Badania tribologiczne poprzecznych łożysk ślizgowych z wykorzystaniem mikro-rowków smarnych

Transkrypt

1 MICHALAK Radosław 1 PAWELSKI Zbigniew 2 Badania tribologiczne poprzecznych łożysk ślizgowych z wykorzystaniem mikro-rowków smarnych WSTĘP Jedną z najważniejszych ról w poprzecznych łożyskach ślizgowych wykorzystywanych w maszynach i urządzeniach odgrywają parametry makro i mikrogeometrii współpracujących ze sobą par trących (czop - panewka). Parametry te mają wpływ na proces tworzenia się klina smarnego który z kolei ma znaczący wpływ na charakterystyki tribologiczne pracy łożyska i jego intensywność zużycia. Jednym z charakterystycznych parametrów bardzo ważnych dla pracy łożyska jest luz względny mający bezpośredni wpływ na pracę łożyska podczas docierania wstępnego oraz normalnej eksploatacji. Ważną rolę odgrywa również właściwy dobór materiału czopa i panewki, zapewniający prawidłową współpracę tj. możliwie niski współczynnik tarcia, małe opory ruchu i minimalne zużycie. Kolejną istotną sprawą jest geometria powierzchni współpracujących łożyska a mianowicie struktura powierzchni roboczej panewki. Modyfikacja tej powierzchni polega na wykonaniu mikrorowków (mikro-kanałków) smarnych wspomagających tworzenie się filmu olejowego i podniesienie nośności łożyska. Takie kształtowanie powierzchni ślizgowej ma istotny wpływ na polepszenie własności tribologicznych łożyska ślizgowego. W pracy przedstawione zostały wstępne wyniki badań wpływu struktury mikro-rowków smarnych powierzchni roboczej panewki na charakterystyki tribologiczne łożyska. Badania te przeprowadzone zostały dla zestawów łożyskowych ze zbliżonymi luzami względnymi z panewkami wykonanymi z typowych stopów łożyskowych. Przedstawiono charakterystyki tribologiczne dla łożysk z powierzchnią nośną z modyfikacją oraz dla panewek klasycznych. Podczas pracy łożysk ślizgowych istotną rolę odgrywa właściwy dobór makro i mikrogeometrii węzła ślizgowego: średnica powierzchni roboczej panewki, jej długość, luz łożyskowy, odchyłki kształtu oraz chropowatość powierzchni. Do badań wstępnych oraz porównania wyników użyto następujących par trących z luzem względnym 2 : panewki łożysk ślizgowych ze stopem łożyskowymi Ł16 - (PbSb15Sn10 wg PN-ISO 4381:1997) współpracujące z czopem stalowym hartowanym, panewki łożysk ślizgowych wylane stopem łożyskowym Ł83 - (SnSb12Cu6Pb wg PN-ISO 4381:1997) współpracujące z czopem stalowym hartowanym, panewki łożysk ślizgowych stalowe azotonasiarczane - współpracujące z czopem stalowym hartowanym, panewki łożysk ślizgowych z brązu - współpracujące z czopem stalowym hartowanym, panewki łożysk ślizgowych wylane stopem łożyskowym Ł83 - (SnSb12Cu6Pb wg PN-ISO 4381:1997) z wykonanymi mikro-rowkami na powierzchni wewnętrznej współpracujące z czopem stalowym hartowanym Zastosowane mikro-rowki na powierzchni wewnętrznej panewki zostały zamodelowane a następnie wykonane metodą obróbki skrawaniem na frezarce CNC. Dzięki wykorzystaniu frezarki CNC możliwe jest wykonanie dowolnej ilości próbek z powtarzalną geometrią mikro-rowków smarnych. 1 Politechnika Łódzka w Łodzi, Wydział Mechaniczny, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn; Łódź ul. Żeromskiego 116. Tel: , radoslaw.michalak@p.lodz.pl, 2 Politechnika Łódzka, Wydział Mechaniczny, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn; Łódź; ul. Żeromskiego 116. Tel: , Fax: , zbigniew.pawelski@p.lodz.pl 3255

2 1. OPIS STANOWISKA BADAWCZEGO Charakterystyki tribologiczne zostały wykonane na stanowisku badawczym (rysunek 1) w Zakładzie Podstaw Budowy Maszyn PŁ [1, 2, 3]. Stanowisko badawcze wyposażone jest w następujące układy kontrolno pomiarowe i sterujące: układ sterowania prędkością obrotową czopa, układ sterująco pomiarowy agregatu smarowniczego, układ pomiarowy momentu tarcia w łożysku, układ oceny warunków tarcia w styku czop panewka, układ pomiaru temperatury panewki oraz oleju zasilającego. Elementy składowe układu sterowania prędkością obrotową czopa to między innymi silnik prądu stałego. Jego prędkość obrotowa jest sterowana (w zakresie od obr/min) za pomocą specjalistycznego oprogramowania komputerowego. Układ sterująco pomiarowy agregatu smarowniczego zapewnia utrzymanie żądanej temperatury (od około 16ºC do 120ºC) dzięki elektronicznemu układowi stabilizacyjnemu oraz ciśnienia (0 0,4MPa) czynnika smarującego. Układ pomiarowy momentu tarcia w łożysku zabezpiecza obserwowanie zmian tego parametru. Moment tarcia w łożysku rejestrowany jest jako różnica między momentem tarcia w badanym obciążonym łożysku a momentem tarcia występującym na biegu jałowym (moment odniesienia) stanowiska badawczego. Układ oceny warunków tarcia w styku czop panewka umożliwia ocenę warunków współpracy pary trącej (występowanie tarcia mieszanego lub płynnego) poprzez ciągły pomiar spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej filmu olejowego. Powyższe układy wchodzą w skład systemu kontrolno - pomiarowego, który umożliwia badanie charakterystyk tribologicznych węzłów łożyskowych. Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska badawczego, gdzie: A, B, C odpowiednio silnik napędu głównego, pompy olejowej, mieszadła układu termostatującego temperaturę oleju smarującego łożysko oraz czujniki: 1 - prędkości obrotowej i liczby obrotów czopa, 2 pomiaru siły (do pomiaru momentu tarcia w łożysku), 3, 4, 5, 6, 7 temperatury, 8 ciśnienia oleju zasilającego łożysko. Źródło: opracowanie własne. 3256

3 2. WARUNKI BADAŃ TRIBOLOGICZNYCH Pary trące zastosowane w badaniach wstępnych (rysunek 2) zostały tak dobrane aby luz względny był zbliżony i wynosił 2. Czopy zastosowane w badaniach wykonane zostały ze stali konstrukcyjnej stopowej do ulepszania cieplnego (zahartowane do twardości około 55HRC, chropowatość powierzchni Ra = 0,2 0,3µm). W panewkach (rysunek 2) stopy łożyskowe zostały wylane na stal stopową o podwyższonej wytrzymałości 18G2A (grubość warstwy 1mm, średnica wewnętrzna Ø 40mm, stosunek długości do średnicy panewki = 0,25). Rys. 2. Geometria czopa i panewki. Źródło: opracowanie własne. Na rysunku 3 przedstawiona jest panewka wylana stopem łożyskowym Ł83 z wykonanymi mikrorowkami o przekroju okrągłym w liczbie 150szt. na całej powierzchni wewnętrznej panewki. Rys. 3. Panewka z wykonanymi mikro-rowkami. Źródło: opracowanie własne. Podczas pracy łożysk ślizgowych często występują niekorzystne warunki pracy w trakcie których występuje między innymi tarcie mieszane. Aby łożysko miało możliwość pracy w tak niekorzystnych warunkach na stanowisku pomiarowym łożyska badane mają możliwość pracy w zmiennych warunkach tj. przy zmiennej prędkości obrotowej w danym cyklu powtarzający się w 40 seriach badań. Przykładowy cykl badań przedstawia rysunek 4. Rys. 4. Przebieg prędkości obrotowej czopa w czasie próby w zakresie jednego cyklu. Źródło: opracowanie własne. 3257

4 Badania danej pary trącej rozpoczynają się od wstępnego docierania przy obciążeniu 0,5MPa, a następnie przeprowadzona jest próba właściwa według cyklu przedstawionego na rysunku 4 dla obciążenia 1MPa. W początkowej fazie ma miejsce rozruch, czyli stopniowe narastanie prędkości obrotowej czopa do 350 obr/min w czasie 60 sekund, przez kolejne 60 sekund trwa praca ustalona, a następnie w czasie 60 sekund następuje zatrzymanie układu. Cykl taki powtarzany jest przez 40 serii. Pozostałe parametry podczas trwania badań, to temperatura oleju zasilającego układ smarowania, która wahała się w granicach C, ciśnienie oleju utrzymywane na poziomie 0,05MPa oraz temperatura otoczenia około 24 C. 3. WYNIKI BADAŃ WSTĘPNYCH - WPŁYW MIKRO-ROWKÓW NA CHARAKTERYSTYKI TRIBOLOGICZNE ŁOŻYSK Po przeprowadzonych badaniach wstępnych zostały porównane charakterystyki tribologiczne panewki wylanej stopem łożyskowym Ł83 z wykonanymi mikro-rowkami (na rysunkach oznaczona jako p49c3d) z panewką bez mikro-rowków: o tym samym stopie łożyskowym (na charakterystykach oznaczona jako M42), wylaną stopem łożyskowym Ł16 (na charakterystykach oznaczona jako T32), azotonasiarczaną (na charakterystykach oznaczona jako A52c5d), z brązu (na charakterystykach oznaczona jako B06c1). Na rysunku 5 przedstawione jest porównanie momentów tarcia w łożysku dla nacisków średnich 1MPa. Na podstawie tych charakterystyk porównując ten sam typ łożysk (wylanych stopem łożyskowym Ł83) można zaobserwować, że dla łożyska z wykonanymi mikro-rowkami wartość średnia momentu tarcia wynosi 0,16Nm i jest niższa od momentu tarcia dla tego samego typu łożyska bez mikro-rowków, dla którego moment tarcia jest równy 0,23Nm. Rys. 5. Charakterystyki wartości średnich momentu tarcia dla badanych łożysk. Źródło: opracowanie własne. Na rysunku 6 7 przedstawione jest porównanie temperatur w pobliżu początku oraz końca styku czopa z panewką dla nacisków średnich 1MPa. Na podstawie przebiegu tych charakterystyk można zauważyć, że w łożysku z panewką wylaną stopem łożyskowym Ł83 z wykonanymi mikro-rowkami zarówno temperatura na początku oraz na końcu styku panewki z czopem są zdecydowanie niższe od temperatur dla pozostałych typów łożysk bez mikro-rowków. Wartość średnia temperatur (dla panewki wylanej stopem łożyskowym Ł83 z wykonanymi mikro-rowkami) na początku oraz na końcu styku panewki z czopem wynosi 24C⁰. Na rysunku 8 przedstawione jest porównanie wartości średnich spadków napięcia na rezystancji 3258

5 wewnętrznej filmu olejowego dla nacisków średnich 1MPa. Na podstawie tych charakterystyk można stwierdzić że średnia wartość spadku napięcia 53mV dla panewki wylanej stopem Ł83 z mikrorowkami jest dużo wyższa od średniej wartości spadku napięcia 9mV dla tego samego typu panewki bez mikro-rowków. Porównując średnie wartości spadku napięcia panewki wylanej stopem Ł83 z zastosowanymi mikro-rowkami z pozostałymi panewkami o innym stopie łożyskowym bez mikrorowków również można stwierdzić że wartości są wyższe. Wyższe wartości średniego spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej świadczy o polepszeniu się warunków do tworzenia klina smarnego. Rys. 6. Charakterystyki wartości średnich temperatur w pobliżu początku styku czopa z panewką dla badanych łożysk. Źródło: opracowanie własne. Rys. 7. Charakterystyki wartości średnich temperatur w pobliżu końca styku czopa z panewką dla badanych łożysk. Źródło: opracowanie własne. 3259

6 Rys. 8. Charakterystyki wartości średnich spadków napięcia na rezystancji wewnętrznej filmu olejowego. Źródło: opracowanie własne. WNIOSKI Po przeprowadzonych badaniach wstępnych i porównaniu powyższych charakterystyk tribologicznych stwierdzono: dla łożyska z panewką wylaną stopem łożyskowym Ł83 z wykonanymi mikro-rowkami: wartość średnia momentu tarcia wynosi 0,16Nm i jest niższa od momentu tarcia dla tego samego typu łożyska bez mikro-rowków, dla którego moment tarcia jest równy 0,23Nm (rysunek 5), temperatura na początku oraz na końcu styku panewki z czopem wynosi 24C⁰ i jest zdecydowanie niższa od temperatur dla pozostałych typów łożysk bez mikro-rowków (rysunek 6 7), średnia wartość spadku napięcia 53mV jest dużo wyższa od średniej wartości spadku napięcia 9mV dla tego samego typu panewki bez mikro-rowków (rysunek 8) co sprzyja lepszym warunkom tworzenia się filmu olejowego, zastosowanie mikro-rowków na powierzchni wewnętrznej panewki przyczyniło się więc do bardziej korzystnych wartości wszystkich parametrów (momentu tarcia, temperatur oraz spadku napięcia na rezystancji wewnętrznej filmu olejowego), wprowadzenie mikro-rowków smarnych zmniejszyło wartość momentu tarcia między powierzchniami pary trącej co automatycznie spowodowało również zmniejszenie temperatury na początku i na końcu styku czopa z panewką, zastosowanie mikro-rowków smarnych ma pozytywny wpływ na charakterystyki tribologiczne. Prowadzone są dalsze badania mające na celu określenie szczegółowej mikro geometrii powierzchni roboczej panewki tak w ujęciu ilościowym jak i wartościowym. Streszczenie Jednym z charakterystycznych parametrów bardzo ważnych dla pracy łożyska jest luz względny mający bezpośredni wpływ na pracę łożyska podczas docierania wstępnego oraz normalnej eksploatacji. Ważną rolę odgrywa również właściwy dobór materiału czopa i panewki, zapewniający prawidłową współpracę tj. możliwie niski współczynnik tarcia, małe opory ruchu i minimalne zużycie. Kolejną istotną sprawą jest geometria powierzchni panewki a mianowicie zastosowanie odpowiedniego kształtowania tej powierzchni poprzez wykonanie mikro-rowków (mikro-kanałków) smarnych wspomagających tworzenie się filmu 3260

7 olejowego (klina smarnego). Takie kształtowanie powierzchni ślizgowej ma również ogromny wpływ na polepszenie warunków współpracy panewki z czopem łożyska ślizgowego. W pracy przedstawione zostały wyniki badań wstępnych tribologicznych, a mianowicie wpływ zastosowania mikro-rowków smarnych wykonanych na powierzchni wewnętrznej panewki na charakterystyki tribologiczne. Badania te przeprowadzone zostały dla luzów względnych o wartościach zbliżonych w łożysku z wykorzystaniem środka smarnego dla typowych stopów łożyskowych i typowych par trących oraz typowych par trących lecz z zastosowaniem mikro-rowków smarnych znajdujących się na powierzchni wewnętrznej panewki. Słowa kluczowe: łożysko ślizgowe, czop, panewka Tribological studies of transverse sliding bearings using micro-grooves lubricants Abstract One of characteristic parameters, very important for work of bearing is relative clearance. It has direct impact on the bearing work during preliminary reaching and normal work. Important is also proper selection of material for spigot and acetabulum. Provides appropriate cooperation ie. low coefficient of friction, low motion resistance and minimum consumption. Another important issue is The geometry of The surface of The acetabulum ie. proper shape of the surface by lubricating micro-grooves (micro-channels), that assist the formation of the lubricating wedge. That shape of sliding surface has also huge impact on improvement of cooperation the acetabulum with trunnion of the sliding bearing. In this work are presented the results preliminary tribological researches, ie. an impact of applied lubricating micro-channels made at the inside surface of acetabulum at the tribological characteristics. Tests were carried out for relative clearance with values similar as in the bearing with lubricant for typical bearing alloy and typical friction pairs and typical friction pairs but with lubricant micro-channels created on the inside surface of acetabulum. Keywords: bearing, trunnion, acetabulum BIBLIOGRAFIA 1. Michalak R., Wójcicki R.: Experimental Investigation into Tribopairs Journal Sleeve of Journal Bearing. Badania doświadczalne par tribologicznych czop panewka łożyska ślizgowego. Machine Dynamics Research. Nr 3. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. 2012r. 2. Michalak R., Wójcicki R.: Badania tribologiczne poprzecznych łożysk ślizgowych. TTS Technika transportu szynowego. Nr 9. Wydawca: Instytut Naukowo-Wydawniczy "TTS" Sp. z o.o. 2012r. 3. Michalak R., Wójcicki R.: Badania eksperymentalne zużycia panewki w poprzecznym łożysku ślizgowym. Autobusy, Technika, Eksploatacja, Systemy transportowe. Nr 3. Wydawca: Instytut Naukowo-Wydawniczy "SPATIUM". sp. z o.o. 2013r. 3261