Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy

im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich

w Bydgoszczy

Wydział Inżynierii Mechanicznej

,,Metody pomiaru trwałości warstwy granicznej olejów i smarów’’

Kaszuba Łukasz

Studia dzienne magisterskie

Semestr: VII

Grupa B

1. Metody pomiaru trwałości warstwy granicznej olejów i smarów

Trwałość związania substancji smarującej z podłożem można określać zarówno w procesie tworzenia się warstwy granicznej, jak również w procesie jej niszczenia. W praktyce o trwałości warstwy granicznej wnioskuje się pośrednio na podstawie analiz takich zjawisk, jak:

• intensywność procesów zużycia elementów

• przebieg reakcji chemicznych dodatków smarnościowych z materiałem podłoża

• kinetyka procesów przemian fizykochemicznych dodatków

Trwałość warstwy granicznej rozumiana jako zdolność adsorpcji substancji smarującej przez materiał adsorbenta można badać w sposób statyczny lub dynamiczny.

1. Pomiary trwałości warstwy granicznej oparte na efektach towarzyszących jej powstawaniu

Trwałość granicznej warstwy smaru jest uzależniona od siły związania z podłożem tworzących je cząstek. Im silniejsze tworzy wiązanie, tym większa ilość energii wydziela się w procesie tworzenia warstwy granicznej. Zasada pomiaru polega na przesączaniu przez umieszczoną w komorze pomiarowej mikrokalorymetru przepływowego substancję adsorbującą roztworu substancji zdolnych do sorpcji. Zmiany w czasie ilości wydzielanego się podczas sorpcji ciepła można mierzyć i rejestrować w formie termistorowego układu pomiarowego mikrokalorymetru.

1. Pomiary trwałości warstwy granicznej oparte na efektach towarzyszących jej zniszczeniu

Przerwanie warstwy granicznej smaru powoduje intensywne procesy zużycia powierzchni elementów wysokoobciążeniowych węzłów ślizgowych maszyn. Intensywność zużywania się oraz odporność na zacieranie elementów są uzależnione od trwałości warstwy granicznej i mogą stanowić jej miarę. Do wyznaczania trwałości warstwy granicznej smarów służą różnego typu maszyny tarciowe. Do najczęściej stosowanych znormalizowanych metod badania smarności należą:

• metoda pomiarów za pomocą aparatu czterokulowego

• metoda pomiarów za pomocą maszyny Falex

• metoda pomiarów za pomocą maszyny Timken

Maszyny tarciowe do badań smarności olejów

Miarą smarności olejów jest wielkość ubytku materiału elementów badawczych zastosowanych w węzłach ślizgowych maszyn pomiarowych. Istnieje wiele odmian i typów tych maszyn. Wszystkie one w swojej budowie mają odpowiednio ukształtowany węzeł tarcia pracujący pod zmiennym (regulowanym) obciążeniem. Węzeł ten jest w trakcie badań smarowany badanym środkiem smarnym (olejem). Różnorodność obciążeń i styków tribologicznych stosowanych w maszynach tarciowych sprawia, że wyniki w nich uzyskiwane mogą być porównywane tylko w odniesieniu do danego typu maszyny. Uzyskana tą drogą ocena smarności olejów ma charakter wyłącznie porównawczy. Najczęściej wykorzystywanymi do badań smarności są: maszyna czterokulowa, maszyna Falex (używana głównie w USA), maszyna Timken, maszyna wykorzystująca skojarzenie igła-dysk (pin of disk). Należy pamiętać, że lista ta nie wyczerpuje wszystkich typów maszyn tarciowych, np. do badania smarności olejów przekładniowych wykorzystywane bywają innego typu maszyny odwzorowujące pracę kół zębatych (maszyna FZG).

1. Metoda pomiarów za pomocą maszyny Falex

W skojarzeniu trącym w maszynie FALEX występuje styk liniowy. Węzeł tarcia składa się z przeciwpróbki o kształcie walca obracającego się

ze stałą prędkością obrotową wokół własnej osi 240 ± 10 obr./min, co odpowia­da prędkości poślizgu około 0,1 m/s i dwóch pryzmatycznych próbek dociskanych do niej siłą P. Siła nacisku próbek w czasie trwania biegu badawczego

może być stała lub narastająca. Węzeł tarcia może pracować w warunkach tarcia

technicznie suchego, może być smarowany jednorazowo nałożoną porcją smaru

plastycznego lub też smarowany metodą zanurzeniową w cieczy umieszczonej w

odpowiednim zbiorniczku.

Maszyna FALEX pozwala zarówno na badanie właściwości EP (ang. extreme pressure - przeciwzatarciowe) jak i właściwości AW (ang. anti wear - przeciwzużyciowe). Służy ona przede wszystkim do oceny właściwości smarnych ciekłych środków smarnych przy ekstremalnych obciążeniach. W teście EP są re­alizowane dwa podstawowe badania: A - w którym obciążenie jest zwiększane w sposób cią­gły, B - w którym obciążenie jest zwiększane w sposób dyskretny, w tempie 1112 N na minutę. Rezultaty testów na maszynie FALEX służą do oceny trwałości filmu olejowego środka smarnego oraz pomiaru współczynnika tarcia. Tester Maszyna Falex pozwala na realizacje badań wg następujących norm: ASTM D 2625, ASTM D 2670, ASTM D 3233.

Rys. 2. 1-szczęki, 2-wałek, 3-trzpień mocujący wałek, 4-głowica napędu

1. Metoda pomiarów za pomocą maszyny Timken

Maszyna ta służy do pomiaru trwałości warstwy oleju między trącymi elementami ślizgowymi oraz do pomiaru wartości współczynnika tarcia. Elementami badawczymi są pierścień i klocek o wymiarach 12,7 x 12,7 x 19 mm, wykonane ze stali o twardości 60÷62 HRC. Prędkość obrotowa pierścienia wynosi 500, 750, 1000 i 1500 obr/min, a odpowiadające prędkości poślizgu trącego skojarzenia 0,92, 1,37, 1,84 i 2,74 m/s. Płytka jest dociskana do wirującego pierścienia siłą w zakresie 50-1000 N. Powierzchnie tarcia są pokrywane substancją smarującą, w której łożysko jest zanurzone.

Miarą smarności badanego oleju jest ubytek (zużycie) materiału klocka w zadanym czasie badań. Mierzy się jednocześnie wartość momentu tarcia i na tej podstawie wnioskuje o trwałości warstwy smarnej. Uzyskane wyniki badań mogą służyć do wstępnej oceny oleju stosowanego do smarowania przekładni zębatych.

Rys. 3. Zasadnicze elementy maszyny Timken

A – Schemat maszyny B - Skojarzenie trące

1,2 – pierścień i blok skojarzenia trącego, 3 – obciążniki, 4 - dźwignia, 5 - pompa przetłaczająca badany olej, 6 – zbiornik badanego oleju

1. Metoda pomiarów za pomocą maszyny Czterokulowej

Maszyna czterokulowa służy do pomiaru trwałości warstwy oleju między trącymi elementami tocznymi oraz do pomiaru wartości momentu tarcia. Schemat działania maszyny przedstawiono na rys. 4. Elementami badawczymi są cztery kule każda o średnicy 12,7 mm, wykonane ze stali łożyskowej o twardości 62 - 66 HRC. Trzy kule są umieszczone w miseczce na stałe, a czwarta - zamocowana w uchwycie jest do nich dociskana siłą normalną. Kula zamocowana w uchwycie obraca się wraz z nim prędkością 1500 obr/min, odpowiadającą prędkości tarcia 0,55 m/s. Obciążenie normalne dociskające kule może wynosić do 12 000 N. Miarą jakości badanego oleju są średnice śladu zużycia na powierzchniach trzech nieruchomych kul w czasie jednej minuty. Wartość obciążenia normalnego, przy którym następuje gwałtowny wzrost momentu tarcia i wielkości śladów zużycia, jest miarą smarności badanego oleju. Na maszynie czterokulowej można prowadzić badania olejów w temperaturach podwyższonych (do +300°C) i niskich (do -40°C).

Rys. 4. Maszyna czterokulowa schemat kinematyczny

1. Pokrywa mocująca kulki dolne, 2 – uchwyt kulki górnej, 3 – kulka górna (obracana), 4 – kulki dolne (nieruchome), 5 – naczynie z badanym olejem, 6 – pryzmat, 7 – dźwignia, 8 – obciążniki, 9 – badany olej.

Rys. 5. Skojarzenie trące maszyny

1. Pokrywa mocująca kulki dolne, 2 – uchwyt kulki górnej, 3 – kulka górna (obracana), 4 – kulki dolne (nieruchome), 5 – naczynie z badanym olejem,

1.Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobami zmniejszania wartości współczynnika tarcia ślizgowego oraz poznanie zjawiska powstawania warstw granicznych olejów i smarów w węzłach ślizgowych maszyn oraz nabycie umiejętności pomiaru trwałości warstwy granicznej w aparacie czterokulowym.

Przedmiotem badań będzie olej Lotos 15W/40.

2.Opis stanowiska pomiarowego

Stanowisko badawcze przeznaczone jest do laboratoryjnych badań własności smarujących olejów i smarów. Wyposażone jest w aparat czterokulowy oraz następujące urządzenia i materiały pomocnicze:

• kulki stalowe, wykonane ze stali łożyskowej w 0 klasie dokładności, o średnicy ½”

• sekundomierz pozwalający na odczytanie czasu z dokładnością do 0,1s

• mikroskop pomiarowy wyposażony w skalę pozwalającą na wykonanie pomiaru średnicy skaz z dokładnością do 0,01 mm

• benzynę ekstrakcyjną o własnościach zgodnych z zaleceniami normy

• naczynia do przechowywania i nabierania substancji smarujących

• instrukcję obsługi urządzeń

Zdjęcie aparatu czterokulowego użytego podczas badań laboratoryjnych

3.Przebieg ćwiczenia.

Przed rozpoczęciem badań na aparacie czterokulowym najpierw przystąpiliśmy do przygotowania przyrządu i próbek. Przygotowanie przyrządu polegało na oczyszczeniu pokrywy mocującej kulki dolne oraz napełnieniu go badanym olejem ,należało też oczyścić uchwyt kulki górnej przenoszący siłę obciążającą i moment obrotowy. wybraniu z tabeli (przełożeń/obciążeń) odpowiedniego przełożenia na dźwigni w celu nadania określonej siły działającej na kulki, przygotowanie próbek polegało na wybraniu kulek bez skazy i oczyszczaniu ich benzyną ekstrakcyjną. Po umieszczeniu kulek w aparacie przystąpiono do realizacji ćwiczenia, przeprowadziliśmy dwie próby. Pierwsza próba zastała przeprowadzona pod małym obciążeniem i trwała 10s, po wyjęciu kulek z aparatu nie znaleziono śladów zatarcia na kulkach dolnych. Po zwiększeniu obciążenia natychmiast po uruchomieniu urządzenia nastąpiło zatarcie, po wyjęciu kulek z aparatu od razu ,,gołym okiem’’ można było zauważyć zatarcie na kulkach, które miało kształt eliptyczny o wymiarach 2,1x2,3mm.

4.Wnioski

Podczas wykonywania ćwiczenia zaobserwowano, że wraz ze wzrostem zadanego obciążenia rośnie średnica skaz. W ostatniej próbie, przy obciążeniu ponad 1236 N bieg nie trwał wymaganych 10s, a zaledwie ułamek sekundy z czego wynika, że osiągnięto obciążenie zacierające.
Oznacza to ,że przy zbyt dużym obciążeniu przekroczono wartość graniczną warstwy smaru.