UNIWERSYTET

TECHNOLOGICZNO – PRZYRODNICZY

im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich

w Bydgoszczy

LABORATORIUM

EKSPLOATACJI MASZYN

Ćw. nr 5 „Identyfikacja rodzajów zużycia metalowych elementów maszyn”

Wykonali:

Alicja Zacharek

Paula Jurek

Marcin Mikołajczyk

Dawid Haiza

Krystian Szulerecki

Transport, sem IV

Grupa F

1.Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest nabycie umiejętności identyfikacji rodzajów zużycia wybranych elementów maszyn oraz poznanie zasad ich klasyfikacji.

2. Zużycie – jest rezultatem procesu tarcia polegającym na [1]:

- zmianie wartości cech warstwy wierzchniej elementów maszyn,

- pogorszeniu stanu powierzchni ciernych elementów maszyn, tzn. zwiększeniu chropowatości, powstaniu rys, bruzd, pęknięć powierzchniowych i ubytków materiału powstałych po wyrwanych cząstkach materiału.

3. Identyfikacja rodzajów zużycia elementów maszyn .

Najprostszym i wystarczająco dokładnym sposobem opisu rodzaju zużycia jest określenie stanu powierzchni roboczych elementów maszyn za pomocą obserwacji okiem nieuzbrojonym lub przy niedużych powiększeniach. Stan warstwy wierzchniej w sposób jednoznaczny wskazuje rodzaj zużycia [2].

a) zużycie adhezyjne – jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej ciał współpracujących w procesie tarcia w wyniku powstawania i rozrywania połączeń adhezyjnych tworzących się między wierzchołkami nierówności współpracujących elementów maszyn. Zużycie to pojawia się pojawia się praktycznie przy każdej współpracy elementów w procesie tarcia, z wyjątkiem przypadków, gdy są one całkowicie oddzielone warstwą smarującą.

b) zużycie przez utlenianie – jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej, polegające na powstawaniu powierzchniowych ubytków materiału w wyniku tworzenia się tlenków w procesie tarcia oraz ich usuwania pod działaniem siły tarcia. Zachodzi przy tarciu ślizgowym i tocznym. Taki rodzaj zużycia zachodzi wtedy, gdy szybkość tworzenia się warstewek tlenków jest większa od szybkości ich ścierania z powierzchni tarcia.

c) zużycie ścierne – jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej ciał współpracujących w procesie tarcia w wyniku skrawającego, bruzdującego, rysującego i ścinającego oddziaływania nierówności powierzchni, cząstek ciał obcych lub produktów zużycia. Warunkiem koniecznym wystąpienia zużycia ściernego w procesie tarcia jest większa twardość ciała powodującego zużycie od ciała zużywanego. Występuje głównie przy tarciu suchym.

d) zużycie przez łuszczenie – jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej, polegające na powstaniu miejscowych ubytków materiału w elementach o ruchu tocznym lub toczno-ślizgowym przy braku lub niedostatku smaru. Zużycie to objawia się głębokimi wyrwaniami, a spowodowane jest zmęczeniem materiału.

e) zużycie przez pitting – jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej, polegające na powstawaniu miejscowych ubytków materiału w elementach o ruchu tocznym lub toczno-ślizgowym w wyniku cyklicznego oddziaływania obciążeń. Pitting jest skutkiem cyklicznego oddziaływania naprężeń kontaktowych w obecności substancji smarującej. Cechą charakterystyczną zużycia przez pitting jest powstawanie ubytków materiału po przekroczeniu pewnej liczby cykli obciążenia.

f) zużycie przez fretting – jest to zjawisko niszczenia warstwy wierzchniej, polegające na powstaniu miejscowych ubytków materiału w elementach poddanych działaniu drgań lub niewielkich poślizgów przy ruchu postępowo-zwrotnym, w wyniku cyklicznego oddziaływania obciążeń oraz intensywnego korozyjnego oddziaływania środowiska. Bezpośrednia przyczyną występowania frettingu są odziaływania mechaniczne. Cechą charakterystyczną tych oddziaływań są silne wpływy korozyjne.

4.Rodzaje zużycia ściernego:

Zużycie ścierne jest rodzajem zużycia czysto mechanicznego. Występuje tylko w takim zakresie prędkości względnej współpracujących elementów, w którym wydzielające się ciepło tarcia nie ma znacznego wpływu na proces zużycia.

Rodzaje ścierania [2]:

a) ścieranie wskutek współpracy elementów z powierzchnia o dużej chropowatości,

b) ścieranie przez cząstki ścierniwa znajdującego się pomiędzy współpracującymi powierzchniami elementów maszyn,

c) ścieranie przez cząstki ścierne posiadające dużą energie kinetyczną,

d) ścieranie w masie ściernej.

5.Mechanizm ścierania:

W procesie ścierania mają miejsce następujące główne zjawiska elementarne [3]:

- mikroskrawanie – jest zjawiskiem wykrawania bruzd w ściernym materiale przez elementy ścierne; zjawisko to w sposób przybliżony opisują prawa skrawania metali, a jego specyfikę stanowią: wielkość, geometria i sposób mocowania elementów skrawających,

- rysowanie – jest zjawiskiem tworzenia w ściernym materiale rys przez przesuwające się elementy ścierne, częściowo wskutek wykrawania,
a częściowo przez odsuwanie materiału na boki,

- ścinanie nierówności – występuje, gdy wartość siły niezbędnej do ścięcia przekroju występu na granicy styku nierówności jest mniejsza od wartości oporu odkształcenia współdziałającego elementu,

-oderwanie nierówności – występuje najczęściej przy zahaczaniu się występów nierówności przynajmniej jednego elementu pary ciernej, którego warstwa wierzchnia cechuje się niejednorodnością materiału.

6.Przeciwdziałanie zużyciu ściernemu:

Problem zmniejszenia zużycia ściernego elementów maszyn należy rozwiązać na etapach konstruowania, wytwarzania i eksploatacji obiektów technicznych. Zasady przeciwdziałania zużycia ściernemu są następujące [3]:

- elementy maszyn narażone na intensywne zużycie wykonywać z materiałów
o dużej odporności na ścieranie,

- w elementach węzłów ślizgowych należy stosować materiały o odpowiedniej różnicy twardości,

- należy polepszać właściwości przeciwzużyciowe substancji smarujących,

- należy chronić węzły ślizgowe maszyn przed zanieczyszczeniami,

- należy racjonalnie eksploatować obiekty techniczne w okresie docierania
i normalnej pracy.

7.Opis stanowiska laboratoryjnego:

Na stanowisku znajdują się następujące urządzenia i przyrządy:

- urządzenie do ścierania próbek,

- waga analityczna z dokładnością ważenia 0,01 g,

- suwmiarka elektroniczna z dokładnością mierzenia 0,01 mm.

Rys 1. Urządzenie do ścierania próbek (opracowanie własne)

8. Wyniki pomiarów:

	Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar 3	Wartość srednia
Długość ramienia krótszego	17,3 cm	17,3 cm	17,2 cm	17,27 cm
Długość ramienia dłuższego	59,6 cm	59,5 cm	59,6 cm	59,57 cm
Średnica tarczy	114,23 mm	114,25 mm	114,26 mm	114,25 mm
Prędkość obrotowa	1258 obr/min	1257 obr/min	1258 obr/min	1257,67 obr/min
Średnica próbki	5,02 mm	5,02 mm	5,01 mm	5,02 mm

9.Opracowanie wyników:

Dane:

- tarcza: ST 45

- próbka: miedź : współczynnik tarcia : μ=0,22 [4]

: gęstość : 8,96 g/cm³ [5]

- czas pomiaru: t=176 s

- średnica tarczy: D=114,25 mm

- masa obciążnika: m=4 kg

- długość ramienia 1: l₁=59,57 cm

- długość ramienia 2: l₂=17,27 cm

- prędkość obrotowa: n=1257,67 obr/min

- średnica próbki: d=5,02 mm

- ubytek wysokościowy: Δh=1,8 mm

- przyspieszenie ziemskie: a=9,81 m/s²

Siła grawitacji:

G = m * a = 4 * 9, 81 = 39, 24 [N]

gdzie:

m-masa obciążnika [kg],

a-przyspieszenie ziemskie [m/s²].

Siła nacisku:

l₂ * F = l₁ * G

gdzie:

l₂-długość ramienia krótszego [m],

l₁-długość ramienia dłuższego [m],

F-siła nacisku [N],

G-siła grawitacji [N].

$F = \frac{l_{1}*G}{l_{2}} = \frac{5,957*39,24}{1,727}$=135,35 [N]

Siła tarcia:

T = μ * F = 0, 22 * 135, 35 = 29, 78 [N]

gdzie:

T-siła tarcia [N],

μ-współczynnik tarcia,

F-siła nacisku [N].

Droga tarcia:

S_t = n * t * π * D = 1257, 67 * 2, 93 * 3, 14 * 0, 11425 = 1321, 98 [m]

gdzie:

S_t-droga tarcia [m],

n-prędkość obrotowa [obr/min],

t-czas [min],

D-średnica tarczy [m].

Praca tarcia:

W_t = T * S_t = 29, 78*1321,9657=39368,14 [J]

gdzie:

W_t-praca tarcia [J],

T-siła tarcia [N],

S_t-droga tarcia [m].

Objętościowe zużycie ścierne:

t_v = π * r² * h = 3, 14 * 5, 02 * 1, 8 = 28, 37 [mm³]

gdzie:

r-promień próbki [mm],

h-ubytek wysokościowy [mm].

Masowe zużycie ścierne:

$$d = \frac{t_{m}}{t_{v}}$$

t_m = d * t_v = 0, 00896 * 28, 37 = 0, 25 [g] 

gdzie:

d-gęstość miedzi [g/cm³],

V-objętościowe zużycie ścierne [cm³].

Wskaźnik masowego zużycia ściernego:

a) prędkość kątowa przeciwpróbki:

$$\omega = \frac{2*\pi*n}{60} = \frac{2*3,14*1257,67}{60} = 131,64\ \lbrack\frac{\text{rad}}{s}\rbrack$$

gdzie:

n-prędkość obrotowa wału napędzającego [obr/min].

b) droga tarcia:

$$s = \omega*t*\frac{d}{2} = 131,64*176*\frac{5,02}{2} = 58153,27\ \lbrack mm\rbrack$$

gdzie:

ω-prędkość obrotowa przeciwpróbki [obr/min],

t-czas [s],

d-średnica próbki [mm].

c) wskaźnik masowego zużycia ściernego:

$$R_{m} = \frac{s}{t_{m}} = \frac{58153,27}{0,25} = 232613.08\ \lbrack\frac{\text{mm}}{g}\rbrack$$

gdzie:

s-droga tarcia [mm],

t_m-masowe zużycie ścierne [g].

Wskaźnik liniowego zużycia ciernego:

$$R_{h} = \frac{s}{t_{h}} = \frac{58153,27}{1,8} = 32307,37\ $$

gdzie:

s-droga tarcia [mm],

t_h-liniowe zużycie cierne [mm].

Wskaźnik objętościowego zużycia ściernego:

$$R_{v} = \frac{s}{t_{v}} = \frac{58153,27}{28,37} = 2049,82\ \lbrack\frac{1}{\text{mm}^{2}}\rbrack$$

gdzie:

s-droga tarcia [mm],

t_v-zużycie objętościowe [mm³].

Intensywność masowego zużycia ściernego:

$$I_{m} = \frac{t_{m}}{t} = \frac{0,25}{176} = 0,0014\ \lbrack\frac{g}{s}\rbrack$$

gdzie:

t_m-masowe zużycie ścierne [g],

t-czas [s].

Intensywność liniowego zużycia ściernego:

$$I_{h} = \frac{t_{h}}{t} = \frac{1,8}{176} = 0,010\ \lbrack\frac{\text{mm}}{s}\rbrack$$

gdzie:

t_h-liniowe zużycie ścierne [mm],

t-czas [s].

Intensywność objętościowego zużycia ściernego:

$$I_{v} = \frac{t_{v}}{t} = \frac{28,37}{176} = 0,16\ \lbrack\frac{\text{mm}^{3}}{s}\rbrack$$

gdzie:

t_v-objętościowe zużycie ścierne [mm³],

t-czas [s].

Względna odporność na masowe zużycie ścierne:

$$J_{m} = \frac{1}{I_{m}} = \frac{1}{0,0014} = 714,29\ \lbrack\frac{s}{g}\rbrack$$

gdzie:

I_m-intensywność masowego zużycia ściernego [g/s].

Względna odporność na liniowe zużycie ścierne:

$$J_{h} = \frac{1}{I_{h}} = \frac{1}{0,010} = 100\ \lbrack\frac{s}{\text{mm}}\rbrack$$

gdzie:

I_h-intensywność liniowego zużycia ściernego [mm/s].

Względna odporność na objętościowe zużycie ścierne:

$J_{v} = \frac{1}{I_{v}} = \frac{1}{0,16} = 6,25\ \lbrack\frac{s}{\text{mm}^{3}}\rbrack$

gdzie:

I_v-intensywność objętościowego zużycia ściernego [mm³/s].

Literatura:

[1] Janecki J., Gołąbek S.: „Zużycie części i zespołów pojazdów samochodowych” WKŁ Warszawa, 1984,

[2] Praca zbiorowa pod redakcją Macieja Woropay’a: „Laboratorium z eksploatacji maszyn” ATR Bydgoszcz, 1994,

[3] Solski P.: „Zużycie cierne metali” WNT Warszawa, 1968

[4] http://fizyczny.net/viewtopic.php?t=32710 , dostęp (29.05.2014)

[5] http://pl.wikipedia.org/wiki/Miedź, dostęp (29.05.2014)