Skutki tarcia:

1)opór tarcia(τ,μ,M_o);

2)ciepło;

3) zużywanie:μ= 0.04-0.05,czyste metale μ
1,( μ_max/ μ_min
20-25 razy

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:

a)bezwzględne

* zużycie liniowe h (zmiana wymiaru)

* zużycie objętościowe Zv

* zużycie wagowe Zw (zmiana gęstości)

b) intensywność zużywania:I_z = Z/S, zużycie/droga tarcia

*liniowego I_zl = h/s

*objętościowego I_zv = Z_v/S

*wagowe I_zw = Z_w/S

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

c)szybkość zużywania V_z = Z/t

d)odporność na zużywanie J_z = 1 /I_{z ,} J = 1/υ_z

e)wsp. zużycia K= Z_v/(p*s)

Przebieg zużywania

I - okres docierania - warstwa wierzchnia adaptuje się do warunków tarcia i powstaje eksploatacyjna warstwa wierzchnia, czas docierania to okres dużej wrażliwości

Prawidłowości docierania:

ad.2

czas s,t

Zmian struktury warstwy wierzchniej

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

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

II - zużycie jest proporcjonalne do czasu lub drogi,

III - okres przyspieszonego zużywania wskutek powiększonych luzów, zużywanie ma charakter przyspieszony, może zakończyć się zatarciem

Klasyfikacja zużycia

Podział wg dominującego elementarnego procesu zużywania

Zużywanie trybologiczne ścierne - mikroskrawanie, mikrorysowanie

adhezyjne-tworzenie i niszczenie szczepień adhezyjn.

tribochemiczne utleniające - tworzenie warstw reakcyjnych

zmęczeniowe - cykliczne oddziaływanie naprężeń kontaktowych

ścierno-korozyjne (fretting) - połączone działanie wyżej wymienionych procesów zużycia

wodorowe

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

Zdolność do zagłębianie się elementu ściernego zależy od:

- stosunku twardości ściernika do twardości materiału Ha/Hm

- kształtu i wymiaru materiału ściernego

- siły

Podział zużywania ściernego.

Zależnie od stopnia swobody elementów ściernych można wyróżnić:

a) ścieranie przez ziarno umocowane

b) ścieranie w obecności ziaren ściernych (między dwoma elementami)

c) ścieranie w masie ściernej (np. w glebie)

a) ścieranie przez ziarno umocowane

- wpływ wybranych czynników

- wpływ twardości materiału

- wpływ twardości ścierniwa i materiałów

metale o twardości H1<H2<H3<H4

- wpływ chropowatości powierzchni na ścieranie

- wpływ wielkości ziarna na zużycie(dotyczy ziaren umocowanych)

- 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

Wpływ wybranych czynników na zużywanie ścieru w obecności ściernika.

1. Wpływ wielkości ziaren .

Łożyska ślizgowe

Hm=const twardość czopa wału stała

Hb1,Hb2,Hb3-twardość panewki

Ha=const-olej smarowy z jednym rodzajem ziarna

- 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.

Kształtowanie odporności na zużywanie ścierne elementów maszyn

Adsorpcja - jest to zjawisko polegające na powierzchniowym wiązaniu cząsteczek płynu 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 chemisorpcja

Adsorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym (0,005/0,1)eV; wystąpieniu adsorpcji zawsze występuje wydzielenie ciepła (1-80) kJ/mol; zachodzi na każdej powierzchni; nie wymaga energii aktywacji; istotnie wpływa na przebieg tarcia i zużywania

Chemisorpcja- energia wiązania znacznie większa od adsorpcji fizycznej(1-8)eV; ilość wydzielającego się ciepła (40-400) kJ/mol; wprowadza się dodatki chemiczne aktywne najczęściej: siarka, fosfor, chlor; jest procesem nieodwracalnym.

Dyfuzja - przemieszczenie się materii w kierunku przeciwnym do gradientu stężenia
, D-wsp.dyfuzji, t-czas dyfuzji, X-śre.przemieszczenie dyfuzyjnego atomu

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

Adhezja - to zjawisko łączenia (przylepiania, szczepianie) się powierzchni dwóch ciał pod wpływem sił przyciągania między nimi, wskutek ich zbliżenia na bardzo małe odległości. Siły wywołujące adhezję:

• siły Van der Waalsa - 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. Ta forma oddziaływania nie powoduje zużywania się trących elementów, one wnoszą w swój wkład w opór tarcia np. gładkie powierzchnie dociskane jakąś siła

• oddziaływanie elektrostatyczne - przy zetknięciu dwóch różnych ciał

• oddziaływanie chemiczne

Czynniki wpływające istotnie na adhezje ciał stałych.

1) „Czystość powierzchni”

2)obciążenie - siła która płytki są dociskane. Czym obciążenie większe tym siła adhezyjna większa.

3)temperatura - jeżeli dzieje się w próżni wzrost temperatury sprzyja adhezji, gdy w otoczeniu adhezja spada z powodu szybkiego utleniania się powierzchni

W ogólnym przypadku adhezja na elementarnych powierzchniach styku może się przejawiać w następujących formach:

a) szczepianie - 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 rozdziału.

Warunkiem powstania sczepienia jest:

- usunięcie warstewek powierzchni z stykających się mikroobszarów

- uzyskanie odpowiednio dużego pola powierzchni styku metalicznego

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

b) 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:

- w zakresie niższych temperatur zrastanie zachodzi 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

- w zakresie wyższych temperatur zrastanie zachodzi w stanie ciekłym jednego lub obu materiałów-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.

c) oddziaływanie sił Van der Waalsa

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

3. Hipoteza wiązań metalicznych - uwarunkowane powstaniem wiązań metalicznych między atomami.

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

Czynniki mające wpływ na rozpuszczalność

- strukturalny (jednakowy typ sieci krystalicznej)

- wielkość atomów (zbliżone wielkości średnic atomowych różnica niewiększa niż 15%)

- elektrochemiczny (im bardziej metale zbliżone elek.)

- wartościowość względna (jednakowa sprzyja tworzeniu roztworów stałych)

L.F. Coffin

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

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

c) ograniczona skłonność do sczepiania Fe-Ag

Z punktu widzenia zdolności do sczepiania dużo lepsze jest skojarzenie materiałów różnoimiennych. Nawet metale które nie wykazują rozpuszczalności mogą wykazywać skłonności do tworzenia szczepień adhezyjnych .

5. Hipoteza energetyczna

Sczepianie rozwija się w kilku etapach:1- utworzenie kontaktu fizycznego, 2- aktywacji powierzchni styku, 3- utworzenia wiązania metalicznego

Zużywanie trybo-chemiczne

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 ma:

- reaktywność rys wyżej

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 - polega na rozluźnieniu struktury przypowierzchniowej warstw stali i żeliw i ułatwieniu oddzielenia produktów zużycia

- wykruszanie - występuje wtedy gdy strefa przypowierzchniowa zostanie silnie nasycona wodorem i pod wpływem odkształceń powstają znaczne naprężenia, które powodują wykruszanie materiału ze strefy przypowierzchniowej

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. Zużycie to zachodzi w obrębie pojedynczych elementów nierówności. W tarciu ruchomym i nie ruchomym.

ZACIERANIE ADHEZYJNE

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.

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.

Wybrane modele zacierania adhezyjnego

1. model Kosteckiego - jest oparty o prawo adaptacji strukturalnej zgodnie, z którym dla wszystkich materiałów istnieją takie zakresy wymuszeń zew. nacisków, prędkości w których tarcie i zużycie są stabilne i o kilka rzędów wielkości mniejsze niż poza tym zakresem. Model Kosteckiego pozwala określić odporność na zacieranie skojarzenia ślizgowego jako jego zdolność do przenoszenia wymuszeń zew. w warunkach zużywania trybochemicznego.

2. model Bloka (1937) - dotyczy zacierania gorącego. Zgodnie z tym modelem 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

T_Ε=T_p+T_b>T_{Kr ,} T_p -temp.powierzchni, T_b-temp. błysku

T_p=f(P,υ,A_n, μ,λ,κ,) _, μ-wsp.tarcia, λ-przewodność cieplna, κ-wsp.chłodzenia

T_b=f(P,υ _, μ,λ,κ,d,) d-średnica elementarnych powierzchni styku

T_Ε=T_p+T_b>T_Kr -warunek nie występowania zacierania

c) model kinetyczny - opiera się na dwóch postulatach wyprowadzonych z kinetyki chemicznej:

• jeśli występuje zmiana wymuszeń zew. to układ fizyczny przechodzi z jednego stanu równowagi do drugiego,

• przejście z jednego stanu równowagi do drugiego nie odbywa się w sposób bezpośredni ale etapowo

Punkt krytyczny można określić jako zmianę rodzaju oddziaływań w strefie kontaktu tarciowego pod wpływem wymuszeń zew.

I-tarcie płynne bez zużywania

II-tarcie graniczne, używanie trybochemiczne

III-tarcie mieszane zużywanie adhezyjne

IV-zacieranie adhezyjne

V-zatarcie

A-przerwane ciągłości warstewki smarnej i niszczenie warstw struktur wtórnych

B- utworzenie mikroszczepień adhezyjnych

C-powstanie ogniska zacierania

D-zatarcie

Zacieraniemechanicznezadzieranie, płynięcie plastyczne

adhezyjnezimne, gorące

UKSZTAŁTOWANIE ODPORNOŚCI NA ZACIERANIE

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

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 - łożyska pracujące przy ruchu wahadłowym o bardzo małej amplitudzie, styki piór resorów pionowych, styk powierzchnie oporowej sprężyny z gniazdem.

Inny podział skojarzeń elementów, elementów w 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

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

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

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.

2. Powierzchnie stykają się podczas całego procesu współpracy co bardzo utrudnia lub uniemożliwia wydostawanie się produktów z użycia 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 albo 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,

Schemat powstawania i rozwoju zniszczeń przy frettingu

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

a) wymuszenia zewnętrzne (amplituda, częstość, obciążenie)

b) otoczenie (wilgotność, temp, atmosfera)

c) struktura i właściwości węzła (geometria styku, wymiary węzła, warstwa wierzchnia)

1. Amplituda oscylacji

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

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.

2. 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

3. 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

4. Wpływ wilgotności powietrza

Wywiera znaczący i złożony wpływ na zużycie frettingowe. Dla żelaza - największe zużycie zaobserwowano dla wilgotności względnej wynoszącej 10 % W suchym powietrzu - drobne cząstki, 100% wilgotności 4 razy większe. Istnieją doniesienia lit. o efekcie smarującym cząstek sadzy i jednoczesnym intensyfikowaniu korozji.

5. 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

6. Wpływ chropowatości

Z wielu badań wynika, że im mniejsza chropowatość, tym większe zużycie frettingowe -> większa jest skłonność do tworzenia szczepień. 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.

7. 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 konsekwencją występowanie naprężeń kontaktowych, bo styk jest punktowy lub liniowy. Cykliczne obciążenie warstwy wierzchniej toczących się (trących) elementów powoduje ich zmęczenie, z w konsekwencji zużycie.

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. Zużywanie to polega 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

b) pitting, zużycie gruzełkowe - (węzeł smarowany) jest to spowodowane cyklicznym oddziaływaniem obciążeń przy fizykochemicznym wpływie substancji smarującej. Mechanizm pitting jest trochę 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.

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.

Zużywanie adhezyjne polimerów - 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

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

Rysunek

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… 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)

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.

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

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

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.

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:

1-ciecz binghamowska (pasty i zawiesiny)

2-ciecz pseudoplastyczna

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.

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.

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.

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]

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

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.

Z

Zdop

Z

4

3

1

2

1

2

R

czas

1

2

R

czas

czas

1

2

R

---