Robert Juskowiak

TARCIE I SMAROWANIE

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa

im. Jana Amosa Komeńskiego w Lesznie

Studia podyplomowe – Technika dla nauczycieli

TARCIE I JEGO ZNACZENIE W TECHNICE

Przez tarcie należy rozumieć zespół zjawisk zachodzących miedzy stykającymi się ciałami, wywołany działaniem siły normalnej dociskającej te ciała i siły stycznej przemieszczającej je względem siebie, bądź też usiłujące je przemieścić.

Siła tarcia zależy od:

1. Obciążenia normalnego

2. Cech geometrycznych węzła tarcia

3. Chropowatości stykających się powierzchni

4. Rodzaju materiałów użytych na elementy trące

5. Rodzaju ruchu

6. Obecności środków smarujących

7. Zakłóceń zewnętrznych

Tarcie zakłóca sprawność mechaniczną układów. W technice rozróżnia się tarcie:

1. Niepożądane – dąży się zmniejszenia oporów tarcia

2. Pożądane – poprzez dobór materiałów, kształtów i wymiarów współpracujących części oraz współpracy, uzyskuje się możliwie duże opory tarcia

Zmniejszenia tarcia można osiągnąć poprzez:

1. Zastąpienie tarcia ślizgowego tarciem tocznym

2. Dobór materiałów przeciwciernych

3. Odpowiednie metody obróbki powierzchniowej

4. Racjonalny dobór smarów

Świadome zwiększenie oporów tarcia można uzyskać przez:

1. Powiększenie kąta opasania cięgna na kole pędnym

2. Stożkowe ukształtowanie powierzchni trących

3. Dobór na pary trące materiałów o dużym współczynniku tarcia

4. Wyeliminowanie smarowania

ZUŻYCIE I JEGO MECHANIZM

Występujące w trakcie eksploatacji maszyn tarcie powoduje zużywanie się elementów pary trącej. W procesach technicznego zużycia części maszyn można wyodrębnić dwa rodzaje procesów zużywania:

1. Quasistatyczne – występuje z reguły w tarciu ślizgowym

2. Dynamiczne – występuje przy tarciu tocznym

Intensywność zużycia części maszyn jest zmienna w czasie. Można na ogół wyodrębnić trzy takie okresy:

1. Docieranie

2. Zużycie normalne

3. Zużycie awaryjne

TRIBOLOGIA

Zadaniem tribologii jest badanie wszelkich zjawisk zachodzących w obszarach tarcia, w celu poznania praw rządzących tzw. wytrzymałością powierzchniową i wypracowania metod i technologii optymalnego kształtowania własności użytkowych warstwy wierzchniej elementów par trących przy jednoczesnym traktowaniu środka smarującego jako równorzędnego elementu systemu tribologicznego.

Zadaniem trybotechniki jest wykorzystanie tych praw w technice.

RODZAJE TARCIA

Rozróżnia się dwie zasadnicze grupy rodzajów tarcia:

1. Tarcie zewnętrzne – występuje w przypadku styku dwóch ciał stałych

2. Tarcie wewnętrzne – towarzyszy i przeciwdziała przemieszczaniu się względem siebie części tego samego ciała

Rozróżnia się także:

1. Tarcie zewnętrznie technicznie suche, gdy proces zachodzi w warunkach atmosferycznych

2. Tarcie fizycznie suche, gdy proces tarcia odbywa się w próżni

Tarcie dzielimy na:

1. Spoczynkowe

2. Ruchowe

Ze względu na charakter ruchu i geometrię styku trących się ciał tarcie dzielimy na:

1. Ślizgowe

2. Toczne

3. Wiertne

Jeżeli pomiędzy trące się powierzchnie ciał stałych zostanie wprowadzony środek smarujący to w zależności od grubości wytworzonej warstewki smaru i chropowatości powierzchni może powstać w parze trącej jeden z trzech następujących rodzajów tarcia:

1. Graniczne

2. Mieszane

3. Płynne

Tarcie ślizgowe – to taki rodzaj tarcia, przy którym różnica prędkości obu ciał w punktach styku jest większa od zera. Szczególnym przypadkiem tarcia ślizgowego jest tarcie wiertne, podczas którego prędkości względne obu ciał w punktach styku są różne i wprost proporcjonalne do odległości punktów styku od osi obrotu jednego z ciał, prostopadłej do powierzchni tarcia.

Tarcie toczne – to taki rodzaj tarcia, przy którym prędkości obu ciał w punktach wzajemnego styku są równe, a czas trwania styku dąży do zera. W technice przypadek czystego tarcia toczenia występuje bardzo rzadko, gdyż w skutek odkształcenia się ciał w strefie styku występują tzw. mikroposlizgi. Podstawową cechą tarcia tocznego jest niezmienność jego współczynnika, a stąd łatwość rozruchu mechanizmów.

TARCIE A SMAROWANIE

Pojęcie smarowania ma kilka znaczeń. Może ono oznaczać proces fizyczny związany z zamianą tarcia suchego na inne rodzaje tarcia, może oznaczać specjalne zagadnienia techniczne związane ze sposobem doprowadzenia środka smarującego do węzłów trących, sposobem technicznego zrealizowania zasady tarcia płynnego w łożyskach, bądź też z konsystencją zastosowanego smaru, może także oznaczać prostą czynność wprowadzenia smaru pomiędzy trące się elementy.

Smarowanie ma na celu zmniejszenie oporów tarcia i zużycia. W pierwszym przybliżeniu można powiedzieć, że rodzaj tarcia występującego w węźle tarciowym zależy od względnej grubości smaru warstwy.

Współczynniki tarcia ruchowego zależą od materiałów pary trącej, rodzaju ruchu, warunków zewnętrznych.

Tarcie graniczne występuje wówczas, gdy powierzchnie trące nie są rozdzielone warstewką smaru, lecza pokryte warstwą adsorpcyjną substancji smarowej. Natura tarcia zależy wtedy zarówno od materiałów pary trącej jak i od środka smarującego. Nie zależy natomiast od lepkości użytego smaru. Istnienie tarcia granicznego jest uwarunkowane także nieprzekroczeniem temperatury krytycznej.

Tarcie płynne polega na rozdzieleniu powierzchni trących się ciał stałych za pomocą płynu (cieczy) i zamianie tarcia zewnętrznego na tarcie wewnętrzne cieczy. Nie wpływa na istotę mechanizmu tarcia płynnego użycie jako trzeciego ciała smaru mazistego (plastycznego), gdyż pod dużymi naciskami, jakie z reguły występują w parze trącej, zachowuje się on identycznie jak ciecz.

Tarcie mieszane jest pośrednim rodzajem tarcia pomiędzy płynnym a granicznym. tarcie mieszane występuje w parach ślizgowych maszyn w okresie ich rozruchu lub zatrzymywania przy małych prędkościach poślizgu, w okresie docierania oraz przy dużych obciążeniach. Opory tarcia mieszanego są sumą składowej tarcia płynnego występującego we wgłębieniach nierówności powierzchni, tarcia granicznego i tarcia suchego, które zachodzi w punktach bezpośredniego styku po przerwaniu warstwy adsorpcyjnej na „ostrzach” mikronie równości. Współczynnik tarcia mieszanego zależy w tym przypadku od materiałów pary trącej, jakości smaru, chropowatości powierzchni, nacisku jednostkowego oraz od prędkości względnej, przy której zachodzi tarcie.

ROLA SMARU W PARZE TRĄCEJ

Środek smarujący oprócz swojego podstawowego zadania spełnia jeszcze inne role, do których należą:

1. zapobieganie korozji ruchowych elementów maszyn

2. chłodzenie części trących i odprowadzanie ciepła wywołanego tarciem

3. odprowadzanie produktów zużycia

4. umożliwienie wprowadzenia substancji płynnych lub stałych przyspieszających proces docierania

5. amortyzowanie obciążeń dynamicznych, szczególnie przypadkowych.

RODZAJE SMAROWANIA

Smarowanie hydrodynamiczne – to proces tworzenia klina smarowego – warstwy cieczy smarnej posiadającej zdolność rozdzielenia dwóch współpracujących powierzchni obciążanych zewnętrznie, przemieszczających się względem siebie ciał.

Smarowanie hydrostatyczne – w momencie rozruchu (uruchamiania) maszyny lub w trakcie jej zatrzymywania nie występuje tarcie płynne. Wiąże się to z małą prędkością poślizgu i niewytworzeniem lub zanikiem klina smarowego. Utrzymanie tarcia płynnego w całym okresie ruchu maszyny można uzyskać przez smarowanie hydrostatyczne, czyli wprowadzenie smaru pod ciśnieniem. Stosuje się je najczęściej:

1. w łożyskach wzdłużnych dolnych

2. przy podnoszeniu wałów ciężkich maszyn wirnikowych

3. w łożyskach ślizgowych tulejowych

4. w prowadnicach

5. w celu amortyzowania ruchów współpracujących ze sobą płyt oddzielonych lepką cieczą

6. w celu utrzymania przymusowego, dokładnego luzu pomiędzy powierzchniami.

Smarowanie aerodynamiczne i aerostatyczne – ten rodzaj smarowania uzyskuje się przez zastąpienie ciekłego środka smarującego powietrzem. Do zalet łożysk smarowanych powietrzem zalicza się:

1. małe opory tarcia

2. możliwość pracy w wysokiej temperaturze

3. powietrze na ogół nie zawiera zanieczyszczeń i jest łatwo dostępne.

Do wad zalicza się:

1. małą nośność łożysk smarowanych aerodynamicznie

2. konieczność dużej dokładności przy wykonywaniu elementów łożysk i małej chropowatości ich powierzchni

3. małą stateczność w niektórych warunkach pracy.

SYSTEMY SMAROWANIA

Rozróżnia się następujące systemy smarowania:

1. smarowanie za pomocą smarów stałych

2. smarowanie przez nakładanie smaru mazistego

3. smarowanie przy użycie oliwiarki

4. smarowanie kroplowe

5. smarowanie przez zanurzenie

6. smarowanie natryskowe

7. smarowanie mgła olejową.

BIBLIOGRAFIA

1. Marczak Ryszard, Tarcie i smarowanie, [w:] Mały poradnik mechanika, tom II, Warszawa 1994

2. Przybyłowicz Karol, Przybyłowicz Janusz, Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach, Warszawa 2004