1

WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ

ZAKŁAD TRANSPORTU I EKSPLOATACJI

LABORATORIUM PODSTAW EKSPLOATACJI MASZYN

LABORATORIUM PODSTAW EKSPLOATACJI TECHNICZNEJ

INSTRUKCJA NR 8

POMIAR TRWAŁOŚCI WARSTWY GRANICZNEJ OLEJÓW I SMARÓW

2

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.

3

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.).

4

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.

5

Rys. 8.3. Model warstwy wierzchniej elementów węzła ślizgowego oraz warstwy granicznej

smaru.

8.2.2. Własności warstwy granicznej

Warstwa graniczna jest odrębną fazą cieczy smarującej, tworzącą się w

strefie przyściennej ciała stałego, różniącą się własnościami i składem od
„objętościowej" części cieczy. Różnica ta wynika ze zwiększonego stężenia
cząstek polarnych spowodowanego oddziaływaniem pola sił powierzchni ciała
stałego. Oddziaływanie tego pola jest najsilniejsze tuż przy powierzchni i maleje
ono gwałtownie (wykładniczo) wraz ze wzrostem odległości od powierzchni.
Dlatego też cząsteczki znajdujące się najbliżej powierzchni podlegają
uporządkowaniu przestrzennemu, orientacji oraz unieruchomieniu (związaniu).
W miarę oddalania się od powierzchni stopień uporządkowania zmniejsza się, a
cząsteczki są bardziej ruchliwe.

6

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.).

7

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

8

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.

9

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.

10

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

rz

[kG], tj. obciążenie występujące między

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

P

,

P

rz

408

0

(8.1)

c. obciążenie zespawania P

z

[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

2

], (zwane również granicznym

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

2

52

0

d

P

,

P

wl

(8.2)

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

0,52 - współczynnik przeliczeniowy;

e. obciążenie skorygowane P

s

[kG] obliczone ze wzoru:

d

D

P

P

h

s

(8.3)

gdzie: D

h

[mm]

- średnica odkształcenia sprężystego kulki wg Hertza pod

danym obciążeniem statycznym obliczona ze wzoru:

3

0873

0

P

,

D

h

(8.4)

11

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

z

– 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.

12

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

za

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,

13

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

n

,

- wartości obciążenia zespawania P

z

,

- wartości wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

h

.

8.3.3. Przygotowanie stanowiska do wykonywania badań

Przed rozpoczęciem oznaczania wartości wskaźników I

h

i P

z

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.

14

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

cm

3

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

h

i P

z

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

s

.

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

s

[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

s

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

s

,

15

następny bieg badawczy przeprowadzić przy kolejnym niższym obciążeniu
nadanym.

9) Kontynuować biegi aż do wyznaczenia największego obciążenia

niezacierającego P

n

, stosując w każdym biegu zestaw nowych kulek.

Największe obciążenie niezacierające P

n

– największe obciążenie nadane P,

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

s

[8].

10)

Po wyznaczeniu obciążenia niezacierającego P

n

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

z

przyjąć obciążenie, przy którym dwukrotnie stwierdzono zespawanie kulek.

12)

Wykonać 10 biegów dla kolejnych obciążeń poprzedzających obciążenie

zespawania P

z

, pomijając wartości obciążeń niższych od wyznaczonej

wartości obciążenia niezacierającego P

n

.

13)

Jeżeli dla danego środka smarnego nie wystąpi zespawanie kulek,

wówczas za obciążenie zespawania P

z

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

h

obliczyć przyjmując, że obciążenie zespawania

P

z

= 800 kG.

15)

Wypełnić tabele pomiarową.

16

Tabela 8.1. Tabela pomiarowa [8]

Obciążenie

nadane
P [kG]

Średnia

średnica

skaz

d [mm]

Skompensowana

średnica skaz

d

s

[mm]

Iloczyn

P*D

h

[kGmm]

Obciążenie

skorygowane

P

s

[kG]

Obciążenie

zespawania

P

z

[kG]

Wskaźnik

zużycia pod

obciążeniem

I

h

[kG]

6

0,95

8

1,40

10

0.21

1,88

13

0.23

2,67

16

0.25

3,52

20

0.27

4,74

24

0.28

6,05

32

0.31

8,87

40

0.33

11,96

50

0.36

16,10

63

0.39

21,86

80

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

s

i wskaźnika zużycia

pod obciążeniem I

h

,

1) Obciążenie skorygowane P

s

[kG], obliczyć dla poszczególnych biegów

aparatu w zakresie obciążeń między największym obciążeniem
niezacierającym P

n

i obciążeniem zespawania P

z

wg wzoru:

d

D

P

P

h

s

(8.5)

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

h

[mm] - średnica skaz Hertza,

3

0873

0

P

,

D

h

(8.6)

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

17

2) Wskaźnik zużycia pod obciążeniem I

h

[kG] obliczyć, wg wzoru:

2

10

1

3

2

1

s

s

s

h

P

P

P

I

(8.7)

gdzie:
P

s1

[kG] - suma obciążeń skorygowanych P

s

dla kolejnych obciążeń

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

n

,

P

s2

[kG] - suma obciążeń skorygowanych P

s

dla obciążeń nadanych nie

większych od największego obciążenia niezacierającego P

n

, uzupełniających

liczbę obciążeń skorygowanych P

s

do dziesięciu, wymaganych do obliczenia

wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

h

, obliczona z pomiarów lub odczytana z

tabeli 8.2 na podstawie wyznaczonych w danym badaniu wartości P

n

i P

z

,

P

s3

[kG] - średnia arytmetyczna obciążeń skorygowanych P

s

dla obciążeń

nadanych większych od 315 kG.

Tabela 8.2. Suma obciążeń skorygowanych P

s2

[kG] w zależności od wartości największego

obciążenia niezacierającego P

n

oraz obciążenia zespawania P

z

[8]

P

z

[kG]

P

n

[kG]

800

620

500

400

315

250

200

160

126

100

80

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

80

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

302

311

63

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

50

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

40

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

32

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

24

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

20

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

16

14,1 25,7 34,6

42

13

11,6 20,6 27,9

10

9

16,3

8

7,4

18

8.3.6. Wynik oznaczania wartości wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

h

i

obciążenia zespawania P

z

,

Za wynik oznaczania obciążenia niezacierającego P

n

należy przyjąć

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

s

.

Za wynik oznaczania obciążenia zespawania P

z

należy przyjąć wartość

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

Za wynik oznaczania wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

h

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

n

,

obciążenia zespawania P

z

oraz wskaźnika zużycia pod obciążeniem I

h

,

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

19

[11] Szczerek M.: Badania tribologicznych własności materiałów. Tribologia –

Teoria i praktyka. VII Krajowe Sympozjum Eksploatacji Urządzeń
Technicznych, Radom – Kozubnik 1993

[12] Wiślicki B., Zawadzki A., Lizis A.: Tribologiczno-silnikowe badania

skuteczności niektórych specjalnych środków smarowych. Tribologia –
Teoria i praktyka. VII Krajowe Sympozjum Eksploatacji Urządzeń
Technicznych, Radom – Kozubnik 1993