Determinarea frecării și a coeficientului de frecare a valorilor de frecare ale materialelor

Coeficientul de frecare este o variabilă fizică pentru frecarea dintre două obiecte, derivată din domeniul tribologiei. Coeficientul de frecare setează forța care apare în timpul frecării (forța de frecare) în raport cu forța cu care obiectele sunt presate împreună (forța de apăsare). Coeficientul de frecare este astfel un parametru important atunci când se examinează uzura materialului și proprietățile de alunecare. Acest articol explică elementele de bază ale coeficientului de frecare, metodele sale de măsurare și aplicațiile sale în tehnologie.

Ce este frecarea uscată?

Frecarea generală reprezintă rezistența dintre două suprafețe solide și întârzierea mișcării relative în direcția opusă.

Frecarea uscată este un tip special de frecare atunci când nu există lubrifiant sau lichid între suprafețe. Frecarea uscată depinde în mare măsură de asperitatea suprafețelor de contact.

Atunci când lichidele sau lubrifianții joacă un rol, acest lucru se numește frecare de lichide sau lichide. Cu toate acestea, în alte medii (de ex., aer sau apă), se numește frecare de aer sau frecare de flux.

Frecarea poate fi observată în multe aplicații și situații industriale, cum ar fi transformarea unui șurub într-un filet intern. Sau, atunci când piulițele filetate se deplasează de-a lungul unei șurubelnițe (de ex. în printarea 3D). Scopul este de obicei minimizarea frecării și astfel creșterea rezistenței la uzură a sistemului.

Tipuri de frecare uscată

Frecarea uscată poate fi împărțită în două categorii:

• Frecare statică: Frecarea statică apare atunci când cele două suprafețe sunt în contact, dar nu au fost încă deplasate una față de cealaltă.
• Frecare dinamică: Frecarea dinamică apare atunci când o forță externă este suficient de mare pentru a iniția mișcarea între două suprafețe.

Aceste două categorii de frecare uscată prezintă un comportament diferit.

Frecare statică

Frecarea statică (cunoscută și sub denumirea de frecare adezivă) apare atunci când forța aplicată nu este suficient de mare pentru a iniția mișcarea, iar obiectul rămâne static sau în echilibru.

Calcularea forței de frecare statică

Coeficientul de frecare statică (μ_s) descrie raportul dintre forța normală (F_N) și forța de reacție rezultată sau frecarea adezivă (F_H) înainte de începerea mișcării - adică în poziția de repaus:

Următoarele se aplică forței normale în planul înclinat cu unghi de frecare:

Următoarele se aplică forței normale din plan fără unghi de frecare:

Coeficientul de frecare este întotdeauna măsurat logaritmic și este determinat experimental. În majoritatea cazurilor, coeficienții de frecare ai diferitelor perechi de materiale (de ex., oțel pe oțel) au fost deja determinați și se pot găsi în literatura de specialitate relevantă - consultați și „Materiale și tabele cu coeficienți de frecare”.

Frecare dinamică

Frecarea dinamică (cunoscută și sub denumirea de frecare cinetică) are loc atunci când forța aplicată este suficient de mare pentru a pune obiectul în mișcare.

Calcularea forței de frecare dinamică

Coeficientul de frecare dinamică (μ_d) descrie raportul dintre forța de frecare (F_R) și forța normală (F_N) în timpul deplasării dintre suprafețe:

Următoarele se aplică forței normale în planul înclinat cu unghi de frecare:

Următoarele se aplică forței normale din plan fără unghi de frecare:

Coeficientul de frecare este întotdeauna măsurat logaritmic și este determinat experimental. În majoritatea cazurilor, coeficienții de frecare ai diferitelor perechi de materiale (de ex., oțel pe oțel) au fost deja determinați și se pot găsi în literatura de specialitate relevantă - consultați și „Materiale și tabele cu coeficienți de frecare”.

Determinarea experimentală a coeficienților de frecare și a valorilor de frecare

Coeficienții de frecare pentru frecarea statică și frecarea dinamică trebuie determinați experimental, deoarece depind de diverși factori, cum ar fi textura și asperitatea suprafeței, viteza de mișcare și condițiile de mediu.

Determinarea experimentală a coeficienților de frecare și a valorilor de frecare necesită performanța precisă a testelor de frecare în condiții controlate.

• Proiectați o configurație de testare adecvată care să permită frecarea a două probe de material sau suprafețe una de cealaltă. Configurarea trebuie să permită aplicarea unei forțe sau greutăți externe pentru a iniția frecarea și a controla mișcarea.
• Selectați materialele pentru care doriți să determinați coeficientul de frecare și asigurați-vă că suprafețele sunt curate și lipsite de contaminanți. Suprafețele trebuie să ofere o reprezentare reprezentativă a condițiilor reale de aplicare.
• Pregătiți cu atenție suprafețele probelor de material pentru a minimiza denivelările cauzate de contaminare. Suprafețele curate contribuie la obținerea unor rezultate reproductibile.
• Verificați condițiile ambiante și mențineți-le constante la fiecare test efectuat. Efectuați testele într-un mediu controlabil, în care să poată menține cât mai mulți factori de mediu. Acest lucru afectează în principal presiunea aerului (constanta Δp), temperatura (constanta ΔT) și umiditatea.
• Efectuați testele de frecare. Măsurați forțele aplicate și forțele de reacție sau forțele de frecare rezultate în timpul mișcării sau atunci când încercați să inițiați mișcarea.
• Repetați testele de frecare de mai multe ori pentru date semnificative.
• Calculați coeficienții de frecare (μ_s și μ_d) pe baza datelor măsurate. Utilizați formulele corespunzătoare pentru a calcula coeficienții de frecare sau pentru a determina valorile de frecare pentru combinația de materiale selectată. Rețineți și condițiile de mediu.

În timpul testului, măsurați următoarele forțe:

• Măsurați forța de frecare statică de pe contorul forței arcului cu puțin timp înainte ca obiectul să fie pus în mișcare.
• Măsurați forța de frecare glisantă de pe contorul forței arcului în timp ce obiectul se mișcă.

Apoi calculați coeficienții de frecare:

Precizia și sensibilitatea măsurării sunt decisive pentru a obține date exacte. Coeficienții de frecare determinați pot depinde în mare măsură de condițiile specifice de aplicare.

Determinarea experimentală a valorilor de frecare poate dura mult timp și poate fi costisitoare. Cu toate acestea, este esențial să îmbunătățim înțelegerea proprietăților de frecare ale materialelor și să dezvoltăm aplicații tehnice eficiente. Pentru a obține rezultate precise și fiabile, sunt necesare planificarea atentă, execuția precisă și evaluarea statistică.

Importanța frecării în aplicațiile industriale

Frecarea joacă un rol central într-o varietate de aplicații industriale și este un fenomen fizic fundamental care vine nu numai cu avantaje, ci și cu provocări.

În multe sisteme tehnice, cum ar fi motoarele, angrenajele sau rulmenții, este nevoie de control sau o minimizare a frecării, pentru a reduce pierderile de energie și uzura și pentru a îmbunătăți eficiența.

• Sisteme de control al mișcării și frânare: Frecarea este utilizată în sistemele de frânare pentru a controla și încetini mișcarea mașinilor. Exploatarea țintită a proprietăților de frecare permite control și o siguranță precise.
• Frecarea și stabilitatea adezivului: În multe aplicații, cum ar fi stând pe o suprafață înclinată, frecarea statică este esențială pentru a asigura stabilitatea și a preveni alunecarea.
• Uzura materialelor și durata de viață: Frecarea poate cauza uzura materialului, ceea ce poate reduce durata de viață a componentelor. Este important să înțelegeți proprietățile de frecare pentru a minimiza uzura și a maximiza durata de viață a componentelor.
• Selectarea materialului: Cunoașterea proprietăților de frecare ale materialelor este esențială atunci când selectați materiale pentru aplicații specifice. Valorile frecării trebuie luate în considerare pentru a selecta combinațiile optime de materiale pentru scopuri specifice.
• Lubrifiere: Lubrifierea eficientă este esențială pentru a reduce frecarea și uzura în multe sisteme mecanice și pentru a prelungi durata de viață.

Efectul frecării asupra uzurii

Majoritatea aplicațiilor industriale au următoarele obiective:

• minimizarea uzurii
• maximizarea eficienței sistemului
• maximizarea duratei de viață a sistemului

Frecarea, lubrifierea, asperitatea și uzura formează un sistem dinamic și depind reciproc.

Fundalul științific al frecării și uzurii este explorat în domeniul tribologiei, învățând despre frecare, lubrifiere și uzură pe componente. Toate aplicațiile industriale, unde componentele mecanice lucrează împreună sau se întâlnesc, pot fi considerate un așa-numit sistem tribologic.

Trebuie luate în considerare interacțiunile reciproce, în special în cazul cererilor pe termen lung:

• Temperatura și alte condiții de mediu pot afecta proprietățile de frecare. La temperaturi ridicate, materialele se pot înmuia, ceea ce poate duce la o modificare a frecării. Pe de altă parte, o temperatură ridicată poate duce și la eșecul lubrifiantului sau la creșterea uzurii.
• Uzura suprafețelor de contact (de ex. abraziunea) poate influența proprietățile de frecare pe termen lung. Dacă materialul se uzează sau se desprinde de pe suprafețele de contact, acest lucru poate duce la o modificare a factorilor de frecare. Uzura sporită poate duce, de asemenea, la o frecare sporită și la deteriorarea performanței.
• Lubrifierea, fie sub formă lichidă sau solidă, joacă un rol important în influențarea frecării. Lubrifierea adecvată poate reduce frecarea și reduce uzura. Cu toate acestea, lubrifierea deficitară sau lipsa lubrifierii poate duce la creșterea frecării și a uzurii.

În toate aplicațiile industriale, este important să luați în considerare interacțiunile și să efectuați verificări periodice ale uzurii.

Măsuri pentru creșterea frecării

În unele aplicații industriale poate fi important să creștem frecarea dintre componente. De exemplu, pentru a preveni slăbirea conexiunilor șuruburilor.

Pentru a crește frecarea, sunt implementate următoarele măsuri, de exemplu:

• Măriți asperitatea sau duritatea suprafeței: Înăsprirea unei suprafețe poate crește frecarea. O posibilitate de înăsprire este așa-numita sablare (de ex., curățare prin sablare) în care suprafața este schimbată direct. O altă opțiune este tratarea suprafeței, proces în cursul căreia o teacă este aplicată materialului de bază - de exemplu, prin galvanizare la cald.
• Utilizați aditivi de frecare: Aditivii pot fi adăugați la anumite uleiuri de mașină pentru a crește frecarea.
• Utilizați adezivi sau materiale tampon: Aplicarea adezivilor sau a materialelor tampon poate crește frecarea. Lichidul de etanșare sau din teflon pentru fixarea filetelor este adecvat, de exemplu, pentru conexiunile cu șuruburi. Acești agenți pot avea, de asemenea, un efect de sigilare.

Materiale și tabelul coeficienților de frecare

Mai jos este o prezentare generală a coeficienților de frecare uscată a perechilor tipice de materiale.