Закон сухого трения. 
Моделирование фрикционных автоколебаний. 
Модели Барриджа и Кнопова

Доклад

Закон сухого трения. Моделирование фрикционных автоколебаний. Модели Барриджа и Кнопова

Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутствие смазки.

Сухое трение, в свою очередь, подразделяется на трение скольжения и трение качения.

Законы сухого трения были сформулированы Кулоном. Величина максимальной силы трения покоя / № вг зависит от величины силы нормального давления между поверхностями. Если в нашем опыте (рис. 87) увеличивать силу нормального давления, то примерно пропорционально этой силе будет возрастать и величина того груза, который нужно положить на чашку, чтобы возникло скольжение.

Законы сухого трения применимы для твердых поверхностей. Смазка лыж нужна не столько для уменьшения трения, сколько для устранения возможного прилипания снега к лыжам.

Рассмотрим законы сухого трения.

Рассмотрим сначала законы сухого трения. Такое трение возникает не только при скольжении одного тела по поверхности другого, но и при всякой попытке вызвать такое скольжение. В последнем случае трение называется трением покоя или трением сцепления. Наличие трения покоя — характерная д особенность сухого трения. В более общем смысле, безотносительно к тому, между какими телами возникает трение, оно называется сухим, если силы трения не исчезают при обращении в нуль относительных скоростей соприкасающихся тел. В противоположном случае трение называется жидким. Приложим затем к бруску горизонтальную силу, лежащую в вертикальной плоскости, проходящей через его центр масс, как можно ближе к поверхности стола, чтобы предотвратить опрокидывание бруска, когда он придет в движение. Опыт показывает, что если сила не превосходит некоторой определенной величины, то брусок не приходит в движение. Это и есть сила трения, а именно трения покоя. Такая же сила трения, но в противоположном направлении, действует на поверхность стола со стороны бруска.

Вибродиагностика параметров сухого некулонова трения при фрикционных автоколебаниях Динамические процессы в механических устройствах с контактирующими и трущимися элементами в кинематических парах, таких как направляющие суппортов станков, робототехнические системы, фрикционные муфты, сцепления, подшипники скольжения валов и др., могут сопровождаться возникновением сложных и плохо контролируемых, а значит, и таких трудно устранимых явлений, как фрикционные автоколебания. Результатом фрикционных автоколебаний в машинах является снижение показателей качества технологических процессов, точности позиционирования, усталостные разрушения и повышенные износы деталей.

Причиной возникновения фрикционных автоколебаний является нелинейная «падающая» характеристика силы сухого трения от скорости относительного скольжения контактирующих поверхностей. В этой связи определение динамических, то есть постоянно изменяющихся во времени и в функции других величин, параметров сухого некулонова трения носит важный и актуальный характер. Решение этой задачи позволит эффективнее осуществлять диагностику трущихся и контактирующих узлов машин, делать надежный прогноз динамического поведения их кинематических пар, например, прогнозирование фрикционных автоколебаний, а также обеспечит возможность целенаправленного управления процессом трения. Идентифицируемые параметры действующих нелинейных сил сухого трения могут быть использованы в качестве диагностических признаков для оценки технического состояния такого класса объектов, в том числе на дихотомическом уровне («годен» — «негоден»).

Однако непосредственное измерение действующих сил сухого трения возможно лишь триботехническими методами и подходами и весьма сложно реализуемо в упругих колебательных системах. Поэтому для идентификации динамических параметров сухого трения приходится использовать косвенные методы, основанные на измерении колебательного отклика в динамической системе.

Рассмотрим один из предлагаемых методов идентификации параметров сухого некулонова трения, реализуемый при исследовании фрикционных автоколебаний.

Расчетная динамическая схема рассматриваемой системы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная динамическая схема системы для исследования фрикционных автоколебаний Дифференциальное уравнение динамики данной системы имеет вид:

где C — коэффициент жесткости упругого элемента;

b0 — коэффициент вязкого сопротивления;

v=const — постоянная скорость перемещения правого конца упругого элемента;

— закон изменения силы сухого некулонова трения с падающей характеристикой от скорости (рис. 2).

Таким образом, предложенная методика, испытательный стенд и аппаратурно-вычислительный комплекс для исследования динамики фрикционных автоколебательных процессов позволяют проводить идентификацию динамических параметров силы сухого некулонова трения и реализовывать на этой основе процедуры вибрационной диагностики различных пар трения, предрасположенных к возникновению фрикционных автоколебаний.

Модель Барриджа и Кнопова Модель Барриджа-Кнопова (Б-К), была создана более 40 лет тому назад с целью объяснить появление повторных ударов при землетрясениях.

трение кулон качение скольжение Суть модели Б-К можно понять из рисунка, на котором показано, что движущаяся плита соединена с неподвижной плитой посредством N дискретных элементов (блоков), связанных между собой и плитами посредством «пружин». Рассмотрим один из блоков. Идея данной модели заключается в том, что пока на этот блок действует сила, меньшая заданной пороговой, он неподвижен. При достижении порога блок «срывается» скачкообразно. Взаимное влияние блоков, заключающееся в том, что сорвавшийся тянет за собой и другие, может привести к одновременному срыву сразу нескольких соседних элементов системы. Это, по Б-К, и есть «главный удар» землетрясения, в то время как «прыжки» других блоков, это повторные удары, или афтершоки. Модель Б-К исследовалась в лаборатории экспериментально и на компьютере, — численно. В результате было показано, что модель проявляет свойства, присущие экспериментальному закону повторяемости землетрясений Гутенберга-Рихтера. В экспериментах наблюдалось подобие главного удара (main shock), форшоков и афтершоков.

При экспериментальном изучении поведения образцов горных пород при нагружении внешним давлением было обнаружено, что действующая на образец сила изменяется в зависимости от величины регистрируемого изменения длины образца в «виде пилы». Б-К модель нашла геологическое объяснение этим результатам как «прерывистое скольжение» (stick-slip) двух плит друг по другу вдоль разлома при наличии трения.

Несмотря на то, что модель Б-К была предложена еще во второй половине прошлого века, интерес к ней у ученых возрос лишь в последние годы. Это объясняется тем, что наметились определенные успехи в физике нелинейных явлений, в частности, в области самоорганизующихся систем. Модель Б-К была признана как вполне подходящая основа для отработки этих идей и моделирования соответствующих систем. Кроме этого, в настоящее время принято считать, что эта модель, из всех других, наиболее адекватна описывает процесс землетрясения.

Все Б-К модели подчиняются экспериментальному закону Гутенберга-Рихтера, согласно которому число землетрясений N с энергией Е:

Опишем детально двумерную версию модели Б-К. Все блоки системы находятся на платформе. Между платформой и блоками есть трение. Каждый блок системы соединен с четырьмя соседями с помощью пружин. Также, каждый блок еще одной пружиной присоединен к верхней большой движущейся платформе. Движение блоков вызывается относительным смещением двух плит. Когда сила, действующая на блок становится больше некоторой пороговой (F_c^ritical, максимальное значение трения покоя), блок «срывается». В модели предполагается, что после срыва на блок действует нулевая сила (т.е. равнодействующая равна нулю), а силы, действующие на соседей, пересчитываются. Это может привести к срыву кого-то из соседей, а значит к цепной реакции (землетрясению). Общее количество сорвавшихся в одном таком процессе ячеек и задает размер соответствующего землетрясения. Для начала, представим данную двухмерную блочно-пружинную модель в виде клеточного автомата. Зададим массив блоков размером L₁xL₂, каждому блоку поставим в соответствие его координаты (i, j). 1? i?L₁, 1? j?L₂.

Через x_i,j обозначено смещение блока (i, j) от положения равновесия. Полная сила, приложенная к этому блоку, задается выражением:

Где К₁, К₂, К_L — коэффициенты жесткости соответствующих пружин, x_i,j — смещение блока (i, j) относительно положения равновесия. При движении одной из плит относительно другой сила, действующая на каждый блок, растет постоянно, пока не достигнет критического значения, после чего начнется процесс релаксации.