Материалы, оборудование, инструменты

Экспериментальные исследования статического трения проводятся с использованием наклонной плоскости - деревянной доски с закрепленной на ней слесарной линейкой, для измерения одного из катетов, образуемых при угле подъема доски над плоскостью стола в процессе эксперимента. Эксперименты выполняются с образцами прямоугольной формы (это может быть, например, и книга) из различных материалов и разным качеством (величиной шероховатости поверхности скольжения) поверхностей трения. В качестве материала можно применять сталь, медь, дерево и др.

Изменение природы поверхностей трения возможно также моделированием - оборачиванием образца полимерными пленками или металлическими фольгами. Одновременно с этим возможно изменять свойства наклонной поверхности, покрывая ее различными материалами.

Для определения веса образцов возможно использовать весы с пределом точности 1 г. Путь трения, размеры катетов при угле и время скольжения измерять соответственно линейкой и секундомером.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Определение статического коэффициента трения и величины статического трения

1. Положить грубо шероховатую доску (например, древесно-стружечную плиту (ДСП)) на стол так, чтобы слесарная линейка, прикрепленная к ней, свисала вертикально вниз у края стола.

2. Установить на доску стальной образец. Поднимая доску за один конец, дождаться момента, когда образец из состояния покоя перейдет в состояние движения. Зафиксировать этот момент, определяя высоту поднятия свободного конца доски над плоскостью стола по линейке. Измерить величину второго катета при угле подъема доски.

3. Определить тангенс угла подъема по отношению измеренных катетов. Соответственно определить коэффициент статического трения - . Результаты измерения и расчета занести в табл.1.

4. Определить силу статического трения - . Данные расчета занести в табл. 1.

5. Повторить эксперимент со всем множеством материалов образца, имеющихся в наличии.

6. Сравнить полученные результаты экспериментов.

7. Повторить эксперименты, заменив наклонную плоскость (доску) на полированную (с меньшей величиной шероховатости).

Таблица 1

Пара трения	Вес груза,	ВС	АС

Примечание. Все эксперименты по определению коэффициентов статического трения производить не менее трёх раз, с целью набора статистики достаточно вероятного результата. Соответственно рассматриваются усредненные по результатам трёх экспериментов для каждой пары трения величины коэффициентов трения и сил трения.

Содержание отчета

1. Тема и цель работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Порядок проведения работы.

4. Результаты эксперимента по определению статического коэффициента трения (табл.1).

5. Анализ результатов работы, выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент трения?

2. Каково отличие статического коэффициента трения от динамического?

3. В чем суть условия равновесия при наличии трения?

4. Как определяется коэффициент трения по Парану?

5. Объясните такое понятие как конус трения?

6. Докажите, что метод наклонной плоскости измерения статического коэффициента трения применим в реальной инженерной практике.

7. Каким способом можно уменьшить величину коэффициента статического трения?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОГО ТРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗЛИЧНОГО КАЧЕСТВА И ПРИРОДЫ МЕТОДОМ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

Цель работы. Ознакомление с методом измерения коэффициентов динамического трения с использованием наклонной плоскости, моделирование лабораторного эксперимента наклонной плоскости, определение величин коэффициентов трения различных поверхностей.

Краткие теоретические сведения

Представления о динамическом (кинетическом) коэффициенте трения связаны с именем гениального математика Леонарда Эйлера, члена Российской (Санкт - Петербургской) Академии наук.

Эйлер родился в 1707 г. в Базеле. Его научная жизнь протекала в России, куда он приехал в 1727 г. В Петербурге он поступает в Академию адъюнктом по отделению математики. В 1733 г. освободилось место академика, принадлежавшее прежде Даниилу Бернулли, и Эйлер занял это место. Работоспособность Эйлера поражала его современников. Общеизвестен, например, следующий эпизод из жизни Эйлера. В 1735 г. нужно было выполнить весьма сложную работу по составлению навигационных таблиц для далеких рейсов русских кораблей. Эта работа требовала труда нескольких человек в течение нескольких месяцев. Эйлер закончил ее в три дня.

В 1740 г. в жестокое для России время регентства Бирона, Эйлер был вынужден покинуть страну. В 1766 г. он возвратился в Петербург и уже до конца своих дней не покидал своего второго отечества. Огромное научное наследство, оставленное им, составляет 750 оригинальных трудов. Из них не все еще изданы до сих пор.

Две свои работы «О трении твердых тел» и «Об уменьшении сопротивления тела» он опубликовал в 1750 г. В первой из них Эйлер четко формулирует положение о том, что сила трения всегда расположена в плоскости, касательной к трущимся поверхностям, и направлена в сторону, противоположную относительной скорости скольжения каждой из поверхностей. Далее он находит условие, определяющее возможность равноускоренного и равнозамедленного движений при наличии трения. Применяя эти общие соображения к случаю скольжения тела по наклонной плоскости с трением, Эйлер приходит к новому способу определения коэффициента трения, который, в отличие от способа Антуана Парана, можно назвать динамическим.

Леонард Эйлер

Изящная формула Эйлера, выражающая коэффициент трения через величины, доступные экспериментальному измерению, может быть получена следующим образом.

Пусть тело весом начинает скользить из положения без начальной скорости с трением по плоскости, наклоненной к горизонту под углом и за время проходит путь (рис.1).

Рис.1. Наклонная плоскость

Скользящее тело находится под действием силы тяжести , направленной вертикально вниз, нормальной реакции наклонной плоскости и силы трения , направленной вдоль наклонной плоскости в сторону, противоположную скорости тела. Начальная скорость тела по условию равна нулю. Пользуясь законом живой силы для поступательного движения, получим

,

где - масса тела, равная ; - ускорение при свободном падении.

По закону Амонтона сила трения

,

где коэффициент трения тела о плоскость.

Замечая, что , запишем силу трения следующим образом

.

Подставляя значения и в уравнение живой силы, будем иметь после преобразований

. (6)

Измерив путь , пройденный телом по наклонной плоскости, время , затраченное на прохождение этого пути, и зная угол наклона плоскости к горизонту, по формуле Эйлера легко вычислить коэффициент трения скольжения (кинетический коэффициент трения).

Уравнение (6) показывает, что коэффициент статического трения ( ) больше кинетического коэффициента трения

. (7)

МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ

Экспериментальные исследования по измерению динамического коэффициента трения проводятся с использованием наклонной плоскости - деревянной доски с закрепленной на ней слесарной линейкой, для измерения одного из катетов, образуемых при угле подъема доски над плоскостью стола в процессе эксперимента. Эксперименты выполняются с образцами прямоугольной формы (это может быть, например, и книга) из различных материалов и разным качеством (величиной шероховатости поверхности скольжения) поверхностей трения. В качестве материала можно применять сталь, медь, дерево и др.

Изменение природы поверхностей трения возможно и моделированием - оборачиванием образца полимерными пленками или металлическими фольгами. Одновременно с этим возможно изменять свойства наклонной поверхности, также покрывая ее различными материалами.

Для определения веса образцов возможно использовать весы с пределом

точности 1 г. Путь трения, размеры катетов при угле и время скольжения измерять соответственно линейкой и секундомером.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Определение динамического коэффициента трения и величины динамического трения

1. Установить один образец на плоскость у фиксированной метки на ней, поднять плоскость одним краем над плоскостью стола до тех пор, пока груз не начнет двигаться, т.е. пока груз не преодолеет усилие статического трения.

2. Зафиксировать момент начала движения образца и, используя секундомер, определить время его движения до момента, когда он остановится, пройдя весь заданный путь по плоскости до соударения с поверхностью стола.

3. По формуле Эйлера определить величину динамического коэффициента трения и величину самого трения скольжения (динамического трения) .

4. Результаты эксперимента и расчета занести в табл.2.

5. Эксперимент повторить для различных образцов.

Таблица 2

Пара трения	ВС	АС

Примечание. Все эксперименты по определению динамического коэффициента трения производить не менее трёх раз, с целью набора статистики достаточно вероятного результата. Соответственно рассматриваются, усредненные по результатам трёх экспериментов для каждой пары трения, величины коэффициентов трения и сил трения.

Содержание отчета

1. Тема и цель работы.

2. Краткие теоретические сведения.

3. Порядок проведения работы.

4. Результаты эксперимента по определению динамического коэффициента трения (табл. 2).

5. Анализ результатов работы, выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое коэффициент трения?

2. Каково отличие статического коэффициента трения от динамического?

3. В чем суть условия равновесия при наличии трения?

4. Как определяется коэффициент трения по Парану?

5. Объясните, такое понятие как конус трения?

6. Докажите, что метод наклонной плоскости измерения статического коэффициента трения применим в реальной инженерной практике.

7. Докажите теоретически, что коэффициент динамического трения меньше коэффициента статического трения.

8. Каким способом можно уменьшить величину коэффициента статического трения?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

АНАЛИЗ ВИДОВ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И ИЗНОСА ПРИ ТРЕНИИ

Цель работы. Ознакомление с современными классификациями видов повреждаемости и изнашивания пар трения; изучение характерных особенностей различных видов разрушения поверхностей пар трения; приобретение навыков идентификации видов повреждаемости и износа при трении реальных поверхностей и анализа возможных причин появления данного типа изнашивания.

Краткие теоретические сведения

В виду сложности процессов, протекающих в поверхностных слоях твердых тел при изнашивании, различия условий и режимов работы узлов трения и причин изнашивания, невозможно предложить строгие единые классификационные признаки всего многообразия процессов изнашивания.

Наибольшее распространение получила следующая классификация видов изнашивания (ГОСТ 27674-88 «Трение, изнашивание и смазка. Основные термины и определения») по характеру воздействия на поверхность трения и протекающих на ней процессов при эксплуатации машин:

1. Механическое изнашивание - изнашивание в результате только механических воздействий.

2. Молекулярно-механическое изнашивание - изнашивание в результате одновременного механического воздействия и молекулярных или атомных сил.

3. Коррозионно-механическое изнашивание - изнашивание при трении материала, вступившего в химическое взаимодействие со средой.

4. Абразивное изнашивание - механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц.

5. Гидроабразивное (газоабразивное) изнашивание - гидроэрозия, гидроабразивная эрозия - механическое изнашивание в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа).

6. Усталостное изнашивание - механическое изнашивание поверхности трения или отдельных ее участков в результате повторного деформирования микрообъемов материала поверхностного слоя, приводящего к возникновению трещин и отделению частиц.

Усталостное изнашивание может происходить при качении и скольжении.

7. Изнашивание при фреттинге - механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении.

8. Эрозионное изнашивание (эрозия) - механическое изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или газа.

9. Кавитационное изнашивание - механическое изнашивание поверхности при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру.

10. Изнашивание при заедании - молекулярно-механическое изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность.

11. Окислительное изнашивание - коррозионно-механическое изнашивание при наличии на поверхностях трения защитных пленок, образовавшихся в результате взаимодействия материала с кислородом.

12. Изнашивание при фреттинг-коррозии - коррозионно-механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных относительных перемещениях.

13. Электроэрозионное изнашивание - изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Некоторые виды изнашивания показаны ниже.

Р ис.1. Разъедание коррозионного характера втулок цилиндров двигателя ДМ650VBF-90 [4]

Рис. 2. Участки контактно-усталостного выкрашивания на рабочих поверхностях зубьев шестерен вагонов [5]

Рис. 3. Характер кавитационных разрушений центрирующих поясов втулок цилиндров двигателя 6ДМ50М: а - верхнего пояса после 10 тыс. ч работы двигателя (БМРТ «Алтай»); б - нижнего пояса после 10 435 ч. работы двигателя (БМРТ «Березники»)[4]

Рис. 4. Участок вала, показывающий изнашивание при заедании

Рис. 5. Контактно-усталостное выкрашивание на беговой дорожке наружного кольца роликового буксового подшипника [5]

Рис. 6. Контактно-усталостное выкрашивание на поверхности катания колеса [5]

Значительный практический интерес представляет классификация видов повреждаемости и износа, данная Б.И.Костецким с сотрудниками [6], основанная на расчете удельной работы разрушения.

В наиболее общем случае все виды разрушения поверхностей при трении Б.И.Костецкий предложил разделять на нормальные (допустимые) виды изнашивания и повреждаемость - недопустимые виды изнашивания, которые резко ограничивают ресурс работоспособности технических систем с трением, а также определяют экстремальные (аварийные) режимы работы трибосистемы.

Наиболее типичным представителем нормального вида изнашивания является окислительный износ, создающий на поверхности пленку (вторичную структуру) окисленного материала, который разделяет поверхности материалов, и внутри которой в дальнейшем реализуется трение и развивается износ.

Ниже приведены обобщенные результаты этой классификации (рис. 7-15).

Рис. 7. Нормальный механохимический износ поршневого пальца авиационного двигателя: а - общий вид; б - электронная фотография поверхности трения (I тип вторичных структур); в - электронная фотография продуктов изнашивания; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 8. Нормальный механохимический износ вкладыша подшипника двигателя внутреннего сгорания: а - общий вид; б - электронная фотография поверхности трения (II тип вторичных структур); в - электронная фотография продуктов изнашивания; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 9. Механохимическая форма абразивного изнашивания лапы культиватора: а - общий вид; б - микрофотография поверхности трения; в - электронная фотография, иллюстрирующая разрушение пленок вторичных структур зернами абразива; г - схема взаимодействия абразивной частицы с поверхностью металла

Рис. 10. Механическая форма абразивной повреждаемости вкладыша подшипника двигателя внутреннего сгорания: а - общий вид; б - микрофотография поверхности трения; в - микрофотография продуктов повреждаемости; г - схема взаимодействия абразивной частицы с поверхностью металла

Рис. 11. Повреждаемость схватыванием I рода зуба шестерни: а - общий вид; б - фотография поверхности трения; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 12. Повреждаемость схватыванием II рода тарелки толкателя двигателя внутреннего сгорания: а - общий вид; в - фотография продуктов повреждаемости; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 13. Повреждаемость при фреттинг-процессе (динамическое окисление) вкладыша подшипника двигателя внутреннего сгорания: а - общий вид; б - фотография поверхности трения; в - фотография продуктов повреждаемости; г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 14. Повреждаемость при фреттинг-процессе (сочетание схватывания и динамического окисления) кольца шарикоподшипника: а - общий вид; б - фотография поверхности трения; в - фотография продуктов повреждаемости г - схема строения поверхностных слоев

Рис. 15. Повреждаемость при питтинге (специфическая форма усталостного разрушения при трении качения) шестерни: а - общий вид; б - фотография поверхности трения; в - структура поверхностных слоев в сечении; г - схема строения поверхностных слоев

Общие характеристики износа и повреждаемости представлены в таблице .