Ćwiczenie nr 2

Badanie właściwości Bmarnych olejów

1.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodą oceny właściwości smarnych olejów na

aparacie czterokulowym.

2.

WarBtwa graniczna, tarcie graniczne, Bmarność

[na podst. 2]

Jeśli trące się ciała są rozdzielone ciągłą warstewką substancji smarującej, której ilość

jest co najmniej kilkakrotnie większa od sumarycznej chropowatości ich powierzchni, to wte-

dy mówimy o tarciu płynnym. Tarcie zewnętrzne między ciałami stałymi jest zastąpione tar-

ciem wewnętrznym w substancji smarującej przez co opory tarcia oraz zużycie są mniejsze.

Jeśli grubość warstewki smarnej jest porównywalna lub mniejsza od sumarycznej chropowa-

tości (często rzędu 0,5 µm), wówczas substancja smarująca przejawia specyficzne właściwo-

ści, inne niż w całej pozostałej objętości. Cząsteczki cieczy smarującej znajdujące się w za-

sięgu działania pola sił powierzchniowych ciała stałego zmniejszają swoją ruchliwość. Dzia-

łanie pola elektrostatycznego powoduje polaryzację indukowaną i związaną z nią orientacją

cząsteczek równolegle do linii działania sił. Taka orientacja cząsteczek powoduje zwiększenie

przestrzennego ich uporządkowania i upakowania w jednostce objętości. Powoduje to z kolei

zwiększenie lepkości i gęstości cieczy w strefie przypowierzchniowej. Wysoki stopień upo-

rządkowania powoduje również zwiększenie oddziaływań międzycząsteczkowych i powstanie

ciała kwasi-krystalicznego. Tak więc ciecz w pobliżu powierzchni ciała stałego ma inne wła-

sności niż w pozostałej objętości cieczy, tworząc oddzielną fazę przypowierzchniową zwana

warstwą graniczną Reasumując, warstwą graniczną nazywa się przypowierzchniową, upo-

rządkowaną, kilku- do kilkudziesięciu cząsteczkową warstewkę cieczy, znajdującą się w za-

sięgu pola sił powierzchniowych ciała stałego. Tarcie występujące w tej warstwie nazywa się

tarciem granicznym. Celowe tworzenie warstwy granicznej do smarowania (obniżenia współ-

czynnika tarcia, zapobieganie zużywaniu i zacieraniu) nazywa się smarowaniem granicznym.

Smarność jest własnością substancji smarującej charakteryzującą jej zachowanie w wa-

runkach tarcia granicznego. Określa ona zdolność do wytworzenia stałej warstwy granicznej

w wyniku adsorpcji chemicznej (chemisorpcji) na ciałach stałych. Podatność ta jest różna w

stosunku do różnych rodzajów ciał stałych, z którymi kontaktuje się substancja smarująca.

Miarą smarności jesz trwałość warstwy granicznej, a wiec trwałość związania substancji sma-

rującej z podłożem. Trwałość tę można określać zarówno w czasie tworzenia warstwy gra-

nicznej (z efektów towarzyszących, np. z ciepła sorpcji) lub też w czasie jej niszczenia (np. z

ilości energii, jaką trzeba włożyć aby przerwać warstwę). O trwałości warstwy granicznej

można również wnioskować pośrednio ze zjawisk zwianych ze smarnością, jak procesów

zużycia, skłonności do zacierania itp. (podejście diagnostyczne). Graniczna warstwa oleju jest

dopóty trwała, dopóki jej odporność na przerwanie jest większa lub równa oddziaływaniom

niszczącym. Z chwilą przerwania warstwy granicznej następuje zużywanie, a więc oddziela-

nie cząsteczek materiału. W przypadku współpracy skojarzeń, których geometria styku po-

zwala na zwiększenie powierzchni tarcia w miarę zużywania się elementów (np. styk dwóch

kul, kuli lub trzpienia stożkowego z płaską obracającą się tarczą) po przerwaniu warstwy ole-

ju następuje gwałtowne zużywanie tych elementów i wzrost powierzchni tarcia. Przy stałym

obciążeniu powoduje to zmniejszenie rzeczywistego nacisku i odbudowę warstwy granicznej

oleju.

Odporność na zużywanie i zacieranie jest uzależniona od trwałości warstwy granicznej

oleju może być traktowana jako jej miara. Do wyznaczania tak pojętej trwałości warstwy gra-

nicznej oleju, a więc smarności, służą różnego rodzaju maszyny tarciowe, np. aparat czteroku-

lowy. Metoda pomiarów za pomocą aparatu czterokulowego w większości krajów została

znormalizowana (w Polsce obowiązuje PN-76/C-04147). Przy pomiarach znorma1izowanych,

prowadzonych za pomocą aparatu czterokulowego, własności przeciwzużyciowe oleju, a więc

i pośrednio jego własności smarnościowe, charakteryzuje się wartością średnicy śladu zużycia

kul oraz obciążeniem zespawania. Szczegółowe informacje na ten temat przedstawione zosta-

ną w kolejnych rozdziałach.

3.

Aparat czterokulowy

[na podst. 1,2,3,4]

3.1. ZaBada działania

Do oceny właściwości tribologicznych olejów, smarów plastycznych i emulsji smaro-

wych najczęściej wykorzystywany jest aparat czterokulowy. Cechą charakterystyczną tego

urządzenia jest styk punktowy elementów węzła tarcia i realizowany w nim ruch ślizgowy.

Schemat aparatu czterokulowego przedstawiono na rys. 1. Skojarzenie trące w tej ma-

szynie utworzone jest z czterech kulek (rys. 2) o średnicy 12,7 mm, wykonanych ze stali łoży-

skowej o twardości 62,7 HRC. Trzy kulki umieszczone są w dolnym uchwycie-pojemniku w

kształcie miseczki, do którego wlewana jest badana substancja smarująca (w ilości 8 ± 2 cm

3

).

Czwarta kulka zamocowana jest w uchwycie górnym. W czasie badania obraca się ona z

prędkością 1450 ± 50 obr./min, co odpowiada prędkości przesuwu trących się powierzchni

0,55 m/s. Kulki znajdujące się w miseczce są dociskane do kulki zamocowanej w uchwycie

górnym za pomocą specjalnej dźwigni. Zastosowana siła dociskająca (obciążenie zadane) jest

zmieniana w sposób skokowy lub ciągły. W przypadku badań ze skokową zmianą obciążenia,

do każdego biegu (przy zadanym obciążeniu) potrzebny jest nowy zestaw kulek. Badania z

ciągłą zmianą obciążenia wymagają jednego zestawu kulek dla całego pomiaru. Po zakończe-

niu każdego biegu należy umyć w benzynie ekstrakcyjnej kulki nieruchome i zmierzyć na

każdej z nich średnice skaz.

RyB. 1. Schemat kinematyczny aparatu czterokulowego: 1 – pokrywa mocująca kulki dolne, 2 –
uchwyt kulki górnej, 3 – kulka górna (obracana), 4 – kulki dolne (nieruchome), 5 – naczynie z bada-
nym olejem, 6 – pryzmat, 7 – dźwignia, 8 – obciążniki, 9 – badany olej [1].

RyB. 2. Skojarzenie pary tarciowej w aparacie czterokulowym: oznaczenia jak w rys.1 [1].

Pracę maszyny charakteryzują następujące parametry:

obciążenie rzeczywiste kulek - P

r

, obliczone wg rozkładu sił, może być wyznaczone

ze wzoru:

P

P

r

408

,

0

=

(1)

obciążenie właściwe - P

wł

, zwane obciążeniem zużycia, przypadające na zwiększoną

w wyniku zużycia powierzchnię styku, obliczane jest ze wzoru:

2

52

,

0

d

P

P

wł

=

(2)

obciążenie skorygowane -

P

B

, obliczane jest ze wzoru:

d

D

P

P

H

s

⋅

=

(3)

We wzorach (1), (2) i (3) wykorzystano następujące wielkości:

P - obciążenie zadane,

d - średnica skazy (śladu zużycia,

D

H

- średnica odkształcenia sprężystego kulki wg Hertza (tzw. średnica skaz Hertza) oblicza-

na ze wzoru:

3

0873

,

0

P

D

H

⋅

=

(4)

Skazy Hertza można praktycznie zaobserwować na powierzchni kulek, gdy po ich

umieszczeniu w gnieździe aparacie czterokulowym zada się odpowiednie obciążenie bez

nadawania maszynie obrotów. Kulki takie mają odciśnięte ślady o średnicach, które mogą być

obliczone wg wzoru (4).

Podstawowymi miarami właściwości tribologicznych (smarnych) substancji smarowej,

wyznaczanymi przy zastosowaniu aparatu czterokulowego, są:

obciążenie dla 1 mm

- P

1

,

obciążenie nadane, dla którego średnica skazy wynosi 1

mm;

największe obciążenie niezacierające

- P

N

,

obciążenie nadane, dla którego średnica

skazy nie przekracza więcej niż 5% skompensowanej średnicy skaz, dla danego ob-

ciążenia;

średnica skaz

- d,

wytartych na powierzchniach kulek nieruchomych, przy zadanym

obciążeniu na dźwigni, w czasie jednominutowego biegu maszyny - obliczana jako

średnia arytmetyczna wyników pomiarów wykonanych równolegle i prostopadle do

śladów tarcia widocznych na skazach;

skompensowana średnica skaz -

d

B

- średnia średnica skaz na powierzchni kulek nie-

ruchomych pod zadanym obciążeniem i w obecności substancji smarującej, powsta-

łych w biegu, w czasie którego nie stwierdza się zacierania ani zespawania kulek.

graniczne obciążenie zużycia

- G

0Z

,

definiowane jako nacisk jednostkowy, wyrażany

w N/m2, określające nacisk w skojarzeniu trącym przy stałym obciążeniu nadanym i

obliczane na podstawie średniej średnicy skaz powstałych na kulkach dolnych, w cza-

sie biegu maszyny pod tym obciążeniem;

wskaźnik zużycia pod obciążeniem -

I

H

, obliczany na podstawie wyników pomiarów

średnic skaz dla 10 biegów, wykonanych z kolejnymi obciążeniami, poprzedzającymi

obciążenie zespawania;

obciążenie zaspawania

P

Z

-

najniższe obciążenie na dźwigni maszyny, przy którym w

czasie jednominutowego biegu maszyny nastąpi zespawanie górnej kulki z zestawem

trzech kulek dolnych. Jeżeli dla badanej substancji smarującej nie następuje zespawa-

nie kulek, za obciążenie zespawania przyjmuje się obciążenie zadane

P

, przy którym

średnia średnica skaz powstałych na nieruchomych kulkach osiągnie wartość 4mm.

Jeżeli wykonany zostanie pomiar średnicy skaz pod różnymi obciążeniami, nadanymi

na dźwigni maszyny, to na podstawie tych pomiarów jest sporządzany wykres tzw. krzywa

zużycia pod obciążeniem, obrazujący właściwości smarne badanej substancji smarującej, co

przedstawia rys. 3A. Na przedstawionych wykresach przestawione są m. in.:

linia kompenBacyjna

- czyli linia wykreślona w układzie podwójnie logarytmicz-

nym, przedstawiająca zależność skompensowanej średnicy skaz

d

B

[mm] od obciąże-

nia zadanego

P

[N] w warunkach dynamicznych;

linia Hertza

- czyli linia wykreślona w układzie podwójnie logarytmicznym, przed-

stawiająca zależność średnicy skaz Hertza

D

H

od obciążenia zadanego

P

[N] w wa-

runkach statycznych.

Spośród dwóch substancji smarujących, przy identycznych warunkach badania, ta ma

lepsze właściwości smarne, dla której skutki wywołane takim samym obciążeniem górnej

kulki są mniejsze (mniejsza średnica skaz). Przebieg zużywania kulek w aparacie czterokulo-

wym dla kilku wybranych olejów, w zależności od obciążenia, pokazano na rys. 3B.

Uniwersalność aparatu czterokulowego pozwala na realizację wielu różnych programów

badań, które rozszerzają charakterystyki właściwości smarnych olejów smarnych i smarów

plastycznych. Wyniki badań, uzyskiwane przy zastosowaniu aparatu czterokulowego, służą

do przybliżonej oceny właściwości smarnych substancji smarowych, głównie olejów i sma-

rów plastycznych stosowanych do smarowania przekładni i łożysk.

R

y

B.

3

.

Wy

n

ik

i

b

a

d

a

ń

w

ła

śc

iw

o

śc

i

Bm

a

rn

y

ch

n

a

a

p

a

ra

ci

e

cz

te

ro

k

u

lo

w

y

m

:

3

A

-

t

y

p

o

w

y

p

rz

eb

ie

g

z

m

ia

n

z

al

eż

n

o

śc

i

śr

ed

n

ic

y

s

k

az

y

o

d

o

b

ci

ąż

en

ia

o

si

o

w

eg

o

n

a

g

ó

rn

ą

k

u

lk

ę

-

A

B

E

-

l

in

ia

k

o

m

p

en

sa

cy

jn

a,

A

-

p

o

cz

ąt

ek

p

ró

b

y

,

B

-

n

aj

w

ię

k

sz

e

o

b

ci

ąż

en

ie

n

ie

za

ci

er

aj

ąc

e,

D

-

z

es

p

aw

an

ie

,

F

-

l

in

ia

ś

re

d

n

ic

H

er

tz

a;

3

B

-

w

y

n

ik

i

b

ad

ań

w

y

b

ra

n

y

ch

o

le

jó

w

:

1

-

m

in

er

al

n

y

o

le

j

tu

rb

in

o

w

y

,

2

-

t

u

rb

in

o

w

e

o

le

je

s

y

n

te

ty

cz

n

e,

3

,4

,5

-

o

le

je

t

u

rb

in

o

w

o

-p

rz

ek

ła

d

n

io

w

e,

6

-

s

il

n

ik

o

w

y

o

le

j

lo

tn

ic

zy

,

7

-

o

le

j

p

rz

ek

ła

d

n

io

w

y

[

1

].

4.

Inne urządzenia do badania właBności Bmarnych olejów i Bmarów

4.1. MaBzyna typu TIMKEN

[na podst. 1]

Do oceny właściwości smarnych olejów smarowych i smarów plastycznych używana

jest także maszyna typu TIMKEN, w której skojarzeniu występuje styk liniowy. Maszyna

służy do oceny trwałości filmu smarowego między ślizgowymi elementami trącymi oraz do

pomiaru współczynnika tarcia. Testowe skojarzenie trące o styku liniowym, stanowią klocek i

pierścień, wykonane ze stali o twardości 60-62 HRC. Pierścień jest obracany, a klocek doci-

skany dźwignią do pierścienia siłą od 50 do 1000 N. Prędkość obrotowa pierścienia jest na-

stawiana na 500, 750, 1000 i 1500 obr./min, a powierzchnie trące są smarowane substancją

smarującą spływającą ze zbiornika. Właściwości smarne oleju lub smaru plastycznego są

oceniane na podstawie pomiaru momentu tarcia oraz ubytku masy klocka po określonym cza-

sie badania. Oceniane mogą być następujące parametry substancji smarującej:

największe obciążenie niezacierające;

wytrzymałość środka smarnego na naciski;

współczynnik tarcia;

przebieg procesu zużywania.

Rezultaty testów na maszynie TIMKEN służą do wstępnej oceny przydatności środka

smarowego do smarowania łożysk ślizgowych oraz przekładni zębatych.

4.2. MaBzyna typu FALEX

[na podst. 1]

W skojarzeniu trącym w maszynie FALEX występuje styk liniowy. Model skojarzenia

trącego (rys. 4) o styku liniowym, składa się z dwóch bloków z wycięciami (szczęk) dociska-

nych do wałka obracającego się ze stałą prędkością obrotową 240 ± 10 obr./min, co odpowia-

da prędkości poślizgu około 0,1 m/s. Podstawowe metody badań na tej maszynie polegają na

wyznaczeniu obciążenia, przy którym następuje zatarcie skojarzenia trącego maszyny, zanu-

rzonego w badanym środku smarnym. W badaniu tym prędkość obrotowa jest stała, a obcią-

żenie jest zwiększane w sposób ciągły lub dyskretny. 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 re-

alizowane dwa podstawowe badania: A - w którym obciążenie jest zwiększane w sposób cią-

gły, B - w którym obciążenie jest zwiększane w sposób dyskretny, w tempie 1112 N na minu-

tę. Rezultaty testów na maszynie FALEX służą do oceny trwałości filmu olejowego środka

smarnego oraz pomiaru współczynnika tarcia.

RyB. 4. MaBzyna typu FALEX: 1-szczęki, 2-wałek, 3-trzpień mocujący wałek, 4-głowica napędu [1].

4.3. MaBzyna typu FZG

[na podst. 1]

Maszyna FZG jest jednym z podstawowych testów stosowanych do oceny właściwości

smarnych i przeciwzużyciowych olejów przekładniowych i smarów plastycznych, stosowa-

nych do smarowania przekładni zębatych. Zasadnicze podzespoły aparatu FZG przedstawiono

na rys. 5.

RyB. 5. MaBzyna typu FZG: 1-badany olej, 2-zębate koła testowe, 3-sprzęgło pomiarowe momentu
obrotowego, 4-wałek napędzający koło zębate duże (prędkość obrotowa 1760 obr./min), 5-przekładnia
przenosząca obroty z silnika, 6-sprzęgło obciążające, 7-wałek napędzający koło zębate małe (prędkość
obrotowa 2640 obr./min), 8-obciążniki [1].

Elementami badawczymi maszyny FZG jest para kół zębatych (małe i duże) o zębach

prostych. Są one napędzane silnikiem elektrycznym poprzez przekładnię przenoszącą obcią-

żenia. Koła badawcze i przenoszące obciążenia są połączone dwoma wałami. Wał koła małe-

go jest podzielony i połączony ze sprzęgłem obciążającym. Część sprzęgła obciążającego jest

przymocowana do podstawy, podczas gdy druga część (wał skrętny) jest obciążany ciężarka-

mi poprzez dźwignię. Po skręceniu sprzęgła następuje jego odciążenie. W ten sposób jest

przykładany statyczny moment obrotowy, który można zmierzyć przy użyciu wałka skrętnego

i miernika. Stopień obciążenia jest ustalany w zakresie 1÷12. Koła badawcze (ściśle znorma-

lizowane) są smarowane zanurzeniowo badanym olejem, który jest podgrzewany grzałką za-

montowaną w skrzyni przekładniowej do ustalonej temperatury w zakresie do 150°C, przy

czym za normatywną uznano temperaturę 90°C. W wersjach badawczych możliwe są inne

rozwiązania układu smarowania kół zębatych, np. natryskowo. Zużycie kół zębatych jest oce-

niane poprzez pomiar (ubytek) ich masy po każdym z 13 biegów, dla każdego z kół.

Stanowisko badawcze FZG pozwala na ocenę możliwości przenoszenia obciążeń w

układzie przekładni zębatej, o zębach prostych. Najczęściej są realizowane dwa podstawowe

testy:

A/8,3/90

- według tego testu są oceniane odporność na zatarcie i właściwości prze-

ciwzużyciowe olejów przekładniowych, metodą wagową. Koła zębate są stopniowo

obciążane w 15 minutowym biegu, przy prędkości obwodowej 8,3 m/s i temperaturze

początkowej oleju wynoszącej 90°C. Po każdym biegu koła badawcze są wymonto-

wywane i jest określany ubytek ich masy. Ponadto wykreślany jest wykres zużycia od

stopnia obciążenia, na podstawie którego wyznaczyć można zatarcie oraz stopień ob-

ciążenia niszczącego, na podstawie skokowej zmiany masy.

A/2,76/50

- według tego testu są oceniane właściwości przekładniowych smarów pla-

stycznych. W teście tym prędkość obwodowa wynosi 2,76 m/s, a temperatura smaru

50°C. Ponieważ w przypadku smarów plastycznych, większe znaczenie eksploata-

cyjne mają właściwości przeciwzużyciowe niż przeciwzatarciowe wykonuje się biegi

45 minutowe, a czas trwania testu wynosi: 30, 100 lub 200 godzin.

5.

Przebieg ćwiczenia

5.1. Zadanie

Należy dokonać oceny porównawczej właściwości smarnych (przeciwzużyciowych i

przeciwzatarciowych) oleju bazowego SAE 30 oraz tego samego oleju z dodatkiem 2 % (wa-

gowo) acoroxu 88. Acorox 88 jest to nazwa handlowa wielofunkcyjnego dodatku polskiej

produkcji do olejów silnikowych, hydraulicznych i innych. Acorox 88 jest 50 % roztworem

dwualkilodwutiofosforanu cynku w oleju silnikowym Lux 6. Działa on jako inhibitor utlenia-

nia, korozji i dodatek poprawiający smarność. Wzór strukturalny dwualkilodwutiofosforanu

cynku jest następujący:

5.2. Czynności do wykonania

Przygotować 2 % roztwór acoroxu 88 w oleju bazowym;

Na zestawach kulek łożyskowych o średnicy 12,7 mm (0,5’’) zanurzonych w oleju,

wykonać 1-minutowe biegi pod odpowiednio dobranym obciążeniem zadanym, stop-

niowo je zwiększając aż do zespawania kulek;

Zmierzyć średnicę skaz (śladów zużycia) na kulkach nieruchomych.

5.3. Wytyczne do Bprawozdania

W sprawozdaniu należy przedstawić:

Zadanie, które należało wykonać w ćwiczeniu;

Przebieg i warunki pomiarów;

Wyniki pomiarów zużycia kulek nieruchomych (średnia średnica skaz) w funkcji ob-

ciążenia zadanego oraz wartości obciążenia zacierającego i zespawania dla badanych

substancji smarujących;

Wykresy zużycia od obciążenia zadanego dla ocenianych olejów;

Wnioski dotyczące właściwości smarnych analizowanych substancji smarujących.

5.4. Literatura

[1]

Przemysłowe środki smarne - Poradnik, TOTAL, Warszawa, 2003

[2]

Hebda M., Wachal A.: Trybologia, WNT, Warszawa, 1980

[3]

Olszewski W. [red.]: Paliwa i materiały smarowe - Badania i pomiary laboratoryjne

podstawowych własności fizykochemicznych, Wyd. Politechniki Radomskiej, Radom,

2006

[4]

PN-76/C-04147 Badanie własności smarnych olejów i smarów