Устройство и методика измерения моментов сил сопротивления качению на пятне контакта
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-4-308-321
Аннотация
В настоящее время изучение трения качения является одним из основных направлений в исследовании закономерностей контактного взаимодействия твёрдых тел. О сложности решения проблем, существующих в этой области, свидетельствует практически необозримое количество публикаций, список которых постоянно растёт.
В данной работе внимание уделяется исследованиям моментов сопротивления качению при смещениях из положения равновесия тела в форме шарика, существенно меньших размеров пятна контакта. Цель представленной работы состояла в описании конструкции разработанного авторами одноконтактного маятникового прибора, в котором физический маятник, опираясь на плоскую поверхность исследуемого тела только одним шариком, совершает свободные малые качания со стабильной вертикальной плоскостью качаний, а также в описании специальной методики измерений с высокой чувствительностью и точностью сил сопротивления качению, в том числе, сил адгезии и упругих сил частотно-независимого внутреннего трения.
Оригинальность методики измерения сопротивления качению в данной работе состоит в использовании метода нелинейной аппроксимации зависимости амплитуды и периода качаний маятника от времени. Аппроксимация проводится на основании предложенных законов затухания амплитуды и изменения периода, которые отличаются от обычного экспоненциального закона. Предполагается, что данный подход позволяет провести оценку поверхностного натяжения твёрдого тела и оценку давления сил адгезии между поверхностями контактирующих тел, а также установить аналитический вид момента сопротивления качению. Проведены эксперименты для следующих пар контактирующих тел: сталь-сталь, сталь-стекло, сталь-кремний. Построены кривые зависимости момента сопротивления качению от амплитуды качаний маятника.
Разработанный одношариковый маятниковый прибор и предложенная методика измерений открывают новые широкие возможности для исследований механизмов и закономерностей сопротивления качению в условиях микрои мезоперемещений катящегося тела из состояния покоя.
Ключевые слова
Об авторах
И. З. ДжилавдариБеларусь
пр. Независимости, 65, г. Минск 220013
С. Мекид
Саудовская Аравия
Дахран 31261, Саудовская Аравия
Н. Н. Ризноокая
Беларусь
Адрес для переписки: Н.Н.Ризноокая – Белорусский национальный технический университет, пр. Независимости, 65, г. Минск 220013, Беларусь e-mail: Riznookaya@bntu.by
Список литературы
1. Cross, R. Coulomb’s Law for rolling friction / R. Cross // Amer. J. Phys. – 2016. – Vol. 84, no. 3. – P. 221–230. DOI: 10.1119/1.4938149
2. Cherepanov, G.P. The laws of rolling / G.P. Cherepanov // Physical Mesomechanics. – 2019. – Vol. 22, no. 3. – P. 242–254. DOI: 10.1134/S1029959919030093
3. Popov, V.L. Contact mechanics and friction: Physical Principles and Applications / V.L. Popov // Berlin: Springer, Berlin, Heidelberg, 2017. – P. 231–253. DOI: 10.1007/978-3-662-53081-8
4. Popov, V.L. What does friction really depend on? Robust governing parameters in contact mechanics and friction / V.L. Popov // Physical Mesomechanics. – 2016. – Vol. 19, no. 2. – P. 115–122. DOI: 10.1134/S1029959916020016
5. Bowden, F.P. The friction and lubrication of solids / F.P. Bowden, D. Tabor // New York: Oxford University Press, 1950. – 372 p.
6. Johnson, K.L. Contactmechanics/ K.L. Johnson // Cambridge university press, 1987. – 452 p. DOI: 10.1017/CBO9781139171731
7. Mekid, S. A non-linear model for pre-rolling friction force in precision positioning / S. Mekid // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journalof Engineering Tribology.– 2004.– Vol. 218, no. 4. – P. 305–312. DOI: 10.1243/1350650041762686
8. Tan, X. Measurement and modeling of dynamic rolling friction in linear microball bearings / X. Tan, A. Modafe, R. Ghodssi // Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control. – 2006. – Vol. 128. – P. 891– 898. DOI: 10.1115/1.2362786
9. Amthor, A. High precision position control using and adaptive friction compensation approach / A. Amthor, S. Zschaeck, C. Ament // IEEE Transactions on automatic control. – 2010. – Vol. 55, no. 1. – P. 274–278. DOI: 10.1109/TAC.2009.2036307
10. Benditkis, R. Comment on rolling resistance / R.Benditkis, D.S. Necsulescu // Technical briefs in J. Tribology. – 1994. – Vol. 116, no. 3. – P. 658–659. DOI: 10.1115/1.2928898
11. Van Spengen, W. Merlijn. MEMS reliability from a failure mechanisms perspective / W. Merlijn van Spengen // Microelectronics Reliability. – Vol. 43, no. 7. – 2003. – P. 1049–1060. DOI: 10.1016/S0026-2714(03)00119-7
12. Mekid, S. Dedicated instruments for nanoengineering education: Integrated nano-manipulation and micro-nanomachining / S. Mekid // International Journal of Mechanical Engineering Education. – 2019. – P. 0306419019846591. DOI: 10.1177/0306419019846591
13. Mekid, S. Engineering manipulation at nanoscale: further functional specifications / S. Mekid, S. Bashmal // Journal of Engineering, Design and Technology. – 2019. – Vol. 17, no. 3. – P. 572–590. DOI: 10.1108/JEDT-09-2018-0165)
14. Szoszkiewicz, R. Adhesion hysteresis and friction at nanometer and micrometer length / R. Szoszkiewicz [et al.] // Journal of applied physics. – 2006. – Vol. 99, iss. 1 – P. 1–7. DOI: 10.1063/1.2159081
15. Белый, В.А. Адгезия полимеров к металлам // В.А. Белый [и др.]. − Минск: Наука и техника. – 1971. – 228 с.
16. Менделеев, Д.И. Опытное исследование колебания весов и возобновление прототипа или основной образцовой русской меры массы в 1893-1898 гг. / Д.И. Менделеев. С предисл. М.А. Шателена. – Л. Гос. науч.-техн. изд-во, Ленхимсектор, 1931. – 302 с.
17. Herbert, E.G. Some Recent developments in hardness testing / E.G. Herbert // The Engineer. – 1923. – Vol. 135. – P. 686–687.
18. Halama, R. Mechanics of Herbert Pendulum Hardness Tester and its Application / R. Halama [et al.] // Key Engineering Materials. – Trans Tech Publications Ltd, 2017. – Vol. 741. – P. 122–127. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.741.122
19. Matsubara, M. Improved Herbert hardness tester / M. Matsubara, K. Sakamoto // Experimental Techniques. – 2012. – Vol. 36, no. 3. – P. 73–76. DOI: 10.1111/j.1747-1567.2011.00736.x
20. Suzuki, R. Hardness Measurement for Metals Using Lightweight Herbert Pendulum Hardness Tester With Cylindrical Indenter / R. Suzuki [et al.] // Experimental Techniques. – 2016. – Vol. 40, no. 2. – P. 795–802. DOI: 10.1111/ext.12121
21. Кузнецов, В.Д. Физика твердого тела: в 5 т / В.Д. Кузнецов. – Томск : Красное знамя, 1937– 1949. – Т. 1 / Сост. при участии В.А. Жданова, Н.Ф. Кунина, Д.Д. Саратовкина. – 1937. – C. 448–480.
22. Tomlinson, G.A. CVI. A molecular theory of friction / G.A. Tomlinson // The London, Edinburgh, and Dublin philosophical magazine and journal of science. – 1929. – Vol. 7, no. 46. – P. 905–939. DOI: 10.1080/14786440608564819
23. Gilavdary, I. Micro-slippage effects in pre-rolling induced by a disturbed and undisturbed pendulum with spherical supports / I. Gilavdary [et al.] // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. – 2014. – Vol. 228, no. 1. – P. 46–52. DOI: 10.1177/1350650113498230
24. Gilavdary, I. A new theory on pure pre-rolling resistance through pendulum oscillations / I. Gilavdary [et al.] // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology. – 2013. – Vol. 227, no. 6. – P. 618–628. DOI: 10.1177/1350650112465516
25. Ковалев, А.В. Феноменологическая модель адгезионного контакта / А.В. Ковалев, И.Н. Ковалева, Н.К. Мышкин // Трение и износ. – 2005. – T. 26, № 6. – С. 575–585.
26. Григорьев, А.Я. Измерение контактной адгезии и аттракционного взаимодействия технических поверхностей / А.Я. Григорьев [и др.] // Трение и износ. – 2003. – T. 24, № 4. – С. 405–412.
Рецензия
Для цитирования:
Джилавдари И.З., Мекид С., Ризноокая Н.Н. Устройство и методика измерения моментов сил сопротивления качению на пятне контакта. Приборы и методы измерений. 2019;10(4):308-321. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-4-308-321
For citation:
Gilavdary I.Z., Mekid S., Riznookaya N.N. Device and Measuring Method the Moments of Rolling Resistance Forces on the Contact Spot. Devices and Methods of Measurements. 2019;10(4):308-321. (In Russ.) https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-4-308-321