Nazwisko
i imię

AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA

Data

LABORATORIUM Z PŁYNÓW

EKSPLOATACYJNYCH I TECHNIKI

SMAROWNICZEJ

Rok studiów
specjalność

Ocena

Temat:

Badanie materiałów skojarzeń

tribologicznych

1. Wstęp teoretyczny

Materiały skojarzeń trybologicznych
Własności materiałów stosowanych na ślizgowe węzły tarcia (łożyska ślizgowe, prowadnice,
przekładnie ślimakowe)
♦ wytrzymałość na ściskanie doraźna i zmęczeniowa,
♦ dobra przewodność i duża pojemność ciepła,
♦ odporność na korozję,
♦ dobra obrabialność,
♦ niski koszt poszczególnych składników stopowych.

Metalowe materiały ślizgowe

Jest to najczęstsza grupa materiałów ślizgowych. Stosuje się je powszechnie w łożyskach
ślizgowych i innych zespołach ślizgowych.
Znormalizowane w Polsce stopy łożyskowe zawierają normy:
♦ stopy na osnowie cyny i ołowiu PN-71H-87111,
♦ stopy na osnowie miedzi – brązy i mosiądze PN-70-H-87026
♦ stopy cynkowe typu ZnAl – PN-73/H-87102,
♦ Stopy na osnowie aluminium, typu Al.-Sn-Ni, Al.-Cu, Al.-Fe stosowane w panwiach
łożysk ślizgowych.
♦ Żeliwo jest materiałem ślizgowym stosowane na mało obciążone węzły ślizgowe. Jest tanie
i odporne na zmęczenie. Własności ślizgowe są słabe. Przeciwcierność żeliwa we współpracy
ze stalą zapewnia jego niejednorodna struktura oraz obecność w niej wolnego grafitu,
stanowiącego smar stały.
♦ Pormety – porowate spieki metalowe – wyróżniają się wśród materiałów ślizgowych swoją
specyficzną strukturą i właściwościami.

Niemetalowe materiały śłizgowe

Do tej grupy należą:
♦ tworzywa sztuczne,
♦ drewno,
♦ guma,
♦ grafit.

Do grupy tworzyw sztucznych należą:

1. polimery termoplastyczne (termoplasty)

Pod wpływem ciepła przechodzą w stan plastyczny a potem płynny, po ochłodzeniu

twardnieją. Zalicza się do nich: poliamidy (PA), poiczterofluoroetylen (PTFE),
poliksymelony (POM), poliimidy (PI)

2. Polimery termoutwardzalne i chemoutwardzalne (duroplasty).

Są nieczułe na zmiany temperatury. Po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury
ulegają one rozkładowi. Stosuje się je jako składniki kompozytów.
W tych układach stosuje się następujące polimery:
- żywice fenolowe (FF),
- mocznikowe (UF),
- melaminowe (MF),
- poliestrowe (NP),
- epoksydowe (E),
- poliuretany (PU).

2. Metodyka badań

2.1. Użyte urządzenia

2.1.1. Maszyna czterokulowa

a) Opis maszyny czterokulowej

Maszyna czterokulowa stosowana jest powszechnie do badania materiałów

smarowych. Do badań zastosowano znajdującą się w Zakładzie Konstrukcji i Eksploatacji
Maszyn AGH maszynę czterokulową model Four - Ball Wear Tester Brown/G. E.
Modyfication firmy Roxana Works USA (rys. 2.)

Rys. 2. Maszyna czterokilowa

a) widok maszyny czterokulowej,
b) schemat maszyny czterokulowej.

b) Zabudowa węzła tarcia

Dolna część węzła tarcia umieszczona jest na tłoczysku siłownika pneumatycznego i

dociskana jest do górnej obracającej się próbki.
Aby węzeł tarcia był samocentrujący zastosowane jest łożysko aerostatyczne.

Pomiędzy łożyskiem aerostatycznym a korpusem węzła tarcia znajduje się grzejnik
elektryczny.
Styk ruchomy przewodów termopary i grzejnika stanowią studzienki rtęciowe - dzięki czemu
nie występuje zniekształcenie pomiaru momentu tarcia.

c) Konstrukcja maszyny pozwala na szeroki zakres zmian parametrów badania.

- Regulacja obciążenia

Węzeł tarcia obciążony jest przy użyciu siłownika pneumatycznego.

Siłownik pneumatyczny zainstalowany w maszynie czterokulowej daje możliwość obciążenia
od 0 do 1800 N.
Regulację ciśnienia w siłowniku przeprowadza się ręcznie przy użyciu reduktora ciśnienia.
Siłe odczytuje się na mierniku ciśnienia.

- Regulacja prędkości obrotowej
Bezpośrednia regulacja prędkości obrotowej jest realizowana za pomocą

elektronicznego układu i daje możliwość ustawienia prędkości obrotowej od 60 do 3000
obr/min

- Regulacja temperatury
Węzeł tarcia może być podgrzewany przy użyciu grzejnika oporowego do temperatury

673 K.Temperatura mierzona jest przy pomocy termopary, której czujnik umieszczony jest w
węźle tarcia w pojemniku na materiał smarowy.

- Pomiar momentu tarcia

Moment tarcia mierzony jest przetwornikiem oporowym w układzie mostka i rejestrowany na
rejestratorze.

- Czas badania

Czas badania ograniczony jest tylko względami ekonomicznymi. Wyłącznik czasowy ma
zakres do 5 godzin.

2.1.2. Zastosowany węzeł tarcia – kulka-trzy krążki

Węzeł tarcia kulka-trzy krążki (rys. 2) zawiera trzy krążki umieszczone w specjalnym
uchwycie współpracujące z kulką o średnicy: ½’’ (PN-75/M-86452). Układ ten jest
stosowany do badania materiałów ciernych i tarciowych.
Pomiarem własności tych materiałów jest średnica odcisków na krążkach przy odpowiednich
warunkach badania:

♦ prędkość obrotowa 600 obr/min,
♦ temperatura 37

o

C,

♦ obciążenie 100 N,
♦ czas trwania 15 min.

Rys. 3. Układ tarcia: układ kula-trzy krążki

1 – kulka stalowa
2 – badane krążki
3 – uchwyt

2.1.3. Mikroskop typu MPB-2

2.2. Użyte materiały

2.2.1. Standardowe kulki łożyskowe ½

ﺍﺍ

2.2.2. materiały:

- krążki teflonowe,
- krążki polietylenowe.

3. Analiza wyników badań

3.1. Warunki badań

♦ prędkość obrotowa 600 obr/min,
♦ temperatura 37

o

C,

♦ obciążenie 100 N,
♦ czas trwania 15 min.

3.2. Wyniki badań zużycia

PTFE

Nr bad.

Krążek 1

Krążek 2

Krążek 3

średnie

Styczne*

//

Promien.*

┴

Styczne

//

Promien.

┴

Styczne

//

Promien

┴

1

2

3

* Styczne (równoległe) do kierunku ruchu
* Promieniowe (prostopadłe) do kierunku ruchu

UHMWPE

Nr bad.

Krążek 1

Krążek 2

Krążek 3

średnie

Styczne*

//

Promien.*

┴

Styczne

//

Promien.

┴

Styczne

//

Promien

┴

1

2

3

* Styczne (równoległe) do kierunku ruchu
* Promieniowe (prostopadłe) do kierunku ruchu

3.3. Wyniki badań siły tarcia (zamieścić wykresy siły tarcia generowane przez

rejestrator i program)

3.4. Wyznaczenie współczynników tarcia teflonu i polietylenu na podstawie pomiaru

siły tarcia:

Zależności na obliczenie parametrów tarcia

- siła normalna do punktów styku górnej kulki z krążkiem:

P

P

P

408

,

0

6

1





gdzie: P – przyłożona siła pionowa w [kG]

- średnica okręgu styku przed bieżnią jest definiowana jako średnica Hertza:

3

2

10

73

,

8

P

d

H







- współczynnik tarcia f:

P

L

F

f







23

,

2

gdzie: F – siła tarcia [kG]

L – ramię tarcia [cm] (2,86 lub 10,48) [16].

W badaniach przyjęto ramię tarcia L=10,48 cm

Na wykresach otrzymanych z badań mierzona jest siła tarcia F w [N] – do powyższego wzoru
należy przeliczyć średnią wartość na kilogramy i w ten sposób otrzymać współczynnik tarcia.
W Excelu przeliczyć siłę tarcia na współczynnik tarcia i takie wygenerować wykresy (każda
grupa wykonuje 2 wykresy – stal teflon i stal polietylen - dla swoich wyników przesłanych
na gmail)

3.5. Wykresy



Porównanie zużycia teflonu i polietylenu na wykresach słupkowych



Porównanie wykresów współczynników tarcia dla teflonu i polietylenu w
swojej grupie.

4. Wnioski końcowe