Skoro tarcie jest wrogiem sprawności, warto wiedzieć, jak ograniczać jego wpływ, aby zapewnić efektywniejszy i bezpieczniejszy transport materiałów.
Tarcie odgrywa istotną rolę zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym. Tarcie to opór przy ślizganiu lub toczeniu się przedmiotów albo przepływie substancji na skutek ich stykania się z innym ciałem. Może być korzystne (bez niego niełatwo byłoby nam zatrzymać samochód) albo utrudniać życie (niech ktoś spróbuje dokądkolwiek dojechać samochodem z wciśniętym pedałem hamulca). W tym artykule skupimy się na oporze toczenia, o którym trzeba pamiętać przy projektowaniu układów z kołami.
Opór toczenia to miara efektu hamowania powierzchni podłoża na styku powierzchni tocznej kół i podłoża. Siłę oporu wyraża się w niutonach i jest ona miarą energii rozpraszanej na jednostkę odległości, na której odbywa się toczenie. Co dzieje się z oponą toczącą się po płaskiej powierzchni? Opona ulega w pewnym stopniu odkształceniu, powodującemu określony opór ruchu toczenia. Płaska powierzchnia także może się odkształcić, szczególnie jeśli jest stosunkowo miękka.
Dobrym przykładem miękkiej powierzchni wywołującej duże opory toczenia jest piasek. Na pewno odczuwają to rowerzyści, kiedy zjeżdżają z asfaltowej alejki na piaszczystą plażę. Opór toczenia to miara energii traconej na toczenie czegoś na określoną odległość.
Bez wątpienia projektanci układów kół woleliby, aby na styku tocznym nie powstawały żadne opory ruchu (chyba że koła czasem powinny pozostawać w spoczynku). Rzeczywistość kpi jednak z takich chęci. Energia jest rozpraszana na skutek:
- tarcia na styku,
- własności sprężystych materiałów,
- chropowatości powierzchni tocznej.
Tarcie toczne a tarcie ślizgowe
Współczynnika tarcia tocznego nie należy mylić ze współczynnikiem tarcia ślizgowego, zwanego często po prostu współczynnikiem tarcia. Współczynnik tarcia (ślizgowego) to bezwymiarowa wartość opisująca stosunek siły tarcia między dwoma ciałami do siły nacisku między nimi.
Współczynnik tarcia (ślizgowego) zależy od substancji, z których składają się stykające się ciała. Na przykład dla stali i lodu współczynnik ten jest mały, ale dla gumy i nawierzchni drogowej – duży.
Tarcie ślizgowe przedstawiliśmy na pierwszym schemacie. Wyobraźmy sobie, jakiej siły potrzeba, aby pchać ciężką skrzynię po podłodze. W związku z tarciem statycznym musimy przyłożyć pewną siłę, aby ruszyć skrzynię. Kiedy już znajduje się ona w ruchu, w związku z tarciem dynamicznym konieczna jest stosunkowo stała siła, aby ten ruch zachować. W tym przykładzie osoba pchająca skrzynię wytwarza przyłożoną siłę, natomiast wywieranie przez skrzynię nacisku N na podłogę powoduje powstawanie siły tarcia.
Teraz już wiemy, dlaczego do transportu materiałów używa się kół: ponieważ przemieszczanie przedmiotów wymaga dużo mniejszego wysiłku (przyłożenia mniejszej siły). Być może dlatego trudno znaleźć chętnego do pchania lodówki czy pianina bez użycia kółek. Zastanówmy się, o ile łatwiej byłoby pchać tę samą skrzynię po podłodze, gdyby pod nią umieszczono koła.
Siła potrzebna do pchania/ciągnięcia urządzeń na kołach jest zawsze największa na początku, tuż przed rozpoczęciem ruchu. Specjaliści od ergonomii nazywają tę siłę siłą początkową, można ją także określić jako tarcie przy rozruchu. Na szczęście siły początkowe są wymagane tylko przez krótki czas i spadają do stałego poziomu po pojawieniu się przyspieszenia i pokonaniu wszelkich mechanicznych przeszkód na początku ruchu.
Kiedy ruch odbywa się już ze względnie stałą prędkością, z reguły potrzebna jest już mniejsza siła (siła toczenia).
Łatwiejsze toczenie
Aby zmniejszyć siłę niezbędną do pokonania oporów toczenia koła, można wybrać koło charakteryzujące się mniejszym współczynnikiem oporu toczenia (np. współczynnik oporu toczenia koła stalowego kutego po stali wynosi 0,48 mm) albo stosować koło o większej średnicy. Optymalizacja polega na skorzystaniu z obu metod: doboru największej rozsądnej średnicy i najmniejszego współczynnika oporu toczenia.
Dobór łożyska koła pod kątem oporu toczenia nie ma tak dużego znaczenia jak materiał i średnica koła. Różnice między łożyskami tocznymi nie wpływają tak istotnie na opór toczenia, jak materiał i średnica koła.
Dobór łożyska może mieć jednak ogromne znaczenie z innych powodów, np. ze względu na obciążalność, możliwość obsługi ręcznej lub holowania, występowanie obciążenia udarowego czy nacisków poprzecznych oraz zakres wymaganej konserwacji. Jak można łatwo podejrzewać, jeśli jako powierzchni tocznej koła użyjemy miękkiego materiału, z reguły otrzymamy większy opór toczenia, niż gdy zastosujemy bardziej zwarty, twardszy materiał.
Najważniejsze czynniki wpływające na opory toczenia
Do najistotniejszych czynników, jakie musimy brać pod uwagę, zalicza się obciążenie, średnicę koła, materiał/twardość powierzchni tocznej koła, materiał/wykończenie podłoża oraz warunki podłoża (chropowatość, czystość, nachylenie itp.).
Zwykle w obliczeniach możemy pominąć typ łożyska, wpływ smaru lub smarowania, temperaturę otoczenia i poślizg koła.
Wskazówki dotyczące ergonomii
Na stronie poświęconej ręcznemu transportowi materiałów towarzystwa ubezpieczeniowego Liberty Mutual Insurance (libertymmhtables.libertymutual.com/CM_LMTablesWeb/taskSelection.do?action=initTaskSelection ) można znaleźć ogólne wskazania ergonomii dotyczące maksymalnej siły wywieranej przy ręcznym transporcie materiałów.
Przy użyciu dostępnego na tej stronie kalkulatora dowiemy się, jaki odsetek populacji (ewentualnie z wyróżnieniem mężczyzn i kobiet) może bezpiecznie wykonywać różne zadania wymagające pchania lub ciągnięcia. Do zmiennych zalicza się m.in. siła pchająca lub ciągnąca (wynikająca z obliczeń opisanych w tym artykule), wysokość, na której jest przykładana siła, czas trwania pchania lub ciągnięcia oraz częstotliwość wykonywania danej czynności.
Z reguły wynik powyżej 75% populacji kobiet wskazuje, że podane zmienne są odpowiednie z punktu widzenia bezpieczeństwa. Korzystając z tych wskazówek, można w pewnym stopniu zapobiec urazom okolicy lędźwiowo-krzyżowej, choć oczywiście nigdy nie ma gwarancji, że uda się wykluczyć ból pleców.
Ogólne zalecenia dotyczące prac ręcznych i z użyciem urządzeń:
- Należy dobierać odpowiednie koło/powierzchnię toczną koła na podstawie maksymalnego obciążenia i warunków podłoża.
- Jeśli wybrano sprężynującą powierzchnię toczną, zwykle w celu ochrony podłoża, należy uwzględnić zakres temperatury, odporność na uderzenia, wilgoć i wodę, odporność na światło i substancje chemiczne oraz odbojność.
- Należy wybierać koła o możliwie największej, praktycznie uzasadnionej średnicy.
- Należy wybierać koła o najmniejszym współczynniku oporu toczenia.
- Należy obliczyć opór toczenia (pamiętając, że na początku siła jest od 2 do 2,5 razy większa).
- Przy obliczaniu wymaganej mocy w układach z napędem należy uwzględniać margines bezpieczeństwa.
- Należy brać pod uwagę nachylenie (a°). Obliczony opór toczenia wzrasta, gdy ruch odbywa się pod górę, i maleje, gdy ruch odbywa się w przeciwnym kierunku (F = Fx/cosa). Na przykład przy nachyleniu 10° konieczna jest większa siła (F = Fx/cos10° = Fx/0,9848 = 1,015 Fx). Jeśli nachylenie wzrośnie do 30°, wymagana siła znacznie wzrośnie: od 1,015 Fx do 1,155 Fx (o ok. 14%).
- Przy holowaniu z napędem bardzo ważny jest dobór łożysk kół! Należy wybierać takie łożyska, które wytrzymają większą prędkość, siły boczne i pracę ciągłą.
Opór toczenia odgrywa ogromną rolę w transporcie materiałów. O efektywności holowania czy ręcznego pchania ładunków w dużej mierze decyduje dobór kół. W tym artykule przedstawiliśmy zasady, dzięki którym dobór ten będzie łatwiejszy.
Artykuł pod redakcją Michała Andrzejczaka
UR
Autor: Dave Lippert, Jeff Spektor
