WPŁYW NACISKÓW POWIERZCHNIOWYCH I PRĘDKOŚCI POŚLIZGU NA REDUKCJĘ SIŁY TARCIA PRZY DRGANIACH NORMALNYCH

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 07 nr 64, ISSN X WPŁYW NACISKÓW POWIERZCHNIOWYCH I PRĘDKOŚCI POŚLIZGU NA REDUKCJĘ SIŁY TARCIA PRZY DRGANIACH NORMALNYCH Marta Abrahamowic a, Marius Leus b Katedra Mechaniki i PKM, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologicny w Scecinie a marta.abrahamowic@ut.edu.pl, b marius.leus@ut.edu.pl Strescenie W pracy predstawiono wyniki badań doświadcalnych wpływu drgań normalnych do powierchni pośligu na poiom redukcji siły tarcia w ruchu śligowym. Badania preprowadono na oryginalnym stanowisku badawcym. Wykaano, że poiom redukcji w istotny sposób ależy arówno od parametrów drgań, jak i parametrów pośligu, a także od parametrów geometrycnych stykających się powierchni pary ciernej. Wrost prędkości presuwu obniża poiom redukcji siły tarcia. Wpływ nacisków powierchniowych jest dwukierunkowy i wyraźnie ależny od chropowatości stykających się powierchni. Słowa klucowe: redukcja siły tarcia, drgania normalne, ruch śligowy THE INLUENCE O CONTACT SURACE NORMAL PRESSURES AND SLIDING VELOCITY ON RICTION ORCE REDUCTION AT NORMAL VIBRATIONS Summary The paper presents the results of experimental research of the influence of normal vibrations to the plane of motion on reduction of friction force in sliding motion. Experimental tests were carried out on an orginal research stand. It has been demonstrated that level of friction force reduction, in significant way, depends on parameters of normal vibrations, siliding motion and surfaces geometry. The increase of sliding velocity decreases the reduction efect. The impact of the normal pressure at the contact surface is bidirectional and clearly depends on roughness of surfaces. Keywords: friction force reduction, normal vibrations, sliding motion. WSTĘP Zjawisko redukcji siły tarcia pod wpływem drgań wymusonych o dużej cęstotliwości może w układach recywistych spełniać rolę arówno poytywną, jak i negatywną. Wsędie tam, gdie potrebna jest minimaliacja oporów tarcia, wprowadenie w obsar styku drgań o odpowiedniej cęstotliwości i amplitudie może być abiegiem pożądanym, gdyż powinno prowadić do mniejsenia siły tarcia, natomiast tam, gdie wymagane są duże opory tarcia siła tarcia powinna być duża i utrymywana na stałym poiomie, drgania w obsare styku spełniają rolę negatywną, a cęsto wręc niebepiecną i w krańcowych sytuacjach mogą prowadić do poważnych uskodeń cy też awarii urądeń popre np. luowanie acisków w połąceniach aciskowych. Istotnym cynnikiem mającym wpływ na redukcję siły tarcia pry drganiach wymusonych w obsare styku presuwanego ciała jest kierunek drgań, gdyż inny jest mechanim redukcji pry drganiach normalnych do płascyny styku [,, 5, 6, 8, 9], a inny pry drganiach stycnych [3, 4, 7]. Również w obrębie drgań stycnych występują dwa różne mechanimy redukcji siły tarcia. Inny pry drganiach wdłużnych, a inny pry drganiach poprecnych [4]. Nie ma też jednonacnej oceny, które drgania są bardiej efektywne w redukcji 5

2 WPŁYW NACISKÓW POWIERZCHNIOWYCH I PRĘDKOŚCI POŚLIZGU (...) siły tarcia normalne, cy też stycne. Scególnie uboga jest literatura dotycąca drgań normalnych. Dlatego też autory pracy a jej cel postawili choćby cęściowe wypełnienie tej luki popre doświadcalne badanie wpływu takich cynników, jak amplituda drgań ora prędkość pośligu i naciski powierchniowe na poiom redukcji siły tarcia w ruchu śligowym pry drganiach normalnych. Badania preprowadono dla styków płaskich o cterech różnych chropowatościach powierchni par tworących styk. Badano styki suche, slifowane i freowane.. STANOWISKO BADAWCZE, METODYKA BADAŃ I UZYSKANE WYNIKI Badania doświadcalne preprowadono na oryginalnym, własnym, stanowisku badawcym opisanym scegółowo w pracach [5, 6]. Jego skic ideowy predstawiono na rys.. B W S w S A n vn G x Rys.. Skic ideowy cęści mechanicnej stanowiska badawcego Parę cierną twory presuwana próbka A i nieruchome podłoże B. Próbka A wprawiana jest w ruch śligowy wdłuż osi x a pomocą układu napędu. Siła napędu n równoważna średniej sile tarcia T mierona jest w sposób ciągły a pomocą siłomiera pierścieniowego S. Naciski powierchniowe adawane są siłą ciężkości G presuwanej próbki opryrądowaniem i ewnętrną siłą popre cięgno acepione w środku presuwanej próbki. Drgania normalne wprowadane są a pomocą specjalnego wbudnika bewładnościowego W amocowanego na górnej powierchni presuwanej próbki. Wbudnik ten wprowada presuwaną próbkę w ruch drgający w kierunku normalnym do powierchni presuwu, mienną siłą wymusającą w opisaną ależnością: = () Siła ta jest mierona w sposób ciągły a pomocą siłomiera S umiesconego międy presuwaną próbką a wbudnikiem. Masa presuwanej próbki wra amocowanym na niej opryrądowaniem wynosiła m0 =.0 kg. Cęstotliwość drgań własnych presuwanego układu wynosiła f0 = 3600 H. Badania preprowadono w akresie cęstotliwości podreonansowych (f = 000 H). W etapie pierwsym badano wpływ amplitudy siły wymusającej drgania na poiom redukcji siły tarcia pry różnych naciskach powierchniowych. Badania te preprowadono w trech seriach. W każdej nich pryjęta była inna wartość parametru κ (tw. normaliowanej amplitudy siły wymusającej drgania) określającego stosunek amplitudy 0w do średniej siły nacisku N presuwanej próbki na powierchnię styku: gdie: = () =+ (3) W badaniach pryjęto: κ = 0.5, κ = 0.6, κ3 = W kolejnych próbach danej serii więksano siłę ewnętrną. Odpowiadał temu wrost siły nacisku N i wrost nacisków powierchniowych pn = N/S, gdie S pole powierchni styku presuwanej próbki podłożem. Pole to wynosiło 00 mm. Pry każdym więkseniu siły podwyżsano odpowiednio amplitudę 0w siły wymusającej drgania tak, aby achować pryjętą, ustaloną dla każdej serii, wartość parametru κ. Badania preprowadono na trech parach śligowych o jednakowej chropowatości powierchni próbki górnej (presuwanej) i różnej chropowatości powierchni próbki dolnej (podłoża). Obydwie próbki wykonano e stali konstrukcyjnej w stanie dostawy C45 [0] Za miarę chropowatości pryjęto wartość parametru Ra. Dla próbki górnej wynosiła ona Ra =.08 µm. W prypadku próbek dolnych wartość parametru Ra wynosiła: 0.38,.4 i 6.0 µm, pry cym dwie pierwse próbki były slifowane, natomiast próbka trecia freowana. Badania preprowadono pry stałej prędkości napędu równej vn = 0. mm/s. Do oceny poiomu redukcji siły tarcia pryjęto wartość tw. współcynnika redukcji, definiowanego następująco: = (4) gdie: n-d siła napędu pry ruchu realiowanym w obecności drgań, n-0 siła napędu pry ruchu realiowanym be drgań. Wartość = onaca brak redukcji siły tarcia, wartości < onacają wystąpienie redukcji. Im mniejsa jest wartość tego współcynnika tym więksy jest poiom redukcji siły tarcia spowodowany wprowadonymi drganiami. Uyskane wyniki predstawiono na rys. w postaci wykresów biorcych ależności współcynnika redukcji od nacisków powierchniowych pn pry drganiach normalnych, pry różnych normaliowanych amplitudach drgań κ dla badanych par ciernych. 6

3 Marta Abrahamowic, Marius Leus a) b) κ =0.5 κ= ,07 0,05 0,033 0,04 0,050 p n /mm Z predstawionych wykresów widać, że poiom redukcji siły tarcia pry danych naciskach powierchniowych ależy od normaliowanej amplitudy siły wymusającej. Im więksa jest wartość tej amplitudy więksa wartość parametru κ tym więkse jest obniżenie siły napędu n niebędnej do utrymania ruchu, a więc tym mniejsa jest średnia wartość siły tarcia T. Widać także, że pry ustalonej wartości parametru κ poiom redukcji siły tarcia nie jest wielkością stałą, lec ależy od wartości nacisków powierchniowych. Pry cym pry dużej gładkości stykających się powierchni, pry więkseniu nacisków powierchniowych pn i proporcjonalnym więkseniu amplitudy 0w siły wymusającej drgania (w celu utrymania stałej wartości parametru κ) obserwowane jest więksenie poiomu redukcji siły tarcia, natomiast pry powierchni o dużej chropowatości redukcja siły tarcia pry ustalonej wartości parametru κ maleje wra e więksaniem nacisków powierchniowych. c) κ =0.5 κ= ,07 0,05 0,033 0,04 0,050 p n /mm κ =0.5 κ=0.6 akt ten można wytłumacyć wygładaniem powierchni styku o dużej chropowatości w wyniku ścinania w trakcie presuwu, ostrych wierchołków występów chropowatości ora w wyniku odkstałceń sprężystoplastycnych tych występów pod wpływem obciążenia normalnego. W reultacie może występować preciwstawne diałanie miany stywności styku pod wpływem dwóch różnych cynników. Wrost stywności styku wywołany wrostem nacisków powierchniowych może spryjać więksaniu poiomu redukcji siły tarcia w ruchu śligowym, natomiast więksa stywność styków gładkich (o mniejsej chropowatości powierchni) ogranica możliwość redukcji siły tarcia pry drganiach normalnych. Parametrem mającym istotny wpływ na poiom redukcji siły tarcia w ruchu śligowym pry drganiach normalnych jest prędkość pośligu. Potwierdiły to wyniki badań doświadcalnych preprowadonych w dwóch kolejnych etapach badań. W etapie drugim badania preprowadono na pare śligowej o chropowatości Ra/Ra =.08/.4 pry średniej sile nacisku wynosącej N = 50 N. Badania preprowadono na trech poiomach amplitudy siły wymusającej κ wynosących odpowiednia: 0., 0.4, 0.6, w akresie prędkości napędu vn wynosącym mm/s. Wyniki predstawiono na rys ,07 0,05 0,033 0,04 0,050 p n /mm Rys.. Zależność współcynnika redukcji =n-d/n-0 od nacisków powierchniowych pn pry drganiach normalnych pry różnych normaliowanych amplitudach drgań κ dla badanych par ciernych: a) Ra/Ra=.08/0.38, b) Ra/Ra =.08/.4, c) Ra/Ra=.08/6.0 7

4 WPŁYW NACISKÓW POWIERZCHNIOWYCH I PRĘDKOŚCI POŚLIZGU (...) a) W trecim etapie preprowadono badania porównawce redukcji siły tarcia w ależności od nacisków powierchniowych pn dla różnych prędkości napędu vn. Badania te preprowadono w trech seriach o ustalonych wartościach parametru κ równych odpowiednio: 0.5, 0.6 i Powierchnie pary ciernej były slifowane Ra/Ra =.08/0.90. Badania preprowadono pry trech prędkościach napędu vn równych: 0., 0. i 0.6 mm/s. Wyniki estawiono w postaci wykresów biorcych na rys. 4., v =0.6 mm/s v=0. mm/s v 3 =0. mm/s b) 0,07 0,05 0,033 0,04 0,050 p n /mm κ =0. κ =0.4 κ 3 =0.6 0, 0, v n, mm/s Rys. 3. Zależność współcynnika redukcji =n-d/n-0 od prędkości pośligu vn pry drganiach normalnych c) v =0.6 mm/s v=0. mm/s v 3 =0. mm/s ,07 0,05 0,033 0,04 0,050 p n /mm Z wyników predstawionych na rys. 3 widać, że nieależnie od wartości normaliowanej amplitudy κ siły wymusającej drgania poiom redukcji siły tarcia pry drganiach normalnych maleje nieliniowo e wrostem prędkości pośligu. Pry dużych prędkościach pośligu i małych amplitudach mian siły wymusającej poiom redukcji siły tarcia maleje do era. Z wykresów na rys. 4 widać kolei, że pry małej chropowatości powierchni pary ciernej nieależnie od prędkości pośligu vn poiom redukcji siły tarcia pry drganiach normalnych o ustalonej normaliowanej amplitudie siły wymusającej. (κ = const) rośnie wra e wrostem nacisków powierchniowych. 3. PODSUMOWANIE v =0.6 mm/s v=0. mm/s v 3 =0. mm/s ,07 0,05 0,033 0,04 0,050 p n /mm Rys. 4. Zależność współcynnika redukcji =n-d/n-0 od nacisków powierchniowych pn i od prędkości napędu vn pry drganiach normalnych pry różnych normaliowanych amplitudach drgań równych: a)κ = 0.5, b) κ = 0.6, c) κ = 0.75 Wyniki preprowadonych badań doświadcalnych wskaują jednonacnie, że pry realiacji ruchu śligowego, pry drganiach normalnych do powierchni presuwu, możliwe jest uyskanie nacnej redukcji siły napędu niebędnej do wywołania i utrymania tego presuwu. Poiom tej redukcji ależy w sposób istotny arówno od parametrów drgań, jak i parametrów pośligu, a także od parametrów geometrycnych powierchni tworących styk. Wrasta on e wrostem amplitudy drgań, a maleje e wrostem prędkości pośligu i jest wyraźnie 8

5 Marta Abrahamowic, Marius Leus więksy w prypadku styków o dużej chropowatości powierchni duże Ra. Wrost nacisków powierchniowych pry równocesnym wroście amplitudy siły wymusającej w prypadku styków gładkich powoduje więksenie poiomu redukcji siły tarcia, a w prypadku styków o dużej chropowatości jego mniejsenie. Literatura. Chovdhury M.A., Helali M.M.: The effect of frequency of vibration and humidity on the coefficient of friction. Tribology International, 006, Vol. 39, p Chovdhury M.A., Helali M.M.: The effect of amplitude of vibration on the coefficient of friction for different materials. Tribology International, 008, Vol. 4, p Gutowski P., Leus M.: The effect of longitudinal tangential vibrations on friction and driving forces in sliding motion. Tribology International, 0, Vol. 55, p Gutowski P., Leus M.: Computational model for friction force estimation in sliding motion at transverse tangential vibrations of elastic contact suport. Tribology International, 05, Vol. 90, p Leus M., Gutowski P.: Teoretycnee i doświadcalne analiy wpływu drgań normalnych na siłę tarcia w ruchu śligowym. Tribologia, 04, nr 3, s Leus M., Gutowski P., Abrahamowic M.: Modelowanie ora badania doświadcalne oddiaływania drgań normalnych na siłę tarcia w ruchu śligowym. Modelowanie Inżynierskie, 04, nr 53, s Popov V.L., Stracevic J., ilippov A.E.: Influence of ultrasonic in plane oscillations on static and sliding friction and intrinsic length scale on dry friction processes. Tribology Letters, 00, Vol. 39, p Popov M., Popov V.L., Popov N.V..: Reduction of friction by normal oscillations. I. Influence of contact stiffness. riction, 07, Vol. 5, p Xinyu M., Popov V.L., Stracevic J.., Popov M.: Reduction of friction by normal oscillations. II. In-plane system dynamics. riction, 07, Vol. 5, p PN-EN 0083-:008-:008: Stale do ulepsania cieplnego Cęść : Warunki technicne dostawy stali niestopowych. Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Unanie autorstwa 3.0 Polska. 9