PODSTAWY NAUKI O MATERIAŁACH

Temat ćwiczenia:

Tradycyjna i nowoczesna metody badania odporności
na zużywanie kompozytów na osnowie PTFE

Prowadzący ćwiczenia: dr inż. Zbigniew Oleksiak – pawilon B2 niski parter pok. 013
Tel. [phone] (automatyczna sekretarka)
Miejsce ćwiczenia laboratoryjnego B2-013:

pawilon B2 niski parter pok. 02 i 013

Cel ćwiczenia: Przedstawienie nowoczesnej metody badania wpływu wybranych wa-

runków ślizgania na charakterystyki tarciowe i zużyciowe kompozytu tarflenowego
(PTFE) współpracującego z stalową tarczą przeciwpróbkową.

Wprowadzenie:

Badania odporności na zużywanie i charakterystyk tarciowych materiałów konstruk-

cyjnych były najbardziej pracochłonnymi i czasochłonnymi a tym samym kosztownymi ba-
daniami spośród badań własności tych materiałów.

Musiały być one realizowane po to, ażeby dawać konstruktorom niezbędne informacje

o własnościach (głównie - trwałościowych) nowych materiałów, z których zamierzają oni
konstruować elementy ślizgowe węzłów kinematycznych.

Opracowywane są nowe metody testowania materiałów na zużywanie w celu znaczne-

go skrócenia czasu badań. Z tego powodu w naszej Katedrze zbudowano stanowisko badaw-
cze i opracowano szybką metodę oceny odporności na zużywanie kompozytów tarflenowych.
Polega ona na obserwacji i rejestracji obrazów zmian jakie zachodzą na powierzchni roboczej
tarczy przeciwpróbkowej. Rejestracja jest prowadzona podczas ruchu obrotowego tarczy
przeciwpróbkowej. Zarejestrowane obrazy są przetwarzane komputerowo z pomocą
programów opracowanych przez dr inż. Zbigniewa Rudnickiego.

Przedmiotem badań są kompozyty tarflenowe wyprodukowane w Zakładach Azo-

towych w Tarnowie. Charakteryzują się głownie tym że wykonane z nich elementy ślizgowe
nie wymagają smarowania. Znajdują one zastosowanie jako łożyska, pierścienie ślizgowe lub
uszczelniające w urządzeniach przemysłu spożywczego, w medycynie, technice kosmicznej,
próżniowej, do sprężania tlenu czyli wszędzie tam gdzie nie dopuszcza się obecności smarów.

Wybrane własności niektórych kompozytów (w celu nieobowiązkowego poszerzenia

wiadomości) oraz schematy stanowisk badawczych przedstawiono poniżej.

Organizacja ćwiczeń:

- ćwiczenie będzie realizowane przez dwie godziny lekcyjne czyli 90 minut,
- początek ćwiczenia w B2 w pokoju 02 na niskim parterze gdzie przedstawiona będzie

tradycyjna metoda badania odporności na zużywanie kompozytu na osnowie PTFE,

- druga część ćwiczenia będzie realizowana w laboratorium w B2 w pokoju 013 gdzie za-

prezentowane będzie nowoczesne stanowisko do badania charakterystyk tarciowych i zu-
życiowych podobnych kompozytów,

- ułatwieniem w zapamiętaniu metod badawczych będzie korzystanie z przyniesionych na

ćwiczenia schematów stanowisk,

- ze względu na ciasne pomieszczenia laboratoryjne proszę o pozostawianie wierzchnich

okryć a nawet plecaków w szatni,

- obecność na ćwiczeniu będzie odnotowywana.

Zaliczanie ćwiczenia:

Warunkami zaliczenia ćwiczenia są:

- obecność na ćwiczeniach.
- poprawne odpowiedzi na pytania z zakresu ćwiczenia.

Możliwe jest zorganizowanie (w dodatkowym terminie) zaliczanie wszystkich

tematów ćwiczeń, które były zrealizowane w pawilonie B2, w formie testu wspomaganego
systemem komputerowym.

Przewidywana tematyka pytań z zakresu ćwiczenia B2-013:

1. Cechy wyróżniające kompozyty tarflenowe od innych materiałów konstrukcyjnych,
2. Przyczyny badań tarcia i zużywania kompozytów tarflenowych,
3. Istotne różnice tradycyjnej metody badań odporności na zużywanie kompozytów tar-

flenowych i nowoczesnej szybkiej metody opracowanej w Katedrze Podstaw Kon-
strukcji i Eksploatacji Maszyn,

4. Główne zastosowania kompozytów tarflenowych,
5. Metody badania zużycia metodą tradycyjną i nowoczesną,
6. Istotny warunek oświetlenia w nowoczesnym stanowisku badawczym,
7. Cechy obrazów tarcia (rejestrowane z pomocą nowoczesnego stanowiska) będące

przedmiotem komputerowego przetwarzania i opracowywania wyników testowania
kompozytów.

Stanowisko do badania odporności na zużywanie kom-

pozytów tarflenowych metodą tradycyjną

A. Metoda badawcza

Najczęściej spotykaną metodą badawczą jest oznaczanie wartości współczynnika

tarcia i intensywności zużywania podczas określonej drogi współpracy ślizgowej dlatego
przyjęto taką metodę badań zakładając adhezyjno – mechaniczny model współpracy śli-
zgowej badanych kompozytów. Początkowo badania realizowano na drodze ślizgania o
długości 100 km a po dopracowaniu metody oznaczania zużycia liniowego próbek badanego
kompozytu - na drodze 30 km.

B. Stanowisko badawcze, wyposażenie i oprzyrządowanie

Wybrano tradycyjny tribotester typu „ pin on disc” przy czym zamiast jednej próbki

w kształcie walcowej lub kulistej wybrano próbki w kształcie graniastosłupa o podstawie
prostokąta. Warunki te spełnia tradycyjny tribotester oznaczony symbolami GFO-02. Trzy
próbki osadzone w obsadach są przytwierdzone do tarczy głowicy badawczej. Tarcza jako
przeciwpróbka, napędzana silnikiem, wykonuje ruch obrotowy względem pionowej osi. Takie
rozwiązanie umożliwia równomierna rozłożenie siły docisku na próbki (pochodzące od masy
grawitacyjnej) oraz stabilne „prowadzenie” próbek względem tarczy jako przeciwpróbki pod-
czas procesu zużywania tychże próbek. Niekontrolowane zmiany docisku są zminimalizowa-
ne poprzez staranne wypoziomowanie stanowiska oraz zmniejszenie bicia wzdłużnego tar-
czy do wartości około 2 mikrometrów dzięki elastycznemu osadzeniu tarczy na wrzecionie
stanowiska. Rysunek 1 przedstawia schemat stanowiska GFO – 02. Sposób mocowania pró-
bek w obsadach do głowicy przedstawia rys 2.

Rys.1. Schemat tradycyjnego tri-
botestera (GFO – 02) z torem do
pomiaru oporów tarcia oraz z
torem do pomiaru temperatury;

1 – próbka kompozytu w obsadzie,
2 – tarcza jako przeciwpróbka wy-
konana za stali 4H13, 3 – czujnik
naprężno-oporowy do pomiaru
oporów tarcia naklejony na
płaskiej belce sprężystej 4 , 5 –
głowica urządzenia, 6 – nawilżacz,
7 – masa obciążająca, 8 – łoży-
skowanie wrzeciona, 9 – sprzęgło
podatne, 10 – silnik elektryczny ,
11 – kadłub urządzenia, 12 – po-
krywa komory badawczej, 13 –
wilgotnościomierz z nastawnymi
stykami, D – średnica nawinięcia
linki do wzorcowania = 110mm. D

T

= średnia średnica tarcia = 122mm,
T

1,

T

2,

T

3

– opory tarcia poszczegól-

nych próbek

Rys. 2. Sposób osadzania próbek w
tradycyjnym stanowisku GFO-02;
l - próbka,
2 - przeciwpróbka,
3 - obsada próbki,
4 - podkładka kątowa,
5 - tarcza głowicy,
6 - wkręt mocujący obsadę wraz
z próbką do tarczy głowicy,
7 - kadłub głowicy urządzenia,
8 - wrzeciono stanowiska,
9 - kołek ustalający,
10 - wkręt dociskowy,
11 - wkręt mocujący tarczę
głowicy do kadłuba.

Widok głowicy stanowiska GFO – 02 przedstawia fot. 1, natomiast ogólny widok stano-

wiska umieszczono na fot. 2.

Fot.1 Podniesiona
głowica stanowiska
GFO – 02 wraz z
zamocowanymi
próbkami w obsa-
dach

Fot.2. Widok trady-
cyjnego stanowiska
GFO – 02 wraz z
torami pomiarowy-
mi

Tradycyjny tribotester GFO- 02 umożliwia doświadczenia w zadanej wilgotności gdy ba-

dane skojarzenie ślizgowe zamkniemy pokrywą, w której umieszczony jest wilgotnościomierz
z nastawnymi stykami. Steruje on podgrzewaniem wody w komorze badawczej aż do
osiągnięcia zadanej wilgotności.

Do badań wybrano prostokątny kształt próbek, który utrudnia przypadkowe usytuowania

kierunku prasowania próbek względem kierunku ślizgania. W znanych badaniach stosowane
są jednak próbki okrągłe. Dlatego podjęto doświadczenia w celu wykrycia wpływu ukształ-
towania nominalnej powierzchni styku na skutki tarcia.

Na podstawie doświadczeń z prostokątną próbką (karta pomiaru G24) i z okrągłą (karta

pomiaru G26) nie stwierdzono różnic w wartości zużycia liniowego po 30 km drogi tarcia po-
mimo, że okrągła próbka współpracowała z powierzchnią tarczy po oscylacyjnym szlifowaniu
na sucho papierem o granulacji 60, natomiast prostokątna po szlifowaniu papierem 120. Jak-
kolwiek chropowatości nierdzewnej tarczy niewiele się różniły od siebie to wartości tempera-
tury dla próbki prostokątnej były większe o około 36% natomiast - współczynnika tarcia o
około 45% od próbki okrągłej.

2. Nowoczesna metoda badań opracowana w Katedrze Podstaw
Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn

Do badań wybrano specjalny tribotester zbudowany w ZKiEM AGH.

Zmodernizowano go stosownie do celu badań i oznaczono symbolem OSA-02. Schemat tego
tribotestera przedstawiono na rys. 2.1.

Rys. 2.1 Schematy stanowiska OSA-02
do badania tarcia i podglądu z pomocą
kamery przemysłowej;
1 – sprzęgło podatne, 2 – wrzeciono gło-
wicy, 3 – tarcza przeciwpróbkowa,
4 – próbka, 5 – obsada próbki,
6 – dźwignia dociskowa, 7 – belka sprę-
żysta

siłownika-siłomierza,

8 – śruba dociskowa, 9 – siłomierz Tp_L
10 – kadłub stanowiska, 11 – przegub
kulisty, 12 – siłomierz To_L,
(13, 15, 25) – podparcie kłowe,
14 – przegub walcowy, 16 – indukcyjny
czujnik mikroprzemieszczeń liniowych,
17 – detektor położenia kątowego tarczy,
18 – miejsce obserwacji powierzchni
roboczej,

19 – siłomierz F_L,

20 – silnik, 21 – próżniowe uszczelnienie
wrzeciona,

22 – przepust próżniowy torów po-
miarowych,

23 – wziernik, 24 – pokrywa hermetycz-
nej

komory,

26 – złączka przewodu pompy próż-
niowej,

27 – zakończenie przeźroczystego
pręta oświetlacza, S, U, V – osie obrotu
dźwigni

Podczas ruchu obrotowego tarczy przeciwpróbkowej 3 mierzone i rejestrowane są dwie

składowe oporów tarcia dla każdej pary próbek oddzielnie. Dla badanego skojarzenia
usytuowanego po lewej stronie schematu - składową promieniową oporów tarcia oznaczono
Tp_L natomiast składową styczną oznaczono To_L. Składowe te dodawane są geometrycznie
podczas wyznaczania wypadkowej oporów tarcia.

Zmiany na powierzchni roboczej tarczy w zaznaczonym miejscu 18 są oświetlane z po-

mocą przeźroczystego pręta 27 i obserwowane (poprzez wziernik 23 lub bezpośrednio).

Detektor 17 umożliwia między innymi powtarzalność obserwacji tego samego wycinka

powierzchni roboczej tarczy przeciwpróbkowej.