ĆWICZENIE 4

8.1. Wstęp.

Podstawowym celem stosowania smarowania jest zmniejszenie wartości

współczynnika  tarcia  i  wyeliminowanie  lub  zmniejszenie  zużywania  się
powierzchni  elementów  węzła  łożyskowego.  Dodatkowo  smarowanie  ułatwia
odprowadzenie  ciepła  tarcia,  a  także  odprowadzenie  zanieczyszczeń  (głównie
produktów zużycia) z obszarów styku. Większość typowych środków smarnych
(oleje  i  smary  plastyczne)  zapewnia  także  okresową  ochronę  antykorozyjną
węzłów  tarcia  podczas  ich  bezruchu.  Smarowanie  polega  na  wprowadzeniu
pomiędzy  powierzchnie  współpracujących  elementów  węzła  łożyskowego
substancji smarnych i zastąpieniu zewnętrznego tarcia suchego, wewnętrznym
tarciem  w  środku  smarnym.  Radykalne  zmniejszenie  wartości  współczynnika
tarcia  ślizgowego  oraz  zużycia  można  osiągnąć  jedynie  w  przypadku  tarcia
płynnego,  które  zapewnia  brak  bezpośredniego  styku  powierzchni  elementów
węzła łożyskowego, w wyniku czego eliminuje się procesy zużycia adhezyjnego
i  cieplnego.  Zużywanie  ścierne  może  zachodzić  podczas  występowania  tarcia
płynnego jedynie wtedy, gdy w środku smarnym znajdują się twarde cząstki.

Zmiany wartości parametrów współpracy między elementami węzła

łożyskowego  poniżej  wartości  dopuszczalnych  lub  nieodpowiedni  dobór  i
ukształtowanie  cech  konstrukcyjnych  elementów  maszyn  uniemożliwiają
powstanie  lub  powodują  zaburzenia  istniejącego  już  tarcia  płynnego  w  węźle
łożyskowym.  Objawia  się  to  nieciągłością  przepływu  substancji  smarującej  w
warstwie  nośnej,  czego  konsekwencją  jest  zanikanie  tarcia  płynnego  i
powstawanie  tarcia  mieszanego,  powodujące  intensywne  zużycie  elementów
węzła  łożyskowego.  W  tym  przypadku  jedyną  warstwą  rozdzielającą
powierzchnie współpracujących elementów jest silnie związana z nią warstewka
substancji  smarującej,  nazywana  warstwą  graniczną.  Ten  rodzaj  smarowania
nazywany jest smarowaniem granicznym [3]. Odprowadzenie ciepła za pomocą
płynnego środka smarnego odbywa się dzięki przepływowi ciepła ze stref tarcia
do ścianek chłodzących elementów obudowy węzła łożyskowego lub chłodnicy.
Intensywność  chłodzenia  zależy  od  ciepła  właściwego  i  gęstości  płynnego
środka  smarnego  oraz  od  natężenia  jego  przepływu.  Właściwy  dobór  sposobu
smarowania  wpływa  decydująco  zarówno  na  sprawność  układów
mechanicznych  (wartość  współczynnika  tarcia)  jak  i  na  ich  trwałość
(intensywność zużywania), a także na niezawodność działania.

8.2.  Ogólna charakterystyka warstwy granicznej i tarcia granicznego

Cząsteczki cieczy smarującej w zasięgu działania pola sił

powierzchniowych  ciała  stałego  zmniejszają  swoją  ruchliwość.  Działanie  pola
elektrostatycznego powoduje polaryzację i związaną z nią orientację cząsteczek,
równolegle  do  linii  działania  sił.  Orientacja  cząsteczek  powoduje  zwiększenie
przestrzennego  ich  uporządkowania  i  zagęszczenia  ich  w  jednostce  objętości.

Powoduje  to  z  kolei  zwiększeni  lepkości  i  gęstości  cieczy  w  strefie
przypowierzchniowej.  Wysoki  stopień  uporządkowania  powoduje  również
zwiększenie  oddziaływań  międzycząsteczkowych  i  powstanie  ciała  quasi-
krystalicznego.

Wynika z tego, że cząsteczki cieczy, znajdujące się w pobliżu

powierzchni ciała stałego mają inne własności niż w pozostałej objętości cieczy.
Tworzą  one  oddzielną  fazę  przypowierzchniową  zwaną  warstwą  graniczną.
Warstwą  graniczną  nazywa  się  przypowierzchniową,  uporządkowaną,  kilku-
do  kilkudziesięciocząsteczkową  warstewkę  cieczy  o  grubości  około  0,25  μm,
znajdującą się w zasięgu pola sił powierzchniowych ciała stałego.

Tarcie występujące w tej warstwie nazywa się tarciem granicznym.

Celowe tworzenie warstwy granicznej na powierzchniach współpracujących
elementów celem obniżenia współczynnika tarcia, zapobieganiu zużycia i
zacierania nazywa się smarowaniem granicznym [3].

8.2.1. Modele warstwy granicznej

Badania warstw granicznych mają na celu poznanie zasad ich tworzenia.

Trwałość warstw granicznych jest ściśle związana z ich budową.

Rys. 8.1. Model warstwy granicznej wg Wooga: 1-metal, 2-warstwy cząstek polarnych,

3-cząstki niepolarne.

Rozważania nad budową warstwy granicznej stanowią podstawę do

opracowania  jej  modeli. Modele  warstwy  granicznej  tworzone są  na podstawie
informacji  uzyskanych  z  badań.  Pierwsze  modele  warstwy  granicznej  były
bardzo uproszczone i opierały się na przesłankach, że warstwa graniczna tworzy
się  na  powierzchni  metalu  i  że  ma  ona  inne  własności  niż  ciecz  w  pozostałej
części  objętości.  W  modelach  wyodrębniano  tylko  warstwę  przyścienną  z
zaznaczeniem  odrębności  jej  cech.  Przykładem  może  być  tu  model  warstwy
granicznej przedstawiony przez Wooga (rys.8.1.) lub model warstwy granicznej
zaproponowany przez A. V. Blooma (rys.8.2.).

Rys. 8.2. Model warstwy granicznej wg Blooma:
l-związane i zorientowane cząsteczki, 2-koloidalne agregaty cząsteczek smaru, 3-

sprężysta błona solwatyzacyjna działająca buforowo, 4-siły walencyjne ciała stałego

Istnieje wiele modeli warstwy granicznej. Dla celów niniejszego

opracowania  wybrano  model  przedstawiony  na  rys.  8.3.  Przedstawia  on  model
warstwy  wierzchniej  dwóch  stykających  się  ze  sobą  powierzchni  elementów
maszyn  rozdzielonych  warstwą  oleju  oraz  usytuowanie  warstwy  granicznej.
Jeżeli warunki pracy węzła łożyskowego umożliwiają rozdzielenie powierzchni
ślizgowych  elementów  klinem  smarnym,  to  film  olejowy  składa  się  z  trzech
warstw [6]:

warstwy granicznej oleju na powierzchni pierwszego elementu,
warstwy granicznej oleju na powierzchni drugiego elementu,

warstwy pośredniej między warstwami granicznymi, która stanowi obszar
występowania zjawisk hydrodynamicznych.

Wymaga się aby warstwa graniczna miała możliwie największą trwałość i

odporność na przerwanie. Analizując tworzenie warstwy granicznej należy
uwzględnić:

rodzaj i budowę cząsteczek substancji smarującej,

rodzaj i własności powierzchni elementów węzła łożyskowego,

warunki sorpcji (temperatura, ciśnienie, czas kontaktu itd.).

W samym procesie sorpcji możemy wyróżnić kilka podstawowych etapów:

przyciąganie cząsteczek do ciała stałego,

rozlokowanie ich na powierzchni,

związanie cząsteczek z podłożem.
Podczas procesu tworzenia warstwy granicznej, we wszystkich jego etapach,

zasadniczą rolę odgrywają wzajemne oddziaływania pomiędzy adsorbującymi
cząsteczkami a powierzchnią ciała stałego. Oddziaływania te powinny być
możliwie bardzo intensywne.

Rozpatrując zatem własności warstwy granicznej należy mieć na uwadze,

że  jej  własności  zmieniają  się  w  zależności  od  odległości  od  powierzchni
przylegania.  Wysoki  stopień  uporządkowania,  orientacja  cząsteczek  oraz  ich
powiązanie  z  podłożem  nadają  zaabsorbowanej  cieczy  cechy  ciała  quasi-
krystalicznego.  W  warstwach  cząsteczek  położonych  dalej  od  powierzchni  lub
też  przy  stosunkowo  słabym  jej  oddziaływaniu  występuje  jedynie  znaczne
zwiększenie lepkości i gęstości.

Na rysunku 8.4. przedstawiono zależność siły tarcia od obciążenia

warstwy granicznej oraz od jej grubości. Jak widać największe opory tarcia
występują w warstwach najcieńszych. Można to tłumaczyć zwiększonym
oporem uporządkowanych cząsteczek do ich przemieszczania.

Rys. 8.4. Zależność siły tarcia od obciążenia pomiędzy powierzchniami smarowanymi

parafiną: n - liczba warstewek w warstwie smarnej

Oddzielnym, ważnym zagadnieniem jest trwałość warstwy granicznej.

Trwałość  warstwy  granicznej  zależy  nie  tylko  od  jej  grubości,  ale  przede
wszystkim  od  sposobu  związania  adsorbowanych  cząsteczek  z  podłożem  i
pomiędzy  sobą.  Związanie  z  podłożem  ma  zasadnicze  znaczenie  podczas
działania  sił  ścinających.  Natomiast  międzycząsteczkowe  powiązania  boczne
spełniają  główną  rolę  przy  działaniu  sił  normalnych  do  powierzchni  podłoża,
niezależnie  od  tego  czy  warstwa  jest  złożona  z  cząsteczek  pałeczkowych
(łańcuchowych), czy też z płytkowych występujących głównie w oleju.

Warstwa graniczna przeciwstawia się zarówno ściskaniu, jak i

rozrywaniu. Jeżeli cząsteczki są nie związane z podłożem, to przy działaniu sił
ściskających istnieje tendencja do ,,wyciśnięcia" ich spomiędzy smarowanych
elementów.

W cząsteczkach związanych z podłożem, a więc nie mogących się

swobodnie przemieszczać, siły ściskające wywołują głównie zmiany w samych
cząsteczkach, polegające na zmianach kątów i wzajemnego ich ułożenia. Istnieje
również możliwość rozsuwania się cząsteczek uporządkowanych w warstwie
granicznej i wciskanie się między nie cząsteczek z dalszych warstw, w wyniku
czego następuje wzrost „upakowania” (rys. 8.5.).

Rys. 8.5. Model zjawiska „upakowania” cząsteczek w warstwie granicznej przy ściskaniu:

a) uginanie się łańcuchów - początkowa faza, b) wchodzenie łańcuchów między
siebie.

Odporność warstwy granicznej na ściskanie polega między innymi na

oddziaływaniu odpychającym, występującym w przypadku znacznego zbliżenia
cząsteczek oraz przy skłonności do zachowania stałych kątów pomiędzy
poszczególnymi elementami budowy cząsteczek.

Odporność warstwy granicznej na rozciąganie zależy głównie od

wielkości  sił  międzycząsteczkowych.  Spójność  zostaje  naruszona  w  tych
miejscach, gdzie siły oddziaływania międzycząsteczkowego są najmniejsze. Ze
względu  na  to,  że  atomy  pierwiastków  tworzących  cząsteczkę  są  związane
pomiędzy sobą silnymi wiązaniami kowalentnymi, natomiast cząsteczki słabymi
siłami  międzycząsteczkowymi,  utrata  spójności  (rozrywanie)  występuje
pomiędzy warstwami cząsteczek. Jeżeli zaadsorbowane cząsteczki są związane z
podłożem  silnym  wiązaniem  chemicznym,  a  wiązanie  to  jest  silniejsze  od  sił
spójności występujących w podłożu, to podczas działania sił rozciągających na
warstwę graniczną, następuje wyrywanie cząsteczek podłoża.

W wielu skojarzeniach elementów maszyn występuje cykliczne ściskanie

i rozciąganie warstwy granicznej, wywołujące powstawanie tego zjawiska.

8.2.3. Metody pomiaru trwałości warstwy granicznej

Smarność jest własnością substancji smarującej charakteryzującą jej

zachowanie  w  warunkach  tarcia  granicznego.  Określa  ona  zdolność  do
wytworzenia trwałej warstwy granicznej w wyniku adsorpcji (chemisorpcji) na
powierzchni ciał stałych [1,3,5]. Zdolność ta dla danej substancji smarującej jest
różna  w  odniesieniu  do  różnych  rodzajów  ciał  stałych.  Miarą  smarności  jest
trwałość warstwy granicznej, a więc trwałość związania substancji smarującej z
podłożem.  Trwałość  tę  można  określać  zarówno  w  czasie  tworzenia  warstwy

granicznej (z efektów towarzyszących, np. z ciepła sorpcji) lub też w czasie jego
niszczenia  (np.  z  ilości  energii,  jaką  trzeba  włożyć  aby  przerwać  warstwę
graniczną).  O  trwałości  warstwy  granicznej  można  również  wnioskować
pośrednio  ze  zjawisk  związanych  ze  smarnością,  jak  procesów  zużycia,
skłonności  do  zacierania  itp..  Smarność  jako  podatność  do  adsorpcji  można
badać zarówno w warunkach statycznych jak i dynamiczny.

8.2.4. Pomiary trwałości warstwy granicznej oparte na efektach towarzyszących

jej tworzeniu.

Graniczna warstwa oleju jest tym trwalsza, im silniej tworzące ją

cząsteczki są związane z podłożem. Z kolei im siły wiązań cząsteczek z
podłożem są większe, tym większa ilość energii wydziela się w procesie ich
wiązania. Mierząc efekty cieplne towarzyszące sorpcji, możemy wnioskować o
trwałości powstającej warstwy granicznej.

Rys. 8.6. Komora pomiarowa mikrokalorymetru: l-blok metalowy, 2-komora z teflonu

(PTFE), 3-termistor, 4-adsorbent, 5-przepuszczalna siatka, 6-rura wylotowa, 7-
rura wlotowa.

Do badań wpływu różnych substancji na tworzenie warstwy granicznej

stosuje się pomiary ciepła adsorpcji. Pomiary te wykonywane są za pomocą
mikrokalorymetru przepływowego [3]. Schemat komory pomiarowej
mikrokalorymetru przedstawiono na rys. 8.6.

Zasada pomiaru jest następująca. Przez sproszkowany adsorbent, którym

jest zazwyczaj żelazo lub jego tlenki, umieszczony na przepuszczalnej gazie,
przesącza się ze stałą prędkością ok. 0,10 ml/min. roztwór substancji zdolnych
do sorpcji. Efekt cieplny jaki występuje podczas sorpcji mierzy się za pomocą
termistorów i rejestruje.

Pomiar efektu cieplnego sorpcji realizowany może być dwoma metodami.

Pierwsza  polega  na  przesączaniu  przez  adsorbent  roztworu  o  znanym  stężeniu
przez określony czas i mierzeniu całkowitej ilości wydzielonego ciepła. Druga
metoda,  zwana  metodą  impulsową,  polega  na  przepuszczaniu  przez  adsorbent
jedynie  cieczy  nośnej.  Po  zarejestrowaniu  wyników  pomiarów  dotyczących
cieczy nośnej, dodaje się do cieczy nośnej określoną ilość substancji zdolnej do
sorpcji.  Jej  zaadsorbowanie  na  powierzchni  adsorbenta  powoduje  wydzielenie
określonej ilości ciepła, co jest zarejestrowane na wykresie (rys.8.7) w postaci
„pola dodatniego” (w odniesieniu do linii zarejestrowanej dla cieczy nośnej). W
przypadku  desorpcji  następuje  pochłanianie  ciepła  i  pojawia  się  na  wykresie
„pole ujemne”.

Rys. 8.7. Wykres efektów cieplnych towarzyszących sorpcji :
A, C – początek wydzielania ciepła w wyniku adsorpcji; B, D – początek

pochłaniania ciepła w wyniku desorpcji

Wartość efektu cieplnego podczas sorpcji zależy nie tylko od rodzaju

substancji adsorbowanej, ale również i od rodzaju adsorbenta.

Z krzywych efektów cieplnych można wnioskować o sposobie ułożenia

cząstek  na  powierzchni  adsorbenta.  Małe  efekty  cieplne  są  związane  z  małą
gęstością  upakowania  i  płaskim  ułożeniem  cząsteczek,  natomiast  duże  efekty
cieplne  są  wynikiem  dużej  gęstości  upakowania  oraz  pionowym  ułożeniu
cząsteczek.

Adsorpcja różnych związków na powierzchniach metali zmienia w za-

sadniczy sposób elektryczne przewodnictwo „naskórkowe" metali. Ze względu
na to, że pomiary elektryczne są dokładne, szybkie i stosunkowo łatwe w
realizacji, badania tego rodzaju mogą być wygodnym źródłem informacji o
procesach sorpcyjnych na powierzchniach metali.

8.2.5. Pomiary trwałości warstwy granicznej oparte na efektach towarzyszących

jej niszczeniu

Graniczna warstwa oleju jest trwała, dopóki jej odporność na przerwanie

jest większa lub równa oddziaływaniom niszczącym. Z chwilą przerwania
warstwy granicznej następuje zużywanie warstwy wierzchniej elementu z reguły
poprzez dekohezję.

W przypadku współpracy elementów maszyn, których geometria styku

powoduje  zwiększenie  powierzchni  tarcia  w  miarę  zużywania  się  elementów,
(np.  styk  dwóch  kul,  kuli  lub  trzpienia  stożkowego  z  płaską  obracającą  się
tarczą)  po  przerwaniu  warstwy  granicznej  następuje  gwałtowne  zużycie  tych
elementów i wzrost powierzchni tarcia.

Odporność na zacieranie i zużywanie jest uzależnione od trwałości

warstwy  granicznej  oleju  i  może  być  wykorzystywana  jako  jej  miara.  Do
wyznaczania  tak  pojętej  trwałości  warstwy  granicznej  oleju,  służą  różnego
rodzaju  maszyny  tarciowe,  np.  aparat  czterokulowy.  Metoda  pomiarów  za
pomocą aparatu czterokulowego w większości krajów została znormalizowana.
W  pomiarach  znormalizowanych,  prowadzonych  za  pomocą  aparatu
czterokulowego,  własności  przeciwzużyciowe  oleju,  a  więc  i  pośrednio  jego
własności smarne, charakteryzuje się wartością średnicy śladu zużycia kul oraz
tzw.  obciążeniem  zespawania  (rys.  8.8.).  W  metodzie  znormalizowanej
rozróżnia się następujące rodzaje obciążeń w aparacie czterokulowym [3,4,8]:

a. obciążenie nadane P [kG], tj. obciążenie przyłożone do współpracujących

elementów;

b. obciążenie rzeczywiste kulek P

[kG], tj. obciążenie występujące między

górną kulą a trzema dolnymi, obliczone wg rozkładu sił w układzie
regularnego czworościanu;

408

(8.1)

c. obciążenie zespawania P

[kG], tj. największe obciążenie, przy którym w

czasie pracy aparatu następuje zespawanie górnej kuli z zespołem trzech
kul dolnych;

d. zużycia właściwe P

wł

[kG/mm

], (zwane również granicznym

obciążeniem zużycia), tj. obciążenie przypadające na zwiększoną w
wyniku zużycia powierzchnię styku kul

(8.2)

gdzie: d [mm] - średnica śladu zużycia kuli dla danego obciążenia P,

0,52 - współczynnik przeliczeniowy;

e. obciążenie skorygowane P

[kG] obliczone ze wzoru:

(8.3)

gdzie: D

[mm]

- średnica odkształcenia sprężystego kulki wg Hertza pod

danym obciążeniem statycznym obliczona ze wzoru:

0873

(8.4)

Rys. 8. 8. Przebieg zużywania elementów tarcia aparatu czterokulowego w funkcji

obciążenia : ABE - linia kompensacyjna, B - największe obciążenie
niezacierające, BC - początek zacierania, CD - intensywne zużywanie,
D - zespawanie, P

– obciążenie zacierania

Miarą smarności może być czas zużywania, czyli czas jaki musi upłynąć

przy danym obciążeniu, aby średnica śladu zużycia osiągnęła wartość l mm.

Za pomocą aparatu czterokulowego można prowadzić wiele innych

pomiarów charakteryzujących odporność warstwy granicznej na jej przerwanie.
Jeżeli  aparat  czterokulowy  wyposażony  jest  w  urządzenie,  które  umożliwia
zwiększanie obciążenia  w  sposób  ciągły,  to  w  miarę  wydłużania  drogi i  czasu
tarcia,  powoduje  się  szczególne  spiętrzenie  efektów  cieplnych  w  obszarach
tarcia, stwarzające szczególnie niesprzyjające warunki pracy oleju. Na warunki
takie  odporne  są  tylko  niektóre  oleje  charakteryzujące  się  dużą  smarnością.
Ocenę  smarności  oleju  uzyskuje  się  również  wykonując  pomiary  z
zastosowaniem  zmiennej  prędkości  obrotowej  kulek.  Aparat  czterokulowy  w
standardowym wykonaniu ma stałą prędkość obrotową (1450 obr/min). W takim
przypadku czynnikiem powodującym niszczenie warstwy granicznej jest wzrost
obciążenia i związany z nim wzrost temperatury. Interesujące są konstrukcyjne
wersje  aparatu  czterokulowego,  które  umożliwiają  pracę  przy  bardzo
nieznacznych  prędkościach  obrotowych,  np.  l  obr/min.  Zostają  wówczas
wyeliminowane  efekty  hydrodynamiczne,  a  ponadto  zachodzi  dobry  odpływ
ciepła.

Aparat czterokulowy może być również wyposażony w urządzenie do

podgrzewania  miseczki  z  kulami  lub  też  do  jej  chłodzenia.  Umożliwia  to
wykonywanie  pomiarów  trwałości  warstwy  granicznej  w  różnych
temperaturach.

W aparatach czterokulowych wyposażonych w komplety kulek,

wykonanych  z  różnych  materiałów  (metali  i  tworzyw  polimerowych)  możliwa
jest  ocena  wpływu  własności  materiałów  skojarzonych  na  trwałość  warstwy
granicznej.

8.3.  Wybrana metoda bedań.

Badania

laboratoryjne

przeprowadzane

pomocą

aparatu

czterokulowego dotyczą oceny własności smarnych olejów i smarów zgodnie z
zaleceniami Polskiej Normy [8].

8.3.1. Opis stanowiska badawczego

Stanowisko laboratoryjne przeznaczone do badań trwałości warstwy

granicznej olejów i smarów przedstawiono na rys.8.9.

a) b)

Rys. 8.9. Schemat stanowiska do badania trwałości warstwy granicznej olejów i smarów:

a) aparat czterokulowy, b) uchwyty badanych kul;

1 – silnik elektryczny, 2 – zespół mocujący kulki, 3 – ramię układu obciążającego,

4 – obciążnik, 5 – podstawa aparatu czterokulowego, 6 – uchwyt kulki górnej, 7 –
uchwyt kulek dolnych, 8 – ruchoma kulka górna, 9 – nieruchome kulki dolne, 10 –
pierścień dociskowy.

Wyposażone jest ono w [4,8,9,10]:

aparat czterokulowy,

kulki stalowe, wykonane ze stali łożyskowej w „0” klasie dokładności o
średnicy 1/2" i tolerancji grupy selekcyjnej 0,8 m,

sekundomierz umożliwiający odczyt czasu z dokładnością do 0,1 s,

mikroskop pomiarowy wyposażony w skalę, umożliwiającą wykonanie
pomiaru średnic skaz z dokładnością do 0,01 mm,

benzynę ekstrakcyjną o własnościach zgodnych z zaleceniami normy,

naczynia do przechowywania i nabierania substancji smarujących,

instrukcję obsługi stanowiska.

Jak widać na rysunku 8.9 silnik elektryczny 1 połączony jest z wałem

napędzającym uchwyt 6 kulki górnej 8. Zespół obciążający wraz z obciążnikami
4, którego położenie jest regulowane 3 względem punktu podparcia dźwigni
obciążającej umożliwia zmianę nacisku na kulki dolne 9. Elementami
badawczymi są trzy kule unieruchomione w uchwycie dolnym, umieszczone w
miseczce 7 zawierającej badaną substancję smarującą, dociskane do czwartej
kulki zamocowanej w uchwycie obrotowym. Siła docisku wytwarzana jest za
pomocą zespołu obciążającego. Obciążenie nadane P, działające na układ
czterech badanych kulek, może zawierać się od 0 do 800 kG. Kulka górna
obraca się z prędkością n = 1450 ± 50 obr./min.. Badanie trwałości warstwy
granicznej olejów i smarów polega na pomiarze średnic śladów zużycia
powstałych na powierzchniach trzech badanych nieruchomych kulek dla
poszczególnych wartości obciążenia nadanego P.

8.3.2. Opis realizacji badań

Program realizacji badań laboratoryjnych własności smarnych olejów i

smarów zawiera wyznaczenie:
- wartości obciążenia niezacierającego P

- wartości obciążenia zespawania P

- wartości wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

8.3.3. Przygotowanie stanowiska do wykonywania badań

Przed rozpoczęciem oznaczania wartości wskaźników I

i P

należy

wykonać następujące czynności przygotowawcze:
1) Do każdego biegu testowego wybrać cztery nowe kulki. Kulki, uchwyty

mocujące  kulek,  końcówkę  wrzeciona  maszyny  czterokulowej  oraz
wszystkie  elementy  stykające  się  z  badanym  środkiem  smarnym  umyć  w
rozpuszczalniku,  celem  usunięcia  z  wymienionych  elementów  śladów
olejów,  smarów  lub  substancji  ochronnych.  Wybór  rozpuszczalnika  zależy
od rodzaju substancji.

2) Umyte elementy wysuszyć w strumieniu powietrza. Umytych i wysuszonych

elementów nie należy dotykać rękami.

3) Sprawdzić wizualnie stan powierzchni kulek i stan powierzchni uchwytu

utrzymującego kulki.

4) Trzy kulki umieścić w uchwycie dolnym, natomiast kulkę czwartą wraz z jej

uchwytem zamocować we wrzecionie aparatu.

5) Uchwyt kulek dolnych napełnić badanym środkiem smarnym w ilości 8 ± 2

o temperaturze 20 ± 5°C, tak, aby nie powstały w nim pęcherzyki

powietrza. W przypadku badania smarów plastycznych napełnić uchwyt
kulek dolnych środkiem smarnym przed umieszczeniem w nim kulek. Po
zamocowaniu dolnych kulek usunąć nadmiar wyciśniętego smaru.

6) Uchwyt umieścić w aparacie i obciążyć węzeł obciążeniem nadanym P = 80

kG, unikając gwałtownych zmian obciążenia, mogących spowodować
deformacje powierzchni kulek.
Obciążenie nadane P [kG] – obciążenie węzła tarcia nadane przez układ
obciążający aparatu czterokulowego [8].

7) Sprawdzić prawidłowość współpracy elementów węzła tarcia przez

pokręcenie uchwytem kulek dolnych.

8.3.4. Sposób wykonania badań

W celu realizacji oznaczenia wartości wskaźników I

i P

należy:

1) Wykonać czynności przygotowawcze podane w punkcie 2.3.1.
2) Uruchomić silnik napędowy aparatu czterokulowego na czas 10 ± 0.2 s, przy

czym nie brać pod uwagę czasu biegu od włączenia silnika do osiągnięcia
prędkości obrotowej 1450 ± 50 obr/min. i wyłączenia silnika do zatrzymania
aparatu.

3) Po zakończeniu pierwszego biegu odciążyć węzeł tarcia, zdemontować

uchwyty kulek, kulki dolne umyć w rozpuszczalniku i osuszyć.

4) Zmierzyć mikroskopem pomiarowym średnice powstałych skaz w kierunku

równoległym i prostopadłym do śladów tarcia.

5) W przypadku, gdy krawędzie skaz są zakryte wytartym materiałem, należy je

przed pomiarem oczyścić.

6) Obliczyć i zapisać w tabeli 8.1 wartość średnią średnicy skaz d i porównać ją

z wartością skompensowaną średnicy skaz d

Średnia  średnica  skaz  d  [mm]  –  średnia  arytmetyczna  wyników  pomiarów
średnic  śladów  zużycia  ciernego  (skaz),  wykonanych  w  kierunku
równoległym  i  prostopadłym  do  kierunku  poślizgu  badanych  kulek
(nieruchomych) [8].
Skompensowana średnica skaz d

[mm] – wartość znormalizowana średniej

średnicy skaz powstałych na powierzchni kulek nieruchomych obciążonych
siłą P w obecności czynnika smarującego, powstałych w biegu, podczas
którego nie nastąpi zatarcie lub zespawanie badanych kulek [8].

7) Jeżeli średnia wartość średnicy skaz d przy obciążeniu nadanym P = 80 kG

nie przewyższa wartości skompensowanej średnicy skaz d

więcej niż o 5%,

należy wykonać bieg przy kolejnym wyższym obciążeniu nadanym.

8) Jeżeli średnia wartość średnicy skaz d przy obciążeniu nadanym P = 80 kG

przewyższa więcej niż 5% wartości skompensowanej średnicy skaz d

następny bieg badawczy przeprowadzić przy kolejnym niższym obciążeniu
nadanym.

9) Kontynuować biegi aż do wyznaczenia największego obciążenia

niezacierającego P

, stosując w każdym biegu zestaw nowych kulek.

Największe obciążenie niezacierające P

– największe obciążenie nadane P,

przy którym średnia średnica skaz d nie przewyższa więcej niż 5%
skompensowanej średnicy skaz d

[8].

10)

Po wyznaczeniu obciążenia niezacierającego P

wykonać kolejno biegi

przy rosnących obciążeniach zgodnie z tabelą 8.1, aż do zespawania kulek i
natychmiast wstrzymać bieg silnika. Objawy zespawania kulek: zwiększony
hałas w węźle tarcia z równoczesnym wydobywaniem się dymu, gwałtowny
wzrost momentu tarcia i zadziałanie wyłącznika bezpieczeństwa.

11)

Powtórzyć bieg przy obciążeniu, przy którym nastąpiło zespawanie. Jeżeli

przy powtórnym biegu zespawanie nie nastąpi, przeprowadzić następny bieg
przy kolejnym wyższym obciążeniu nadanym. Za obciążenie zespawania P

przyjąć obciążenie, przy którym dwukrotnie stwierdzono zespawanie kulek.

12)

Wykonać 10 biegów dla kolejnych obciążeń poprzedzających obciążenie

zespawania P

, pomijając wartości obciążeń niższych od wyznaczonej

wartości obciążenia niezacierającego P

13)

Jeżeli dla danego środka smarnego nie wystąpi zespawanie kulek,

wówczas za obciążenie zespawania P

należy przyjąć obciążenie nadane, dla

którego średnia wartość średnicy skaz d powstałych na nieruchomych
kulkach osiągnie wartość 4 mm.

14)

Jeżeli przy najwyższym obciążeniu nadanym P = 800 kG nie nastąpiło

zespawanie kulek i średnia wartość średnicy skaz d nie osiągnęła wartości 4
mm, należy przyjąć: obciążenie zespawania - powyżej 800 kG, a wskaźnik
zużycia pod obciążeniem I

obliczyć przyjmując, że obciążenie zespawania

= 800 kG.

15)

Wypełnić tabele pomiarową.

Tabela 8.1. Tabela pomiarowa [8]

Obciążenie

nadane
P [kG]

Średnia

średnica

skaz

d [mm]

Skompensowana

średnica skaz

[mm]

Iloczyn

P*D

[kGmm]

Obciążenie

skorygowane

[kG]

Obciążenie

zespawania

[kG]

Wskaźnik

zużycia pod

obciążeniem

[kG]

0,95

1,40

0.21

1,88

0.23

2,67

0.25

3,52

0.27

4,74

0.28

6,05

0.31

8,87

0.33

11,96

0.36

16,10

0.39

21,86

0.42

30,08

100

0.46

40,5

126

0.50

55,2

160

0.54

75,8

200

0.59

102,2

250

137,5

315

187,1

400

258

500

347

620

462

800

649

8.3.5. Obliczenie wartości obciążenia skorygowanego P

i wskaźnika zużycia

pod obciążeniem I

1) Obciążenie skorygowane P

[kG], obliczyć dla poszczególnych biegów

aparatu w zakresie obciążeń między największym obciążeniem
niezacierającym P

i obciążeniem zespawania P

wg wzoru:

(8.5)

gdzie:
P [kG] - obciążenie nadane w danym biegu,
D

[mm] - średnica skaz Hertza,

0873

(8.6)

d [mm] - średnia średnica skaz zmierzona na kulkach nieruchomych.

2) Wskaźnik zużycia pod obciążeniem I

[kG] obliczyć, wg wzoru:

(8.7)

gdzie:
P

[kG] - suma obciążeń skorygowanych P

dla kolejnych obciążeń

nadanych nie większych niż 315 kG, a większych od największego obciążenia
niezacierającego P

[kG] - suma obciążeń skorygowanych P

dla obciążeń nadanych nie

większych od największego obciążenia niezacierającego P

, uzupełniających

liczbę obciążeń skorygowanych P

do dziesięciu, wymaganych do obliczenia

wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

, obliczona z pomiarów lub odczytana z

tabeli 8.2 na podstawie wyznaczonych w danym badaniu wartości P

i P

[kG] - średnia arytmetyczna obciążeń skorygowanych P

dla obciążeń

nadanych większych od 315 kG.

Tabela 8.2. Suma obciążeń skorygowanych P

[kG] w zależności od wartości największego

obciążenia niezacierającego P

oraz obciążenia zespawania P

[8]

[kG]

800

620

500

400

315

250

200

160

126

100

200

583

639

684

720

749

770

160

410

466

511

547

576

597

615

126 269,8 325,8 370,5 407

435

457

474

489

100 159,7 215,8 260,5 296,7 325,3 346,9 364,4 378

390

71,6 127,7 172,4 208,6 237,2 259,2 276,3 290

302

311

56,1 100,8 137 165,6 187,1 204,7 218,8 230,4 239,3 246,7

44,7 80,9 109,5 131 148,6 162,7 174,3 183,2 190,6

36,2 64,8 86,4 103,9 118 129,6 138,6 145,9

28,6 50,2 67,7 81,8 93,4 102,4 109,7

21,6 39,1 53,2 64,8 73,8 81,1

17,6 31,6 43,2 52,2 59,5

14,1 25,7 34,6

11,6 20,6 27,9

16,3

7,4

8.3.6. Wynik oznaczania wartości wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

obciążenia zespawania P

Za wynik oznaczania obciążenia niezacierającego P

należy przyjąć

wartość największego obciążenia nadanego P, przy którym średnia wartość
średnicy skaz d nie przewyższa więcej niż 5% wartości skompensowanej
średnicy skaz d

Za wynik oznaczania obciążenia zespawania P

należy przyjąć wartość

obciążenia nadanego P, przy którym co najmniej w dwóch biegach stwierdzono
zespawanie kulek.

Za wynik oznaczania wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

należy

przyjąć średnią arytmetyczną wyników co najmniej dwóch oznaczeń nie
różniących się między sobą więcej niż 10 kG.

8.4. Zasady opracowania wyników badań.

Opracowanie wyników badań powinno zawierać:

a)  cel badań,
b)  rysunek i opis stanowiska badawczego,
c)  charakterystykę badanego środka smarnego,
d)  tabelę z wynikami badań,
e)  wynik  oznaczania  wartości  maksymalnego  obciążenia  niezacierającego  P

obciążenia zespawania P

oraz wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

f) ocenę wyników badań i wnioski końcowe.

8.5. Literatura.

[1] Bowden F. P., Tabor D.: Wprowadzenie do trybologii. WNT, Warszawa

1980

[2] Grądkowski M.: Ocena przydatności eksploatacyjnej olejów smarowych.

Problemy Eksploatacji 2/95 (15), Radom 1995

[3] Hebda M., Wachal A.: Trybologia. WNT, Warszawa 1980
[4] Instrukcja obsługi Aparatu czterokulowego T-02
[5] Lawrowski Z.: Technika smarowania. PWN, Warszawa 1987
[6] Mróz W.: Uwagi do tarcia granicznego. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn,

zesz. 3-4 (63-64), 1985

[7] Mróz W.: Właściwości warstw granicznych smaru a energia powierzchniowa

warstw wierzchnich. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, zasz.1 (73), 1988

[8] PN-76/C-04147. Badanie własności smarnych olejów i smarów.
[9] PN-83/M-86452. Łożyska toczne. Kulki.
[10] Pytko S.: Podstawy tribologii i techniki smarowniczej. Skrypt AGH w

Krakowie, Kraków 1984