Badanie procesu tarcia w łożyskowaniach ślizgowych

Transkrypt

1 POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu: EKSPLOATACJA MASZYN Badanie procesu tarcia w łożyskowaniach ślizgowych Numer ćwiczenia: L4 Kod: Białystok 2011

2 1. CEL I ZAKRES ĆWICZEŃ Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesami tarcia i zużycia wybranych par ciernych stosowanych na łożyska ślizgowe. Zakres ćwiczenia obejmuje: omówienie budowy, zasady działania i przeznaczenia tribotestera T - 11, określenie parametrów tribologicznych niezbędnych do przeprowadzenia biegów badawczych, wykonanie biegów badawczych dla dwóch par ciernych, wyznaczenie podstawowych charakterystyk tribologicznych par ciernych w zadanym środowisku, np. powietrza, określenie zużycia masowego próbek. 2. WPROWADZENIE 2.1. Tarcie i zużycie tribologiczne Tarcie jest definiowane jako zjawisko powstawania siły hamującej ruch przemieszczających się względem siebie dwóch ciał stałych stykających się wzdłuż pewnej powierzchni. Siła hamująca, zwana inaczej siłą tarcia w przypadku, gdy występuje ruch ciała, jest skierowana przeciwnie do kierunku ruchu tego ciała, a jej wartość jest wprost proporcjonalna do wartości siły nacisku i zależy przede wszystkim od rodzaju trących się powierzchni (materiał zastosowany na elementy, chropowatość warstwy wierzchniej) a także od stanu ruchu (rozróżnia się tarcie ślizgowe i tarcie toczne oraz tarcie statyczne i dynamiczne), a także od warunków zewnętrznych (np. od temperatury otoczenia, środowiska pracy) [1]. Na rys. 1. przedstawiono ogólną klasyfikację tarcia wykorzystywaną w fizyce. Rys. 1. Podstawowy podział tarcia w fizyce Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 2

3 Podział stosowany w technice, uwzględniający występowanie środków smarowych (rys. 2) można przedstawić jako: a) tarcie suche - między współpracującymi powierzchniami dwóch elementów nie ma żadnych ciał obcych, np. środka smarnego, występuje wydzielanie się dużej ilości ciepła, spadek wytrzymałości oraz wzrost zużywania się części (rys. 2a); b) tarcie graniczne - powierzchnie trące są pokryte środkiem smarowym zawierającym substancje powierzchniowo czynne, które tworzą na powierzchniach elementów warstwy graniczne odporne na duże naciski i trwale z nimi połączone (rys. 2c); c) tarcie mieszane - zjawisko występowania różnych rodzajów tarcia w strefie styku elementów trących z wyodrębnionymi mikroobszarami styku, wypadkowa różnych rodzajów tarcia (rys. 2b); d) tarcie płynne - powierzchnie tarcia są rozdzielone warstwą środka smarnego w postaci smaru stałego, cieczy lub gazu, tarcie zewnętrzne jest zamieniane na tarcie wewnętrzne czynnika smarnego, siła tarcia płynnego zależy wyłącznie od właściwości środka smarnego, a nie od właściwości powierzchni współpracujących (rys. 2d). a) tarcie suche b) tarcie graniczne c) tarcie mieszane d) tarcie płynne Rys. 2. Poglądowy sposób przedstawienia klasyfikacji tarcia ślizgowego wykorzystywanej w technice 2.2. Tarcie ślizgowe Tarcie wyraża się wzorem: T µ P [N], Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 3

4 gdzie: T siła tarcia ślizgowego [N], P obciążenie normalne [N], µ - współczynnik tarcia ślizgowego. Jeśli ma nastąpić ruch, siła przyłożona do ciała musi być większa lub równa oporowi tarcia (sile tarcia). Współczynnik tarcia µ zależy m.in. od: zadanego obciążenia, prędkości ślizgania, rodzaju ruchu, własności stykających się powierzchni (głównie od chropowatości powierzchni), materiałów części współpracujących, środowiska pracy danej pary ciernej (tarcie w powietrzu, wodzie, oleju). 3. PODSTAWY TEORETYCZNE 3.1. Łożyska w budowie maszyn Aby umożliwić ruch obrotowy elementów maszyn konieczne jest utrzymanie stałego położenia osi obrotu. Utrzymanie stałego położenia osi obrotu zapewniają elementy zwane łożyskami. Elementy wirujące osadzone są na wałach lub osiach, a te z kolei osadzone są w łożyskach. Obciążeniem łożyska są więc siły, które oddziaływają na dane łożysko i mogą mieć składowe w kierunku osi wału i w kierunku poprzecznym [1]. Ze względu na rodzaj występującego obciążenia możemy wyróżnić łożyska: poprzeczne do przenoszenia przede wszystkim obciążeń poprzecznych; wzdłużne (osiowe) do przenoszenia przede wszystkim obciążeń osiowych; poprzeczno wzdłużne do przenoszenia zarówno obciążeń poprzecznych jak i osiowych. Funkcje przeniesienia obciążeń zarówno poprzecznych jak i osiowych mogą być rozdzielone na kilka łożysk (poprzecznych i wzdłużnych). Mogą też być stosowane łożyska, które jednocześnie przenoszą oba obciążenia: poprzeczne i wzdłużne. Gdy ruch czopa i łożyska jest realizowany w ten sposób, że powierzchnia czopa ślizga się sie po powierzchni obejmującej go, wówczas mamy do czynienia z łożyskami ślizgowymi. Element ten wówczas nazywamy panwią lub panewką [1]. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie łożysk tocznych, gdzie ruch jest realizowany za pośrednictwem elementów toczących się po Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 4

5 powierzchni zewnętrznej i powierzchni wewnętrznej odpowiedniego elementu łożyska Charakterystyka łożysk ślizgowych Łożyska ślizgowe działają na zasadzie współpracy powierzchni roboczych panewki i czopa wału oraz ich wzajemnego poślizgu (tarcie ślizgowe). Z reguły w łożyskach ślizgowych stosuje się środki smarujące, jednak występują nierzadkie rozwiązania łożysk na bazie tarcia suchego (tzw. łożyska samoobsługowe, samosmarne). W takim jednak przypadku przodującą rolę odgrywają właściwości materiałów, z których wykonane są powierzchnie współpracujące (powierzchnie cierne). Gdy występuje zjawisko niedoboru smaru, a w skrajnym przypadku wręcz jego brak, należy liczyć się z wystąpieniem [2]: znacznego wzrostu temperatury łożyska, szybszego tempa zużycia powierzchni ślizgowych, wykruszania się powierzchni i ich plastycznego odkształcenia, dla pary ciernej metal - metal: - zatarcia w wyniku zespolenia powierzchni; - wytopienia się fragmentów materiału. Zaletami łożysk ślizgowych są [3]: trwałość łożysk pracujących w stabilnych warunkach tarcia płynnego jest praktycznie nieograniczona, w warunkach tarcia płynnego uzyskuje się bardzo małą wartość współczynnika tarcia µ (możliwe jest uzyskanie wartości współczynnika tarcia µ < 0,005), możliwość przenoszenia wysokich obciążeń przy bardzo dużych prędkościach obrotowych łożyskowanych wałów, tłumienie drgań. Do wad łożysk ślizgowych należy zaliczyć [3]: konieczność stosowania środków smarowych wysokiej jakości z dodatkami antyzużyciowymi AW (Anti - Wear) oraz przeciwzatarciowymi EP (Extreme Pressure) i zachowanie wysokiej czystości podczas eksploatacji, konieczność zapewnienia wysokiej gładkości powierzchni oraz odpowiednio technologicznie ukształtowanych warstw wierzchnich czopa i panwi. Odmian konstrukcyjnych łożysk ślizgowych jest mniej niż łożysk tocznych. Jednak oba rodzaje łożysk uzupełniają sie nawzajem i mają jednocześnie określone zastosowania. Przykłady zastosowania łożysk ślizgowych: mechanizmy zegarków ręcznych (bardzo małe rozmiary i obciążenia, małe prędkości poślizgu), w mechanizmach przemysły lekkiego, urządzenia medyczne, dentystyczne, Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 5

6 węzły konstrukcyjne w stalowych dźwigarach i napinaczach, np. dachów namiotów, wózki widłowe, cylindry hydrauliczne, maszyny budowlane, urządzenia automatyki przemysłowej, np. pakowarki spożywcze, przenośniki do gazet w drukarni, roboty przemysłowe, przemysł samochodowy (m.in. tuleje poliamidowe: fotele, pedały, układ kierowniczy, hamulce, drzwi), rolniczy, lotniczy, itp Materiały na łożyska ślizgowe Istotną sprawą w procesie projektowania elementów jest właściwy dobór materiałów współpracujących ze sobą w procesie ślizgania się powierzchni czopa i panewki. Czopy w łożyskach ślizgowych są zazwyczaj stalowe, natomiast materiały stosowane na panewki są różnorodne. Materiały, z których wykonywane są łożyska ślizgowe muszą sprostać wielu wymaganiom, ponieważ podczas pracy łożyska następuje nieuchronne ich zużywanie się. Ogólnym założeniem jest, aby z dwóch stykających sie elementów zużywał sie tylko jeden, łatwiejszy do naprawy lub wymiany. Elementem łatwym do wymiany jest w łożysku panewka, dlatego też materiał powierzchni panewki jest z reguły mniej odporny na zużycie od czopa. Powinien być poza tym bardziej odkształcalny, tak, aby poddawał się pod działaniem twardszych zanieczyszczeń i umożliwiał ich wypłukanie przez środek smarny. W fazie docierania materiał panewki powinien sie ścierać w sposób umożliwiający dopasowanie sie powierzchni czopa i panewki. Oczywiście z drugiej strony, zużycie materiału nie powinno następować zbyt szybko. Materiał panewki powinien cechować się właściwościami przeciwzatarciowymi w warunkach, gdy zawiedzie smarowanie. Powinien kosztem uplastycznienia, a nawet częściowego topienia umożliwić krótkotrwałą pracę bez zniszczenia [1, 2]. Liczba stosowanych materiałów łożyskowych jest bardzo duża. W budowie maszyn najczęściej stosowane są brązy i stopy łożyskowe. Na łożyska ślizgowe stosuje sie różne rodzaje mas plastycznych, a wiec żywice fenolowe, poliamidy, teflon i inne tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne. Masy plastyczne używa sie do łożysk niezbyt obciążonych i przy niedużych prędkościach ślizgania. Łożyska na bazie tworzyw sztucznych wykazują wiele zalet m.in. [5]: nie występuje zjawisko zatarcia (nie następuje szczepienie między elementem metalowym a polimerowym), mają dobre właściwości ślizgowe (niski współczynnik tarcia), wysoka odporność chemiczna, niewrażliwość na korozję, łatwość formowania gotowych panewek, łatwość modyfikacji materiałów. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 6

7 Podstawową wadą stosowania materiałów polimerowych na panewki łożysk ślizgowych jest słabe przewodnictwo cieplne, co powoduje szybkie nagrzewanie się elementów łożyska oraz duża chłonność cieczy, co powoduje ich pęcznienie. Stosowane są także nasycone fenolem łożyska porowate [3]. 4. METODYKA BADAŃ 4.1. Opis stanowiska Ćwiczenie jest prowadzone przy wykorzystaniu tribotestera T-11 (rys. 3, rys. 4) do badań tarcia ślizgowego i zużycia par ciernych w układzie trzpień - tarcza (rys. 5). Rys. 3. Schemat kinematyczny testera T-11 [4]: 1 - korpus, 2 - silnik, 3 - przekładnia pasowa zębata, 4 - czujnik impulsów, 5 - tuleja wrzeciona, 6 - wrzeciono, 7 - płyta przesuwna, 8 - obciążniki wyważające, 9 - przeciwwaga, 10 - wałek, 11 - dźwignia, 12 -wspornik, 13 - obciążniki, 14 - próbka, 15 - przeciwpróbka, 16 - nakrętka, 17 - tarcza oporowa,18 - wspornik czujnika, 19 - czujnik tensometryczny, 20 - popychacz, 21 - tarczka pomiarowa, 22 - mechanizm przesuwu, 23 - opór regulowany, 24 - komora grzejna, 25 - element grzejny, 26 - tuleja izolacyjna Przeciwpróbka (tarcza) wykonana z metalu obraca się wokół własnej osi z pewną prędkością obrotową n, próbka zaś wykonana z wybranego polimeru (bądź kompozytu polimerowego) dociśnięta jest z góry określoną siłą P. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 7

8 Rys. 4. Tester T-11 zespół dźwigni, komory grzejnej i mocowania próbek [4]: 1 - wrzeciono, 2 - tarcza oporowa, 3 - nakrętka, 4 - tulejka, 5,6-tulejka zaciskowa kulki, 7 - wspornik, 8 - szalka, 9 - tulejka regulacyjna, 10 - wałek, 11 - jarzmo, 12 - oś dźwigni, 13 - obciążnik, 14 - przeciwwaga,15 - obciążnik regulacyjny, 16 - śruba dwustronna, 17 - sworzeń, 18 - dźwignia, 19 - podpora dźwigni, 20 - płyta przesuwna, 21 - płaszcz wewnętrzny komory grzejnej, 22 - osłona, 23 - wykładzina izolacyjna, 24 - pierścień izolacyjny, 25 - płaszcz zewnętrzny komory grzejnej, 26 - tarcza izolacyjna, 27 - tuleja izolacyjna, 28 - zabierak, 29 - łożysko, 30 - kulka, 31 - pokrywa szklana, 32 - pokrywa, 33 - tuleja rozprężna, 34 - grzejnik, 35 - śruba, 36 - pokrętło, 37 - wspornik, 38 - tuleja łożyskowa, 39 - przyłączka, 40 - dysza, 41, 42 - nakrętka Schemat pracy pary ciernej przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Schemat pary ciernej Do pomiaru zużycia wagowego próbek zostanie wykorzystana waga laboratoryjna WAS 160/C/2. Materiały, z których wykonano trzpień i tarczę zostaną podane przez prowadzącego Przebieg ćwiczenia a) ustalić wartości stałych parametrów badań (obciążenie, promień tarcia R T, czas biegu badawczego t), Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 8

9 b) zważyć, a następnie zamontować próbkę oraz przeciwpróbkę w uchwytach testera, ustawić promień tarcia, wypoziomować dźwignię, c) ustawić czujniki niezbędne do odczytu wartości siły tarcia oraz zużycia liniowego próbki, d) uruchomić program, wyzerować (Tare) wartości kanałów pomiarowych (rys. 6), e) zdefiniować założone parametry biegu badawczego w oknie programu (rys. 7), f) uruchomić urządzenie, g) po zakończeniu pracy zdemontować i zważyć próbkę, h) wyniki pomiarów zamieścić w protokole pomiarów, i) powtórzyć bieg badawczy dla założonych wartości obciążeń/prędkości. Rys. 6. Okno testowania kanałów pomiarowych [4] Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 9

10 Rys. 7. Okno konfiguracji procesu pomiarowego [4] 4.3. Prezentacja i analiza wyników badań I. Dobór warunków przeprowadzenia próby badawczej Przy założonej prędkości poślizgu i promieniu tarcia prędkość obrotowa przeciwpróbki wynosi: n 30 V R T p [obr/min]; gdzie: V p prędkość poślizgu, [m/s], R T promień tarcia [m]. Nacisk jednostkowy w styku pary ciernej wynosi: 4 P p, [N/m 2 ]; 2 d gdzie: P siła obciążająca próbkę, [N], d średnica próbki, [m]. Całkowita intensywność zużycia próbki wynosi: M1 M, [mg/m 3 ]; S F I m 2 gdzie: M 1, M 2 masa próbki przed i po biegu badawczym [mg], F powierzchnia przekroju próbki [m 2 ], S droga tarcia [m]: S RT t n, [m]; gdzie: t czas biegu badawczego, [min]. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 10

11 II. Przykładowe przebiegi siły tarcia, zużycia liniowego oraz temperatury mierzonej w pobliżu styku ciernego, w funkcji czasu. 5. OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ a) dokonać niezbędnych obliczeń wg wzorów zamieszczonych w rozdz. 4.3, b) wypełnić protokół pomiarowy, c) sporządzić wykresy zależności siły tarcia F = f(ν), zużycia liniowego z = f(ν) oraz temperatury mierzonej T = f(ν) w pobliżu styku ciernego, w funkcji prędkości ślizgania badanych par ciernych. 6. SPRAWOZDANIE Sprawozdanie winno zawierać: stronę tytułową, cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, niezbędne obliczenia (rozdz. 4) i wykresy (wymienione w rozdz. 4 i w rozdz. 5 niniejszej instrukcji), wydruki z programu przeprowadzonego biegu badawczego, wypełniony całkowicie protokół pomiarowy, wnioski z uzyskanych wyników badań doświadczalnych. 7. LITERATURA 1. Z. Osiński (red.) Podstawy konstrukcji maszyn. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa A. Kubalski (red.) Poradnik konstruktora maszyn i urządzeń, Wydawnictwo Verlag Dashofer, Warszawa A. Neyman Wykład z podstaw konstrukcji maszyn z ćwiczeniami rachunkowymi: łożyska ślizgowe. 4. Dokumentacja techniczna, instrukcja obsługi tribotestera T Z. Lawrowski Bezobsługowe łożyska ślizgowe. Politechnika Warszawska, Warszawa PROTOKÓŁ POMIAROWY Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 11

12 Białystok, dn WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn PROTOKÓŁ POMIAROWY Ćwiczenie nr: Badanie procesu tarcia ślizgowego Nr. biegu badawczego 1 2 Materiał próbki Średnica próbki d [m] Materiał przeciwpróbki Promień tarcia R T [m] Czas biegu badawczego t [min] Prędkość obrotowa przeciwpróbki n [obr/min] Prędkość poślizgu [m/s] Obciążenie P [N] Nacisk jednostkowy p [N/m 2 ] Masa próbki przed biegiem badawczym M 1 [mg] Masa próbki po biegu badawczym M 2 [mg] Masa przeciwpróbki przed biegiem badawczym [g] Masa przeciwpróbki po biegu badawczym [g] Intensywność zużycia próbki I m [mg] Rodzaj środowiska.. data wykonania ćwiczenia.. podpis prowadzącego Instrukcja do zajęć laboratoryjnych 12