Трение и фрикционные свойства материалов

Лекция 14

Тема «Трение и истирание материалов»

Трение и фрикционные свойства материалов

В процессе производства и эксплуатации изделий легкой промышленности возникает контакт между деталями и между деталями и окружающими предметами (например, в обуви - подошва с опорной поверхностью, материал подкладки со стопой и др.). При контакте двух поверхностей материалов возникает их взаимодействие, в том числе механическое. Другими словами – возникает трение. При этом трение может играть как отрицательную, так и положительную роль. С одной стороны, трение приводит к износу материалов, а, с другой, в ряде случаев силы трения определяют возможность применения данного материала для деталей изделия.

При параллельном движении двух контактирующих поверхностей с разными скоростями относительно друг друга возникает сила сопротивления – сила трения F_тр, которая лежит в плоскости контакта и направлена в сторону, противоположную движению тела.

По кинематическому признаку различают силу трения покоя (статическое трение) и силу трения при движении (динамическое трение), которую делят на силу трения скольжения и силу трения качения.

При изготовлении и эксплуатации изделий материалы соприкасаются плоскостью с предметами окружающей среды, где основную роль играет сила терния скольжения.

Сила трения скольжения F_тс вычисляется по формуле:

F_тс = f_с N, (1)

где f_с – коэффициент трения скольжения;

N – сила нормального давления.

Теоретически рассчитать коэффициент трения скольжения весьма сложно. Поэтому его определяют экспериментально, например, методом наклонной плоскости (рисунок 1). Изменяя угол γ, фиксируют его величину,

Рисунок 1 – Определение коэффициента трения скольжения методом наклонной плоскости

при которой колодка массой m_к начинает перемещаться. Сила тангенциального сопротивления Т_о и сила нормального давления N соответственное равны

Т_о = m_к sin γ; N = m_к cos γ. (2)

Таким образом,

f_с = Т_о / N = (m_к sin γ)/ (m_к cos γ ) = tg γ. (3)

Как видно из формулы (1), сила трения является функцией нормального давления и коэффициента трения материала с контактирующей поверхностью. Коэффициент трения зависит от многих факторов, наиболее важными из которых являются морфология контактирующих поверхностей.

Для текстильных материалов коэффициент трения скольжения изменяется в широких пределах от 0,3 до 0,8. Значительное варьирование данного показателя связано с особенностями контактирующих пар: волокнистым составом, строением и видом текстильного полотна (ткань, трикотаж, нетканые полотна), способами отделки поверхности при их производстве.

Коэффициент трения скольжения у подошвенных материалов также изменяется в широких пределах и зависит от вида материала, характера поверхности (гладкая или рифленая), вида грунта (асфальт, песок, бетон, лед), какой грунт (сухой, влажный) и т.д. Причем, для подошвенных материалов трение в определенных пределах играет положительную роль, обеспечивая им фрикционные свойства.

Фрикционными называют свойства материалов противодействовать скольжению. Эти свойства принять характеризовать коэффициентом трения. Определяют его также методом наклонной плоскости или на трибометре, где образец испытуемого материала перемещается по испытуемой опорной поверхности (лед, асфальт и др.) от привода разрывной машины с фиксацией на ее шкале прилагаемых усилий.

Особое внимание уделяется фрикционным свойствам материалов для подошвы и каблуков. С одной стороны, при высоких коэффициентах трения подошвы об опору затрудняется ходьба, перемещение конечностей требует больших усилий, что повышает потоотделение стопы и ухудшает микроклимат в обуви. С другой стороны, низкий коэффициент трения материала подошвы об опору уменьшает устойчивость тела, что требует приложения дополнительных усилий для удержания его в равновесии, создается опасность скольжения подошвы и падения человека.

Считается, что во избежание риска скольжения по сухим опорным поверхностям коэффициенты трения скольжения должны быть 0,5-0,76, по замасленному стальному листу – 0,15-0,3. Факторы, влияющие на фрикционные свойства материалов, различны. К ним относятся поверхность контакта, влажность поверхности грунта, температура, рифление, материал.

Наибольшие коэффициенты трения возникают при движении по асфальту, наименьшие – по льду при t=-10 °С. Увлажнение опорной поверхности существенно увеличивает коэффициент трения кожи и почти не меняет коэффициент трения пористой резины. Все материалы, кроме подошвенной кожи, имеют высокий коэффициент устойчивости к скольжению на всех грунтах, кроме льда. Подошвенная кожа является материалом, склонным к скольжению.

При увлажнении опорной поверхности устойчивость к скольжению подошвенной кожи возрастает, но только в начальный период увлажнения. Длительное увлажнение приводит к появлению избыточной влаги, которая действует подобно смазке и снизит устойчивость человека при ходьбе.

При трении о поверхность мокрого льда (t=-4°С) все исследованные материалы имеют малую устойчивость к скольжению. При температуре льда (-10°С) динамический коэффициент трения несколько увеличивается, но устойчивость к скольжению остается низкой.

Рифление ходовой поверхности увеличивает устойчивость к скольжению, причем только глубокое рифление. Мелкое рифление на льду своих функций не выполняет.

Из современных подошвенных материалов наибольшей устойчивостью в экстремальных условиях (мокрый грунд, лед) имеют ТЭП. Причем, коэффициент трения зависит от состава ТЭП:

- наполнение снижает коэффициент трения, кроме случая, когда вводится измельченная пемза;

- олигомерные добавки существенно повышают коэффициент трения.

У резин коэффициент трения зависит также от рецептуры. Кроме этого оказывает влияние пористость и твердость:

- с повышением пористости (т.е. уменьшение плотности), коэффициент трения увеличивается;

- с повышением твердости коэффициент трения уменьшается.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: