SMAROWANIE ELASTOHYDRODYNAMICZN - W warunkach styków skoncentrowanych elementów o dużych różnicach promieni krzywizny uzyskiwane rezultaty świadczyły iż teoretyczna gruAbość filmu jest mniejsza od chropowatości. Dla węzłów niekonforemnych, nieprzystających, w których stykają się ciała o znacznie różniących się kształtach, czyli takie których promienie krzywizny są bardzo zróżnicowane (np. elementy krzywkowe, zazębienia przekładni zębatych

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

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:

H_min=h_o/R'=k U^a W^b G^c

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.

GRUBOŚĆ FILMU OLEJOWEGO

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

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:

gdzie: Kη - współczynnik lepkości K_Ω,- 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.

OBLICZANIE GRUBOŚCI FILMU OLEJOWEGO. - metoda analityczna

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)

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]

8.Piezowspółczynnik lepkości

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

HYDRODYNAMICZNA TEORIA SMAROWANIA

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.

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 węzłów 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 (właśnie dla węzłów konforemnych) i ELASTOHYDRODYNAMICZNA TEORIA SMAROWANIA (dla węzłów o stykach skoncentrowanych).

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).

DODATKI SMARNE,CHARAKTERYSTYKA SMARÓW:

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

Dodatki do środków smarowych.

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

STARZENIE:

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

DOCIERANIE

Przebieg zużywania

Ad I.dostosowanie do warunków (adaptacja technologicznej warstwy wierzchniej z eksploatacyjny warstwy wierzchniej)

Prawidłowości docierania:

Docieranie nie można zastąpić obróbką,docieranie można skrócić znając R równowagowe, wtedy zmniejszamy zużycie.

Ad. II Ustalonego zużywania

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

2.Wpływ twardości ścierniwa i materiałów

metale o twardości H1<H2<H3<H4

3.Wpływ chropowatości powierzchni na ścieranie CD

4.Wpływ wielkości ziarna na zużycie(dotyczy ziaren umocowanych

5. Wpływ obciążenia na zużycie (dotyczy ziaren umocowanych)

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

Rys-1. ziarno wnika w materiał bardziej miękki (inkluduje) i powoduje ścieranie bardziej twardego elementu

Rys-2. ziarno ulega pokruszeniu

Rys-3. ziarno może się obtaczać

Rys-1 Rys-2 Rys-3

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

Schemat rozwoju pęknięcia zmęczeniowego na skutek zmęczenia frettingowego

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 Fettingu

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.

a) gromadzenie się cząstek w przestrzeniach między stykami wierzchołków nierówności

b) łączenie stykających się przestrzeni w większe obszary

c) wzrost warstewki tlenków

d) krzywo liniowe głębienie jako rezultat silnego oddziaływania ściernego

Ważniejsze czynniki wpływające na fretting (schemat)

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

CD

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.

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).

---