Strategii de compensare a cuplului de frecare pentru o acționare electrică

CAPITOLUL 1. GENERALITǍŢI (FENOMENOLOGIA FRECARII)

Frecarea este prezentă în toate maşinile care încorporează părţi în mişcare relativă. Deşi frecarea poate fi un atribut dezirabil, ca la frânare de exemplu, ea este în general un impediment pentru servomecanisme. Literatura de specialitate relevantă pentru frecare şi controlul acesteia este, în mare măsură, dispersată şi eterogenă: idei importante se pot găsi în automatică, în tribologie, în acustică şi, în general, în orice ştiinţă inginerească . Pentru o vedere de ansamblu, care să sintetizeze contribuţiile şi stadiul actual al conducerii automate a servomecanismelor în care frecarea joacă un rol preponderent, trebuie trecută în revistă o serie de discipline al căror aport nemijlocit la studiul frecării şi al controlului acesteia s-a evidenţiat în aplicaţiile industriale sau în domeniul experimental.

În primul rând tribologia, ca ştiinţă a frecării şi a uzurii mecanismelor, s-a constituit ca fundament în înţelegerea iniţială a proceselor fizice ce intervin în zona contactelor alunecătoare ale maşinilor: rulmenţi, elemente de transmisie, perii etc. Importanţa tribologiei rezultă din faptul că fenomenul de frecare afectează în mod deosebit funcţionarea tuturor maşinilor şi utilajelor. Astfel statisticile arată că prezenţa frecărilor determină anual un consum suplimentar de energie evaluat la 30-50% din energia produsă pe glob. Rezultă că reducera frecării determină ridicarea eficienţei utilajelor, creşterea randamentului acestora şi, în acelaşi timp, o importantă economie energetică.

Văzută din perspectiva automaticii, tribologia se limitează, însă, la problemele de uzură şi de fiabilitate a mecanismului pe de o parte şi la chimia şi fizica suprafeţelor pe de altă parte, neglijând dinamica frecării – cu toate că în domeniul tribologic există o considerabilă înţelegere a dinamicii frecării contactelor lubrifiate metal-metal, în contul căreia s-a format o bază de date experimentale destul de vastă. În acelaşi context, investigaţiile în domeniul controlului automat al frecării nu au capitalizat adecvat şi coerent modelele frecării conform studiilor teoretice şi experimentale ale tribologiei.

Concret, majoritatea direcţiilor de cercetare în automatica aferentă proceselor cu frecare au uzat de instrumente puternice din teoria stabilităţii, controlului neliniar, identificării sistemelor neliniare, controlului adaptiv ş.a., dar într-o vădită discrepanţă cu modelele adoptate pentru frecare, modele introduse de Leonardo da Vinci sau de fizica elementară. Acest fapt a determinat o inconsistenţă a rezultatelor şi o caracteristică eluzivă pentru instrumentele de analiză a predicţiei fenomenelor „stick-slip” şi a altor comportamente specifice frecării.

1.1 Forţa de frecare. Curba Stribeck

Istoric, modelul clasic al frecării – forţa de frecare este proporţională cu sarcina sau normala, se opune mişcării şi este independentă de aria de contact – îl datorăm lui Leonardo da Vinci, dar a rămas ascuns în notiţele acestuia secole la rând. Rabinowicz [RAB_95] argumentează că studiul ştiinţific al frecării trebuie să devină subsecvent elucidării primei legi newtoniene a mecanicii clasice (1687) şi conceptului modern de forţă. Acest lucru nu este în totalitate adevărat, ideile lui da Vinci asupra naturii forţei ca concept universal – în care frecarea constituie un exemplu – furnizând o fascinantă incursiune în problematica filozofiei pre-newtoniene a naturii. Modelul frecării în viziunea lui da Vinci este redescoperit de Amontons (1699, [AMO_69]) şi dezvoltat ulterior de Coulomb (1785, [COU_87]) printre alţii. Revendicarea lui Amontons, cum că frecarea este independentă de aria de contact (a doua lege a lui da Vinci), a provocat scepticism iniţial dar a fost curând verificată. Morin (1833, [MOR_33]) introduce ideea frecării statice şi Reynolds (1866, [REY_86]) ecuaţia curgerii vâscoase completând astfel modelul clasic folosit în inginerie: forţă statică-forţă Coulomb-forţă de frecare vâscoasă (fig.1.1a-c).