Тема 8 неделя ТММ. Трение износ, механический кпд механизмов

• Название: Трение износ, механический кпд механизмов
• Дата: 29.03.2023
• Размер: 381.67 Kb.
• Имя файла: Тема 8 неделя ТММ.docx
• Тип: Лекция; #1024610

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Актюбинский региональный университет имени К.Жубанова
Факультет Технический

Кафедра Транспортная техника, организация перевозок и строительство
«Утверждаю»

Заведующий кафедрой

_______Утебаев И.С.

«___» __________ 2023 г.
ЛЕКЦИЯ 8 недели

Тема 8 недели: Тема:Трение износ, механический КПД механизмов.

Рассматриваемые вопросы: Природа сил трения. Внутреннее и внешнее трение. Трение скольжения, качения, покоя.

Составитель: к.п.н., доцент Семенихин В.В.


Актобе, 2022
Тема: Трение износ, механический КПД механизмов.

8.1 Природа сил трения. (Кичаев)

Сопротивление, возникающее на поверхности двух соприкасающихся тел при их относительном движении, называется силой внешнего трения. При движении одного тела относительно другого происходит сцепление, возникают упругие, вязкие деформации, развивают силы молекулярного взаимодействия.

Энергия затрачиваемая на трение, превращается в теплоту, происходит сглаживание шероховатостей, называемое износом.

В зависимости от взаимодействия различают:

 трение скольжения – как в низших, так и высших парах (1 рода);

 трение качения – при перекатывании поверхностей, встречается только в высших парах (2 рода);

 трение верчения – относительное движение вокруг общей нормали и все точки описывают концентрические окружности.

В зависимости от состояния поверхностей различают:

 сухое трение – без всяких примесей;

 граничное трение – слой смазки менее ≈ 0,1 мкм;

 жидкостное трение – слой смазки полностью разделяет поверхности соприкасающихся тел;

 трение с газовой смазкой.

Основные зависимости при трении скольжения

Сухое трение.

F_тр = F_мол + F_мех,

где F_тр – сила трения при скольжении;

F_мол – сила трения, определяемая силами молекулярного взаимодействия контактирующих элементо в;

Fмех – сила трения механических связей.

F_тр = μ_т·S_ф + ƒ·N ,

где μ_т – интенсивность молекулярной силы трения;

S_ф – фактическая площадь контакта;

N – нормальное давление;

ƒ – коэффициент трения, безразмерная величина, зависит от материала и состояния поверхности и т. д. На практике применяют F = ƒ·N.

Различают коэффициент трения покоя ƒ₀ > ƒ, когда сила трения покоя характеризуется отсутствием относительного движения двух соприкасающихся тел при действии на них касательных сил. Основные закономерности сухого трения:  силы трения направлены противоположно относительным скоростям;  с увеличением скорости, сила трения уменьшается;  с возрастанием удельного давления ƒ увеличивается;  с увеличением времени контакта, сила трения возрастает.

Жидкостное трение.

Жидкостное трение определяется гидродинамическими явлениями, возникающими в движущейся масляной пленке. Основным требованием, обеспечивающим жидкостное трение, является создание клиновидного зазора между трущимися поверхностями при большой скорости скольжения (рис. 2.55).



Рис. 2.55. Картина образования масляного клина при жидкостном трении: а – в поступательной паре; б, в – во вращательной паре
Современная гидродинамическая теория смазки подшипников Н.П. Петрова (1883) в упрощенном виде дает формулу

F = μ·V·S /ε

где μ – коэффициент абсолютной вязкости смазки;

V – скорость относительного скольжения;

S – поверхность соприкосновения твердых тел (шина с вкладышем);

ε – толщина слоя смазки.

И при ƒ* = μ·V/ε·q

F = ƒ* ·N,

где ƒ * – приведенный коэффициент трения,

q = N/S – удельное давление, ƒ * ≈ 0,005 ÷ 0,015.

Зависимость коэффициента трения от скорости относительного скольжения представлена на рис. 2.56



Р и с. 2.56. Характер изменения приведенного коэффициент трения от скорости относительного скольжения:

ab – граничное трение; b – точка всплывания; bc – жидкостное трение
8.2 Внутреннее и внешнее трение.

Также трение разделяют на внутреннее и внешнее. Последнее возникает при взаимодействии твердых тел. Значит к нему можно отнести сухое трение. Внутреннее же характеризуется вязкостью. Именно при взаимодействии жидкостей или газа смещение происходит внутри одного тела, когда слои движутся относительно друг друга.

8.3Трение скольжения, качения, покоя.

Трение покоя. Рассмотрим тело в состоянии покоя на горизонтальной поверхности. В этом состоянии на тело действует сила притяжения Земли и сила нормальной реакции опоры . Слово "нормальной" означает перпендикулярной, т.е. опора реагирует на тело таким образом, что сила воздействия опоры на тело направлена перпендикулярно поверхности опор



Попробуем сдвинуть тело в горизонтальном направлении. Для этого будем прикладывать силу , меняя ее величину от нуля до некоторого значения Fкр, при котором тело начнет скользить.

Поскольку тело находится в состоянии покоя, в соответствии со II законом Ньютона, на него должна действовать сила равная по величине и противоположено направленная силе F. Это и есть сила трения покоя. Эти две силы уравновешивают друг друга в каждый момент времени. В какую сторону будет направлена сила трения покоя в общем случае?

Сила трения покоя направлена в сторону противоположенную возможному перемещению тела.

Например, на наклонной плоскости сила трения покоя будет направленна вверх, вдоль наклонной плоскости. При этом возможное перемещение будет направлено вниз. На опыте можно установить, от чего зависит максимальное значение силы трения покоя. Помещая на брусок дополнительные грузы и тем самым увеличивая силу, прижимающую его к поверхности, можно убедиться, что максимальная сила трения покоя прямо пропорциональна этой силе. Иначе можно сказать, что Fтр.пок прямо пропорциональна нормальной реакции опоры. Поскольку прижимающая сила и реакция опоры будут равны по III закону Ньютона. Таким образом, сила трения покоя зависит от величины нормальной реакции опоры. Величина силы трения меняется от нуля до некоторого максимального значения, равного

F_тр.пок = μ_тр.пок N

Замечание: Благодаря трению покоя обеспечивается равновесие многих технических конструкций и строительных сооружений. Однако в ряде случаев именно сила трения покоя необходима для возникновения движения. Так, например, при ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает ей ускорение. Ведь подошва не скользит назад и, значит, трение между ней и дорогой - это трение покоя. При движении автомобилей, в отсутствии пробуксовки, сила толкающая автомобиль - это сила трения покоя.

Трение скольжения

Рассмотрим движущееся тело. Предположим, что сила F перестала действовать. В результате, через определенное время тело остановится. Следовательно, на него действовала сила, препятствующая движению. Это сила называется силой трения скольжения.



Сила трения скольжения направлена вдоль поверхности соприкосновения тел противоположено относительной скорости.

От чего будет зависеть трение скольжения? Аналогично трению покоя, сила трения скольжения зависит от прижимающей силы или силы нормальной реакции опоры.

Из опыта видно, что сила трения скольжения прямо пропорциональна величине силы нормальной реакции опоры и не зависит от площади соприкосновения двух тел.

F_тр.ск = μ_тр.ск N

Стоит отметить, что последнее равенство является скалярным уравнением, а не векторным. Поскольку сила трения и сила нормальной реакции опоры перпендикулярны друг другу.

Коэффициент трения

Коэффициент трения покоя µ_тр.пок и коэффициент трения скольжения µ_тр.ск зависят от сочетания материалов, характера обработки поверхностей и их состояния и не зависит от площади соприкосновения двух тел. Независимость от величины площади соприкосновения можно объяснить так: при увеличении площади в 2 раза, увеличивается число взаимодействующих молекул и шероховатостей, но при этом сила давления уменьшится тоже в 2 раза, поэтому взаимодействие двух тел не изменится. Но в реальных условиях коэффициент трения покоя зависит от площади соприкосновения поверхностей двух тел. Например, кирпич будет проще сдвинуть с места, если он лежит на торце, а не плашмя. В случае трения покоя срабатывает эффект запаздывания, поэтому изменение площади соприкосновения приводит к изменению величины силы. Хотя в идеальном случае сила трения покоя также не будет зависеть от площади соприкосновения двух тел. Коэффициент трения не может быть вычислен теоретически на основе знания о строении поверхности твердого тела, а определяется опытным путем. Опыт показывает, что µ_тр.пок > µ_тр.ск (3) Обычно, при не слишком больших скоростях коэффициент трения скольжения не зависит от относительной скорости трущихся поверхностей. Строго говоря, свойство независимости от скорости верно лишь приближенно. Поскольку, коэффициент трения скольжения незначительно уменьшается с увеличением относительной скорости, а затем начинает возрастать. В дальнейшем будем пренебрегать этой зависимостью от скорости. Тогда можно считать, что коэффициент трения покоя равен коэффициенту трения скольжения



Физический смысл: Коэффициент трения показывает, какую долю, сила трения составляет от силы нормальной реакции опоры

Графическое описание



График F(N): Тангенс угла наклона графика зависимости силы трения от силы нормальной реакции опоры численно равен коэффициенту трения

tg α = Fтр/N = µ

Таким образом, если экспериментально построить такую зависимость для двух тел, то можно определить коэффициент трения для этих тел. График Fx(vx): Из графика зависимости проекции силы трения от проекции скорости можно увидеть, что в состоянии покоя сила меняется от нуля, до некоторого критического значения, затем тело начинает скользить, при этом в первый момент сила трения скольжения уменьшается, а затем начинает увеличиваться. Также из графика видно, что сила направлена в строну противоположенную относительно скорости.

Трение качения

Возьмем деревянный цилиндр и положим его так, как указано на рисунке.



Если тянуть за динамометр, то цилиндр покатится по столу. По показаниям динамометра можно будет увидеть, что для этого требуется очень небольшая сила, значительно меньшая, чем при скольжении того же самого цилиндра.

Сила, возникающая между цилиндром и поверхностью называется трением качения. Когда шар или цилиндр катится по поверхности другого тела, он немного вдавливается в поверхность этого тела, а сам немного сжимается. Таким образом, катящееся тело всё время вкатывается в горку. Поэтому, чем тверже будут поверхности, тем меньше будет вдавливание и тем меньше трение качения.

При том же давлении сила трения качения много меньше силы трения скольжения.

Поэтому в машинах стремятся заменить трение скольжения, трением качения, применяя подшипники.
Механический КПД механизмов (бонус(Кичаев с.91))

Энергетическая характеристика машинного агрегата на стадии установившего движения имеет вид

Адс = Апс + Авс, (2.97)

где Адс – работа движущих сил за цикл движения машинного агрегата;

Апс – работа сил полезного сопротивления за цикл движения машинного агрегата;

Авс – работа сил вредного сопротивления за цикл движения машинного агрегата.

Механическим КПД машины η называется отношение работы сил полезных сопротивлений Апс к работе движущих сил Адс за период установившегося движения

η = Апс/Адc = (Адc - Авс)/Адc = 1 - Авс/Адc = 1 – æ, (2.98)

где æ = Авс/Адс – коэффициент потерь.

Данный критерий удобно применять для отдельных механизмов и кинематических пар. При расчете мгновенного КПД, отношение работ заменяют отношением мощностей. Механизм может быть получен путем соединения кинематических цепей последовательно или параллельно. Полный КПД при последовательном соединении (рис. 2.63) равен произведению частных КПД η = η1·η2·η3… ηn



Р и с. 2.63. Полный КПД при последовательном соединении
При параллельном соединении механизмов (рис. 2.64), полный КПД вычисляется по формуле (2.99)



Рис. 2.64.

η = η₁·k₁ + η₂·k₂ + η₃·k₃ + … ηn·kn, (2.99)

где k₁, k₂… kn – коэффициенты распределения энергии;

k₁ + k₂ +… kn = 1.

А₁=А_д·k₁, А₂= Ад·k₂, …, Аn·kn= Ад·kn.
Полный КПД при параллельном соединении

η = k₁(η₁·η_1/2) + k₂(η₂·η_2/2)

Смешанное соединение рассматривают по цепям (рис. 2.65):



Р и с. 2.65. Полный КПД при смешанном соединении

Классификация трения:

• Вязкое - трение возникающие при соприкосновении твердого тела с жидкостью и газом.

• Сухое - трение возникающие на поверхностях соприкосновения твердых тел – трение покоя – трение скольжения – трение качения.

• Смешанное. Оно наблюдается, когда между телами, соприкасающимися поверхностями, есть слой смазки.

Будем рассматривать сухое трение. Почему же возникает сила трения при соприкосновении поверхностей твердых тел? Первой причиной является шероховатость поверхностей. Шероховатости цепляются друг за друга, тем самым препятствуя движению одного тела относительно другого. Но тела можно достаточно хорошо отшлифовать, убрав почти все шероховатости.

Рассмотрим например два плоских стекла. Если положить одно на другое, то сдвинуть их будет практически невозможно. Но стекла достаточно гладкие, и должны были бы скользить одно по другому. Здесь проявляется вторая причина возникновения трения. При отсутствии шероховатостей молекулы двух твердых тел расположены так близко друг к другу, что между ними возникает сила притяжения, а поскольку молекул огромное количество, то два тела прилипают друг к другу.

Природа силы трения заключается в шероховатости поверхностей и взаимодействии молекул.

Основные виды силы трения:

Покоя. Она сопротивляется внешним факторам, пытающимся сдвинуть тело. При их отсутствии ее значение приравнивают к нулю.

Скольжения. Она находится в прямой зависимости от коэффициента трения и значения силы, с которой поверхность оказывает давление на тело. Ее направление действия всегда перпендикулярно поверхности. Она обычно ниже, чем максимальная сила трения покоя.

Качения. Она возникает, когда одно тело катится по поверхности другого. Например, при соприкосновении колеса едущего велосипеда с дорогой или при работе подшипникового механизма. Она оказывает гораздо меньшее действие, чем трение скольжения, если остальные условия считать неизменными. Ее открытие стало незаменимым для техники. Колеса и круглые детали, вращающиеся и меняющие положение, являются основой многих механизмов и работы транспортных средств.

Верчения. Она появляется, когда один предмет начинает вращаться по поверхности другого.



(физика 7 класс)