2550


0x08 graphic
0x08 graphic
Zakład Niezawodności i Eksploatacji Technicznej

Instytut Pojazdów Szynowych Politechniki Krakowskiej

al. Jana Pawła II 37, 31-864, Kraków, tel/fax: (+48 12) 628 33 11

Laboratorium M82

Studia Stacjonarne I stopnia

……………………………………..…………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………….............................................................

Imiona i Nazwiska

Nr grupy.......................…………………..zespół.............................

LABORATORIUM

nr. 1,2

Z PRZEDMIOTU

PODSTAWY EKSPLOATACJI I NIEZAWODNOŚCI MASZYN

Temat :

…………………………………………………………………………..

Badanie zużycia elementów maszyn z stykiem konforemnym w określonych warunkach eksploatacji (obciążenie, prędkość tarcia, temperatura, droga tarcia) dla wybranych materiałów eksploatacyjnych.

……………………………………………………………………………

laboratorium wykonano

................... ..........................

data podpis prowadz.

Sprawozdanie przyjęto

................... ..................

data ocena podpis prowadz.

1. Wprowadzenie

Tarcie jest jednym z najpowszechniejszych zjawisk w przyrodzie i technice. Jego oddziaływanie może wywoływać skutki zarówno pozytywne (np. wykorzystanie sprzężenia ciernego: w sprzęgłach, hamulcach itp.) jak i negatywne (opory ruchu ślizgania lub toczenia: w łożyskach, przekładniach zębatych, prowadnicach itd.).

Procesom tarcia zachodzącym w określonych układach tribomechanicznych towarzyszą straty energetyczne, oraz straty wywołane procesem zużycia. Szacuje się, że około 30 % światowej produkcji energii zużywa się na pokonanie oporów tarcia. Dlatego badania nad procesami tribologicznymi i wdrożenie ich wyników do praktycznego zastosowania znajduje mocne uzasadnienie energetyczno - ekonomiczne i ekologiczne.

1.1 Podstawowe teorie i prawa tarcia

Badaniu zjawisk zachodzących na powierzchni kontaktu dwóch trących się ciał dotyczy znaczna część prac tak teoretycznych, jak i eksperymentalnych. Głównym celem w realizowanych pracach jest poznanie i opis mechanizmów procesu tarcia, oraz ustalenie związków siły tarcia z parametrami badanego modelu mechanicznego.

Mimo długotrwałych badań nad zjawiskiem tarcia nie powstała ogólna teoria procesu tarcia suchego. Tarcie suche jest procesem złożonym, niejednorodnym, określonym przez zespół zjawisk zależnych od parametrów i warunków tarcia.

Wszystkie teorie zakładają potwierdzony eksperymentalnie fakt, że stykające się powierzchnie są nierówne i rzeczywisty kontakt występuje na części tych powierzchni. O wielkości siły tarcia decyduje rzeczywista a nie pozorna powierzchnia kontaktu określona wymiarami ciała, rys. 1.

0x01 graphic

Rys. 1 Schemat pozornej i rzeczywistej powierzchni kontaktu

We wczesnych teoriach zakładano, że tarcie jest efektem zaczepiania i przesuwania się względem siebie sztywnych nierówności obu powierzchni, a siła przesuwania się względem siebie sztywnych nierówności obu powierzchni, a siła tarcia wynika z pracy jaką należy wykonać aby przemieścić nierówności jednego ciała ponad nierównościami drugiego. Bowden i Tabor (1959) zaproponowali teorię, którą następnie rozwinięto, według której tarcie między metalowymi powierzchniami jest spowodowane powstaniem i ścinaniem złącz między nierównościami obu powierzchni oraz elastyczną deformację miękkiego ciała wywołaną przez nierówności ciała twardego. Złącza te powstają na skutek oddziaływania sił międzycząsteczkowych o krótkim zasięgu.

Powstał również szereg innych teorii. Na przykład Rabinowicz (1965) podkreśla rolę energii powierzchniowej w miejscu styku trących się elementów. Inni badacze uwzględniają pracę plastyczną, wykonaną w obszarze bliskim powierzchni kontaktu. Rubinstein (1956) opiera swoją teorię na teorii adhezji, w której proponuje prawo deformacji nierówności powierzchni.

Michałowski i Mróz (1978) w swojej pracy analizują mechanizmy działające na powierzchni kontaktu przy wykorzystaniu analogi do praw płynięcia w teorii plastyczności.

Równie intensywne badania dotyczyły uproszczonych modeli, w których siły tarcia traktowane są jako siły przeciwdziałające, zależnie od prędkości względnej, ruchowi dwóch ciał będących w kontakcie. Dotyczyły one dwóch ciał, traktowanych jako sztywne, najczęściej wykonanych z metali w układach, w których można prawidłowo zdefiniować prędkość względną 0x01 graphic
. Badania te prowadził już Leonardo da Vinci, Amontons, Columb, i Euler, a później kontynuowało je wielu badaczy. Prace te zaowocowały powstaniem tzw klasycznych praw tarcia, które przedstawiono za Moorem w układzie zmieszczonym na rys.2.

0x01 graphic

Rys. 2 Sztywne ciało na poziomej powierzchni - ilustracja działających sił

a) Siła tarcia 0x01 graphic
jest proporcjonalna do siły normalnej kontaktu:

0x01 graphic

Współczynnik proporcjonalności nazywa się współczynnikiem tarcia.

Rozważono dwa współczynniki tarcia:

b) Współczynnik tarcia jest niezależny od pozornej powierzchni kontaktu.

c) Statyczny współczynniki tarcia jest większy od kinematycznego.

d) Kinetyczny współczynnik tarcia jest niezależny od prędkości względnej poślizgu0x01 graphic
.

e) W czasie poślizgu siła tarcia ma ten sam kierunek co prędkość względna, lecz przeciwny zwrot.

W trakcie późniejszych badań pewne nieścisłości powyższych założeń. Kragielski (1960) podaje wzór na zależność współczynnika tarcia od prędkości, Piec (1982) przedstawia wyniki badań stanowiskowych, w których wykazał, że kinetyczny współczynnik tarcia jest równy statycznemu.

Spośród teorii tarcia suchego można wydzielić:

według Amontonsa

0x01 graphic
(1)

tarcie jest rezultatem wspinania się jednego ciała po nierównościach drugiego przy ich przesuwaniu względem siebie pod działaniem nacisku normalnego. Wzór Amontonsa przetrwał do tej pory i jest powszechnie używany w technicznych obliczeniach,

według Coulomba

0x01 graphic
(2)

teoria pokonywania nierówności powierzchni; opory tarcia zależą od nacisku 0x01 graphic
, zaś siła adhezji 0x01 graphic
nie zależy od wartości nacisku ani od jakości powierzchni styku i jest stała dla płaskich powierzchni,

według Bowdena

0x01 graphic
(3)

gdzie:

0x01 graphic
- pole powierzchni styku,

0x01 graphic
- wytrzymałość na ścinanie połączeń tarciowych,

0x01 graphic
- pole przekroju bruzdy wciskowej w procesie tarcia,

0x01 graphic
- średni jednostkowy opór wciskania materiału,

teoria tworzenia i niszczenia szczepień; opory tarcia są sumą oporów ścinania nierówności szczepionych i przepychania odkształconego materiału.

według Tomilsona

0x01 graphic
(4)

gdzie:

0x01 graphic
- energia zużywana na rozerwanie pary zetkniętych cząstek,

0x01 graphic
- liczba par zetkniętych cząstek,

0x01 graphic
- średnia wartość siły odpychania cząstek,

0x01 graphic
- odległość między środkami kulistych cząstek,

0x01 graphic
- droga jednostkowa przemieszczających się cząstek,

0x01 graphic
,

opory tarcia są oporami pokonywania przyciągania molekularnego,

według Dieriagina

0x01 graphic
(5)

gdzie:

0x01 graphic
,

0x01 graphic
- nacisk normalny równoważny siłom przyciągania molekularnego,

0x01 graphic
- średni jednostkowy opór przyciągania molekularnego,

0x01 graphic
- pole powierzchni rzeczywistego styku,

pokonywanie chropowatości molekularnej; nie uwzględnia właściwości materiału,

według Kragielskiego

0x01 graphic
(6)

gdzie:

0x01 graphic
- pole rzutu powierzchni styku,

0x01 graphic
- współczynnik zależny od adhezyjnych właściwości ciał trących,

0x01 graphic
- współczynnik zależny od mechanicznych właściwości ciał trących,

tarcie jest sumą oporów pokonywania szczepień, chropowatości i przyciągania molekularnego; 0x01 graphic
= f (ścinania), 0x01 graphic
= f (powiększania oporu na ścinanie od 0x01 graphic
).

2. Procesy zużyciowe

Proces zużycia jest nieuchronnym procesem towarzyszącym pracy węzłów tarcia. Rodzaj węzła tarcia, zastosowane materiały i sposób ich obróbki wpływają na intensywność niszczenia materiału warstwy wierzchniej i pierwotnej powierzchni tarcia.

Proces zmian w warstwie wierzchniej ciała stałego, charakteryzujący się ubytkiem masy lub trwałym odkształceniem powierzchni nazywany jest zużywaniem. Skutkiem procesu zużywania jest zużycie mierzone objętościowo, liniowo lub wagowo. Na rysunku 3 przestawiono ogólny podział procesów zużywania.

0x01 graphic

Rys. 3 Ogólna klasyfikacja procesów zużywania

2.1 Zagadnienie warstwy wierzchniej

Warstwa wierzchnia ciał stałych różniąca się budową i własnościami od materiału w całej objętości ciała stałego, jest bezpośrednim uczestnikiem procesów tribologicznych. Tworzy się ona i modyfikuje pod wpływem oddziaływań zewnętrznych podczas przeróbki i obróbki materiału oraz w procesie tarcia. Podstawowe pojęcia dotyczące warstwy wierzchniej zawiera norma PN-87/M-04250. Na rysunku 4 a pokazano schematyczny przekrój przez warstwę wierzchnią metali. Natomiast na rys. 4 b zilustrowano schematycznie budowę warstwy wierzchniej.

0x01 graphic

Rys. 4 a Schemat przekroju przez warstwę wierzchnią metalu

0x01 graphic

Rys. 4 b Schemat budowy warstwy wierzchniej

Od zewnątrz warstwa ograniczona jest rzeczywistą powierzchnią ciała stałego, natomiast pomiędzy poszczególnymi jej strefami nie ma na ogół tak wyraźnych granic, jak zaznaczono na rys. 4a; strefy przechodzą płynnie jedna w drugą. Ponadto zależnie od: rodzaju materiału, obciążeń styku, prędkości tarcia, temperatury styku oraz środowiska w jakim styk zachodzi rozmiary poszczególnych stref mogą być różne.

Zewnętrzna, powierzchniowa warstewka tworzy się wskutek procesów sorpcyjnych: adsorpcji fizycznej i adsorpcji chemicznej (chemisorpcji). W literaturze technicznej istnieją dwa poglądy na temat przebiegu chemisorpcji. Pierwszy zakłada, że chemisorpcja poprzedzana jest adsorpcją. Według drugiego adsorpcja i chemisorpcja zachodzą jednocześnie. Chemisorpcja jest to proces polegający na tworzeniu się wiązań chemicznych. Proces chmisorpcji tłumaczy się wg. Teorii katalizy na metalach. Na przykład chmisorpcja gazów dwuatomowych może zachodzić z dysocjacją wg równania (7):

0x01 graphic
(7)

gdzie:

0x01 graphic
- atom metalu,

0x01 graphic
- atom wodoru.

lub też na jonach tlenu z powstaniem wodorotlenku i zmianą wartości kationu metalu

0x01 graphic
(8)

Wg. Kosteckiego na powierzchniach metali, wskutek oddziaływań mechanicznych i cieplnych zachodzą procesy chemiczne, w których wyniku tworzą się na nich tzw. struktury wtórne. Struktury te maja istotne znaczenie dla przebiegu tarcia i zużywania. Ich rozmiary i rozkład, budowa wewnętrzna oraz składy: chemiczny i fazowy mogą być różne, zależnie od rodzaju metalu, materiału współpracującego, środka smarnego, oraz warunków ruchu. Można je jednak zgrupować w dwa podstawowe rodzaje:

Adsorpcja fizyczna jest procesem, który polega na powierzchniowym wiązaniu cząstek płynu (adsorbatu) przez cząstki ciała stałego (adsorbentu) siłami międzycząsteczkowymi Van der Waalsa.

Adsorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym natomiast chemisorpcja jest nieodwracalna.

Absorpcja jest procesem, który polega na pochłanianiu cząstek jednej fazy przez drugą - przenikanie cząstek przez powierzchnię rozdziału faz rys. 5.

0x01 graphic

Rys. 5 Procesy sorpcji

W głębi warstwy wierzchniej rozciągają się w kierunku materiału: warstewka bezpostaciowa (amorficzna warstewka Beilby'ego) powstająca wskutek zniszczenia krystalitów podczas obróbki, a także w procesach tarcia i zużywania, warstewka plastycznie odkształconych warstw metalu oraz strefa odkształceń sprężystych. Odkształcenia plastyczne są odkształceniami trwałymi, nie znikającymi po usunięciu sił zewnętrznych, które je wywołują. Odkształcenia plastyczne materiału charakteryzują się nie tylko zgniotem wskutek działania siły normalnej ale także ukierunkowaniem ziaren, wywołanej działaniem siły stycznej (tarcia). Z tą niejednorodnością budowy warstwy wierzchniej wiąż się jej stan napięcia: wskutek nierównomiernego odkształcenia poszczególnych stref tej warstwy i wynikającego stąd wzajemnego ich oddziaływania powstają w niej naprężenia własne. Naprężenia takie mogą być spowodowane także zmianami strukturalnymi zachodzącymi pod wpływem ciepła. Stan naprężenia warstwy wierzchniej jest czynnikiem jej umocnienia co ma istotne znaczenie dla przebiegu procesów tribologicznych. Na rysunku 6 pokazano schematycznie rozkład twardości w warstwie wierzchniej metali stanowiącej pewna miarę jej umocnienia.

0x01 graphic

Rys. 6 Schemat rozkładu twardości w warstwie wierzchniej metali

W skutek odkształceń warstwy wierzchniej i wzajemnego oddziaływania na siebie poszczególnych jej stref zmieniają się również własności wytrzymałościowe w tej warstwie: do pewnej odległości od powierzchni ciała własności te rosną po osiągnięciu zaś maksimum zmniejszają się aby w rdzeniu osiągnąć wartości odpowiadające własnościom materiału w całej jego objętości.

W wyniku wzajemnych oddziaływań powierzchni dwóch ciał w styku podczas tarcia suchego, zbliżonych do siebie na zasięg sił Van der Waalsa, może nastąpić adhezja tych powierzchni, ich sczepianie lub zrastanie tarciowe.

Adhezję (czyli przyleganie) powierzchni powodują:

Wartość przyciągania adhezyjnego zależy od budowy trących się ciał chropowatości powierzchni oraz rodzaju i grubości błonek powierzchniowych. Największą adhezję wykazują czyste metale, mniejszą - stopy jednofazowe, a najmniejsza stopy wielofazowe. Adhezja w czystej postaci występuje w stykach ciał metalowych jedynie w łagodnych warunkach tarcia, gdy procesowi temu towarzyszą tylko sprężyste odkształcenia materiału. Na rysunku 7 przedstawiono poglądowy schemat kolejnych etapów rozwoju zjawisk kontaktowych podczas tarcia.

0x01 graphic

Rys. 7 Schemat kolejnych etapów rozwoju zjawisk kontaktowych podczas tarcia:

1 - etap odkształceń sprężystych i plastycznych,

2 - etap rozwoju adhezji,

3 - etap ścinania materiału i odprężeń sprężystych.

Sczepieniem nazywamy proces trwałego bezdyfuzyjnego połączenia mikroobszarów trących się ciał. Wywołane ono jest tworzeniem się wiązań chemicznych na pierwotnej granicy rozdziału tych mikroobszarów. W wypadku metali sczepianie następuje wskutek wiązania metalicznego. Do wystąpienia sczepienia konieczne jest zbliżenie czystych powierzchni metalicznych na odległość sił międzyatomowych oraz pokonania bariery fizycznej wiązania metalicznego. Spełnieniu tych warunków sprzyja energia odkształcenia plastycznego warstwy wierzchniej. Sczepienie zachodzi w temperaturze niższej od temperatury wyraźnej dyfuzji pomiędzy stykającymi się ciałami, nie zależy od czasu.

Jeśli poprzez pierwotną granicę rozdziału powierzchni ciał metalicznych nastąpi dyfuzja to zachodzi zjawisko zrastania tarciowego. Zależy ono od czasu i temperatury warstwy wierzchniej. Zrost charakteryzuje się odmiennością budowy i stanu obu trących się metali. Ścięcie zrostu może nastąpić na granicy pierwotnego podziału, albo (częściej) w głębi metalu słabszego. Ten rozdział połączenia tarciowego może spowodować znacznie głębsze ubytki warstwy wierzchniej niż sczepianie.

Na rysunku 8 pokazano schematycznie opisane połączenia tarciowe oraz ich skutki.

0x01 graphic

Rys. 8 Schematy połączeń tarciowych i ich skutków:

I - połączenie adhezyjne,

II - sczepienie,

III - zrost tarciowy

  1. nawiązanie styku,

  2. rozdzielenie styku.

Z powyższego wynika, iż pożądane są następujące cech warstwy wierzchniej:

2.2 Miary zużycia

Zużycie mierzy się miarami bezwzględnymi, albo względnymi. Bezwzględną miarą zużycia 0x01 graphic
może być:

Ze względu na konieczność podania warunków procesu, głównie drogi lub czasu jego przebiegu częściej od miar bezwzględnych używa się miar względnych, odniesionych do jakiegoś parametru.

Do scharakteryzowania procesu zużywania stosuje się pojęcie intensywności zużywania 0x01 graphic
(inaczej - szybkości zużywania), tj. odniesienie ubytku objętościowego, masowego lub liniowego do jednostki czasu, drogi tarcia, pracy tarcia itp.

Odwrotność zużycia 0x01 graphic
lub odwrotność intensywności zużywania 0x01 graphic
nazywane jest odpornością na zużywanie.

Do celów porównawczych stosuje się czasem pojęcia zużycia względnego. Jest to wielkość bezwymiarowa, określoną stosunkiem zużycia danego materiału do zużycia materiału wzorcowego w danych warunkach. W tabeli 1 zestawiono miary zużycia i ich opisy.

2.3 Krzywe zużycia

Proces zużywania może zasadniczo przebiegać w dwojaki sposób:

W praktyce przebieg zużycia w czasie rejestruje się w postaci krzywych zużycia. Rozróżnia się trzy odmienne typy krzywych zużycia rys. 9. W wypadku zużywania się ustabilizowanego wyróżnia się trzy okresy:

I - docieranie (zmienna, malejąca intensywność zużywania),

II - właściwa eksploatacja (stała intensywność zużywania),

III - przyspieszone zużycie (gwałtownie rosnąca intensywność zużywania).

W pierwszym okresie (docieranie) przebieg krzywej Lorentza można określić równaniem:

0x01 graphic
, (9)

w drugim okresie (właściwej eksploatacji)

0x01 graphic
, (10)

w trzecim okresie (przyspieszonego zużycia) równaniem

0x01 graphic
(11)

gdzie:

0x01 graphic
- zużycie, 0x01 graphic
- czas jako zmienna niezależna, 0x01 graphic
- stałe wyznaczane dla konkretnego przypadku.

Tabela 1 Miary zużycia

0x01 graphic

0x01 graphic

Rys. 9 Przebiegi procesów zużywania

Intensywność zużywania w poszczególnych okresach odpowiednio maleje, pozostaje stała i wzrasta.

Drugi typ krzywej dotyczy przypadku, w którym zużycie jest wprost proporcjonalne do czasu

0x01 graphic
(12)

i dotyczy głównie zużycia ściernego. Takiemu zużyciu mogą ulegać np. klocki hamulcowe pojazdów szynowych w określonych warunkach pracy i w pewnym ograniczonym przedziale czasu.

Trzeci typ krzywej dotyczy przypadku, w którym intensywność zużycia gwałtownie rośnie, a czas pracy obiektu jest stosunkowo krótki

0x01 graphic
(13)

2.3 Rozpraszanie energii przy tarciu - fonoemisja

Straty energii mechanicznej są zjawiskiem charakterystycznym dla procesu tarcia. Energia ta ulega przemianie bądź jest rozpraszana. Procesy strat energetycznych przy tarciu można podzielić na trzy fazy:

  1. Wykonanie pracy w strefie styku (formowanie rzeczywistej powierzchni styku)

  2. Przemiany energii w pracę

  • Rozpraszanie energii

  • a) kumulacja