A.A., Zhavoronok S.I., Nushtaev D.V. On tire models accounting for both deformed state and coupled dry friction in a contact spot // Computer Research and Modeling, 2021, vol. 13, no. 1, pp. 163-173

DOI: 10.20537/2076-7633-2021-13-1-163-173

Коэффициенты трения cкольжения. — таблицы Tehtab.ru

	Навигация по справочнику TehTab.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Трение. Коэффициенты трения. Триботехника — наука о трении.  / / Коэффициенты трения cкольжения. Коэффициенты трения скольжения. Сила трения скольжения описывается как: Fтр=kтрFn , где kтр— коэффициент трения а Fn — прижимающая сила . Ниже приводится таблица полезных диапазонов коэффициентов трения скольжения для различных пар материалов. Коэффициенты трения скольжения. Металл по металлу ( кроме пары сталь/сталь) 0,15-0,20 Дерево по металлу 0,20-0,50 Металл по металлу при смазке 0,07-0,1 Дерево по льду 0,035 Железо по льду 0,020 Сталь заточенная по льду (коньки) 0,015 Лед по льду 0,028 Сталь по стали 0,03-0,09 Шина по сухому асфальту 0,50-0,75 Шина по влажному асфальту (до аквапланирования) 0,35-0,45 Шина по сухой грунтовой или гравийной дороге 0,40-0,50 Шина по влажной грунтовой или гравийной дороге (до аквапланирования) 0,30-0,40 Шина по гладкому льду 0,15-0,25 Точильный камень по стали 0,94 Подшипник скольжения смазанный 0,02-0,08
Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу.
TehTab.ru Реклама, сотрудничество: [email protected]	Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями.

Трение | Блог Гэри Гарбера

Трение — вообще очень сложная тема, если рассматривать причины трения на микроскопическом уровне. Я представлю здесь несколько макроскопических обобщений, которые можно применить в большинстве случаев.

Обычно величина силы трения зависит от шероховатости материала. Чем грубее или бугристее материал, тем больше будет трение.

Величина силы трения также зависит от нормальной силы.Обычно мы думаем о нормальной силе как о противоположности веса. Если бы это было так, то мы могли бы нарисовать диаграмму свободного тела вот так.

Итак, у нас есть сила тяжести, направленная вниз, нормальная сила, направленная вверх, и приложенный «толчок» вправо, а трение — влево. Обратите внимание, что сила трения параллельна двум поверхностям. По мере увеличения силы нормальной силы (которая является силой между «скользящими» поверхностями) сила или величина трения также увеличивается.

Мы можем последовательно сказать, что трение параллельно поверхностям, а нормальная сила перпендикулярна. В приведенном выше случае трение горизонтальное.

Однако мы могли бы так же легко получить трение по вертикали или под углом. Представьте себе человека, сжимающего кусок мыла. Или ребенок, скатывающийся с шеста на детской площадке. В обоих случаях нормальная сила возникает НЕ из-за силы тяжести, а из-за сжатия объектов чьими-то руками. Нормальная сила перпендикулярна полюсу, а трение параллельно поверхности полюса.

Аналогично, на наклонной плоскости нормальная сила по-прежнему перпендикулярна поверхности, а трение параллельно. В этом случае нормальная сила является только составляющей веса.

Когда у нас есть объект, который скользит по поверхности, мы называем силу сопротивления либо трением скольжения , либо кинетическим трением . Уравнение, описывающее величину этой силы трения, равно

.

F _f = μ _k F _N

, где F _N — величина нормальной силы, а μ — коэффициент трения.μ описывает неровность или шероховатость поверхности. μ _k обычно будет числом от 0 до 1 и не имеет размеров. Это имеет смысл, если вы проверите, что обе стороны этого уравнения имеют Силу, выраженную в Ньютонах. k рядом с коэффициентом кинетики.

Под трением скольжения обычно можно представить микроскопические «неровности» в материале, вызывающие сопротивление (которое затушевывает правду об электростатических силах).Однако другой формой обычно обсуждаемого трения является трение покоя . Когда вы пытаетесь толкнуть объект, он будет сопротивляться вам не только из-за своей инерции, но и из-за статического трения между объектом и поверхностью, на которой он покоится. В этом случае вы можете думать о микроскопических выпуклостях как о липучках.

Важно отметить, что статическое трение создается только в ответ на приложенную силу, подобно тому, как нормальная сила создается только в ответ на приложенную силу.Из-за этого, когда мы имеем дело со статическим трением, наше уравнение фактически имеет неравенство.

F _f ≤ μ _с F _N

Если приложенная сила превышает _Н, мкФ, то сила статического трения преодолевается, и объекты начинают скользить. S для статики в μ _с

Кроме того, в большинстве случаев коэффициент трения скольжения будет меньше, чем коэффициент трения покоя.

мкм _к <μ _с

Одним из важных аспектов статического трения является принцип работы колеса.Когда колесо катится на по земле, это , а не скольжение. Таким образом, катящаяся шина на самом деле использует статическое трение, чтобы продолжать движение. Когда ваша машина буксует или колеса заблокированы, ваши шины скользят по земле, что очень опасно. И снова мы обязаны Угу пещерному человеку за это великое осознание.

Одно интересное заблуждение состоит в том, что величина трения зависит от скорости. Когда объект скользит, сила трения остается постоянной.Конечно, трение генерирует тепло, и это может изменить свойства вещества.

Другой тип трения связан с гидродинамикой. В повседневной жизни вы можете думать об этом как о сопротивлении воздуха, но это не ограничивается воздухом. Жидкости включают как жидкости, так и газы. Величина сопротивления жидкости зависит от скорости объектов, формы объекта и вязкости жидкости.

Пример:

Предположим, что словарь весом 8,2 кг перемещается по прилавку.Если коэффициент трения скольжения между книгой и счетчиком равен 0,2, то какова сила трения книги?

м = 8,20 кг

мкм _к = 0,200

F _F = ???

F _f = μ _k F _N

Будьте осторожны, чтобы не использовать 8,2 кг для нормального усилия. Помните, это масса. По этой массе вы можете рассчитать вес и, в свою очередь, нормальную силу.

F _N = мг = 8.2 k г x 9,8 м / с ² = 80,4 N

Затем отсюда мы можем подключиться к

F _f = μ _k F _N = 0,200 · 804 N = 16,1 N

Трение

Трение Трение :

Трение — это сила, которая сопротивляется скольжению или качению одного твердого тела. объект над другим. Силы трения, например необходимое тяговое усилие. ходить не поскользнувшись, может быть полезно; но они также представляют большое сопротивление движению.Около 20 процентов двигателя мощность автомобилей расходуется на преодоление сил трения в движущиеся части.

Основная причина трения между металлами — это силы притяжения, известного как адгезия, между контактными областями поверхности, которые всегда микроскопически неправильны. Трение возникает из-за срезания этих «сварных» стыков и действия неровности более твердой поверхности вспашка через более мягкую поверхность.

Два простых экспериментальных факта характеризуют трение скольжения. твердые тела.Во-первых, величина трения практически не зависит от область контакта. Если по столу тащить кирпич, фрикционный сила одинакова независимо от того, лежит ли кирпич ровно или стоит дыбом. Во-вторых, трение пропорционально нагрузке или весу, прижимающим поверхности вместе. Если протянуть кучу из трех кирпичей по стола трение в три раза больше, чем если бы один кирпич потянул. Таким образом, отношение трения F к нагрузке L постоянно. Этот постоянное отношение называется коэффициентом трения и обычно символизируется греческой буквой мю ().Математически = F / L. Потому что как трение, так и нагрузка измеряются в единицах силы (например, фунтах или ньютонов) коэффициент трения безразмерен. Значение коэффициента трения для корпуса из одного или нескольких кирпичей скольжение по чистому деревянному столу составляет около 0,5, что означает, что сила, равная половине веса кирпича, требуется только для того, чтобы преодолеть трение, удерживая кирпичи в постоянном движении. скорость. Сама сила трения направлена ​​противоположно движение объекта.Поскольку до сих пор описанное трение возникает между поверхностями, находящимися в относительном движении, это называется кинетическим трением.

Статическое трение, напротив, действует между неподвижными поверхностями с уважение друг к другу. Величина статического трения варьируется от ноль и наименьшее усилие, необходимое для начала движения. Этот самый маленький сила, необходимая для начала движения или преодоления статического трения, составляет всегда больше, чем сила, необходимая для продолжения движения, или для преодолеть кинетическое трение.

Трение качения возникает, когда колесо, шарик или цилиндр свободно катятся. по поверхности, как в шариковых и роликовых подшипниках.Основной источник трение при качении представляет собой диссипацию энергии, участвующей в деформация предметов. Если твердый мяч катится по уровню поверхность, мяч несколько приплюснут, а ровная поверхность несколько отступов в соприкасающихся регионах. Упругая деформация или сжатие, производимое в передней части области контакта является препятствием для движения, которое не полностью компенсируется, поскольку вещества возвращаются к нормальной форме в задней части. В внутренние потери в двух веществах аналогичны потерям, которые удерживают мяч отскочил обратно на уровень, с которого он был сброшен.Коэффициенты трения скольжения обычно составляют от 100 до 1000 раз. больше, чем коэффициенты трения качения для соответствующих материалы. Это преимущество было реализовано исторически с переход с саней на колесо.

Выдержка из Британской энциклопедии без разрешения.

Как измерить трение?

	Способ 1 Массовая доля Эскиз Показанный рисунок происходит от Леонардо да Винчи (около 1500 г.).Он учился трение путем измерения груза, висящего на шнуре, на котором блок начинает скользить. Коэффициент трения находится по формуле частное от собственный вес массы, висящей на тросе, и масса блока, т. е. = F f / N = Собственный вес м / м Блок
Статический коэффициент трения — динамический коэффициент трения Момент, в который блок начинает скользить (сила отрыва) — это так называемая статическая трение, сила, с которой блок продолжает двигаться слайд динамический или кинетический коэффициент трения.Для большинства комбинаций материалов значение статический трение превышает динамическое трение. Имейте в виду, что динамическое трение все еще может зависеть от скорости, контакта давление, температура и шероховатость поверхности. Статическое трение может зависеть от времени, в течение которого блок находится в состоянии покоя, т.е. обычно бывает при смазке.
Способ 2: Пружинный баланс Потяните за пружинный баланс, соединенный с блоком, и медленно увеличивайте усилие, пока блок не начнет скользить.Убедитесь, что пружина баланса параллельно поверхности. Показание шкалы пружинного баланса при нагрузке начинает скользить — это мера статического трения, в то время как чтение, когда блок продолжает скользить, является мерой динамического трение. В коэффициент трения просто = F пружина / F нормальная = F пружина / (м блок г ), g = 9.81 м / с
Подсказка: Импульсные датчики вращения (многооборотные потенциометры, импульсные энкодеры) часто оказываются очень полезно для создания недорогих датчиков для измерение смещения совмещая датчик с тросом и шкивом, для измерение крутящего момента с торсионной пружиной, для измерения силы проволокой, шкивом и пружина и т. д.
Метод 3: наклонная плоскость Поместите блок на наклонную плоскость и увеличивайте угол наклона, пока блок не начнет скользить.Тангенс угла наклона только что был найден так называемый «угол трения». Этот угол связан коэффициенту трения, т.е. = tan = F f / F
Метод 4: Зажим Для измерения статического коэффициента трением в условиях высокого контактного давления объект может быть зажат между двумя поверхностями.Сила, необходимая для того, чтобы объект в движении должен быть уменьшен вдвое, чтобы получить силу трения, потому что двух контактирующих поверхностей.
Метод 5: Маятник В маятник подходит для анализа статического и динамического трения при возвратно-поступательном движении, контролируя крутящий момент подшипника. Этот однако требуется датчик крутящего момента. Потери энергии комбинированного статического и динамическое трение можно проанализировать, рассматривая уменьшение амплитуда движения во времени.Для этого требуется только простой поворотный потенциометр или импульсные датчики вращения для визуализации амплитуды сокращение времени.
Метод 6: Моторизованные трибометры В описанных выше методах измерения коэффициент трения измеряется в свежих контактах, а не после обкатки. коэффициент трения может существенно измениться во время первого полчаса скольжения.Время, необходимое для получения стабильного значения коэффициента трения можно наблюдать в моторизованном трибометре, отслеживая трение во времени. Этот способ является общий для измерения удельной скорости износа и температуры контакта во время операции. Вы можете посетить полезные ссылки справа от в этом окне можно найти дополнительную информацию о моторизованных трибометрах.

Метод оценки силы трения на боковой поверхности режущего инструмента

Силы трения присутствуют в любом процессе обработки.Эти силы могут играть важную роль в динамике системы. В процессе резания трение в основном присутствует на передней поверхности и на боковой поверхности инструмента. Хотя тот, который действует на грабли, имеет большое влияние, другой также может стать важным и участвовать в стабильности системы. В данной работе представлена ​​экспериментальная идентификация трения о заднюю поверхность. Экспериментальное определение проводилось путем обработки алюминиевых образцов на токарном станке с ЧПУ.В результате были получены две функции трения в зависимости от скорости резания и относительного движения контактных элементов. Были проведены эксперименты с изношенной и новой вставками. Сила и ускорение регистрировались одновременно, и по этим результатам наблюдались разные уровни трения в зависимости от параметров резания, таких как скорость резания, скорость подачи и состояние инструмента. Наконец, представлена ​​модель трения для бокового трения.

1. Введение

Из-за изменений сил и температуры процесс резания очень нелинейный.Также на этот процесс влияют другие факторы, такие как скорость и глубина резания, скорость подачи, геометрические параметры режущего инструмента и свойства материала [1]. Многие из этих эффектов возникают из-за относительного движения между обрабатываемой деталью и инструментом, и поэтому присутствуют силы трения.

Трение в процессе обработки изучается на протяжении десятилетий, и были предложены важные теории для описания процесса резания [2]. Изучение скользящей и вторичной зон работы материала представлены в [3].Все эти исследования приводят к интенсивному использованию конечно-элементных моделей, например, представленной в [4].

Общей целью применения конечных элементов является определение характеристик контактирующих элементов и потока напряжений [5, 6]. Другая область исследований — это измерения трения, как сообщается в [7]. В этом отношении связь трения с параметрами резания, такими как скорость резания, была описана в [8]. Влияние сил резания, контактной длины, угла сдвига и температуры изучается в [9–11], а связанные с трением эффекты, связанные с геометрическими и внутренними свойствами материала, сообщаются в [12–14].

Из этих работ можно установить, что трение является фактором нестабильности, поэтому оно может вызывать вибрацию. Это было предложено Верцигрохом и Кривцовым [15], и, несмотря на то, что в процессе обработки основной эффект трения возникает на передней кромке инструмента, он также существует на боковой поверхности инструмента.

В литературе боковая поверхность инструмента просто связана с вибрацией посредством эффекта демпфирования процесса на низкой скорости [16–18]. Однако влиянием трения на боковую поверхность обычно пренебрегают.

Принимая во внимание тот факт, что процесс резания очень нелинейный, предположение о том, что трением о заднюю поверхность можно пренебречь, неверно, потому что в любой динамической нелинейной системе небольшое возмущение имеет тенденцию оказывать сильное влияние на отклик. Это важно при болтовне, когда реакция представляет собой предел стабильности. Таким образом, цель данной работы — охарактеризовать трение, действующее на боковую поверхность инструмента.

Чтобы определить силу трения на боковой поверхности инструмента, эксперименты должны учитывать условия резания, при которых трение на боковой поверхности является преобладающим возбуждением.Предполагается, что для достижения этого состояния можно избежать регенеративного эффекта. Это можно сделать, учитывая небольшую глубину резания и низкую скорость подачи, а также предположив, что система достаточно жесткая, чтобы уменьшить другие внешние воздействия. При обработке в этих условиях единственной действующей силой будет сила трения по боковой поверхности.

Предлагаемый эксперимент не претендует на то, чтобы предположить, что трение является единственной силой, влияющей на процесс резания. Кроме того, здесь не утверждается, что силы в нормальном и тангенциальном направлениях не связаны в процессе резания.Более того, он не пытается утверждать, что ни регенеративного эффекта, ни затухания процесса вообще не существует. Но стоит отметить, что в настоящей работе анализируется особый режим резания, когда сила трения в тангенциальном направлении изолирована и является доминирующим эффектом; поэтому его можно рассматривать как случай с единственной степенью свободы.

2. Математическая модель

Предлагаемая модель основана на концепции обобщенного эффекта трения [19], который добавляет к кулоновскому трению еще два эффекта трения, один из которых связан с относительным смещением, а другой — с относительной скоростью.

Так как в этом особом состоянии подача слишком мала, сила тяги (направление) имеет минимальную величину, и тогда кулоновским трением в тангенциальном направлении можно пренебречь. Таким образом, в тангенциальном направлении остаются только два эффекта трения: один связан со смещением, а другой — со скоростью. Поэтому предлагаемая модель представлена ​​следующим образом (Рисунок 1): где представляет относительное смещение,, и — коэффициент демпфирования, собственная частота системы и эквивалентная масса, — сила трения, и представляют оба эффекта трения. .

Выражение (1) в области Лапласа: Решая уравнение, передаточная функция получается как В приведенном выше выражении — отклик системы, — общая сила трения и — комплексная переменная. Уравнение (3) может быть выражено как функция импеданса: эта функция может быть получена экспериментально путем измерения силы и смещения на режущем инструменте. Учитывая, где — частота возбуждения системы, экспериментальная функция импеданса может быть выражена как Предполагается, что (4) и (5) равны.Таким образом, экспериментальная функция импеданса может быть связана с функциями трения, и если, поскольку функции трения зависят только от положения и скорости, предполагается, что сила трения имеет следующий вид: И, таким образом, функция импеданса становится из предварительной испытании было замечено, что трение также изменяется в зависимости от частоты; следовательно, функция импеданса может быть представлена ​​как где,, и неизвестны. Эта функция аналогична модели, предложенной Оденом и Мартинсом [19].

Следовательно, параметры трения представлены как Эти функции не могут принимать отрицательные значения; следовательно, (10) преобразуется в где,, и — константы, а и — соответственно рабочая частота (скорость вращения токарного станка) и частота возбуждения (частота вибрации инструмента). Эти параметры могут быть определены путем измерения силы резания и амплитуды смещения режущего инструмента при различных рабочих частотах. Это эквивалентно измерению при разных скоростях шпинделя токарного станка.

Для проведения экспериментальных измерений сила и ускорение режущего инструмента оцениваются на токарном станке с числовым программным управлением.

3. Экспериментальная установка

Чтобы обеспечить непрерывный процесс резания и минимизировать динамические эффекты, испытания проводились на токарном станке с ЧПУ. Усилие резания было уменьшено за счет сохранения малой глубины резания, очень жесткой опоры для заготовки и минимальной боковой подачи и работы над ранее обработанной поверхностью для поддержания аналогичных начальных условий.

Образцы для испытаний — 6026 алюминиевых круглых стержней Т-6 диаметром 50 мм. Режущие инструменты представляли собой твердосплавные пластины с многослойным покрытием (TiN, TiCN и TiC). Схема эксперимента показана на рисунке 2.

Для измерения ускорения использовались пьезоэлектрический акселерометр Kistler K8776A50 и модуль National Instruments NI 9234 для формирования сигнала. Акселерометр был ориентирован в тангенциальном направлении.

Сила измерялась двумя тензодатчиками Vishay CEA-06-0620UW-120 с модулем National Instruments NI 9237 для формирования сигнала.

Сигналы записывались с помощью модуля сбора данных NI CDAQ 9174 на частоте 25,6 кГц.

Скорость резания была запрограммирована на постоянную скорость подачи 0,05 мм / об, и данные записывались в течение 10 с. Для нахождения параметров (9) был проведен очередной экспериментальный план.

4. Схема эксперимента

Схема эксперимента состояла из двух уровней износа режущего инструмента, четырех уровней глубины резания и трех уровней скорости резания (таблица 1). Глубина резания и скорость резания были контрольными переменными.Чтобы изолировать влияние трения на тангенциальную силу, скорость подачи поддерживалась как можно более низкой.

80 Номер теста Глубина резания (мм) Скорость резания (м / мин) 2 0 150 3 0 300 4 0.05 60 5 0,05 150 6 0,05 300 7 0,1 60 9017 9 0,1 300 10 0,2 60 11 0,2 150 12 0.2 300

Минимальная и максимальная скорости резания были выбраны производителем инструмента. Данные ускорения и силы были преобразованы в частотную область с помощью БПФ, и экспериментальные результаты показаны в следующем разделе.

5. Результаты экспериментов

В соответствии с планом эксперимента, показанным в таблице 1, для каждого теста был получен набор данных об ускорении и силе из каждого эксперимента.В качестве примера на рисунке 3 показаны исходные данные ускорения и силы, соответствующие тесту № 11. На рисунке 4 показан частотный спектр обоих сигналов.

В этом конкретном случае можно заметить, что акселерометр и тензодатчики показывают пикировки с большой амплитудой в одном и том же частотном диапазоне (от 4000 до 4250 Гц). Эта частота соответствует сигналу силы трения. Следовательно, существует корреляция между двумя сигналами, и это означает, что сила трения создает определенный отклик инструмента на этих частотах.

5.1. Обработка данных

Чтобы идентифицировать только сигналы, связанные с контактом между инструментом и заготовкой, сигналы были отфильтрованы, вычитая неконтактное состояние (когда не было силы резания). Функции передачи и импеданса также были очищены, чтобы устранить переходные эффекты, низкочастотный шум и частоты электрического шума.

В качестве примера на рисунках 5 и 6 показаны частотные спектры данных ускорения и силы, полученные при испытании 1, после фильтрации данных.

Отклик смещения получается из сигнала ускорения в соответствии со следующим соотношением:

5.2. Определение функции трения

Для получения функций силы трения была проведена аппроксимация кривой действительной и мнимой частей функции импеданса. Данные силы и ускорения регистрировались в соответствии с планом испытаний (таблица 1). На рисунках 7 и 8 показаны результаты функции импеданса для тестов 4, 5 и 6, а также показаны функции аппроксимации кривой.Таким образом были получены параметры предложенных кривых (9) (таблицы 2 и 3). Константы,, и параметров были получены с использованием (11). Значения этих констант показаны в таблицах 4 и 5.

9017 9017 нуль

0 Cut Эксплуатация Реальная часть Мнимая часть м / мин м / мин Нулевая глубина резания 60 7.21 18876 0,0693 15270 0,0599 150 17,53 25076 0,0295 5898,9 0,0366 80 5898.9 0,0366 809 0,0365 Глубина резания 0,05 мм 60 7,30 3581,9 0.1307 538,22 0,1454 150 17,88 508,22 0,0572 230,39 0,051 300 0,051 300 Глубина резания 0,1 мм 60 7,58 1955,1 0,0369 712,57 0.0695 150 18,75 700,72 0,034 156,57 0,0867 300 18,18 2545,3 Глубина резания 0,2 мм 60 8,24 698,46 0,0976 1428,5 0,0578 150 20.00 84,04 0,0471 1443,8 0,0002 300 35,75 2086,4 0,0382 1288,4 0,0295 9018 Глубина резания 9034 0 9109 Резка Эксплуатация Действительная часть Мнимая часть м / мин Гц () 60 8.13 12238 0,0632 5269,5 0,0657 150 18,84 2165,5 0,0562 950,46 0,09 950,46 0,09 0,09 0,044 Глубина резания 0,05 мм 60 8,38 16387 0.0687 13526 0,0522 150 19,15 1090,6 0,0272 180,63 0,0278 300 0,0278 300 300 Глубина резания 0,1 мм 60 9,13 120,31 0,1176 583,79 0.0778 150 20,25 768,48 0,0302 510,21 0,0262 300 38,68 74179 0,0262 300 Глубина резания 0,2 мм 60 8,93 69,766 0,1434 498,3 0,0609 150 23.47 654,78 0,0341 193,18 0,0344 300 40,32 6562,8 0,0313 982,19 0,0313 982,19 Изношенная пластина Нулевая глубина резания Глубина резания 0,05 мм Глубина резания 0,1 мм Глубина резания 0.2 мм Параметр Параметр 1096,8 618,64 175,42 1506,6 0.0752 0,0595 0,1347 0,1493 0,0352 0,0827 0,1052 0,0479
Глубина резания 0,05 мм		Глубина резания 0,1 мм		Глубина резания 0,2 мм
Параметр	Параметр
		9099.1	7146.9	12930	17994	38.695	439,81	20,13	257,14
	0,0712	0,0708	0.0646	0,041	0,122 6	0,0735	0,154	0,0584

Таким образом, уравнения для каждого условия резания резюмируются следующим образом.

5.2.1. Новая пластина

Глубина резания Нулевая

Глубина резания 0,05 мм

Глубина резания 0.1 мм

Глубина резания 0,2 мм

5.2.2. Изношенная пластина

Глубина резания Нулевая

Глубина резания 0,05 мм

Глубина резания 0,1 мм

Глубина резания 0,2 мм Постоянные значения для этих уравнений приведены в таблицах 6 и 7

Глубина резания Новый 9019 0 0.05 0,1

901 901 901 9017 980 Глубина резьбы 0 05 0,1

Результаты для глубины резания 0,05 мм для изношенной и новой пластины показаны на рисунках 9 и 10.

Сохраняя только силу трения на боковой поверхности в качестве силы возбуждения, можно идентифицировать функцию трения. Данные обрабатывались с использованием функции импеданса.

6. Обсуждение

Из рисунков 7 и 8 ясно, что трение зависит от скорости резания, а экспоненциальная форма соответствует явлению временной задержки. Во всех случаях действительная и мнимая части имеют экспоненциальный вид, что соответствует теории трения скольжения [19].Еще один важный аспект, который можно увидеть на этих рисунках, заключается в том, что сила трения выше при низких скоростях резания. Это состояние также является хорошим показателем того, что трение уменьшается с увеличением скорости.

Влияние глубины резания можно определить в таблицах 6 и 7. — функция трения, связанная с относительным смещением; в случае новой пластины коэффициент изменяется на несколько порядков при большой глубине резания (0,1 и 0,2), тогда как для изношенной пластины изменения менее значительны.Аналогичная картина наблюдается для, которая связана с относительной скоростью.

Анализирует форму функций трения, и представляет амплитуду силы трения, и представляет параметры временной задержки в смысле концепции скольжения и прилипания.

На рисунках 9 и 10 показаны расчетные значения и для различных скоростей резания. Они показывают хорошую корреляцию с экспериментальными данными (рисунки 7 и 8), и они показывают снижение сил трения на более высоких скоростях.

7. Выводы

Анализ экспериментальных данных показал, что сила трения на боковой поверхности инструмента имеет сложную функцию. Это зависит не только от относительного смещения и скорости между инструментом и обрабатываемой деталью, но также от скорости резания, глубины резания и динамического отклика (частоты возбуждения). Поскольку сила трения зависит от динамического отклика, ее можно рассматривать как источник нестабильности во время процесса резания.

Отклик в частотной области соответствует явлению, описываемому функцией временной задержки. Обе функции, связанные со смещением и скоростью, имеют похожие шаблоны, демонстрирующие поведение временной задержки. Эта задержка эквивалентна принципу прерывистого скольжения, но отличие от общей теории трения состоит в том, что трение о заднюю поверхность сильно зависит от условий процесса, и эта зависимость является нелинейной.

Нелинейная зависимость между силой трения и параметрами резания была получена с использованием функции импеданса в частотной области.Функция импеданса способна идентифицировать характерное поведение явления трения, выделяя другие динамические эффекты. В этой работе удалось идентифицировать характерную частоту силы трения как по данным ускорения, так и по данным силы; таким образом, импеданс был надежно рассчитан. Эта процедура может быть применена к другим процессам резания, таким как фрезерование или сверление, где трение на боковой поверхности выше.

Наконец, мы обнаружили, что сила трения на боковой поверхности инструмента определяется только тогда, когда глубина резания поддерживается на минимальном уровне, и данные обрабатываются с использованием функции импеданса, оцениваемой на частотах трения.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Эта работа поддержана Conacyt Grant No. 220475.

Статическое и кинетическое трение — сила

Трение — это сила, которая препятствует относительному движению между контактирующими системами, и ее величина имеет две формы: статическое трение и кинетическое трение.

Трение — это сила, которая постоянно находится вокруг нас, которая препятствует относительному движению между контактирующими системами, но также позволяет нам двигаться.Одна из более простых характеристик трения заключается в том, что оно параллельно поверхности контакта между системами и всегда в направлении, противоположном движению или попытке движения систем относительно друг друга. Если две системы находятся в контакте и движутся относительно друг друга, то трение между ними называется кинетическим трением . Кинетическое трение преобразует кинетическую энергию в тепловую, выделяя тепло. Когда объекты неподвижны, между ними может действовать статическое трение , ; статическое трение обычно больше, чем кинетическое трение между объектами.

Силы трения, такие как f , всегда противодействуют движению или попытке движения между соприкасающимися объектами. Большая часть трения на самом деле возникает из-за сил притяжения между молекулами, составляющими два объекта (даже идеально гладкие поверхности не свободны от трения). Направление трения всегда противоположно направлению движения, параллельно поверхности между объектами и перпендикулярно нормальной силе . Величина силы трения имеет две формы: одну для статических ситуаций (статическое трение), другую для движения (кинетическое трение).

Когда между объектами нет движения, величина статического трения f _s составляет:

f _с ≤ μ _с N

, где μ _s — коэффициент трения покоя, а N — величина нормальной силы (силы, перпендикулярной поверхности).

Когда объект движется, величина кинетического трения ( f _k ) составляет:

f _k = μ _k N

, где μ _k — коэффициент кинетического трения.Система, в которой f _k = μ _k N описывается как система, в которой трение ведет себя просто .

Как для статического, так и для кинетического трения коэффициент трения зависит от двух поверхностей, которые находятся в контакте.

Кинетическое трение рассеивает энергию (в виде тепла), которая пропорциональна силе, умноженной на расстояние, на котором действует сила.

Практические вопросы

Академия Хана

Пациенты в инвалидной коляске

Силы по камню в почках

Силы трения на ходунках

Пандус административного помещения

Холмы, ненастная погода и автомобили

Официальная подготовка MCAT (AAMC)

Physics Question Pack Отрывок 13, вопрос 81

Физика Пакет вопросов Отрывок 15 Вопрос 90

Physics Question Pack Отрывок 19 Вопрос 108

Physics Question Pack Отрывок 19 Вопрос 109

Physics Question Pack Отрывок 19 Вопрос 110

Ключевые точки

• Трение — это сила контакта между системами, которая препятствует движению или попытке движения между ними.Простое трение пропорционально нормальной силе N, толкающей системы вместе. (Нормальная сила всегда перпендикулярна поверхности контакта между системами.) Трение зависит от обоих материалов. Величина статического трения f _s между системами, неподвижными относительно друг друга, определяется как f _s ≤ μ _s N , где μ _s — коэффициент статическое трение, которое зависит от обоих материалов.

• Кинетическая сила трения f _k между системами, движущимися относительно друг друга, определяется как f _k = μ _k N , где μ _k — коэффициент кинетики трение, которое зависит от обоих материалов.

Ключевые термины

Трение : сопротивление движению одного объекта относительно другого.

Кинетическое трение : Также известное как трение скольжения или трение при движении, это величина тормозящей силы между двумя объектами, которые движутся относительно друг друга.

Статическое трение : трение между неподвижным объектом и поверхностью, на которой он находится.

Нормальная сила : Контактная или опорная сила, приложенная к объекту, находящемуся в контакте с другим устойчивым объектом. Компонент контактной силы, перпендикулярный поверхности, с которой соприкасается объект.

Величина статического трения f _с : f _с ≤ μ _с N

Величина кинетического трения f _k : f _k = μ _k N

Коэффициент трения : значение, которое показывает взаимосвязь между двумя объектами и нормальную реакцию между задействованными объектами.Его ценность зависит от обоих задействованных материалов.

ТРЕНИЕ ― Неиспользованная сила, которая может быть вашим самым мощным преимуществом: 9781260135695: Дули, Роджер: Книги

«Новый, свежий способ характеристики бизнес-задач».
— Kirkus Reviews

С ослепляющим пониманием, Friction предлагает выводы, которые позволяют нам систематически распознавать и сокращать препятствия на пути к успеху ».
— Роберт Б. Чалдини , автор Influence и Pre-Suasion

«Что общего у Amazon, Apple, Google и Netflix? Они упростили жизнь своих потребителей, устранив то, что Дули называет» трение ».Чтение этой книги вооружит любого менеджера мысленной банкой WD-40 ».
— Ричард Талер , лауреат Нобелевской премии и соавтор книги Nudge

«Трение, как и энтропия, является фактом Вселенной, но трение, в отличие от энтропии, можно уменьшить. Новая книга Роджера Дули очень важна. посмотрите, как уменьшить трение в вашем бизнесе, маркетинге и вашей жизни ».
— Райан Холидей , автор книги Препятствие — это путь

«В то время, когда всем приходится делать больше с меньшими затратами, эту книгу очень важно читать.
— Дэниел Х. Пинк , автор книги When and To Sell Is Human

«Трение — враг успеха. Достаточно сложно создать что-то великое. Не усложняйте задачу принять это. Роджер будет укажи тебе путь «.
— Гай Кавасаки , автор Искусство начала и бывший главный евангелист Apple

«Трения есть везде. От того, что мы покупаем, до судьбы народов. И как только вы прочтете «Трение» Роджера Дули, вы поймете как его силу, так и то, как ее можно использовать.
— Джона Бергер , профессор Wharton и автор книги Contagious and Invisible Influence

«Сделать свой бизнес максимально простым — это то, что сделает его менее напряженным и намного более прибыльным. Усвоив это великолепное учение, вы будете знать, как именно это делать ».
— Боб Бург , соавтор The Go-Giver и The Go-Giver Influencer

«Если вы прочтете Friction, пути назад не будет.Вы увидите трение повсюду, и вам захочется что-нибудь с этим сделать. Многочисленные тематические исследования и анекдоты, которые включает Дули, представляют собой дорожную карту для уменьшения трения ».
— Нир Эял , автор книги Hooked

« Леонардо да Винчи был первым, кто открыл силу трения в физике. Роджер Дули первым сделал это в бизнесе. Мгновенная классика ».
— Майк Михалович , автор Profit First, и Clockwork

Силы: типы трения | Бесплатная помощь в домашнем задании

Трение — это сила, которая возникает на поверхностях контакта двух тел и препятствует (противодействует) их относительному движению.например воздух в самолете или вода в трубе.

Это не фундаментальная сила, поскольку она получена из электромагнитных сил между атомами и электронами, и поэтому не может быть рассчитана из первых принципов, а должна быть найдена эмпирически.

Когда соприкасающиеся поверхности движутся относительно друг друга, трение между двумя объектами преобразует кинетическую энергию в тепловую энергию или тепло.

Сила трения между двумя телами зависит от величины перпендикулярных сил контактирующих поверхностей.Эта перпендикулярная сила известна как нормальная сила (R) , а отношение силы трения к нормальной силе известно как коэффициент трения .

Деформированная поверхность давит на тело с нормальной силой R , перпендикулярной поверхности. Это называется нормальной реакцией. Баланс мг т.е.

R = мг

Предположим, что к блоку справа приложена небольшая сила P , как показано.Сила трения F противодействует движению.

Пока блок не двигается,

F = P

Это означает, что по мере увеличения P трение F также увеличивается, всегда оставаясь равным P.

Виды трения

1. Внутреннее трение

Возникает из-за относительного движения между каждыми двумя слоями жидкости. Внутреннее трение также называют вязкостью жидкости.

2.Внешнее трение

Он возникает, когда два тела, контактирующие друг с другом, пытаются двигаться или между ними происходит относительное движение. Внешнее трение также называется контактным трением , .

Внешнее трение бывает трех видов:

1. Статическое трение

Противодействующая сила, которая вступает в игру, когда наше тело стремится двигаться по поверхности другого, но фактическое движение еще не началось. Как видно на приведенном выше рисунке, величина статического трения непостоянна.Он всегда настраивается так, чтобы соответствовать приложенной силе.

2. Предельное трение

По мере увеличения прилагаемой силы наступает стадия, когда одно тело находится на грани движения друг над другом. Статическое трение на этом этапе, очевидно, составляет максимум единиц. Это максимальное значение статического трения называется предельной силой.

3. Кинетическое трение

Когда мы немного увеличиваем прилагаемую силу сверх предельного трения, начинается фактическое движение.Это не значит, что трение исчезло. Это только означает, что приложенная сила теперь больше, чем сила ограничивающей силы. Сила трения называется кинетическим трением или динамическим трением .

Кинетическое трение всегда немного меньше предельного трения. Это потому, что однажды движение действительно начинается; инерция покоя преодолена. Кроме того, когда движение действительно началось, неровности одной поверхности имеют мало времени, чтобы снова запереться в неровностях другой поверхности.

Другое кинетическое или динамическое трение может быть типа:

и. Трение скольжения — Противодействующая сила, которая вступает в игру, когда одно тело фактически скользит по поверхности другого тела, называется трением скольжения. Например, когда плоский блок перемещается по этой плоской поверхности стола, противодействующая сила называется трением скольжения.

ii. Трение качения — Противодействующая сила, которая проявляется, когда одно тело фактически катится по поверхности другого тела, называется трением качения.Например, когда колесо, круглый диск, кольцо, сфера или цилиндр катится по поверхности, сила, противодействующая этому, представляет собой трение качения.

Спасибо, что прочитали этот полезный пост по физике. Вам также нужна помощь по математике? Взгляните на наши репетиторские услуги по математике.

SchoolTutoring Academy — ведущая компания по оказанию образовательных услуг для школьников и школьников. Мы предлагаем учебные программы для учащихся K-12, AP и колледжей.Чтобы узнать больше о том, как мы помогаем родителям и ученикам в Альгамбре, посетите: Репетиторство в Альгамбре.

.