Rodzaje tarcia •ruch: 1.spoczynkowe 2.kinetyczne: -ślizgowe -toczne •lokalizacja: 1.zewnętrzne: -suche (technicznie suche) 2.wewnętrzne: -w płynach (-płynne -graniczne) -w ciałach stałych (-przy odkształceniach plastycznych -przy odkształceniach sprężystych) Tarcie suche •prawa tarcia Leonardo da Vinci 1500 1.Siła tarcia jest proporcjonalna do obciążenia T=1/4 F 2.Siła tarcia nie zależy od nominalnej powierzchni styku •Amantos odkrył te prawa ponownie 1690 •Coulomb 1781 Z chwilą wprowadzenia w ruch tarcie nie zależy od prędkości. Podał zależność na siły tarcia T=μF+C μF - składowa oddziaływań mechanicznych C - składowa oddziaływań molekularnych Tarcie płynne •Tower 1885 Odkrył wytwarzanie się w łożyskach ślizgowych ciśnienia po obciążonej stronie łożyska (ciśnienie hydrodynamiczne). •Reynolds 1886 Opracował teoretyczne podstawy w oparciu o doświadczenia Tonera. Warstewka smarowa musi mieć taką grubość aby rozdzielała współpracujące powierzchnie na odległość większą niż suma wysokości ich największych nierówności (chropowatości). 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 Tarcie graniczne Kiedy zawodzą wszystkie sposoby wywołania tarcia płynnego nadzieja na minimalizację skutków tarcia związana jest z zdolnością do adsorpcji (fizyczna i chemiczna). Powstają na ciałach stałych monomolekularne warstwy składników środka smarowego. Zdolność tworzenia warstewki granicznej nazywa się smarownością (smarnością). (rysunek 1) •smarowanie płynne -powierzchnie są całkowicie oddzielone za pomocą nośnego filmu olejowego •smarowanie częściowe (mieszane) -ma znaczenie zarówno nośny film olejowy jak również film graniczny •smarowanie graniczne -zachowanie zależy w pierwszym rzędzie od właściwości filmu granicznego Tarcie toczne •Toczenie odbywa się wskutek przyłożonej do elementu tocznego siły lub momentu •Opór tarcia uwarunkowany jest: -mikropoślizgami -histerezą sprężystą elementów współpracujących Smarowanie elementów maszyn Ze względu na charakterystykę geometrii kontaktu wszystkie skojarzenia ruchowe elementów maszyn można podzielić na: •węzły konforemne, przystające, w których współpracujące powierzchnie są wzajemnymi odwzorowaniami (pomijając luzy) to znaczy ich kształty dają się opisać promieniami krzywizny nieznacznie różniącymi się od siebie co do wartości -inaczej mówimy, że tego rodzaju węzły charakteryzują się stykiem rozłożonym (łożyska ślizgowe) •węzły niekonforemne, nieprzystające, w których stykają się ciała o znacznie różniących się kształtach, czyli takie, których promienie krzywizny są bardzo zróżnicowane (elementy krzywkowe, zazębienia przekładni zębatych). W znakomitej części węzłów trybologicznych podczas pracy dąży się do zminimalizowania oporów ruchu (skojarzenia antyfrykcyjne). Idealnym rozwiązaniem jest taka sytuacja, kiedy o wartości tych oporów decyduj tarcie wewnętrzne cieczy (środka smarowego), a nie opory związane z tarciem zewnętrznym między partnerami tarcia (najczęściej metalowymi). W obu rodzinach węzłów taka sytuacja jest możliwa w trakcie ruchu pod warunkiem, że partnerzy w węźle ruchowym zostaną w sposób trwały rozgraniczeni warstwą środka smarowego o grubości porównywalnej lub większej od chropowatości warstw ich warstw wierzchnich. 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 niekonforemnych) wymuszanie tego korzystnego stanu jest możliwe. Przyczyny prowadzące do tej sytuacji są jednak zasadniczo różne. Ich analizą, oceną zależności jakościowych i ilościowych z wykorzystaniem matematycznych modeli opisu, zachodzących procesów (przede wszystkim reologicznych) w układach tarciowych zajmują się: •hydrodynamiczna teoria smarowania (dla pierwszej grupy węzłów) •elastohydrodynamiczna teoria smarowania (dla węzłach o stykach skoncentrowanych) Klasyczna teoria smarowania hydrodynamicznego (Pietrowa, Reynoldsa) opiera się na następujących spostrzeżeniach: •rozkład obciążeń odbywa się na dużej powierzchni -naciski w stosunku do granicy sprężystości współpracujących elementów nie powodują znaczących odkształceń; stąd założenie o idealnej sztywności (nieodkształcalności) elementów będących w kontakcie •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. Rozkład nacisków w strefie styku a-nie smarowany styk rozłożony b-smarowany styk rozłożony c-nie smarowany styk skoncentrowany d-smarowany styk skoncentrowany (rysunek 2) 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. Miarą skuteczności smarowania jest zdolność środków smarowych do tworzenia trwałego i dostatecznie grubego filmu smarowego EDH. Z analizy podanych zależności wynika, że z wielu charakterystycznych cech olejów smarowych tylko własności reologiczne są uwzględniane w formułach pozwalających obliczyć grubość filmu EDH. Rozważane charakterystyki związane są z lepkością olejów to znaczy z tą mierzalna cechą, która jest miarą tarcia wewnętrznego. Ponieważ lepkość zmienia się w bardzo szerokim zakresie temperatur to znacząca jest znajomość charakterystyk temperaturowych dla zakresu ich zmian w węzłach tarcia. Ta charakterystyka (jej wartość) w formułach obliczeniowych występuje w jawnej postaci jako lepkość oleju pod ciśnieniem atmosferycznym w zakładanej temperaturze pracy medium smarującego przekładnie. Drugą specyficzną charakterystyką lepkościową związaną z występowaniem wysokich ciśnień w styku zębnym jest ciśnieniowy współczynnik lepkości (piezowspółczynnik lepkości), który jest miarą skłonności oleju do zmian lepkości pod wpływem zmian ciśnienia w zakładanej temperaturze pracy przekładni zębatej (oleju). Obie wspomniane charakterystyki zależą w zasadniczy sposób od rodzaju oleju. Często przedstawiane są one w postaci zależności empirycznych -graficznych. Również znane są postaci zależności funkcyjnych teoretycznych sformułowanych przez różnych autorów. Do obliczeń lepkości olejów w niższych temperaturach stosuje się zależności teoretyczno-empiryczne. Mają one wszystkie charakterystyki zależności wykładniczych różniących się wartościami parametrów charakterystycznych dla różnych grup olejów. Najczęściej stosowana zależność matematyczna to wzór Wolthera. Wzór Wolthera (V_o+C)T^m=k V_o-lepkość kinematyczna [mm² s^-1] T-temperatura [K] k,m-stałe C=(0,65÷0,8) dla olejów mineralnych Po zlogarytmowaniu zależność liniowa jest postaci: mlgT+lglg(V_t+C)=lglgk Wzór Wolthera pozwala na wyznaczenie prostej opisującej zmiany lepkości, gdy znana jest lepkość w co najmniej dwóch temperaturach. W oparciu o ten wzór skonstruowane zostały monogramy pozwalające na wyznaczenie lepkości danej temperatury. Wpływ ciśnienia na lepkość W przekładniach zębatych naciski w strefie kontaktu osiągają wartość od kilkuset do dwóch tysięcy MPa. Stąd należy się domyślić jak duże znaczenie dla możliwości tworzenia trwałego filmu smarowego ma ocena skłonności oleju do zmian lepkości pod wpływem wzrostu ciśnienia. Stwierdzono iż zmiany lepkości do ciśnienia rzędu 25 MPa mają charakter liniowy i zależność tą przedstawia się w formie wzoru: η_p=η_o(1+b p) Powyżej ciśnień o wartościach większych od 25 MPa mają te zmiany charakter wykładniczy a stosowana formuła obliczeniowa to: η_p=η_o e^αp gdzie w podanych zależnościach poszczególne symbole oznaczają: η_p-lepkość przy ciśnieniu p [Pa s] η_o-lepkość przy ciśnieniu atmosferycznym [Pa s] α-ciśnieniowy współczynnik lepkości [Pa^-1] b-stała charakterystyczna dla różnych olejów Najczęściej stosowaną formułą opisującą współczynnik ciśnieniowy α jest równanie: α=(0,6÷0,965 log η_o)10^-8 gdzie: η_o-lepkość dynamiczna w temperaturze i ciśnieniu otoczenia [mPa s] α-piezowspółczynnik lepkości [Pa^-1] Wartość parametru α waha się od 0,6 10^-8 [Pa^-1] do 4 10^-8 [Pa^-1] Najwłaściwszym sposobem wyznaczania wartości α jest jego eksperymentalne określenie na drodze pomiaru grubości filmu elastohydrodynamicznego metodą interferometrii optycznej. Smarowanie elastohydrodynamiczne Rozkład ciśnienia powinien być zbliżony do rozkładu Hertza. Zarówno przekładnie zębate jaki i łożyska toczne wcale nie charakteryzowały się dużą intensywnością zużycia. Sugerowało to, że współpracujące powierzchnie muszą być oddzielone od siebie warstwą środka smarowego dostatecznej grubości. Grubin otrzymał formułę określającą grubość filmu smarowego w strefie spłaszczenia w postaci:
gdzie: α-współczynnik charakteryzujący zależność lepkości od ciśnienia [Pa^-1] η-charakterystyka lepkościowa U-średnia prędkość powierzchni [m/s] R'-zredukowany promień krzywizny elementów [m] P-obciążenie [N] I-długość kontaktu liniowego [m] E'-zredukowany moduł Younga [Pa] Wyniki obliczeń zgadzały się z wynikami otrzymanymi eksperymentalnie. Zmodyfikowana teoria smarowania hydrodynamicznego dla styków skoncentrowanych została nazwana teorią smarowania elastohydrodynamicznego. Ogólne równanie na grubość filmu olejowego przedstawia się w postaci bezwymiarowej H_min=h_o/R'=k U^a W^b G^c gdzie: H_min-bezwymiarowy parametr grubości filmu olejowego h_o-minimalna grubość filmu olejowego [m] R'-zredukowany promień krzywizny [m] k-stała 1/R'=1/R₁+1/R₂ R₁,R₂-promienie krzywizny [m] U-parametr prędkości U= η_ou/E'R' u-prędkość hydrodynamiczna u=1/2(u₁+u₂) [m/s] u₁,u₂-prędkości styczne współpracujących elementów [m/s] η_o-lepkość dynamiczna E'-zredukowany moduł sprężystości [Pa]
V₁,V₂-moduł sprężystości poprzecznej Poisona [Pa] E₁,E₂-moduł sprężystości Younga [Pa] W-parametr obciążenia W=w/E' R' w-obciążenie jednostkowe [N/m] G-parametr materiałowy G=α E' α-ciśnieniowy współczynnik lepkości [Pa^-1] Podsumowanie problematyki ED. Do przebiegu procesów smarowania w stykach skoncentrowanych istotne znaczenie mają zmiany lepkości czynnika smarującego wraz ze zmianami ciśnienia, jak i odkształcenia sprężyste stykających się ciał. Dla szczegółowej analizy zagadnienia smarowania tego rodzaju styków należy rozpatrzyć cztery możliwe warianty: •Współpracujące nie podlegają istotnym odkształceniom sprężystym (można je traktować jako ciała doskonale sztywne). Pod wpływem zmian ciśnienia lepkość cieczy smarowej nie zmienia się. E₁=E₂=0=const η=const
•Występuje wzrost lepkości pod wpływem wzrostu ciśnienia. Elementy kontaktujące się mogą być traktowane jako sztywne E₁=E₂=0=const η_p=η_o e^αp
•Lepkość cieczy smarującej nie zmienia się pomimo wzrostu ciśnienia natomiast maja miejsce odkształcenia sprężyste kontaktujących się elementów E₁≠E₂≠0 η_p=const
•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_p=η_o e^αp
Tylko w wariancie czwartym mamy do czynienia ze smarowaniem EHD. Granice poszczególnych rodzajów smarowania dla styku liniowego (najczęściej występującego w stykach skoncentrowanych węzłów ruchowych) i ich wzajemne położenia zależne są od dwóch bezwymiarowych parametrów w postaci:
oraz
Na grubość filmu olejowego największy wpływ ma lepkość cieczy. Warianty smarowania w liniowym styku skoncentrowanym (rysunek 3) Ocena smarowania przekładni zębatych Ocena jakości smarowania polega na wyznaczeniu grubości filmu olejowego oraz porównaniu jej z chropowatością powierzchni, czyli wyznaczeniu współczynników grubości filmu olejowego λ. Jego wartości pozwalają ocenić rodzaje smarowania z jakim należy się liczyć w zazębieniu.
gdzie: h_min-minimalna grubość elastohydrodynamicznego filmu olejowego w zazębieniu R₂-średnia kwadratowa wartość mikronierówności powierzchni roboczej zębów. Wzór ten to bezwymiarowy warunek stanowiący kryterium podobieństwa stanu tarcia występującego w zazębieniu i z tego powodu stanowi uogólniony opis smarowania przekładni. Warunek tarcia płynnego:
Parametr λ_gr jest wielkością statystyczną ustaloną dla danego typu przekładni w oparciu o wyniki badań eksploatacyjnych. Dla przekładni przemysłowych λ_gr=1÷1,4 dla stożkowych, jeśli λ_gr=1,5÷3 to występuje tarcie zbliżone do płynnego, gdy λ_gr>4 to mamy do czynienia ze smarowaniem EHD. Przy λ=0,7 następuje silne zużycie przekładni. Przy λ≥2 przekładnie nie ulegają zużyciu. Smarowanie kół zębatych •Metoda graficzna - monogramowa. Formuły pozwalające obliczyć grubość filmu olejowego w punkcie tocznym dla: -kół zębatych walcowych o zębach prostych i skośnych:
-kół zębatych stożkowych o zębach prostych i skośnych:
dla
Dla uproszczenia zastosowano monogramy. Postać ogólna monogramowa ma grubość filmu olejowego:
gdzie: K_η-współczynnik lepkości K_Ω-współczynnik odległości K_i-współczynnik przełożenia •Metoda analityczna. Pozwala ona wyznaczyć zmiany grubości filmu olejowego wzdłuż odcinka przyporu poprzez obliczenia prowadzone dla kilku charakterystycznych położeń: -wejścia i wyjścia z zazębienia -punktu tocznego -punktów zmiany liczby par zębów będących w zazębieniu. Wzór na grubość filmu olejowego
gdzie: h-grubość filmu olejowego [m] η_T-lepkość dynamiczna oleju w temperaturze T [Pa s] (U₁+U₂)-prędkość hydrodynamiczna w punkcie styku zębów [m s^-1] (λ₁+λ₂)-odwrotność zredukowanego promienia krzywizny zarysu zębów w punkcie styku [m^-1] α_p-ciśnieniowy współczynnik lepkości [Pa^-1] K₀-obciążenie na długości styku [N m^-1] •Procedura obliczeniowa 1 Odwrotność promienia krzywizny zarysu zębów w i-tym punkcie styku λ_1i+λ_2i=ω/ρ_z 1/ρ_z=1/ρ_1i+1/ρ_2i 2 Prędkość toczenia w i-tym punkcie odcinka przyporu U_1i=ρ_1iw_1i U_2i=ρ_2iw_2i 3 Prędkość hydrodynamiczna U₁+U₂=U_1i+U_2i 4 Prędkość ślizgania U₁-U₂=U_1i-U_2i 5 Obciążenie na długości styku dla kół o zębach prostych: -w punkcie jednoparowego przyporu (B, C, PJ) K_0I=k(K_os+Q_D) k-współczynnik obciążenia (k=1,1) K_os-obciążenie statyczne [Wm^-1] Q_D-nadwyżka dynamiczna obciążenia [Wm^-1] -w punkcie dwuparowego przyporu (A, A', B, B') K_0II=k(0,43(K_os+Q_D)+7 ω∆_o) ∆_o-największy prawdopodobny błąd podziałki 6 Obciążenie na długości styku: -w punkcie A' i D' K_0I=825F_tcosβ/0,9bε -w punkcie PJ K_0II=1200F_tcosβ/0,9bε F_t-nominalna siła obwodowa działająca na okręgu podziałowym b-szerokość zazębienia β-kąt pochylenia zęba 7 Określenie temperatury w punkcie styku dla wyznaczenia lepkości oleju T_i=T₀+∆T_i T_i-temperatura w i-tym punkcie styku [°C] T₀-temperatura przy objętości oleju [°C] ∆T_i-temperatura błyskowa w i-tym punkcie styku [°C]
μ_Ti-współczynnik tarcia
μ_To-lepkość dynamiczna dla T_o 8 Piezowspółczynnik lepkości α_i=(0,6+0,965 lg η_Ti)10^-8 [Pa^-1] Podział środków smarowych •według klasyfikacji: -oleje -smary plastyczne -smary stałe -gazowe •według przeznaczenia Klasyfikacja środków smarowych •lepkościowe: -motoryzacja SAE -przemysł ISO •jakościowe: -motoryzacja API ACEA -przemysł ISO Dodatki do środków smarowych Współczesne oleje otrzymuje się wprowadzając do olejów bazowych zestawy różnorodnych dodatków uszlachetniających, z których najważniejsze to: •Dodatki smarnościowe, inaczej dodatki przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe, które na powierzchni tarcia tworzą warstewki ochronne (graniczne) zmniejszające zużycie i chroniące przed zatarciem •Dodatki lepkościowe, które poprawiają zależność oleju od temperatury, szczególnie przydatne w olejach wielosezonowych ze spłaszczoną charakterystyką lepkościową. Umożliwiają one łatwiejszy rozruch silnika i dobre smarowanie węzłów silnika nagrzanego •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. Detergenty mają najczęściej charakter zasadowy i w związku z tym pełnią również funkcję neutralizatorów substancji kwasowych pojawiających się w oleju smarowym •Dodatki dysperbujące -rozpuszczają w sposób koloidalny w oleju bazowym drobne zanieczyszczenia eksploatacyjne (cząstki pyłu, metaliczne produkty zużycia, cząstki sadzy, cząstki pochodzące z utleniania węglowodorów) •Inhibitory korozji -działają na powierzchnie metaliczne zabezpieczając je przed korozja od kwasów w oleju smarowym. Ilość dodatków w mineralnym oleju silnikowym może przekraczać 30%. W oleju syntetycznym dodatków może być nieco mniej, ponieważ nie są wymagane dodatki lepkościowe, bowiem syntetyki posiadają korzystną zależność lepkości od temperatury. Przegląd olejów •Przemysłowe oleje sprężarkowe oznaczane przez ISO literą D oraz na drugim miejscu oznaczeniem literowym oznaczającym rodzaj sprężonego medium 1 DA -Oleje do sprężarek powietrza muszą posiadać wysoką odporność termiczną oraz dobre właściwości smarne. Specyficzne wymagania dotyczą mgły olejowej, która tworzy się w sprężarkach tłokowych. Przy odpowiedniej koncentracji w powietrzu i obecności źródła ognia może dojść do wybuchu, dlatego od tego typu olejów wymaga się, aby tworzący się na gorących powierzchniach koks miał strukturę porowatą i był łatwy do usunięcia strumieniem przepływającego powietrza. Dobrym rozwiązaniem jest także wprowadzenie do oleju dodatków myjących zabezpieczających powierzchnię zaworów wylotowych 2 DV -Oleje do pomp próżniowych charakteryzują się małą zawartością części lotnych 3 DG -Oleje do sprężarek gazowych. Przy sprężaniu mediów obojętnych wymagania pokrywają się z cechami olejów dla sprężarek powietrza. Przy sprężaniu gazów aktywnych, które rozpuszczają się w oleju mineralnym stosuje się specjalne oleje syntetyczne 4 DR -Oleje do sprężarek chłodniczych. Wymaga się głównie dobrej rozpuszczalności oleju smarowego. Pewna ilość oleju ze sprężarki zostanie zawsze wtłoczona do części chłodniczej mieszając się z czynnikiem chłodniczym. Zjawisko to pogarsza parametry termiczne czynnika chłodniczego, ale umożliwia powrót oleju do układu smarowania (wydzielanie oleju w łapkach olejowych na wyjściu z układu) •Oleje hydrauliczne. Wymagania: -odpowiednia lepkość -duża czystość -zdolność szybkiego wydzielania powietrza z objętości oleju -pewna higroskopijność. Przykłady: HH, HZ, HM, HFAE •Oleje turbinowe. Są to oleje do długotrwałej eksploatacji, nawet kilkuletniej. Długowieczność zawdzięczają umiarkowanej temperaturze roboczej (60-70°C) oraz dużym objętością układów smarowania. TSA, TSE-turbiny parowe TGA, TGE-turbiny gazowe •Oleje do przekładni przemysłowych mają wymagania podobne jak dla olejów przekładniowych samochodowych. Szczególnie wymagania dotyczą właściwości smarowościowych. Dobierane są na podstawie parametrów pracy: temperatury, ciśnienia i prędkości. CKB, CKC-do przekładni zamkniętych CKH, CKJ-do przekładni otwartych Starzenie olejów smarowych Wszystkie płyny eksploatacyjne w tym również oleje smarowe w toku eksploatacji podlegają różnorodnym oddziaływaniom najczęściej pogarszającym ich właściwości. Dlatego mówimy, że płyny eksploatacyjne ulegają starzeniu w czasie użytkowania. (rysunek 4) Na materiał smarowy (olej) działają różne układy urządzenia technicznego oraz zewnętrzne środowisko eksploatacyjne. •Wpływ urządzenia technicznego: -generowanie w węzłach ruchowych ciepła tarcia przejmowanego przez olej smarowy -katalityczny wpływ części mechanicznych na utlenianie oleju -przejmowanie przez olej produktów zużycia -przejmowanie ciepła z innych układów np. ciepło spalania w silniku -oddziaływanie na olej wilgoci, powietrza •Wpływ środowiska eksploatacyjnego: -wymiana ciepła między urządzeniem a otoczeniem -przenikanie wilgoci i powietrza do olejów smarowych. Składowe procesów starzeniowych Całość złożonych procesów starzeniowych, którym podlegają oleje smarowe w czasie eksploatacji umownie dzieli się na trzy składowe: -utlenianie węglowodorów oleju bazowego -zanieczyszczanie oleju cząstkami stałymi, wodą i powietrzem -utrata skuteczności dodatków uszlachetniających Utlenianie jest to proces długotrwały będący ciągiem różnych reakcji chemicznych zachodzących w podwyższonych temperaturach. -utlenianie jest przyspieszone gdy olej znajduje się w ciekłej warstwie -zanieczyszczenie oleju znajduje się w kontakcie z metalami -olej jest mieszany z powietrzem •Skutki utleniania: -powstawanie produktów bardziej lepkich -powstawanie z części przemian produktów kwasowych (wzrost agresywności korozyjnej) -powstawanie z części reakcji cząstek stałych typu karbony, karboidy (tendencja do tworzenia osadów) Zanieczyszczenia •Pył z otoczenia. Część cząstek jest łapana przez filtry, zaś najdrobniejsze zanieczyszczenia są dyspergowane w oleju. Pozostała część działają erozyjnie na części omywane olejem. •Woda. Pewna niewielka ilość wody tworzy z węglowodorami roztwór rzeczywisty. W większych ilościach woda tworzy z węglowodorami emulsje. Działanie wody na oleje jest wyłącznie negatywne: -zwiększa się agresywność korozyjna -hydralizuje dodatki uszlachetniające, które przechodzą do osadów -sprzyja pienieniu się oleju, co pogarsza jego właściwości reologiczne. •Powietrze. -olej w postaci piany ma dużo mniejszą nośność niż olej bez powietrza -powietrze rozproszone w objętości oleju zwiększa jego lepkość co może zablokować układy filtrujące -powietrze przyspiesza utlenianie w objętości oleju •Produkty metaliczne •Karbony i karbidy z procesów utleniania •W oleju silnikowym cząstki sadzy (rysunek 5)Typowe zmiany starzeniowe na przykładzie oleju silnikowego (rysunek 6) 1 Wzrost lepkości w wyniku: -odparowania lżejszych węglowodorów -utlenienia węglowodorów oleju bazowego -dyspergowania zanieczyszczeń stałych 2 Powolny spadek lepkości w wyniku: -ścinania dodatków lepkościowych -rozcieńczania oleju silnikowego przez paliwo 3 Przebieg awaryjny 4 Korygujące działanie dolewek odświeżających. Rzeczywista lepkość oleju silnikowego jest wypadkową wyżej wymienionych procesów składowych. Wymiana oleju •Wymiana po osiągnięciu normy czasowej zawartej w instrukcji obsługi. •Wymiana na podstawie rzeczywistego stanu oleju w eksploatacji. Wymaga pobierania próbek do badań i kontroli podstawowych parametrów użytkowych związanych ze smarowaniem (pomiar lepkości) oraz specyficznymi funkcjami oleju. Olej podlega wymianie na świeży, gdy któryś z parametrów ocenowych osiąga wartość graniczną. Współcześnie w przemyśle proponowane są bardzo rozbudowane systemy nadzoru eksploatacyjnego nad olejami. Na podstawie wieloletnich doświadczeń opracowano tabele z wytycznymi do eksploatacji. Obowiązkowy jest okresowy system pobierania próbek i porównywania wyników pomiarów z wartościami wytycznymi. Zużywanie trybologiczne jest to proces ciągłych niszczących zmian pierwotnego stanu masy, składu chemicznego, struktury, stanu naprężeń i odkształceń warstwy wierzchniej spowodowany tarciem ciał współpracujących i oddziaływaniem środowiska przejawiający się w postępującej zmianie wymiarów i kształtów trących się ciał. •Miary zużycia: -zużycie liniowe h -zużycie objętościowe Z_V -zużycie wagowe Z_W •Intensywność zużywania: I_Z=Z/s I_ZL=h/s I_ZR=Z_V/s I_ZW=Z_W/s •Szybkość zużywania: V_Z=Z/t •Odporność na zużywanie: J_Z=1/I_Ż J=1/V_Z •Współczynnik zużycia: K=Z_V/P s [mm³/N m] Klasyfikacja zużywania trybologicznego •Ścierne -mikroskrawanie, mikrorysowanie, mikrobruzdowanie •Adhezyjne -tworzenie i niszczenie szczepień adhezyjnych •Trybochemiczne -tworzenie i niszczenie warstewek reakcyjnych i tlenowych •Wodorowe -wykruszanie wodorowe warstewki wierzchniej •Zmęczeniowe -oddziaływanie cząstek wskutek zmęczenia spowodowanego cykliczną zmianą naprężenia •Fretting -połączone zużywanie wyżej wymienionymi przypadkami Zużywanie ścierne Ścieranie jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej trących się ciał w wyniku mikroskrawającego, mikrorysującego i ścinającego oddziaływania elementów ściernych -cząstek ścierniwa, produktów zużycia, wierzchołków chropowatości •Mikroskrawanie jest to zjawisko wykrawania w materiale pewnej mikroobjętości przez wmocowane elementy ścierne. Warunkiem wystąpienia mikroskrawania: -wniknięcie elementu ściernego na odpowiednią głębokość w ścierany element -musi wystąpić ruch względny f₁=0 •Mikrorysowanie -tworzenie rysy w materiale przez przesuwający się element ścierny wskutek mikroskrawania, a częściowo przez odsuwanie materiału na boki f₁<f₂ •Mikrobruzdowanie -wyciskanie bruzdy przez przesuwający się element ścierny f₁=f₂ (rysunek 7) Zdolność do zagłębiania się elementu ściernego zależy od: -stosunku twardości ścierniwa do twardości materiału -siły -kształtu materiału ścierającego. Ziarna ścierne przedostają się między współpracujące powierzchnie z otoczenia, przenoszone są przez medium. Ziarna mogą: -żłobić materiał -wykruszyć się -obtaczać -wnikać w miękki materiał. Mechanizm zużycia ściernego w przypadku obecności ziaren ściernych miedzy trącymi się elementami zależy od: -twardości trących się elementów -twardości, wytrzymałości i kształtu ziaren ściernych Kształtowanie odporności na zużywanie ścierne elementów maszyn 1 Ścieranie przez ziarna umocowane i w masie ściernej •Optymalizacja chropowatości elementu -obróbka powierzchniowa ubytkowa 2 Ścieranie w obecności ścierniwa •Zabezpieczenie przed przedostawaniem się twardych cząstek ściernych do węzłów tarcia -uszczelnienie, filtry: powietrza, paliwa, oleju •Ograniczenie mechanicznej formy ścierania (rozkruszanie ziaren, wchłanianie ziaren) -utwardzanie trących się elementów -odpowiedni stosunek twardości trących się elementów Adsorpcja jest to zjawisko polegające na powierzchniowym wiązaniu cząsteczek adsorbatu przez atomy (cząstki) ciała stałego. Jeżeli unieruchomienie tych cząstek odbywa się siłami Van der Waalsa to mówimy o adsorpcji fizycznej, a jeśli występuje wiązanie chemiczne to jest to chemisorpcja. •Adsorpcja fizyczna: -jest procesem odwracalnym -towarzyszy jej wydzielanie ciepła (8-80 kJ/mol) -zachodzi na każdej powierzchni -siła wiązania 0,05-0,1 eV •Chemisorpcja: -znacznie większa energia wiązania (1-8 eV) -większa ilość wydzielanego ciepła (40-400 kJ/mol) Adhezja Przy zbliżaniu dwóch ciał (ciało stałe<>ciało stałe, ciało stałe<>ciecz)miedzy atomami ich warstw wierzchnich dochodzi do oddziaływania, które nazywamy adhezyjnym, a zjawisko tych oddziaływań nazywany adhezją. •Rodzaje oddziaływań powodujących adhezję: -Van der Waalsa -elektrostatyczne (dwa różne materiały) -wiązania chemiczne (jonowe). Ponieważ oddziaływanie Van der Waalsa zachodzi pomiędzy dowolnymi rodzajami atomów i cząstek, dlatego adhezja zachodzi między wszystkimi materiałami, które można zbliżyć na odległość rzędu kilku nanometrów. •Czynniki istotnie wpływające na adhezję ciał stałych: -czystość powierzchni. Obecność warstewek powierzchniowych zmniejsza adhezję. -temperatura Adhezja w procesie tarcia Występuje tylko na elementarnych powierzchniach styku trących się metali. Przy styku statycznym adhezja jest niewielka. Duża chropowatość również powoduje małą adhezję. W ogólnym przypadku adhezja może przejawiać się w następujących formach: -oddziaływania sił Van der Waalsa -szczepianie -zrastanie (rysunek 8) Oddziaływania sił Van der Waalsa Zależą od: -rodzaju trących się ciał -chropowatości -właściwości warstewek powierzchniowych -ich wartość rośnie ze wzrostem liczby atomowej pierwiastków -większe przyciąganie wykazują czyste metale niż ich stopy -nie powodują zużywania trących się powierzchni Szczepianie Jeśli na stykających się mikroobszarach trących się elementów nastąpi takie zbliżenie, że pojawi się działanie sił krótkozasięgowych, wówczas może nastąpić zjawisko szczepiania. Jest to bezdyfuzyjne połączenie się mikroobszarów trących się ciał metalicznych na skutek wiązania metalicznego na pierwotnej granicy ich rozdziału. Powstawanie szczepienia: -usunięcie warstewek powierzchniowych ze stykających się mikroobszarów -uzyskanie odpowiednio dużego pola powierzchni styku metalicznego. Ciepło może ułatwiać szczepianie, ale bez odkształcenia plastycznego nie może wystąpić Zrastanie tarciowe Jeśli przez pierwotna 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 obszarze pierwotnej granicy rozdziału wyodrębniająca się swoją budową i stanem od obu trących się metali. •Zależnie od temperatury zrastanie może przebiegać następująco: -w zakresie niższych temperatur zrastanie zachodzi w sposób stały -w wyższym zakresie temperatur może się odbywać w stanie ciekłym jednego lub obu metali. •Zrastanie w stanie stałym różni się od szczepiania 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 szczepienia Hipotezy szczepiania adhezyjnego •Hipoteza warstewkowa. Utworzenie szczepienia adhezyjnego jest możliwe, gdy z powierzchni kontaktujących się metali zostaną usunięte warstewki reakcyjne lub warstewki sztucznie wytworzone •Hipoteza dyfuzyjna. Łączenie metali w stanie stałym następuje wskutek dyfuzji powodującej przerastanie ziaren przez pierwotna granicę rozdziału •Hipoteza wiązań metalicznych. Szczepienie uwarunkowane jest powstaniem wiązań metalicznych na pierwotnej granicy rozdziału •Hipoteza wzajemnej rozpuszczalności trących się metali. Skłonność metali do szczepiania określa ich zdolność do tworzenia roztworów stałych. Czynniki mające wpływ na rozpuszczalność: -strukturalny (jednakowy typ sieci krystalicznej) -wielkość atomów (zbliżone wielkości średnic atomowych, różnica nie większa niż 15%) -elektrochamiczny (metale zbliżone elektrochemicznie mają większą zdolność do tworzenia roztworów stałych) -wartościowość względna (jednakowa sprzyja tworzeniu roztworów stałych) Pełne skłonności do szczepień Fe-Cu Zn-Cu. Częściowa skłonność do szczepiania Al-Fe Fe-Ti. Ograniczona skłonność do szczepiania Fe-Ag •Hipoteza energetyczna. Szczepienie realizuje się w kilku etapach: 1 utworzenie kontaktu fizycznego 2 aktywacja powierzchni styku 3 utworzenie wiązania metalicznego Zużywanie trybochemiczne Polega na adsorpcji aktywnych składników otoczenia (tlenu, powietrza za środka smarowego) na trących się powierzchniach i ich dyfuzji w odkształcone plastycznie mikroobszary warstwy wierzchniej, a następnie tworzenie warstewek reakcyjnych i usuwaniu ich mechanicznie wskutek ścierania, wykruszania, zmywania. Zużywanie wodorowe Istota polega na stopniowym mieszaniu warstwy wierzchniej wskutek adsorpcji wodoru na powierzchni metalu i jego dyfuzji w głąb metalu. Zużywanie wodorowe może być: -dyspersyjne -wykruszanie Wykruszanie adhezyjne Jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej trących się ciał na skutek powstawania szczepień adhezyjnych.

---