RODZAJE TARCIA - ruch - spoczynkowe, kinematyczne (ślizgowe, toczne)

Lokalizacja: zewnętrzne (suche lub technicznie suche), wewnętrzne (w płynach[płynne, graniczne], w ciałach stałych[przy odkształceniach plastycznych, przy odkształceniach sprężystych]).

TARCIE SUCHE - 1500 Leonardo da Vinci - prawa tarcia: I siła tarcia jest proporcjonalna do obciążenia (T=1/4F), II siła tarcia nie zależy od nominalnej powierzchni styku.

1699 Amontos odkrył te prawa ponownie

1781 Couloumb - III Z chwilą wprowadzenia ciała w ruch tarcie nie zależy od prędkości oraz podał zależność na wartość siły tarcia: T=µF + C, gdzie µF- składowa oddziaływań mechanicznych, C - składowa oddziaływań molekularnych.

Wartości współczynnika tarcia suchego niektórych materiałów: stal-stal: tarcie ruchowe - 0,18, tarcie spoczynkowe - 0,30

WYKORZYSTANIE TARCIA DLA CELÓW TECHNICZNYCH - minimalizacja oporów ruchu (węzły antyfrykcyjne), maksymalizacja oporów ruchu (węzły frykcyjne), technologie wykonawcze (obróbka ubytkowa, spajanie materiałów)

TARCIE PŁYNNE - 1885 (Tower) - odkrył wytwarzanie się w łożyskach ślizgowych ciśnienia po obciążonej stronie łożyska (ciśnienie hydrodynamiczne), 1886 - teoretyczne podstawy w oparciu o doświadczenia Towera opracował Reynolds. Warstwa smarowa musi mieć taką grubość aby rozdzielała współpracujące powierzchnie na odległość większą niż suma wysokości ich największych nierówności (chropowatości).

HYDRODYNAMIKA - 1.ciecz lepka, 2. charakterystyka ruchu : szczelina zwężająca się w kierunku ruchu, łożysko ślizgowe poprzeczne (naturalne), łożysko ślizgowe wzdłużne (należy pochylić płaskie powierzchnie).

TARCIE ELASTOHYDRODYNAMICZNE - wyjściem była niezgodność rzeczywistości z obliczeniami wynikającymi z hydrodynamicznej teorii smarowania. Wykorzystano: - sprężyste odkształcenia warstw wierzchnich współpracujących elementów, - zwiększenie lepkości środka smarowego wskutek wysokiego ciśnienia.

Ciśnienie elastohydrodynamiczne występuje w kołach zębatych. W kołach występuje tarcie toczne z poślizgiem.

TRACIE GRANICZNE - kiedy zawodzą wszystkie sposoby wywołania tarcia płynnego, nadzieja na minimalizację skutków tarcia związana jest ze zdolnością do adsorpcji (fizyczna i chemiczna). Powstają na ciałach stałych monomolekularne warstwy składnika środka smarowego. Zdolność tworzenia warstewki granicznej nazywa się smarownością (smarność).

SMAROWANIA PŁYNNE - powierzchnie są całkowicie oddzielone za pomocą nośnego filmu olejowego.

Rys 1, str 3

SMAROWANIE GRANICZNE - zachowanie zależy w pierwszym rzędzie od właściwości filmu granicznego

Rys 2, str 3

SMAROWANIE CZĘŚCIOWE (MIESZANE) - ma znaczenie zarówno film nośny jak i film olejowy

Rys 3 str 4

TARCIE TOCZNE - 1.Toczenie odbywa się wskutek przyłożonej do elementu toczonego siły lub momentu. 2. Opór tarcia uwarunkowany jest: mikropoślizgami i histerezą sprężystą elementów współpracujących.

SMAROWANIE ELEMENTÓW MASZYN

Ze względu na charakterystykę geometrii kontaktu wszystkie skojarzenia ruchome elementów maszyn można podzielić na:

1.Węzły konforemne, przystające, w których współpracujące powierzchnie są wzajemnymi odwzorowaniami (pomijając luzy) to znaczy ich kształty dają się opisać promieniami krzywizny nieznacznie różniącymi się co do wartości - inaczej mówimy, że tego rodzaju węzły charakteryzują się stykiem rozłożonym (np. łożysko ślizgowe).

2.Węzły nie konforemne, nieprzystające, w których stykają się ciała o znacznie różniących się kształtach, czyli takie których promienie krzywizny są bardzo zróżnicowane (np. elementy krzywkowe, zazębienia przekładni zębatych)

Podczas pracy dąży się do zminimalizowania oporów ruchu (skojarzenia antyfrykcyjne). Idealnym rozwiązaniem jest taka sytuacja, kiedy o wartości tych oporów decyduje tarcie wewnętrzne cieczy (środka smarowego), a nie opory związane z tarciem zewnętrznym między partnerami tarcia (najczęściej metalowymi). W obu rodzajach węzłów taka sytuacja jest możliwa w trakcie ruchu pod warunkiem, że partnerzy w węźle ruchowym zostaną w sposób trwały rozgraniczeni warstwą środka smarowego. Taka sytuacja może wystąpić w przypadku możliwości powstania warstwy smarowej (dynamicznej - ruchomej) nazywanej filmem smarowym. W tym przypadku mówimy, że mamy do czynienia z tarciem płynnym.

Dla obu grup wspomnianych węzłów (konforemnych i nie konforemnych) wymuszenie tego korzystnego stanu jest możliwe. Przyczyny prowadzące do tej sytuacji są jednak zasadniczo różne. Ich analizą w układach tarciowych ruchowych zajmują się: HYDRODYNAMICZNA TEORIA SMAROWANIA (dla pierwszej grupy węzłów) i ELASTOHYDRODYNAMICZNA TEORIA SMAROWANIA (dla węzłów o stykach skoncentrowanych).

Klasyczna teoria smarowania hydrodynamicznego (Pietrowa Reynoldsa) opiera się na następujących spostrzeżeniach:

1. Rozkład obciążeń odbywa się na dużej powierzchni - naciski w stosunku do granicy sprężystości współpracujących elementów nie powodują znacznych odkształceń, stąd założenie o idealnej sztywności (nieodkształcalności) elementów nie będących w kontakcie.

2. Na skutek wzajemnego względnego ruchu w szczelinie między elementami pary ciernej powstaje ciśnienie hydrodynamiczne umożliwiające całkowite ich oddzielenie, zależne od tarcia wewnętrznego cieczy (lepkości); założono stałą lepkość i gęstość oleju.

OCENA JAKOŚCI SMAROWANIA - Jakość smarowania węzłów tarciowych skoncentrowanych (w tym zazębień) decyduje o rodzajach zachodzących procesów tarciowych.. Te zaś decydują o intensywności zachodzenia różnych procesów destrukcyjnych wpływających na trwałość skojarzeń zębatych. Mirą skuteczności smarowania jest zdolność środków smarowych do tworzenia trwałego i dostatecznie grubego filmu smarowego EHD. Z analizy podanych zależności wynika, że z wielu charakterystycznych cech olejów tylko własności reologiczne są uwzględniane w formułach pozwalających obliczyć grubość filmu EHD.

Ponieważ lepkość zmienia się w bardzo szerokim zakresie temperatur to znacząca jest znajomość charakterystyk temperaturowych dla zakresu ich zmian w węzłach tarcia.

To charakterystyka jej wartości w formułach:

Rys 4 str 6

1-ciecz binghamowska (pasty i zawiesiny)

2-ciecz pseudoplastyczna Rys 5 str 6

3-ciecz newtonowska

4-ciecz dylatacyjna (mokry piasek)

W formułach obliczeniowych występuje w jawnej postaci jako lepkość oleju pod ciśnieniem atmosferycznym w zakładanej temperaturze pracy medium smarującego przekładnię. Drugą specyficzną charakterystyką lepkościową związaną z występowaniem wysokich ciśnień w styku zębatym jest ciśnieniowy współczynnik lepkości( prezowspółczynnik lepkości), który jest miarą skłonności oleju do zmian lepkości pod wpływem zmian ciśnienia w zakładanej temperaturze pracy przekładni (oleju). Obie wspomniane charakterystyki zależą w zasadniczy sposób od rodzaju oleju. Często przedstawione są one w postaci zależności empirycznych graficznych. Również znane są w postaci zależności funkcyjnych teoretycznych.

Do obliczeń lepkości olejów w różnych temperaturach stosuje się zależności teoretyczno-empiryczne. Maja one wszystkie charakter zależności wykładniczych różniących się wartościami parametrów charakterystycznych dla różnych grup olejów.

Wzór Walthera: rys 6 str 7

REOLOGICZNY PODZIAŁ CIECZY - newtonowskie, nie newtonowskie (nie mające własności lepko-sprężystych[własności reologiczne niezmienne w czasie; własności reologiczne zmieniające się w czasie], mające właściwości lepko-sprężyste.

W przekładniach zębatych naciski w strefie kontaktu wynoszą od kilkuset do 2 tysięcy MPa. Stwierdzono też, że zmiany lepkość 25 MPa maja charakter liniowy i zależność ta występuje w formie wzoru: η_p=η_oe^(1+b*p) gdzie η_{o -} lepkość przy ciśnieniu atmosferycznym. Powyżej 25 MPa zmiany lepkości mają charakter wykładniczy i opisuje je wzór η_p=η_oe ^d*p gdzie:

η_{p -} lepkość przy ciśnieniu p[Pa*s]

d - ciśnieniowy współczynnik lepkości [Pa^-1]

b - stała charakterystyczna dla różnych olejów [-]

d = (0,6 + 0,965 * logη_o) * 10^-8

Lepkość jest to miara spójności między cząsteczkami.

Rys 7 str 7

SMAROWANIE ELASTOHYDRODYNAMICZNE - W warunkach styków skoncentrowanych elementów o dużych różnicach promieni krzywizny uzyskiwane rezultaty świadczyły iż teoretyczna grubość filmu jest mniejsza od chropowatości.

Peppler zasugerował znaczenie ciśnienia w sferze styku. Równanie opisujące grubość filmu smarnego w strefie spłaszczenia (Grubin):

Rys 8 str 7

α - współczynnik charakteryzujący zależność lepkości od ciśnienia

u - średnia prędkość powierzchni [m/s]

R' - zredukowany promień krzywizny elementów [m]

P - obciążenie

E'- zredukowany model Younga [Pa]

L - długość kontaktu liniowego [m]

Zmodyfikowana teoria smarowania hydrodynamicznego dla styków skoncentrowanych została nazwana Teorią Smarowania Elastohydrodynamicznego.

Ogólne równanie na grubość filmu olejowego:

Rys 8 str 8

PODSUMOWANIE PROBLEMATYKI EHD

Dla przebiegu procesów smarowania w stykach skoncentrowanych istotne znaczenie mają zmiany lepkości czynnika smarującego wraz ze zmianami ciśnienia, jak i odkształcenia sprężyste stykających się ciał.

1. Współpracujące elementy nie podlegają istotnym odkształceniom sprężystym (można je traktować jako ciała doskonale sztywne). Pod wpływem zmian ciśnienie lepkości cieczy smarowej nie zmienia się. E1=E2=0=const; η=const ] HD hydrodynamiczne smarowanie

2. Występuje wzrost lepkości pod wpływem wzrostu ciśnienia. Elementy kontaktujące mogą być traktowane jak ciało sztywne. E1=E2=0=const η=η_oe ^d*p

3.Lepkość cieczy smarującej nie zmienia się pomimo wzrostu ciśnienia, natomiast mają miejsce odkształcenia sprężyste kontaktujących się elementów. E1#E2#0; η=const

4. W węźle ruchowym skoncentrowanym występują jednocześnie istotne odkształcenia sprężyste współpracujących elementów oraz następuje wzrost lepkości cieczy smarującej na skutek wzrostu ciśnienia. E1#E2#0; η=η_oe ^d*p ] EHD

Tylko w wariancie czwartym mamy do czynienia ze smarowaniem EHD.

WARIANT SMAROWANIA W LINIOWYM STYKU SKONCENTROWANYM

Rys 9 str 9

Dla wariantu 1 grubość warstwy smarowej można wyznaczyć ze wzoru podanego przez H.H. Martina:

Rys 10

Dla wariantu 2 określa związek H. Blocka:

Dla wariantu 3 odpowiednio sformułował K. Herrebrugh

Dla wariantu 4 przez D. Dewsona:

PRZEKŁADNIE ZĘBATE - OCENA JAKOŚCI SMAROWANIA - polega na wyznaczaniu grubości filmu olejowego oraz porównaniu jej z chropowatością powierzchni, czyli wyznaczenie współczynnika grubości filmu olejowego λ. Jego wartości pozwalają ocenić rodzaje smarowania z jakim należy się liczyć w zazębieniu.

Rys 11

h_min - minimalna grubość elastohydrodynamicznego filmu olejowego w zazębieniu

Rz - średnia kwadratowa wysokość mikronierówności powierzchni roboczej zębów zębnika i koła

Warunek tarcia płynnego zapisywany jest w formie : λ= h_min/Rz ≥ λgr

λgr - jest wielkością statystyczną ustaloną dla danego typu przekładni w oparciu o wyniki badań eksploatacyjnych. Dla przekładni przemysłowych, jako λgr należy przyjąć wartości z przedziału 1,0 -1,4. Niższe wartości przyjmuje się dla przekładni lekko i średnio obciążonych.

Dla przekładni stożkowych i hipoidalnych podają że jeśli λgr=1,5-3,0 to występuje tarcie zbliżone do płynnego, a gdy λ>4 to mamy do czynienia ze smarowaniem płynnym EHD. Na podstawie doświadczeń stwierdzono, że wartość λ=2 odpowiada przejściu od małego zużycia współpracujących powierzchni zębów do zużycia o średniej intensywności. Przy λ=0,7 następuje silne zużycie przekładni i w tym przypadku zalecają stosowanie do smarowania olejów uszlachetnionych dodatkami przeciwzatarciowymi.

SMAROWANIE KÓŁ ZĘBATYCH

Metoda graficzna nomogramowa oceny grubości filmu.Metoda analityczna. Metody obliczeń EHD J. Spałka i współautorzy. Opierając się na wzorze Dawsona i Higginsona wprowadzili oni formuły pozwalające obliczyć grubość filmów w punkcie tocznym dla :

1. Kół zębatych walcowych o zębach prostych i skośnych

Rys 13

2. Kół zębatych stożkowych o zębach skośnych oraz prostych

W celu uproszczenia obliczeń zaproponowano wykorzystanie odpowiednich nomogramów. Postać ogólna nomogramowa wzoru na grubość filmu olejowego:

Rys 14

gdzie: Kη - współczynnik lepkości, Ka - współczynnik odległości, Ki - współczynnik przełożenia

Wprowadzono dodatkowe założenia: - zastępczy moduł sprężystości materiału kół zębatych

E=2,3*10^-5 MPa; - współczynnik zmiany lepkości z ciśnieniem.

Metoda analityczna. OBLICZANIE GRUBOŚCI FILMU SMAROWEGO.

Oryginalną metodę obliczania grubości filmu olejowego przedstawił A.S. Kodnir. Pozwala ona wyznaczyć zmiany grubości filmu olejowego wzdłuż odcinka przyporu, poprzez obliczenia prowadzone dla kilku charakterystycznych położeń, a mianowicie dla:

- wejścia i wyjścia z zazębienia (dokładnie w odległości 0,3 modułu; tj dla punktów A' i D'),

- punktu tocznego (bieguna zazębienia - PJ)

- punktów zmiany liczby par zębów będących w zazębieniu (zazębienie jednoparowe i dwuparowe - BC)

Rys 15 str 11

Wzór na grubość filmu olejowego h_o dla zazębień Kodnia

gdzie:

h - grubość filmu olejowego

η_T - lepkość dynamiczna oleju o temperaturze T [Pa*s]

Ko - obciążenie na długości styku [Nm^-1]

(U1+U2) - prędkość hydrodynamiczna w punkcie styku zębów [ms^-1]

5. Obciążenie na długości styku dla kół o zębach prostych

- w punkcie jednoparowego przyporu (B,C,PJ)

Kd=k(Kos+Q_D); gdzie

k - współczynnik obliczeniowy obciążenia (k=1,1)

Kos - obciążenie statyczne na długości styku [Nm^-1]

Q_D - nadwyżka dynamiczna obciążenia [Nm^-1]

7. Określenie temperatury w punkcie styku dla wyznaczenia lepkości oleju

Ti=To+ΔTi gdzie:

Ti - temperatura w i-tym punkcie styku [°C]

To - temperatura przy objętości oleju [°C]

ΔTi - temperatura błyskowa w i-tym punkcie styku [°C]

Rys 16 str 12

8.Piezowspółczynnik lepkości

αi = (0,6+0,965Ig η_T1) *10^-8 [Pa^-1]

rys. 17 str 12

Smarowanie elastohydrodynamiczne

-łożyska toczne, przekładnie (para w styku skoncentrowanym)

Lepkość oleju smarowego odpowiada na tarcie płynne: przy smarowaniu HD, przy smarowaniu EHD

Porównanie rodzajów smarowania : λ=h/R1+R2

Dodatki: przeciwzużyciowe (AW-anti wear), przeciwzatarciowe

PODZIAŁ ŚRODKÓW SMAROWYCH - a) wg konsystencji (oleje, smary plastyczne, smary stałe, gazowe), b) wg przeznaczenia (motoryzacyjne, przemysłowe)

KLASYFIKACJA ŚRODKÓW SMAROWYCH

1. lepkościowe (motoryzacja SAE, przemysł ISO)

2. jakościowe (motoryzacja API, ACEA, przemysł ISO)

OGÓLNE DANE

1. oleje (mineralne, syntetyczne, półsyntetyczne)

relacje - olej syntetyczny - olej mineralny

2. smary plastyczne

olej bazowy - zagęszczacz - dodatki uszlachetniające

Ogólne informacje o budowie współczesnych olejów bazowych. Współczesne oleje otrzymuje się wprowadzając do tzw. Olejów bazowych zestawy różnorodnych dodatków uszlachetniających, z których najważniejsze to:

1.tzw. dodatki smarnościowe czyli dodatki przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe, które na powierzchniach tarcia tworzą warstewki ochronne (graniczne) zmniejszające zużycie i chroniące przed zatarciem.

2. Dodatki lepkościowe (tzw. Wiskozatory, które poprawiają zależność lepkości oleju od temperatury) szczególnie przydatne są w olejach wielosezonowych ze „spłaszczoną” charakterystyką lepkościową. Umożliwia ona łatwiejszy rozruch zimnego silnika i dobre smarowanie węzłów silnika nagrzanego.

3. Inhibitory utleniania - zmniejszają szybkość utleniania oleju bazowego, co zwiększa żywotność oleju smarowego. Dodatki myjące (detergenty) - zmywają osady wewnątrz silnika tworząc jednocześnie na czystych powierzchniach warstewki zabezpieczające przed osadami wtórnymi.

4. Detergenty maja najczęściej charakter zasadowy w związku z czym pełnią równocześnie rolę neutralizatorów substancji kwasowych pojawiających się w oleju smarowym.

5. Dodatki dyspergujące - rozpuszczają w sposób koloidalny w oleju bazowym drobne zanieczyszczenia eksploatacyjne o charakterze cząstek stałych (cząstki pyłu, metaliczne produkty zużycia, cząstki pochodzące z utleniania węglowodorów, cząstki sadzy w oleju silnikowym).

6. Inhibitory korozji - działają pasywująco na powierzchnie metaliczne zabezpieczając przed korozją od kwasów olejów smarowych.

Ilośc dodatków np. w mineralnym oleju silnikowym, może przekraczać 30%. W oleju syntetycznym dodatków może być nieco mniej, nie są dodawane dodatki lepkościowe, bowiem syntetyki posiadają korzystną zależność lepkości od temperatury.

W9-oleje i smary przemysłowe

Klasyfikacja lepkościowa

VG2,VG3,VG5,VG1500

Rodzaje oznaczeń olejów do sprężarek. (oznaczone są przez ISO literą D oraz na drugim miejscu oznaczenie literowe dotyczy rodzaju sprężanego medium)

- do sprężarek powietrza DA

- do pomp próżniowych DV

- do sprężarek gazowych DG

- do sprężarek chłodniczych DR

1.Oleje do sprężarek powietrza DA muszą posiadać wysoką odporność termiczną (praca w wysokich temperaturach) oraz dobre własności smarne. Specyficzne wymagania dotyczą mgły olejowej, która tworzy się w sprężarkach tłokowych. Przy odpowiedniej koncentracji w powietrzu i w obecności źródła ognia, może dojść do wybuchu. Dlatego od tych olejów wymaga się aby tworzący się z nich na gorących powierzchniach koks miał strukturę puszystą i był łatwy do usunięcia strumieniem powietrza. Dobrym rozwiązaniem jest również wprowadzenie do oleju sprężarkowego dodatków myjących zabezpieczających powierzchnię zaworów wylotowych (gorących) przed tworzeniem się nagaru.

2. Oleje do pomp próżniowych DV - specyfika wymagań - mała zawartość części lotnych (reszta jak wyżej)

3. Oleje do sprężarek gazowych DG - przy sprężaniu mediów obojętnych wymagania jak dla sprężarek powietrznych. Przy sprężaniu gazów aktywnych (metan, elan, gaz ziemny), które rozpuszczają się w oleju mineralnym (powoduje to spływanie filmu olejowego), stosuje się specjalne oleje syntetyczne (poliglikole) nierozpuszczalne w sprężonych mediach.

4. Oleje do sprężarek chłodniczych DR - w tym przypadku wymaga się dobrej rozpuszczalności oleju smarowego i czynnika chłodzącego. Pewna ilość oleju ze sprężarki zostanie zawsze wtłoczona do części chłodniczej, mieszając się z czynnikiem chłodniczym. Zjawisko to pogarsza parametry czynnika chłodniczego ale jednocześnie umożliwia powrót oleju do układu smarowania. Wydzielanie oleju w specjalnych pułapach olejowych na wyjściu z układu chłodniczego. Ostatnio wprowadza się do użytkowania tzw. Czynnik ekologiczny R134A i R404. Mogą one skutecznie współpracować jedynie z olejami syntetycznymi (poliestry, poliglikole). Wadą tych olejów jest wysoka higroskopijność, dlatego muszą one być przechowywane w pojemnikach metalowych.

OLEJE HYDRAULICZNE - wymagania, własności

- odpowiednia lepkość, duża czystość (bardzo małe luzy we współczesnych układach hydraulicznych- konieczna dobra filtrowość), bardzo dobre własności pienne oraz zdolność szybkiego wydzielania powietrza z oleju. HH - czysty olej mineralny, bez dodatków, HL, HM, HR, HV, HG, HS.

Syntetyki niepalne: HFAE - emulsja oleju w wodzie, HFAS, HFB, HFC, HFDR, HFDT.

OLEJE TURBINOWE - są to oleje do długotrwałej eksploatacji nawet kilku letniej. Długowieczność zawdzięczają umiarkowanej temperaturze roboczej 60-70 stopni oraz dużą objętością układów smarowania. Oznaczamy literą T: dla turbin powietrza TSA…TSE; dla turbin gazowych TGA…TGE.

OLEJE DO PRZEKŁADNI PRZEMYSŁOWYCH - wymagania podobne jak dla olejów przekładni samochodowych, dotyczą odpowiednich własności smarnościowych (konieczne dodatki). Do przekładni zębatych: CKB, CKC, CKD, CKE, CKS, CKT, CKG

Wszystkie płyny eksploatacyjne, w tym również oleje smarowe, w toku eksploatacji podlegają różnorodnym oddziaływaniom, najczęściej pogarszających ich własności. Dlatego mówimy, że płyny eksploatacyjne ulegają starzeniu w czasie użytkowania.

Rys 18 str 16

Schemat transformacji oleju świeżego w przepracowany

Rys 19 str 16

Na materiał smarowy (olej) działają różne układy urządzenia technicznego oraz zewnętrzne środowisko eksploatacyjne.

Rys 20 str 16

WPŁYWY URZĄDZEŃ TECHNICZNYCH TO NP.;

1. generowanie w węzłach ruchowych ciepła tarcia przyjmowanego przez olej smarowy

2. katalityczny wpływ części metalicznych na utlenianie oleju

3. przejmowanie przez olej produktów zużycia

4. przejmowanie ciepła z innych układów np. układów spalania z silników

5. oddziaływanie na olej wykondensowanej wilgoci powietrza itp.

WPŁYWY ŚRODOWISKA TO:

1. wymiana ciepła między urządzeniem a otoczeniem

2. przenikanie płynów, wilgoci i powietrza do olejów smarnych

SCHEMATYCZNE UJĘCIE PROCESÓW DEGRADACYJNYCH DOTYCZACYCH SKŁADU BAZOWEGO, PAKIETU DODATKÓW USZLACHETNIAJĄCYCH ORAZ MATERIAŁU EKSPLOATACYJNEGO.

Rys 21 str 17

Całość złożonych procesów starzeniowych którym podlegają oleje smarowe w czasie eksploatacji umownie dzieli się na trzy składowe:

1. utlenianie węglowodorów oleju bazowego

2. zanieczyszczanie oleju cząstkami stałymi, wodą i powietrzem

3. utrata skuteczności dodatków uszlachetniających

UTLENIANIE - jest to proces długotrwały będący ciągiem różnych reakcji chemicznych zachodzących w podwyższonej temperaturze.

Utlenianie jest przyspieszone gdy:

- olej znajduje się w cienkiej warstwie np. gładzi cylindra

- olej znajduje się w kontakcie z metalami

- olej jest zmieszany z powietrzem

Skutki utleniania to:

- powstawanie produktów bardziej lepkich

- powstawanie z części przemian produktów kwasowych (wzrasta erozyjność korozyjna)

- powstanie z części reakcji cząstek stałych typu karbeny, karboidy

- tendencja do tworzenia osadów, szlamu i laków

Rysunek str 41

Rozkład nacisków na powierzchni styku naprężeń w obszarach podpowierzchniowych dla przypadku statycznego obciążenia dwóch stykających się walców obciążonych siłą normalną.

Naciski powierzchniowe i tym samym naprężenia normalne wzdłuż osi obciętych (σx,y=0) rozkładają się wg funkcji eliptycznejwzory Hertza. Podpowierzchniowe obszary materiału podlegają trójosiowemu nierównomiernemu ściskaniu, przy czym naprężenia normalne (σx, σy) oraz styczne( zmieniają się wg funkcji przedstawionej na rysunku. Maksymalne naprężenia styczne maja wartość , pmax i leża na głębokości g=0,78a, która przy najczęściej stosowanych parametrach geometrycznych i wynosi 0,1-0,4mm (a-połowa szerokości styku). Kierunek max tworzy z płaszczyzną symetrii kąt 45. Przedstawiony na rysunku rozkład naprężeń odnosi się do wyidealizowanego przypadku, gdy na obciążone walce działają siły wyłącznie normalne, tzn. że na powierzchni nie występują siły styczne, wywołane odkształceniami sprężystymi i poślizgiem. Czystego toczenia nie da się zrealizować w przypadku elementów odkształcalnych, chociażby dlatego, ze występują zawsze mikro pęknięcia

Rysunek41b

Ze wzrostem obciążenia stycznego wzrastają naprężenia, a miejsce maksymalnego wytężenia materiału zbliża się ku powierzchni.

Cyklicznie zmieniające się naprężenia styczne powodują:

-zmiany chropowatości

-odkształcenie plastyczne i umocnienie cienkiej strefy przypowierzchniowej

-przemiany strukturalne

-inicjację i rozwój pęknięć zmęczeniowych powodujących zużywanie zmęczeniowe

Możliwe są 2 przypadki;

1 pęknięcia powstają na pewnej głębokości pod powierzchnią, zwykle w miejscu największego wytężenia materiału w kierunku max (ognisko zmęczenia).

2 pęknięcia powstają na powierzchni wskutek rozwoju istniejących wad powierzchniowych, np śladów obróbki

W 1 przypadku zakłada się, że warunkiem niezbędnym do zapoczątkowania zmęczenia materiału jest wystąpienie lokalnych odkształceń plastycznych warstwy wierzchniej. Ponieważ wartość naprężeń stycznych w okolicach punktu maksymalnego wytężenia materiału jest dużo większa niż w strefach tuż pod powierzchniowych, właśnie przede wszystkim, tam istnieją warunki do wystąpienia lokalnych odkształceń plastycznych a więc istnieje największe prawdopodobieństwo inicjacji mikropęknięcia zmęczeniowego.

Teoria delaminacyjna

Jedną z najnowszych teorii zużywania zmęczeniowego jest teoria delaminacyjna, opracowana przez Suha i współpracowników ( z łac. Odwarstwienie) wg tej teorii rozwarstwienie następuje wskutek następujących procesów:

-podczas ślizgania się ciał stałych po sobie siły normalne i styczne przekazywane są w punktach wzajemnego styku tych ciał zarówno przez oddziaływanie adhezyjne jak i mechaniczne. Występy chropowatości ciała bardziej miękkiego ulegają odkształceniom plastycznym, a po wielokrotnym odkształceniu niektóre z nich zostają oddzielone z powierzchni. Powierzchnia ta się wygładza

-każdy punkt styku na powierzchni bardziej miękkiego ciała podlega cyklicznym obciążeniom przekazywanym przez występy chropowatości twardszego ciała. Następuje kumulacja odkształceń plastycznych i naprężeń w warstwie wierzchniej ciała miękkiego

-wzrastające odkształcenie warstwy wierzchniej wywołuje tworzenie się pęknięć w warstewce pod powierzchniowej. Pęknięcia te, jak tez istniejące już w materiale nieciągłości rozszerzają się przy dalszym obciążeniu styku i jego odkształcenia. Kierunek propagacji tych pęknięć jest równoległy do powierzchni a ich odległość od niej zależy od właściwości materiału i od współczynnika tarcia

-w dogodnej sytuacji (tzn. przy osłabieniu oddzielonej warstewki przy powierzchniowej, przeciążeniu miejscowym itp. )Pęknięcie wychodzi na powierzchnie i wtedy następuje oddzielenie części warstewki przypowierzchniowej w postaci cienkiej łuski.

Rysunek z 42 kartki

Oprócz chropowatości powierzchni istotne znaczenie dla przebiegu pittingu ma także dokładność wykonania, zachowanie współosiowości oraz błędy kształtu

Wpływ właściwości materiałów

Specyficzny charakter rozkładu naprężeń w strefie styku elementów tworzących parę tarcia tocznego powoduję iż można przewidywać duży wpływ wtrąceń niemetalicznych jako swego rodzaju karbów w materiale na trwałość zmęczeniową. Szkodliwy wpływ wtrąceń na własności mechaniczne zwiększa się ze wzrostem zawartości węgla w stali gdyż niskie właściwości plastyczne w stanie hartowanym potęguje działanie czynników wywołuje koncentrację naprężeń

Badania wielu autorów potwierdziły że prawdopodobieństwo powstania wybrzuszeń zmęczeniowych jest największe w miejscach występowania wtrąceń zwłaszcza jeśli wychodzą one na powierzchnię

Wtrącenia przyczyniają się tez do dużego rozrzutu trwałości

Średnia trwałość pierścienia zewnętrznego w funkcji liczby wtrąceń tlenowych o rozmiarze ponad m i liczbę wtrąceń zaliczono w płaszczyźnie do osi pierścienia do głębokości 0,5mm

Rysunek z43

Z rysunku widać że obciążenie średniej trwałości wraz ze wzrostem liczby wtrąceń tlenowych jest bardzo znaczne. Stad wynika uzasadnione dążenie producentów łożysk tocznych do zmniejszenia w łożyskach zawartości wtrąceń oraz tlenu

Wpływ wybranych czynników na wystąpienie pittingu

1 wpływ chropowatości-wpływ ten najczęściej określa się w odniesieniu do względnej grubości warstewki smaru definiujemy następująco 

 współczynnik grubości filmu, h- grubość warstewki smarnej, Ra1, Ra2- parametry chropowatości

Rysunki dwa wykresy

Wpływ grubości warstewki smaru

Z rysunku wynika że dla niezawodnej pracy kół zębatych niezbędne jest aby 
2

Również w innych badaniach wykazano, ze tendencja do pittingu jest ściśle uzależniona od względnej grubości warstewki smarnej, aczkolwiek inaczej wyrażonej

D=

Z rysunku widać że jeśli D<0,1 to pitting nie występuje nawet przy N=

Analogia do krzywej Woellera

Nawet przy naprężeniach większych od granicy wytrzymałości, pitting nie występuje jeśli grubość warstwy oleju jest dostatecznie duża. W stosunku do sumy wysokości nierówności przedstawione wyniki sugerują, że pęknięcia zmęczeniowe zostają zapoczątkowane na powierzchni. Istnieją dowody że zapoczątkowanie pittingu wiąże się z parametrem  rysunki. Fakt ten trudno jest pogodzić z teorią, że pitting rozwija się w miejscu największego wytężenia materiału, a więc pod powierzchnią.

Jest prawdopodobne, że w określonym przypadku zmęczenie zostaje zauważone na powierzchni lub pod nią. Ilustruje to wykres przedstawiający wpływ rodzaju przełomu stali na jej trwałość.

Trwałość stali wzrasta ze wzrostem  towarzyszy temu stopniowe przechodzenie od uszkodzeń inicjowanych przez styki nierówności do uszkodzeń zapoczątkowanych zmęczeniem podpowierzchniowym.

Rysunek z 44

Wpływ rodzaju przepływu stali na trwałość zmęczeniową. Tlenki tych zmian technologicznych przedstawia rysunek:

Wpływ zawartości tlenu w stali łożyskowej na jej trwałość zmęczeniową L( trwałość która osiąga 90% obiektów). Z rysunku wynika, że zmniejszenie zawartości tlenu w stali łożyskowej powoduje 10 krotny wzrost jej trwałości zmęczeniowej.

Segregacja pasmowości i siatek węglików w stali łożyskowej są częstymi przyczynami zmęczenia powierzchniowego. Stwierdzono, że w miejscach występowania tego typu wad pęknięcia występują częściej i biegną wzdłuż niejednorodności. Struktura warstwy wierzchniej stali łożyskowej powinna składać się z drobnoiglastego martenzytu z licznymi równomiernie rozmieszczonymi wydzieleniami węglików o kształcie sferoidalnym+ austenit cząstkowy. Podsumowując-powstaje pęknięcie na powierzchni i pod nią.

Wpływ twardości -rysunek

Wpływ twardości elementów tocznych (wałeczków) łożysk NU309 na trwałość zmęczeniową.

3 rysunki od nosala duże ( 45, 46 47)

SKF stosuje taką metodę hartowania stali łożyskowej, która na głębokości ok. 1mm od powierzchni pozwala uzyskać naprężenia ściskające o wartości ok. 300MPa, co istotnie zwiększa odporność na zmęczenie powierzchniowe. Należy jednak wyraźnie podkreślić, że analiza wpływu naprężeń własnych na konkretne cechy użytkowe elementów maszyn, w tym trwałość zmęczeniową jest bardzo utrudniona, gdyż trudno wyizolować tylko wpływ samych naprężeń. Są one powiązane każdorazowo ze zmianami strukturalnymi lub odkształceniami plastycznymi zachodzącymi w warstwie wierzchniej. Ponadto powstaje jeszcze problem dokładności pomiaru naprężeń własnych.

Zjawiska zachodzące podczas cyklicznych obciążeń kontaktowych elementów ze stali łożyskowej prowadza do zmiany stanu naprężeń własnych i ich warstwy wierzchniej. Stwierdzono np. że w elementach które w stanie wyjściowym nie wykazywały żadnych naprężeń, po wystąpiły przy powierzchni naprężenia ściskające o wartości ok. 300MPa a na głębokości max wytężenia materiału czyli ok0,15mm ok. 900Mpa. Natomiast na głębokości 0,7mm naprężenia te zanikły. Największe zmiany naprężeń własnych w elementach ze stali łożyskowej podczas ich pracy zachodzą na głębokości 2-3 odległości zalegania max

Twardość wałeczków hrc	Trwałość umowna
62-65	100%
61	90%
60	50-60%
52	10%

Odporność na pitting zwiększa się ze wzrostem twardości

Np. zwiększenie twardości zębów koła zębatego z 56HRC62HRC spowodowało wzrost o 25% nośności, przy tej samej liczbie cykli do wystąpienia pittingu

Wpływ naprężeń własnych

Przyczynami powstawania naprężeń własnych są występujące podczas obróbki elementu różnice temperatur w jego przekroju przemiany strukturalnych oraz zgniot powierzchniowy zachodzący podczas eksploatacji.

Uważa się że naprężenia ściskające w zakresie do 250-300MPa zwiększają odporność na zmęczenie powierzchniowe

Rysunek48kartka

Wpływ austenitu cząstkowego

Austenit cząstkowy wpływa ujemnie na stabilność wymiarową gotowych elementów, obniża twardość i granicę sprężystości oraz zwiększa skłonność do pęknięć szlifierskich, a więc w konsekwencji umie obniżać trwałość łożysk. Istnieje także pogląd, że ze względu na dużą skłonność do umacniania wskutek odkształcenia plastycznego na zimno, austenit cząstkowy powoduje wzrost odporności na zużycie i wzrost twardości.

Istnieje także pogląd, że ze względu na duże skłonności do umacniania wskutek odkształcenia plastycznego na zimno, austenit szczątkowy (wyżej)

Uważa się też, że zawartość austenitu szczątkowego jest korzystna dla (wytrzymałości ) trwałości zmęczeniowej, gdyż jego przemiana w martenzyt podczas pracy może pochłaniać energie, zapobiegają lokalnym wzrost temperatury.

Konkluzja największa trwałość zmęczeniową i równocześnie stabilność wymiarową powinny wykazywać elementy ze stali, których tylko warstwy wierzchnie zawierają pewną ilość austenitu szczątkowego.

5.Wpływ atmosfery-o wpływie środka smarnego na zużycie zmęczeniowe była już mowa. Warto wspomnieć o wpływie wody zawartej w smarze na zmęczenie powierzchniowe. Woda może przedostać się do smaru z zewnątrz albo pojawić się w skutek kondensacji. Obecność wody w smarze zmniejsza odporność na pitting wskutek oddziaływania korozyjnego. Możliwe są 3 mechanizmy:1)woda przedostaje się do wszelkich istniejących na powierzchni szczelin i oddziałują na nie korozyjnie intensyfikując w ten sposób rozwój pęknięć. 2)istniejące i rozwijające się pęknięcia, w których kondensuje się woda 3)powstaje w skutek działania wody wżery korozyjne na powierzchni mogą działać jak karby ułatwiające pękanie zmęczeniowe.

6.Wpływ wymuszeń zewnętrznych-decydujący wpływ ma zapoczątkowanie i rozwój pittingu na obciążenie. Trwałość zmęczeniowa wyrażona zwykle liczbą cykli obciążenie, jest odwrotnie proporcjonalna do trzeciej potęgi nacisku jednostkowego.

p- nacisk jednostkowy N- trwałość zmęczeniowa /Stosunkowo niewielki wzrost obciążenia powoduje znaczny spadek trwałości zmęczeniowej./ Wzrost obciążenia niekoniecznie musi być wywołany zmianą oddziaływań zewnętrznych. Może on być wywołany obciążeniami dynamicznymi spowodowanymi np. niewłaściwym montażem, niewyważeniem lub wywołanych specyfiką konstrukcji skojarzenia, ale także błędami kontaktu itd./np. wykazano, że w porównywanych warunkach k_z nawęglane ulegają pittingowi przy liczbie cykli obciążenia 100x mniejszej niż krążki wykonane z tego samego materiału. Różnice te przypisuje się dynamicznym obciążenia jakie występuje podczas zazębiania i wyzębiania.

Prędkość toczenia i ślizgania wywiera istotny wpływ na grubość warstwy EHD, a więc i decydująco wpływa na możliwości powstawania pęknięć zmęczeniowych. Wpływ temperatury przejawia się poprzez zmianę lepkości oleju oraz oddziaływanie dodatków zawartych w oleju./Podsumowanie 1)Wszelki działania zaradcze powinny koncentrować się na niedopuszczaniu inicjacji i propagacji mikropęknięć.2)stosowane materiały i sposoby kształtowania warstwy wierzchniej powinny zapewnić jej: a)wysoką twardość b)duża wytrzymałość zmęczeniowa i granica sprężystości ,/minimalizowanie czynników mogących wywołać korozje: c)stabilność i jednorodność mikrostruktury d)brak wtrąceń niemetalicznych e)mała chropowatość f)brak naprężeń własnych lub naprężeń ściskających o niewielkiej wartości 250-300 MPa/g)odporność na korozje h)grubość warstwy wzmocnionej powinna odpowiadać 2-3 krotnej głębokości zalegania
/ Zużywanie polimerów procesy zużywania tworzyw sztucznych przebiegają inaczej niż procesy zużywania metali. Wynika to z odmiennej struktury i właściwości tworzyw sztucznych, głównie zaś z powodu ich małej przewodności cieplnej. Ciepło jest źle odprowadzane z powierzchni tarcia co komplikuje inny przebieg zużywania. W maszynach tworzywa współpracują głównie ze stalą .Dlatego będziemy rozważać zużywanie pary polimer-stal

Sposoby ograniczania zużycia ściernego polimerów są taki same jak metali:1)Ochrona przed przedostawaniem się cząstek ściernych między trące się elementy stal - polimer przez zastosowanie skutecznie działających uszczelnień i filtrów. 2) smarowanie węzłów, często wodą , ma to znaczenie nie tylko smarująco- chłodzące lecz przyczyni się także do zmniejszenia zużycia ściernego przez wypłukiwanie twardych cząstek ściernych ze strefy kontaktu. 3) Optymalna chropowatość elementu stalowego. Rysunek . Optymalna chropowatość powierzchni elementu stalowego, odpowiadająca z_min, zależy m. in. Od rodzaju polimeru i warunków tarcia. Zużywanie adhezyjne polimerów. W miarę zmniejszania się chropowatości powierzchni stalowego elementu współpracującego z elementem polimerowym zwiększa się oddziaływanie adhezyjne między nimi. Przy umiarkowanych prędkościach ślizgani w niskich temperaturach (np. przy smarowaniu wodą) polimery tworzą cienką warstwę adhezyjną na powierzchni metalu film ślizgowym. Dzieje się tak wskutek przenoszenia cząstek polimeru na powierzchnię stalową. Dzięki temu tarcie zachodzi w stylu polimer-polimer, przy nieznacznym zużyciu polimeru. Taki mechanizm zużywania uważa się za dopuszczalny czyli normalny. W parze tarcia metal-polimer, mimo powstania wspomnianego już filmu ślizgowego zużywają się obydwa elementy, mimo że element stalowy jest znacznie twardszy niż polimerowy. Praktyka eksploatacyjna daje sporo takich przykładów zużywania się metalu współpracującego z polimerem, nawet wtedy, gdy nie ma warunków do ścierani, np. zużywanie się stalowych prowadnic nici z włókien sztucznych. Poszczególne polimery charakteryzują się różną adhezją do metali (stali). Od tego zależy wartość współczynnika tarcia i odporność na zużywanie adhezyjnie. Takie polimery jak PTFE czy niektóre poliamidy i poliacetale (PDM) wykazują małą adhezję do metali w umiarkowanych warunkach tarcia co implikuje małe opory tarcia i dużą odporność na zużywanie adhezyjne. Przy dużej adhezji polimeru do powierzchni metalowej może wystąpić nalepianie tworzywa na metal i równoczesne wyrywanie cząstek polimeru. Zwiększa się wtedy tarcie i ilość generowanego ciepła, a zużywanie przechodzi w niedopuszczalną formę zużywania cieplnego czyli inaczej zacierania gorącego.

Zużywanie cieplne polimerów jest spowodowane koncentracją ciepła w warstwie wierzchniej tworzywa co prowadzi do nieodwracalnych zmian. Jest to niedopuszczalna forma zużywania, ponieważ tarcie z powierzchni zostaje przeniesione w głąb warstwy wierzchniej..............Dochodzi do niego po przekroczeniu krytycznej wartości temp. charakterystycznej dla danego rodzaju polimeru. Powoduje to degradacje struktury polimeru w warstwie wierzchniej, płynięcie strefy przypowierzchniowej i wzrost oddziaływań adhezyjnych z powierzchnią metalową. Następuje nalepianie cząstek polimeru na powierzchnie polimeru na powierzchnię metalową i ich wyrywanie. Tworzywa termoplastyczne takie jak poliamidy płyną, wytapiają się i są wyciskania poza obszar współpracy. Natomiast tworzywa termoutwardzalne tj. np. tworzywa fenolowe w wysokich temperaturach znajdują się w strefie przypowierzchniowej po czym następuje wykruszenie zwęglonej warstewki. Jeśli nie ma smarowania i wypłukiwania tych produktów zużycia to zwiększa się tarcie i ilość generowanego ciepła co intensyfikuje niszczenie elementu polimerowego

Zużycie zmęczeniowe polimerów zachodzi głównie w elastomerach czyli polimerach o dużej elastyczności takich jak guma Przy współpracy tych tworzyw z gładkimi powierzchniami metalowymi zachodzi wielokrotne odkształcenie sprężyste warstwy wierzchniej elastomeru które jest przyczyną jej zmęczenia-pękania na powierzchni lub pod nią. Przy stosunkowo dużym tarciu gumy o powierzchnię stali tworzą się tzw.” wałki styku” które po wielokrotnym odkształceniu oddzielają się od powierzchni gumy

Rys. stadia rozwoju ”wałeczków styku” na powierzchni gumy

Intensywność zużywania zmęczeniowego jest na ogół mała Oddzielenie cząstek elastomeru zachodzi po n=10⁵-10⁸cyklach obciążenia Można więc ten rodzaj zużywania zaliczyć do normalnego. Jeśli tworzywo jest mniej elastyczne w jego warstwie wierzchniej zachodzą odkształcenia plastyczne to zużycie zmęczeniowe występuje po znacznie mniejszej liczbie cykli n=10²-10⁴

Zużywanie odkształceniowe polimerów dotyczy tworzyw o małej wytrzymałości PTFE płyną one na zimno-nie stosowane na elementy monolit w czystej postaci ale zbrojone wypełniaczami. Zużywaniu odkształceniowemu towarzyszy zużywanie cieplno polimerowe. Przyjmuje się, jak zmienia się intensywność zużywania polimeru współpracującego ze stalą w zależności od wymuszeń zewnętrznych schematycznie przedstawia

Rysunek52str

I-zużywanie adhezyjne przejawiające się nalepianiem cząsteczek polimeru na element metalowy i ich wyrywaniem

II-obszar zużywania normalnego gdy na obu elementach wytworzył się „film ślizgowy”

III-wzrostowi V towarzyszy wzrost ilości generowanego ciepła, zwiększa się adhezja, zużycie rośnie

IV-w związku z nagrzaniem warstwy wierzchniej następuje płynięcie materiału w strefie przypowierzchniowej zużycie maleje

V-wydzielające się ciepło doprowadza do destrukcji polimeru zużywanie cieplne (zacieranie)

Podobnie jak w przypadku zużywania metal-metal, także w skojarzeniu metal -polimer na ogół nie zachodzi pojedynczy rodzaj zużywania. Zazwyczaj nakładają się różne mechanizmy, wzajemnie się intensyfikujeadhezyjne i cieplne. Wskazanie dominującego mechanizmu ułatwia…

b) woda

Pewne ilości wody tworzą z węglowodorami roztwór rzeczywisty, kilka setnych procenta. W większych ilościach woda tworzy z węglowodorami emulsję do kilku, a nawet kilkunastu procent. Po wyczerpaniu się tej możliwości (tworzy emulsję) woda wydziela się jako osobna faza i przechodzi do odstojników .

Działanie wody na oleje jest wyłącznie negatywne:

- zwiększa się agresywność korozyjna

- woda hydrolizuje dodatki uszlachetniające, które przechodzą do osadów

- sprzyja pienieniu się oleju co pogarsza jego własności redogiczne.

c) powietrze

Olej w postaci piany ma dużo mniejszą nośność niż olej bez powietrza. Powietrze rozpuszczone w objętości oleju zwiększa jego lepkość co może zablokować układy filtrujące. Powietrze to również przyspiesza utlenianie w objętości oleju. Niektóre oleje przemysłowe zawierają dodatki, które rozpuszczają pewną niewielką ilość wody oraz inne dodatki sprzyjające deemulgowaniu większej ilości wody. Podobnie jest z powietrzem, wprowadza się dodatki sprzyjające wypieraniu powietrza z objętości oleju (szczególnie ważne w olejach hydraulicznych).

Typowe zmiany starzeniowe na przykładzie oleju silnikowego. rys. s.18

Model 1 opisuje wzrost lepkości w wyniku:

- odparowania lżejszych węglowodorów,

- utleniania węglowodorów oleju bazowego,

- dysperbowania zanieczyszczeń stałych.

Model 2 oznacza powolny spadek lepkości w wyniku:

- ścinania dodatków lepkościowych (wiskozatorów)

- rozcieńczenie oleju silnikowego przez paliwo

Model 3 oznacza przeciek awaryjny z układu chłodzenia bądź np. urwanie się końcówki wtryskiwacza w silniku Diesla

Model 4 oznacza korygujące działanie dolewek odświeżających. Rzeczywista lepkość oleju silnikowego jest wypadkową wyżej podanych procesów składowych. W instalacjach przemysłowych przewagę raczej mają procesy zwrotu lepkości w wyniku utleniania.

Kiedy wymieniać olej w urządzeniu

Generalnie spotyka się dwa systemy:

a) wymiana po osiągnięciu normy czasowej zawartej w instrukcji obsługi np. co 20 000 km.

b) na podstawie oceny rzeczywistego stanu olejów w eksploatacji, wymaga to pobierania okresowego próbek do badań i kontroli podstawowych parametrów użytkowych związanych ze smarowaniem (obowiązkowy jest pomiar wielkości) oraz specyficznymi funkcjami oleju. Olej podlega wtedy wymianie na świeży, gdy któryś z parametrów ocenianych osiąga wartość graniczną. Współcześnie w przemyśle proponowane są bardzo rozbudowane systemy nadzoru eksploatacyjnego nad olejami smarowymi np. system chewron, system firmy Elf, mobi tp. Na podstawie wieloletnich doświadczeń opracowano tabelę z wytycznymi eksploatacji, obowiązkowy jest okresowy system pobierania próbek i porównywania pomiarów z wartościami granicznymi.

Zużywanie tribologiczne jest to proces ciągły niszczących zmian pierwotnego stanu masy, składu chemicznego, struktury, stanu naprężenia i odkształcenia warstwy wierzchniej spowodowane tarciem ciał współpracujących i oddziaływaniem środowiska przejawiającej się w postępującej zmianie wymiarów i kształtów trących się ciał.

Miary zużycia:

- bezwzględne

* zużycie liniowe h (zmiana wymiaru)

* zużycie objętościowe Zv

* zużycie wagowe Zw (zmiana gęstości)

Intensywność zużywania:

Klasy intensywności zużycia (jest ich 12)

12-11 klasa tuleja cylindra- pierścień tłokowy silnika spalinowego

10-9 klasa prowadnice obrabiarek

8-7 klasa łożyska ślizgowe

Przebieg zużywania rys 1.s20

I warstwa wierzchnia dostosowuje się do warunków pracy

Parametry docierania:

1. Chropowatość równowagowa (eksploatacyjna), która nie zależy od warunków technologicznych zależy od warunków tarcia. rys 2. s 20

2. Zmian struktury warstwy wierzchniej rys 3. s 20

1. zużycie smarowe nie filtrowanego oleju

2. zużycie, które ma miejsce przy umacnianiu (elementów) pod wpływem zgniotu

3. zużycie elementów hartowanych i ulepszanych

4. zużycie łożysk tocznych

Klasyfikacja zużycia

Podział wg dominującego elementarnego procesu zużywania tab. s 20

Tabela dotyczy przede wszystkim metali, w procesie zużywania uczestniczą zawsze przynajmniej 2 ciała. Do tych procesów dochodzą jeszcze inne procesy niszczące np. korozja, zniszczenie.

Zużywanie ścierne = ścieranie:

Jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej trących się ciał w wyniku mikro skrawającego, mikro rysującego i ścinającego oddziaływanie elementów ściernych - cząstek ścierniwa, produktów ścierania, wierzchołków chropowatości i twardych składników strukturalnych.

Mikroskrawanie - jest to zjawisko wykrawania w materiale pewnej mikro objętości przez umocowane elementy ścierne. Warunkiem występowania jest zdolność uniknięcia elementu ściernego na odpowiednią głębokość, musi nastąpić ruch względny f1=0

Mikrorysowanie- zjawisko tworzenia się rysy w materiale przez przesuwający się element ścierny, częściowo w skutek mikroskrawania i częściowo przez odsuwanie materiału na boki f1<f2

Mikrobruzdowanie- zjawisko wyciskania bruzdy przez przesuwający się element f1=f2 rys. s.21

Zdolność do zagłębianie się elementu ściernego zależy od:

- stosunku twardości ściernika Ha do twardości materiału Hm

- kształtu i wymiaru materiału ściernego

- siły

Podział zużywania ściernego.

Zależnie od stopnia swobody elementów ściernych można wyróżnić:

- ścieranie przez ziarno umocowane

- ścieranie w obecności ziaren ściernych (między dwoma elementami)

-ścieranie w masie ściernej (np. w glebie)

Ścieranie przez ziarno umocowane

- wpływ wybranych czynników

1. Wpływ twardości materiału rys. 1 s.21

2.Wpływ twardości ścierniwa i materiałów rys.2 s. 21,s22

6.01.05r- rys1 .s23

Zależność zużycia polimeru od chropowatości elementu metalowego rys. 2 s.23

Wpływ wielkości ziarna na zużycie rys 3 s.23

Wpływ obciążenia na zużycie rys4.s23

Zużywanie ścierne w obecności ścierniwa

Ziarna ścierne przedostaję się miedzy współpracujące powierzchnie. Mogą to być produkty zużycia, olej, medium smarujące itp. Filtry silników spalinowych powinny zatrzymywać (98-99)% zanieczyszczeń.

(0,5-2) g/m³

(500-2000) mg/m³

(5-20) mg/m³ (1-2)%

Mechanizm zużycia ściernego w przypadku obecności ziaren ściernych między trącymi się elementami zależy od:

- twardości elementów

- twardości, wytrzymałości i kształtu ziaren ściernych

- ziarno wnika w materiał bardziej miękki (inkluduje) i powoduje ścieranie bardziej twardego elementu rys1. s24

- ziarno ulega pokruszeniu rys2. s24

- ziarno może się obtaczać rys3. s24

Wpływ wybranych czynników na zużywanie ścieru w obecności ściernika.

1. Wpływ wielkości ziaren rys4. s24

Skojarzenie czop wału-panewka, czopy stalowe, o trzech wartościach twardości Hm1, Hm2, Hm3, panewki z różnych materiałów o różnych twardości Hb1, Hb2, Hb3, skojarzenie olejem, który zawiera cząstki ścierne o określonych twardościach Ha1, Ha2, Ha3 ,Ha4. rys. s25+wzory

- czop twardy- panewka twarda => zużycie niewielkie, ziarna się rozkruszyły, nie mogą wnikać w materiał

- czop twardy- panewka miękka=> zużycie duże wału i panewki

- czop twardy-panewka bardzo miękka=> zużycie bardzo duże panewki, niewielkie wału.

Adsorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym (0,005/0,1) eV, wystąpieniu odsorpcji zawsze występuje wydzielenie ciepła (8-80) kJ/md. Zachodzi na małej powierzchni. Te warstewki są odpowiedzialne za tarcie graniczne.

Chemisorpcja- energia wiązania znacznie większa (1/8) eV. Ilość wydzielającego się ciepła (40/400) kJ/md. Wprowadza się dodatki chemiczne aktywne najczęściej: siarka, fosfor, chlor.

Dyfuzja - jest to przemieszczanie materii w kierunku przeciwnym do gradientu stężenia. (np. w ciałach stałych)

Średnie kwadratowe przemieszczenie atomu dyfundującego opisuje się takim równaniem wzory.

Dyfuzja w ciałach stałych zachodzi jeśli temperatura jest większa od tzw. temperatury tamma, temperatury topnienia.

T>Ttamma=(0,3/0,4)Ttop

Rys. s27

Schemat str.27

13.01.05r

rys1. s27

Adsorpcja - jest to zjawisko polegające na powierzchniowym wiązaniu cząsteczek adsorbaty przez atomy (cząsteczki ciała stałego). Jeżeli unieruchomienie tych cząstek odbywa się siłami Von der Walsa to mówimy wtedy o adsorpcji fizycznej. Jeśli natomiast występuje wiązanie chemiczne wtedy występuje chemisorbcja.

Adsorpcja fizyczna (0,05/0,1) eV

Np. dla olei zwieczących rys2. s27

Adhezja

Przy zbliżaniu się 2 ciał między atomami warstw wierzchnich (ww) dochodzi do oddziaływania, które przyjęto nazywa adhezyjnym, a samo zjawisko powstawania oddziaływań między kontaktującymi się powierzchniami nazywamy adhezją.

odhaesio=szczepianie

Zjawisko powierzchniowego związania się ze sobą warstw wierzchnich różnych ciał pod wpływem przyciągania

Jakie oddziaływanie wywołuje adhezja:

- siły Van der Walsa

- oddziaływania elektrostatyczne

Następuje rozdzielenie ładunku elektrostatycznego

- wiązania chemiczne (metaliczne, jonowe w zależności od budowy ciał.)

Ponieważ oddziaływanie sił Van der Walsa zachodzi pomiędzy dowolnymi rodzajami atomów i cząsteczek dlatego adhezja występuje między wszystkimi materiałami, które można zbliżyć rzędu kilku nm (nanometrów)

Czynniki istotnie wpływające na adhezję ciał stałych

„Czystość powierzchni” rys. s 27

Jeśli pokryjemy płytkę miedzianową - utlenimy rys1.s 28

Obecność warstewek powierzchniowych zmniejsza oddziaływanie adhezyjne:

- obciążenie

- temperatura

Ze wzrostem temperatury rośnie plastyczność materiału.

Jeśli w próżni to temperatura sprzyja, w normalnych warunkach nie.

Adhezja w procesie tarcia rys2. s28

Z adhezją mamy do czynienia tylko na elementarnych powierzchniach styku. Rys3. s28

W ogólnym przypadku adhezja na elementarnych powierzchniach styku trących się metali może przejawić się w następujących formach:

1. Oddziaływanie sił Von der Walsa

2. Sczepiania

3. zrastanie tarciowe

ad1. Oddziaływania sił Von der Walsa zależą od rodzaju trących się ciał, od chropowatości powierzchni, od właściwości warstewek powierzchniowych.

Wartość sił Von der Walsa rośnie ze wzrostem liczby atomowej pierwiastków. Większe przyciąganie wykazują czyste metale niż ich stopy rys4. s28

Ta forma oddziaływania nie powoduje zużywania się trących elementów, one wnoszą w swój _____ opór tarcia np. gładkie powierzchnie dociskane jakąś siła

Ad2. Sczepianie

Jeśli na stykających się mikroobszarach trących się elementów nastąpi takie zbliżenie, że przejawi się działaniem sił krótko zasięgowych wówczas może wystąpić sczepienie. Jest to bezdyfuzyjne połączenie się mikroobszarów trących się ciał(metalicznych)na skutek wiązania metalicznego na pierwotnej granicy ich rozdziały. Sczepianie wyodrębniająca się odrębność materiały powstała w miejscu pierwotnej granicy rozdziały.

Warunkiem powstania sczepienia jest:

- usunięcie warstewek powierzchni z stykających się mikroobszarów

- uzyskanie odpowiednio dużego pola powierzchni styku metalicznego rys1. s29

Ciepło może ułatwić sczepianie ale bez odkształcenia plastycznego, ono nie może wystąpić.

- jeśli przez pierwotną granicę rozdziału ciał metalicznych na elementarnych powierzchniach styku nastąpi dyfuzja to mamy do czynienia ze zrastaniem tarciowym

Zrastanie tarciowe jest to zjawisko trwałego połączenia stykających się mikroobszarów, trących się ciał metalicznych na skutek dyfuzji przez pierwotną granicę rozdziału.

Zrost tarciowy jest to objętość materiału powstała w pierwotnej granicy rozdziały wyodrębniający się swoją budową i stanem od obu trących się metali.

Zależnie od temperatury trzeci etap zrostu może przebiegać następująco:

a) w zakresie niższych temperatur zrastanie zachodzi w stanie stałym

b) w zakresie wyższych temperatur zrastanie zachodzi w stanie ciekłym jednego lub obu materiałów

ad a) Zrastanie w stanie stałym różni się od sczepiania tym, że skłonność do zrastania zależy od wzajemnej rozpuszczalności w stanie stałym trących się metali. Budowa zrostów dwóch różnych metali jest odmienna od budowy każdego z nich. Wartość odkształcenia plastycznego niezbędna do utworzenia zrostu jest znacznie mniejsza niż do utworzenia sczepienia

ad b) Zrastanie w stanie ciekłym

Przy dużych prędkościach może nastąpić nadtopienie, wtedy zrastanie polega na dyfuzji roztopionego metalu w metal, który się nie roztopił przy podwyższonej temperaturze. Przy podwyższonych temperaturach zrastanie tarciowe polega na wzajemnej dyfuzji i rozpuszczeniu metalu stałego w ciekły.

Namazywanie metalu na nie roztopiony metal

- siły Von der Walsa rys.2 s29

- sczepianie rys3. s29

- zrastanie tarciowe, szczepianie__ rys 4. s29

20.01.05

Wybrane hipotezy sczepiania adhezyjnego

1. Hipoteza warstewkowa - utworzenie zatarcie jest możliwe wtedy, gdy z powierzchni kontaktujących się metali zostaną usunięte pokrywające je warstewki reakcyjne (tlenków) lub warstewki sztuczne wytworzone.

HW - twardość warstewki

HN - twardość metalu podłoże

hW - wysokość warstewki

hN - wysokość nierówności

HW/HN>1 hW/hN>1 -> utworzenie szczepienia adhezyjnego

2. Hipoteza dyfuzyjna - łączenie metali w stanie stałym (s*a) następuje w skutek dyfuzji powodującej przerastanie ziaren przez pierwotną granicę rozdziału.

t=10do-9 podzielone 10do-6s

jest za niska temperatura

może wystarczy odkształcenie plastyczne?

Rys 1. s30

3. Hipoteza wiązań metalicznych - uwarunkowane powstaniem wiązań metalicznych przez pierwotną granicę rozdziału.

4. Hipoteza wzajemnej rozpuszczalności trących się metali - zakłada ona, że skłonność metali do sczepiania określa ich zdolność do tworzenia roztworów stałych.

Reguła Hurue-Rothery'ego wyróżnia czynniki mający wpływ na tworzenie roztworów stałych.

1. Strukturalny (jednakowy typ sieci krystalicznej)

2. Wielkość atomu (zbliżone wielkości średnic atomowych, różnica poniżej 15 %)

3. Elektrochemiczne (położenie metali pod względem chemicznym tym większa jest ich zdolność do wytwarzania roztworów stałych)

4. Wartościowość względna (im bardziej jednakowa tym lepiej sprzyja tworzeniu roztworów stałych)

Podział wg L≠Coffine ze względu na tworzenie roztworów stałych

a) pełna skłonność do sczepiania Fe-Cu, Zn-Cu

b) częściowa skłonność do sczepiania Al-Fe, Fe-Ti

c) ograniczona skłonność do sczepiania Fe-Ag

Z punktu widzenia skłonności tworzenia sczepień adhezyjnych jest łączenie materiałów równoimiennych. Nawet metale, które nie wykazują rozpuszczalności do tworzenia roztworów stałych również mogą wykazywać skłonności do sczepień.

Wszystkie metale wykazują większą lub mniejszą skłonność do szczepień

Hipoteza energetyczna - sczepianie rozwija się w kilku etapach:

- utworzenie kontaktu fizycznego

- aktywacja powierzchni styku (odkształcenie plastyczne lub wzrost temperatury)

- utworzenie wiązania metalicznego rys 1.s 31

*Zużywanie trybo-chemiczne rys2. s31

Def. Polega ono na adsorpcji aktywnych składników otoczenia (tlenu z powietrza, siarki, fosfory itp. ze środka smarowego) na trących się powierzchniach, ich dyfuzje w odkształcone plastycznie mikroobszary warstwy wierzchniej a następnie tworzenie warstewek reakcyjnych i usuwaniu ich mechanicznie w skutek ścierania, wykruszania, zmęczenia.

1. Czynnikiem aktywującym jest odkształcenie plastyczne.

2. Warstwa reakcyjna jest mieszaniną związków chemicznych z metalem pary tarcia.

3. Grubość warstewek 10-100nm

Wpływ na grubość właściwości warstewek na wpływ:

- reaktywność rys3. s31

Zużywanie trybo-chemiczne zachodzi przy tarciu tocznym.

Dwa podejścia:

- stosowanie dodatków do środków smarnych

- działać od strony materiału

ZUŻYWANIE WODOROWE- jego istota polega na stopniowym niszczeniu warstwy wierzchniej w skutek adsorpcji wodoru na stali i żeliwa i jego dyfuzji w głąb materiału.

Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje zużywania wodorowego stali i żeliw:

-dyspersyjne zużywanie-dopuszczalna

-wykruszanie

Gdy jednym z elementów jest tworzywo sztuczne w wyniku tarcia powstaje wodór gdy smar zawiera wodę.

ZUŻYCIE ADHEZYJNE-zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej trących się ciał na skutek powstawania szczepień adhezyjnych między wierzchołkami nierówności oraz ich rozrywaniu i oddzielaniu przy ruchu względnym powierzchni.

DEWPOINT rys1.s32

ZACIERANIE ADHEZYJNE rys2.s.32

OGNISKO ZACIERANIA-obszar sczepiania adhezyjnego o wymiarze krytycznym, którego powstanie implikuje niestabilność tarcia i niszczenie trących się ciał zwiększające intensywnością, co może doprowadzić do unieruchomienia trących się elementów.

Def. zacierania adhezyjnego

ZATARCIE- zatrzymanie ruchu węzła ślizgowego w skutek dominacji tarcia zlokalizowanego w głębi warstwy wierzchniej powodującego jego trwałe uszkodzenie.

ZACIERANIE-zbiór zjawisk zlokalizowanych w węźle ślizgowym, głównie w głębi warstwy wierzchniej powodujących zwiększone i niestabilne tarcie, których rozwój może doprowadzić do tarcia. rys3.s32

27.01.05r

UKSZTAŁTOWANIE ODPORNOŚCI NA ZACIERANIE

Postulaty dotyczące ukształtowania warstwy wierzchniej, sformułowane na podstawie kinematycznego modelu zacierania adhezyjnego. Tab.s33

Odporność na zacieranie kół zębatych nawęglanych i hartowanych wyk. s.33

Model bloke

Przerwanie ciągłości warstewki smaru następuje wówczas gdy dla danej kombinacji materiału pary trącej i chemicznie nieaktywnego smaru następuje przekroczenie określonej temperatury krytycznej w strefie tarcia wzór s.33

Nie aktywny smar- to bez dodatków

Model obliczeniowy zacierania gorącego wzór s.33,34

Nie wystąpi zacieranie gdy wzór s.34

FRETTING

Fretting jest to zjawisko naruszenia warstwy wierzchniej dwóch elementów będących we względnym ruchu ślizgowym posuwisto-zwrotnym, o małej amplitudzie nie większej niż 100 mikrometrów (300).Jest to stosunkowo najmniej rozpoznawany rodzaj zużycia, nie został wciąż określony jego mechanizm, nie ma frettingu ogólnej uznanej definicji.

Fretting spowodowany jest mikro przemieszczeniami względnymi kontaktujących się elementów które mogą być spowodowane:

a)drganiami zespołu lub maszyny

b)ruchami roboczymi elementów

W drugim przypadku chodzi o takie przypadki jak łożyska pracujące przy ruchu wahadłowym o bardzo małej amplitudzie, styki piór resorów pionowych, styk powierzchnie oporowej sprężyny z gniazdem.

Inny podział skojarzeń elementów, elementów których zachodzi fretting to:

1. Połączenia nominalnie nieruchome, w których odkształcenia sprężyste jednego lub dwóch elementów są przyczyną frettingu. Należą tu:

- połączenia śrubowe czopów, wałów lub osi z kołami zębatymi pasowymi

- połączenia śrubowe, nitowe zatrzaskowe

- liny stalowe, połączenia sworzniowe

rysunki s34

Schemat rozwoju pęknięcia zmęczeniowego na skutek zmęczenia frettingowego sch. s34

2.Połączenia wykonujące okresowo względny ruch- niektóre typy zaworów, łożyska wahliwe, zestaw kolejowy z automatyczną zmianą rozstawu kół.

Dla pierwszej grupy skojarzeń groźnym następstwem frettingu jest zmiana pasowania, utrata szczelności np. połączenia nitowego, powstanie karbu na wale lub osi, co może doprowadzić do złomu zmęczeniowego.

Dla drugiej grupy skojarzeń podstawowym niebezpieczeństwem jest unieruchomienia skojarzenia wskutek nagromadzenia się produktów zużycia.

Produktami frettingu są tlenki o objętości właściwie większej niż objętość luźnego metalu z którego zostały utworzone. Dlatego powodują one m.in. „kasowanie luzu” i unieruchomienie połączenia. W przypadku lin stalowych gdzie przyczyną frettingu są mikroprzemieszczenia splecionych włókien (drucików) dochodzi do ich wybrzuszenia.

Cechy charakterystyczne frettingu

1.Prędkość względna przy frettingu jest dużo mniejsza niż dla innych rodzajów zużycia.

Przykładowo przy ruchu harmonicznym o amplitudzie A=100nm i częstotliwości f=50Hz prędkość średnia wynosi (wzory str.35)

Jest to prędkość przy której wytworzenie i zachowanie ciągłości warstewki smarnej jest prawie niemożliwe.

2. Powierzchnie stykają się podczas całego procesu współpracy co bardzo utrudnia lub uniemożliwia wydostawanie się produktów z użucia ze strefy kontaktu.

3. Produkty zużycia mają charakterystyczną barwę. W przypadku stali produkty frettingu przypominają proszek kakaowy ale o barwie bardziej czerwonej niż produkty zwykłej korozji. Al-mają barwę czarną podczas gdy produkty korozji są białe

4. Powierzchnia pokryta jest wgłębieniami („wżery frettingowe”), występują na niej także pęknięcia zmęczeniowe.

Mechanizm frettingu - hipotetyczny

Oddziaływanie mechaniczne na elementarnych powierzchniach styku powstanie:

1) Odkształcenie plastyczne i umocnienie materiałów oraz usunięcie - starcie - warstew tlenkowych -powstają tlenkowy (pierwotne) produkty zużycia

2) Między fizycznie czystymi mikroobszarami kontaktujących się metali dochodzi do utworzenia szczepień adhezyjnych (zimnych) - warunki są tam wyjątkowo sprzyjające -> bardzo mała prędkość

3) Sczepienia adhezyjne są niszczone w wyniku czego powstają metaliczne produkty zużycia, które są rozdrabniane i utleniane -> powstają tlenkowe (wtórne) produkty zużycia

4) Ruch względny elementów skojarzenia w skali makroskopowej nie istnieje, dlatego produkty zużycia nie mogą zostać wyprowadzone, ich gromadzenie się doprowadza do wzrostu nacisków pod wpływem których zbierają one na stykające się elementy jak ziarna ścierne powodując powstanie na powierzchnię wgłębień, często określanych nieelegancko jako „wżery frettingowe”

5) Ponieważ warstwa wierzchnia przenosi także naprężenia, które generują pęknięcia zmęczeniowe

6) Oddziaływania mechaniczne mogą być i najczęściej są intensyfikowane przez oddziaływania korozyjne -> stąd spotykane czasem określenie zużycie cierno-korozyjne (mało precyzyjne).

Jak widać mechanizm frettingu jest bardzo złożony, ma on bowiem kilka składowych:

- tribochemiczną, adhezyjną, ścierną, zmęczeniową, korozyjną,

Nic więc dziwnego że wciąż stanowi przedmiot badań.

Schemat powstawania i rozwoju zniszczeń przy frettingu

a) gromadzenie się cząstek w przestrzeniach między stykami wierzchołków nierówności (rys.1 s36)

b) łączenie stykających się przestrzeni w większe obszary (rys2)

c) wzrost warstewki tlenków (rys3)

d) krzywo liniowe głębienie jako rezultat silnego oddziaływania ściernego (rys.4)

Ważniejsze czynniki wpływające na fretting schemat str. 36

Ważniejsze czynniki wpływające na fretting

Podobnie jak w przypadku wszystkich węzłów trybologicznych na mechanizm i intensywność frettingu mają wpływ:

- wymuszenia zewnętrzne

- otoczenie

- struktura i właściwości węzła

1. Amplituda oscylacji

Istnienie oscylacji jest warunkiem występowania frettingu dlatego jej amplituda jest uznawana za jeden z najważniejszych parametrów wywierających wpływ na jego intensywność wyk. s37

Można mówić o trzech wartościach progowych oscylacji:

I - poniżej nie poślizgu występują tylko odkształcenia sprężyste (i plastyczne) mikroobszarów co może być przyczyną zmęczenia po jej przekroczeniu występuje cząstkowy poślizg

II - pełny poślizg

III - granica między frettingiem a oscylacyjnym ślizganiem, jej przekroczanie jest związane z usuwaniem produktów zużycia ze strefy kontaktu obecność tych produktów wpływa na przebieg frettingu. Jeśli są one usuwane z obszaru styku to przebieg zachodzących tam zmian zostaje zmodyfikowany i wtedy nie można już mówić o frettingu.

Częstotliwość oscylacji

Ze zmianą częstotliwości oscylacji następuje zmiana: prędkości względnej co implikuje zmianą temperatury oraz czasu utleniania powierzchni. Zmniejszenie częstotliwości przy stałej amplitudzie zwiększa czas utleniania, dlatego można oczekiwać wzrostu zużycia.

Zwykle zużycie frettingowe ze wzrostem częstotliwości stabilizuje się na pewnym poziomie (pozostałe wymuszenia - bz) rys s.37

Obciążenie normalne

Znaczne uszkodzenia frettingowe mogą wystąpić już przy małych naciskach. Jeśli amplituda oscylacji jest stała, to zużycie frettingowe zwykle zwiększa się liniowo. Trudność w określaniu wpływu obciążenia na fretting polega na tym, że w większości stanowisk badawczych wzrost obciążenia powoduje spadki amplitudy oscylacji rys s.37

Wpływ wilgotności powietrza

Wywiera znaczący i złożony wpływ na zużycie frettingowe. Dla żelaza - największe zużycie zaobserwowano dla wilgotności względnej wynoszącej 10 % rys s.38

W suchym powietrzu - drobne cząstki, 100% wilgotności 4 razy większe. Istnieją doniesienia lit. o efekcie smarującym cząstek sadzy i jednoczesnym intensyfikowaniu korozji.

Wpływ twardości trących się materiałów

Wzrost twardości zwiększa odporność na zużycie frettingowe. Waga tego wpływu może być jednak różna. Można przyjąć, że wzór str.38

Wpływ chropowatości

Z wielu badań wynika, że im mniejsza chropowatość, tym większe zużycie frettingowe -> większa jest skłonność do tworzenia sczepień. szczepień przypadku większej chropowatości warstewki są odkształcone plastycznie co prowadzi do ich złanczania i umocnienia . Dzięki temu nierówności przenoszą część przemieszczeń stycznych w wyniku odkształceń sprężystych, nie dopuszczając do wystąpienia mikropoślizgów. Ponadto na chropowatej powierzchni produkty frettingu mają się gdzie pomieścić przez jakiś czas, dzięki temu nie tworzą się wgłębienia frettingowe.

Wpływ substancji smarującej

W skojarzeniu narażonym na fretting środek smarowy:

1) Utrudnia dostęp tlenu

2) Zmniejsza opory tarcia

3) Utrudnia powstawanie szczepień adhezyjnych

W ogólnym przypadku zmniejszają się wielokrotnie zużycia frettingowe. W celu zmniejszenia frettingu stosowane są zarówno oleje smarowe jak równiej smary plastyczne i stałe. Najbardziej skuteczne są oleje smarowe bo najłatwiej dopływają do obszaru styku gdzie fretting występuje. Ich stosowanie jest jednak ograniczone przede wszystkim ze względu na twardość w ich utrzymaniu w obszarze styku - czyli ze względu na wyciekanie. Smary plastyczne mają lepszą zdolność utrzymania się w obszarze styku, jednak trudniej przedostają się do elementarnych powierzchni styku, ponadto zlepiają się z produktami zużycia i doprowadzają do unieruchomienia węzła. Jako smary stałe najczęściej stosowane są MOSZ, PTFE, grafit i inne. Problem smarowania skojarzeń, w których występuje fretting jest trudny do rozwiązania.

Sposoby ograniczania frettingu

Wybór sposobu zależy od konkretnego węzła i musi być dostosowany do jego specyfiki.

Sposoby konstrukcyjne:

- zastąpienie połączenia nitowego spawanego

- eksmitacja drgań -> maksymalne zwiększenie u („mi”)

- zmniejszenie oporów tarcia przez zastosowanie smarowania

- dobór odpowiednich materiałów na elementy skojarzeń

- zmniejszenie koncentracji naprężeń powodujących fretting (rys s.39)

- sfazowanie powłok

ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE

Ten rodzaj zużycia jest charakterystyczny dla węzłów tarcia tocznego, aczkolwiek w ograniczonym zakresie. Występuje również w węzłach ślizgowych. Jedną z cech charakterystycznych węzłów tocznych jest duża różnica krzywizny współpracujących elementów - elementu tocznego i bieżni łożysk tocznych, krzywki i ślizgu, zębów kół itd., a konsekfęcją występowanie naprężeń kontaktowych, bo styk jest punktowy lub liniowy. Cykliczne obciążenie warstwy wierzchniej toczących się (trących) elementów powoduje ich zmęczenie, z w konsekwencji zużycie.

Def. Zużycie zmęczeniowe - zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej polegające na powstawaniu miejscowych ubytków w skutek zmęczenia materiału wywołanego cyklicznym oddziaływaniem obciążeń w obszarze styku.

Zależnie od warunków tarcia, na sucho lub ze smarowaniem, rozróżnia się dwa rodzaje zużycia zmęczeniowego:

- zużycie przez łuszczenie (spalling)

- pitting (zużycie gruzełkowe)

a) zużycie przez łuszczenie występuje wtedy, gdy tarcie toczne lub toczenie z poślizgiem zachodzi na sucho lub gdy węzeł jest słabo smarowany. Zuzywanie to poleha na oddzielaniu się materiału w postaci łusek. Procesowi temu towarzyszy zazwyczaj utlenianie się materiału w strefie przypowierzchniowej. Powierzchnie zużyte przez łuszczenie mają obszerne lecz stosunkowo płytkie ubytki, są stosunkowo rzadko rozmieszczone oraz są pokryte rozwalcowanymi cząstkami wcześniej oddzielonymi.

Zuzywanie tego rodzaju występuje w układach: koło - szyna, słabo smarowanych łożyskach tocznych i przekładniach zębatych, zębatych także w walcach hutniczych rys. s39

b) pitting, zużycie gruzełkowe -> (węzeł smarowany) jest to spowodowane cyklicznym oddziaływaniem obciążeń przy fizykochemicznym wpływie substancji smarującej. Mechanizm pitting jest troche inny niż sparingu. W szczeliny powstałe w skutek zmęczenia wtłaczany jest pod wysokim ciśnieniem środek smarny. Ciśnienie to jest wywołane ruchem tocznym lub toczno - ślizgowym współpracujących elementów -> smarowanie EHD.

Wtłoczony do szczeliny środek smarny rozklinowuje ją i powoduje dodatkowe naprężenia cykliczne -> efekt hydrauliczny. Oleje z dodatkami uszlachetniającymi o dużej zdolności do adsorpcji sorbujące na ścianach szczeliny wywołują dodatkowo zmniejszenie energii powierzchniowej i zmniejszenie wytrzymałości materiału (tzn. efekt platyfikujący Robindera) wewnątrz szczeliny. Podczas przetaczania się elementów tocznych po sobie, przyścienne warstewki oleju są na przemian ściskane i rozciągane. Olej przenosi więc obciążenia ściskające jak i rozciągające na sieć pęknięć oraz szczelin + powodując - w skutek zniszczenia odrywanie cząstek materiału tak więc proces zużywania przez pitting składa się z trzech faz:

1) zmęczeniowe pękanie warstwy wierzchniej i utworzenie mikroszczelin na powierzchni

2) rozklinowujące (hydrauliczne) działanie oleju

3) oddzielanie cząstek w skutek adsorpcji oleju i naprężeń rozciągających styku rys. s40

Jak widać smarowanie olejami z dodatkami uszlachetniającymi intensyfikuje pitting. Jednak obecność smaru modyfikuje rozkład nacisków w obszarze styku, bo mikropęknięcia występują przy smarowaniu znacznie później niż przy tarciu suchym (w tych samych warunkach pitting występuje znacznie później niż łuszczenie)

Cząstki smaru wypełniające przestrzeń między dwoma współpracującymi powierzchniami tworzą na powierzchniach warstwy graniczne. Podczas przetaczania się powierzchni po sobie, warstwy te są na przemian ściskane i rozciągane ponieważ są one związane z siłami adsorpcji to w warunkach wywołanego rozciągania i ściskania warstwy te oddziałują na warstwę wierzchnią siłami normalnymi do powierzchni. Jeżeli czas trwania zjawiska odrywania od powierzchni łańcucha węglowodorowego jest mniejszy niż czas relaksacji to słabym ogniwem szeregu (łańcuch węglowodorowy - cząstka metalu - cząstka smaru) może okazać się wciąż kohezji a nie wiązania sorpcyjne. Jeśli w warstwie wierzchniej istnieją zalążki dekohesji w postaci pęknięć zmęczeniowych to oddzieleniu może ulec cała mikroobjętość materiału -> przyspieszenie pettingu.

Ponadto tarciu tocznemu nieodłącznie towarzyszy mikropoślizg i poślizg a wiec i rodzaj zużycia charakterystycznego dla tarcia ślizgowego nazywamy umownie zużywaniem ściernym. Stosowanie smaru znacząco ogranicza ten rodzaj zużycia. Praca węzła (np. łożyska) zapoczątkowanym (hałas, drganie) pittingiem prowadzi do dużego wzrostu nacisków w obrębie wgłębień -> zniszczenie awaryjne, pęknięcie bieżni, elementu tocznego.

---