Как измеряется коэффициент трения? Объяснение лабораторных и полевых методов

Спросите десять инженеров, насколько скользким является материал, и вы получите десять разных мнений. Спросите их, как измеряется коэффициент трения, и ответы сводятся к одной идее: перетащить одну поверхность через другую, измерить силу, которая сопротивляется движению, и разделить ее на нагрузку, прижимающую две поверхности друг к другу. Все остальное — крепления, скорости, стандарты, условия — существует для того, чтобы сделать это соотношение повторяемым.

Ниже мы рассмотрим классические ручные методы, подход с использованием испытательных машин, используемый в современных лабораториях, стандарты, определяющие детали, и привычки, которые отличают достоверное число от ошибочного.

Физика, лежащая в основе каждого измерения трения

Коэффициент трения, обычно обозначаемый греческой буквой мю, представляет собой соотношение: сила трения, деленная на нормальную силу, сжимающую поверхности вместе. Поскольку это соотношение двух сил, оно не имеет единицы измерения, и именно поэтому оно так полезно — значение 0,3 означает одно и то же, независимо от того, получено ли оно из упаковочной пленки или бетонной плиты.

Для одной и той же пары материалов обычно указываются два числа:

• Статическое трение — сила, необходимая для начала движения, фиксируемая в момент отрыва поверхностей.
• Кинетическое трение — сила, необходимая для того, чтобы они скользили с постоянной скоростью.

Статическое трение обычно является более высоким из двух, поэтому тяжелый ящик требует сильного толчка, чтобы сдвинуться с места, а затем легче скользит. Каждый метод, от пружинных весов до сервогидравлической рамы, представляет собой просто разные способы выполнения двух задач: применить известную нормальную нагрузку и в нужный момент уловить силу трения.

Классические методы жима, которые вы можете использовать сегодня

Испытание на санях или дрэг-тесте

На плоский образец материала покоится блок известного веса. Пружинные весы или портативный датчик силы тянут блок горизонтально с такой постоянной скоростью, с которой может справиться оператор. Показания в момент отрыва блока дают статическое трение; среднее значение во время устойчивого скольжения дает кинетическое трение. Разделите на вес блока и получите коэффициент.

Слабое место — рука, тянущая. Чтение движущейся шкалы при сохранении постоянной скорости действительно сложно, и небольшие рывки увеличивают пик. Тест отлично подходит для обучения и грубого сравнения, но в меньшей степени для формального отчета об испытаниях.

Наклонная плоскость

Образец фиксируется на плоскости, которая медленно наклоняется до тех пор, пока блок не начнет скользить. При этом угле статический коэффициент равен тангенсу угла наклона — нормальную силу создает гравитация, поэтому датчик нагрузки не требуется, только транспортир и терпение. Он подходит для жестких, плоских материалов, но точный угол скольжения легко ошибиться, и этот метод ничего не говорит о кинетическом трении.

Когда стендовые методы перестают быть достаточными

Пленки с низким коэффициентом трения, смазанные поверхности, очень небольшие нормальные нагрузки и все, что должно быть документировано для клиента или органа по сертификации, быстро обнажит ограничения ручного тестирования. Когда результат должен быть оправданным, выдергивание должно производиться машиной.

Измерение коэффициента трения на универсальной испытательной машине

В лаборатории сани обычно тянет универсальная испытательная машина. Образец закрепляется на плоских салазках, нормальная нагрузка устанавливается с помощью калиброванных грузов или пневматической шайбы, а шкив с низким коэффициентом трения или горизонтальное приспособление преобразует перемещение траверсы в прямое тяговое усилие. Отсюда машина делает то, чего не может сделать рука: она поддерживает точно определенную скорость — например, 150 мм в минуту в классическом тесте на салазках для пленки — в то время как тензодатчик измеряет силу сотни раз в секунду.

В результате получается кривая сила-перемещение. Первый пик, на котором происходит скачок следа, — это сила статического трения. Плато, которое следует после того, как сани начинают устойчиво двигаться, представляет собой кинетическое значение. Испытательное программное обеспечение делит каждую область на приложенную нормальную нагрузку и выдает оба значения напрямую, а повторение — это просто вопрос загрузки следующего образца.

Компьютеризированная электронная универсальная испытательная машина серии WDW Обратите внимание на эту электронную универсальную испытательную машину серии WDW, когда для испытаний на трение пленок, покрытий, бумаги или эластомеров с низким усилием требуется чувствительная электронная рамка. Посмотреть продукт →

Для пленок, покрытий, бумаги и эластомеров силы трения часто составляют всего несколько ньютонов, поэтому естественным выбором является электронная рамка малой емкости с чувствительным тензодатчиком. Если вы еще решаете, что искать в самой рамке, наш полное руководство по универсальным испытательным машинам более подробно охватывает рамы, тензодатчики и приспособления.

Когда образец становится тяжелым

Не каждое исследование трения предполагает использование тонкой пленки. Бетонные блоки, скользящие по геомембранам, толстые резиновые подушки и секции труб с покрытием — все это требует более жесткой рамы и гораздо большей грузоподъемности, поскольку одна только нормальная нагрузка может достигать нескольких килоньютонов. Сервогидравлические машины выполняют эти работы с той же логикой испытаний, только в более тяжелых масштабах.

Универсальная испытательная машина с электрогидравлическим сервоприводом WAW-100/300/600/1000B Для более жестких и высокопроизводительных исследований трения, таких как бетон на геомембранах или толстых резиновых подушках, эта гидравлическая сервомашина предлагает вариант более масштабных испытаний. Посмотреть продукт →

Сравнение основных методов измерения

Каждый подход отвечает на несколько разный вопрос, и правильный зависит от материала и от того, что вы собираетесь делать с числом.

Стандарты определяют, как, а не только что

Число трения имеет смысл только в том случае, если кто-то другой может его воспроизвести, поэтому стандарты определяют размер образца, кондицию, массу салазок, скорость и расчет. Те, кого вы, скорее всего, встретите:

• АСТМ Д1894 и ИСО 8295 — статическое и кинетическое трение пластиковой пленки и листового материала методом салазок с определенной массой и скоростью салазок.
• АСТМ Г115 - общее руководство по измерению и составлению отчетов о коэффициентах трения, когда не применим метод, специфичный для конкретного продукта.
• АСТМ Д5321 — прямое сдвиговое определение прочности границ раздела почва-геосинтетик и геосинтетик-геосинтетик.
• АСТМ Е303 - метод британского маятника для определения трения на поверхности дорожного покрытия, который указывает индекс, а не истинный коэффициент.
• АСТМ Д2394 - моделирование эксплуатационных испытаний древесины и полов на древесной основе, включающее поведение при трении.

Сначала прочтите пункт об объеме. Метод, написанный для тонкой полиэтиленовой пленки, не подойдет для бетоноукладчика толщиной 40 мм, как бы тщательно вы ему ни следовали.

Когда трение указывается как угол

Инженеры-геотехники и инженеры-строители редко указывают коэффициенты для почвы, песка или геосинтетики. Вместо этого они проводят испытание на прямой сдвиг: образец уплотняется при нормальном напряжении, затем медленно сдвигается, при этом регистрируются сила сдвига и горизонтальное смещение. Наклон напряжения сдвига относительно нормального напряжения дает угол трения на границе раздела, а коэффициент представляет собой просто тангенс этого угла.

Эти испытания медленнее, и в них используются более крупные образцы, чем при испытании на салазках для пленки, а оборудование должно выдерживать постоянную нормальную нагрузку при сдвиге с контролируемой скоростью. Настольная рама для резки с сервоприводом, жесткой нагрузочной плитой и функцией измерения смещения поперек образца надежно выполняет свою работу.

Электрогидравлическая машина для испытания на сдвиг с сервоприводом серии YJWSS, управляемая микрокомпьютером Для более медленных испытаний на сдвиг на границе раздела больших образцов, требующих постоянной нормальной нагрузки и контролируемого сдвига, обратите внимание на эту машину для испытания на сдвиг с сервоприводом. Посмотреть продукт →

В полевых условиях соответствующее сопротивление интерфейса часто оценивается с помощью испытаний на отрыв или отрыв, в ходе которых измеряется сила, необходимая для отделения соединенного или заделанного элемента, а не коэффициент скольжения.

Что меняет полученный вами номер

Две лаборатории могут протестировать одну и ту же пару материалов и получить заметно разные значения. Обычные причины:

• Состояние поверхности — шероховатость, окисление, пыль, отпечатки пальцев и антиадгезивы — все это влияет на результат, иногда существенно.
• Нормальная нагрузка — реальная площадь контакта увеличивается с увеличением нагрузки, поэтому коэффициент может незначительно дрейфовать при изменении приложенного веса.
• Скорость скольжения — вязкоупругие материалы, такие как резина и полимеры, сильно зависят от скорости.
• Температура и влажность — пленки и смазки особенно чувствительны, поэтому кондиционирование перед испытанием не является обязательным.
• Время пребывания и ориентация — чем дольше поверхности находятся в контакте до начала движения, тем выше становится статическое значение, а для текстурированных материалов имеет значение направление.

Практические привычки, улучшающие повторяемость

1. Очистите образцы растворителем, указанным в стандарте, затем выдержите их в течение указанного времени.
2. Устанавливайте нормальную нагрузку с помощью калиброванных грузов или проверенной пневматической системы, а не на ощупь.
3. Держите ось натяжения параллельно поверхности; несколько градусов смещения добавляют вертикальный компонент, который искажает соотношение.
4. Используйте одни и те же салазки, зону контакта и ориентацию для каждого повтора.
5. Запишите первый пик и устойчивое плато отдельно, поскольку их совместное усреднение скрывает статическое значение.
6. Запустите как минимум три повтора, сообщите о диапазоне и зарегистрируйте скорость, температуру, влажность и нормальную нагрузку вместе с результатом.

Заключительные мысли

Метод измерения коэффициента трения сводится к одному честному измерению силы и одному честному измерению нагрузки, повторяемым в условиях, которые может скопировать кто-то другой. Ручные методы по-прежнему имеют место на стенде, но как только их количество должно выдержать проверку конструкции, аудит клиента или файл сертификации, практическим выбором становится машина для контролируемых испытаний.

Мы зарабатываем на жизнь созданием этих машин и всегда рады обсудить приспособления, диапазоны нагрузок и стандарты со всеми, кто борется с проблемой трения. Если вы хотите получить второе мнение о вашей установке, свяжитесь с нашей командой — мы честно расскажем вам, что нужно вашему тесту, а что нет.