Zużycie frettingowe w środkach transportu

Transkrypt

1 GUZOWSKI Stanisław 1 Zużycie frettingowe w środkach transportu WSTĘP Fretting jest jednym z procesów niszczenia warstw wierzchnich elementów maszyn. Jest to zjawisko oscylacyjnego ślizgania o małej amplitudzie elementów będących w styku, którego rezultatem jest uszkadzanie i zużywanie warstwy wierzchniej [7]. Zużycie to zaliczamy więc do zużyć tribologicznych, ściśle związanych z procesami tarcia. Fretting jest zjawiskiem o bardzo złożonym mechanizmie zużywania, w którym nakładają się lub następują po sobie; zużycie adhezyjne, zmęczenie powierzchniowe, odwarstwianie, utlenianie, ścieranie wierzchołkami nierówności i luźnymi produktami zużycia. Rozbieżności pomiędzy poszczególnymi badaczami wynikają głównie z przyjęcia jednego z tych procesów jako inicjującego rozwój zużycia frettingowego. Problem zużycia frettingowego jest wciąż aktualny, pomimo znacznego postępu technicznego w budowie maszyn (nowe rozwiązania konstrukcyjne i technologiczne, nowe materiały). A. Bartel [1] ocenia nawet, że prawie 35% przypadków zużycia w połączeniach elementów maszyn, to zużycie frettingowe lub mające z nim bezpośredni związek. Obrazem zużycia frettingowego mogą być ślady korozji na powierzchni elementów, wzrost chropowatości powierzchni, mikropęknięcia w warstwie wierzchniej, wżery. Przykłady zużycia można znaleźć praktycznie we wszystkich dziedzinach techniki, gdzie mamy do czynienia z parą stykających się elementów, które mogą być narażone na oscylacje w punkcie styku. Ze zjawiskiem frettingu możemy spotkać się zarówno na powierzchni styków elektrycznych, w urządzeniach siłowni nuklearnych, linach nośnych kolei linowych, jak również w złączach sztucznych stawów i elementów ortopedycznych łączących złamane kończyny Charakterystyczne warunki rozwoju zużycia frettingowego powodują, że z tym zjawiskiem mamy szczególnie do czynienia w wielu połączeniach i skojarzeniach elementów w środkach transportu, a z czego nie zawsze zdajemy sobie sprawę. Uszkodzenia w warstwie wierzchniej elementów spowodowane frettingiem są często przypisywane innym rodzajom uszkodzeń. Wynika to z faktu że uszkodzenia frettingowe, które inicjowane są już w początkowym okresie eksploatacji, stają się często źródłem innych uszkodzeń np. zmęczeniowych, co stwarza duże trudności w ich identyfikacji. Wymaga to bardzo szczegółowej analizy warunków pracy uszkodzonego połączenia lub elementu. Konieczna jest również szczegółowa znajomość mechanizmu rozwoju zużycia frettingowego, ale jak wspomniano na wstępie w chwili obecnej nie jest on jeszcze jednoznacznie określony. 1. WARUNKI ROZWOJU FRETTINGU Zużycie frettingowe jest procesem złożonym, który w dużym stopniu zależy od rodzaju wymuszeń, rodzaju i warunków styku, warunków otoczenia i właściwości stykających się elementów. Ta złożoność jest przyczyną trudności w opisaniu mechanizmu rozwoju zużycia oraz określenia wpływu różnych czynników na jego intensywność. Jedną z pierwszych prób wyjaśnienia zjawiska frettingu była analiza przeprowadzona przez R.D. Mindlina [5]. Badał on kontakt dwóch kul (rys.1a) dociśniętych siłą normalną P w celu wyjaśnienia związku pomiędzy jednostkowymi siłami stycznymi q, które są wynikiem działania siły stycznej T równolegle do powierzchni styku, a jednostkowymi siłami tarcia µ p. Analiza była ograniczona do zakresu odkształceń sprężystych, co umożliwiało korzystanie ze wzorów Hertza do obliczenia powierzchni styku i rozkładu naprężeń. R.D. Mindlin założył, że na brzegu powierzchni styku wartość naprężeń stycznych zmierza do nieskończoności w przypadku braku poślizgu (rys.1b). Następnie stwierdził, że powierzchnia przylegania dzieli się na dwa obszary (rys.1c): obszar kolisty dla r a, 1 Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych; Kraków; Al. Jana Pawła II 37; tel. (012) ; mail: wojtek@mech.pk.edu.pl 396

2 gdzie powierzchnie są dociśnięte i nie ma poślizgu (jednostkowe siły tarcia są większe od naprężeń stycznych) oraz obszar pierścieniowy dla a < r a rozciągający się do brzegu styku, gdzie występuje poślizg (elementarne siły tarcia są mniejsze od naprężeń stycznych). Rys.1. Sprężysty styk kul obciążonych siłą normalną i styczną [5]: a stan obciążeń, b stan naprężeń, c stan przemieszczeń Z przytoczonej powyżej analizy wynika, że warunkiem koniecznym do wystąpienia zjawiska frettingu jest: - styk dwóch powierzchni ciał, - oscylacyjne przemieszczenia styczne powierzchni ciał o niewielkiej amplitudzie. Prawdopodobieństwo zaistnienia tego zjawiska w połączeniach lub skojarzeniach elementów w środkach transportu jest bardzo duże. W budowie pojazdów istnieje duża ilość połączeń sworzniowych, śrubowych, wciskowych, nitowych itp. Spełniony jest w nich warunek styku dwóch powierzchni z określonym naciskiem powierzchniowym. Warunki pracy natomiast, związane z przenoszeniem zmiennych obciążeń lub drgań, mogą pomiędzy nimi generować poślizgi względne tworząc warunki do rozwoju zużycia frettingowego. Natomiast wyniki badań wskazują, że optymalna wartość amplitudy poślizgu, przy której następuje inicjacja zużycia jest około 25 µm. Poniżej przytoczono charakterystyczne przykłady występowania tego zużycia w różnych środkach transportu. 2. ZUŻYCIE FRETTINGOWE W ŚRODKACH TRANSPORTU Powszechnie spotykanym połączeniem w budowie środków transportu jest skojarzenie typu wałek tulejka. W rzeczywistości może to być np. w pojazdach szynowych połączenie koła z osią, łożyska osiowego z czopem, osadzenie tarczy hamulcowej na osi itp. Wymienione połączenia charakteryzują się tym, że wykonane są jako połączenia wciskowe. W większości przypadków połączenia te pracują w warunkach obrotowego zginania. Analizując warunki montażu oraz pracy można jednoznacznie stwierdzić, że wymienione skojarzenia spełniają warunki rozwoju zużycia frettingowego. Wynikiem połączenia wciskowego będą naciski powierzchniowe pomiędzy skojarzonymi elementami, których celem jest m.in. niedopuszczenie do przemieszczeń poosiowych. Natomiast w trakcie eksploatacji w warunkach obrotowego zginania istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia oscylacji 397

3 pomiędzy połączonymi powierzchniami [3],[9]. Na rys.2 przedstawiono charakterystyczne uszkodzenia frettingowe występujące na powierzchni podpiaścia osi, a na rys.3 na powierzchni pierścienia wewnętrznego łożyska osiowego zestawu kołowego. Rys. 2. Obraz zużycia frettingowego na powierzchni podpiaścia osi zestawu kołowego [3] Rys. 3. Obraz fragmentu powierzchni montażowej pierścienia wewnętrznego łożyska tocznego osiowego ze śladami zużycia frettingowego na jego brzegach [9] Charakterystyczną cechą zużycia frettingowego na podpiaściu osi jest miejsce jego rozwoju od strony części środkowej. Zużycie obejmuje obszar od czoła piasty w głąb połączenia o szerokości około 30[mm]. Zużycie występuje na całym obwodzie powierzchni podpiaścia w postaci charakterystycznego pierścienia. Zaobserwowane w tym obszarze uszkodzenia powierzchni to głównie wżery i narosty. Obszar ten cechuje się również zabarwieniem brunatno czarnym, świadczącym o jego utlenieniu. Podobny charakter uszkodzeń obserwuje się również na powierzchniach styku pierścienia wewnętrznego łożyska osiowego, które występują na obu brzegach pierścienia. Obraz zużycia frettingowego stwierdzono również w przypadku połączonych elementów o pasowaniu obrotowym. Przykładem tego może być połączenie osi zestawu kołowego pojazdu szynowego z tuleją piasty koła zestawu kołowego z automatyczną zmianą rozstawu kół. W przeciwieństwie do tradycyjnego zestawu kołowego, gdzie koła połączone są trwale z osią w wyniku wtłaczania, jest ono połączeniem o pasowaniu obrotowym. Rozwiązanie to umożliwia przemieszczanie poosiowe kół w trakcie zmiany ich rozstawu, a następnie ich zablokowanie względem osi w czasie jazdy. Wstępna eksploatacja zestawu pokazała, że już po niewielkim przebiegu (ok. 1,5 tys. km) zaistniały duże problemy podczas zmiany rozstawu kół [8]. Znacznie wzrastała siła niezbędna do przemieszczenia poosiowego kół, prowadząc nawet do uszkodzeń stanowiska przestawczego. Obserwacje powierzchni podpiaścia osi po demontażu zestawu kołowego pokazały występowanie m.in. uszkodzeń frettingowych w obszarze styku z piastą koła (rys.4). 398

4 Rys. 4. Uszkodzenia powierzchni podpiaścia osi zestawu kołowego z automatyczną zmianą rozstawu kół [8] Stwierdzone w wyniku obserwacji eksploatacyjnych zużycia frettingowe na powierzchniach podpiaścia osi zarówno dla połączenia wciskowego jak i o pasowaniu obrotowym znalazły potwierdzenie w badaniach modelowych obu przypadków. W badaniach modelowano warunki wykonania połączenia oraz symulowano warunki pracy. Na rys.5 przedstawiono charakterystyczny obraz zużycia frettingowego na powierzchni wałka modelującego podpiaście osi w połączeniu wciskowym koło-oś, a na rys.6 wałka modelującego podpiaście osi zestawu kołowego z automatyczną zmianą rozstawu kół. Rys. 5. Fotografia powierzchni podpiaścia wałka po badaniach zużyciowych, połączenie wciskowe, pow. ok. 4x [3] Rys. 6. Fotografia powierzchni podpiaścia wałka po badaniach zużyciowych, połączenie o pasowaniu obrotowym, pow. ok. 4x [6] Wystąpienie oscylacji o bardzo małej amplitudzie może również mieć miejsce w połączeniach, w których brak jest zewnętrznej siły wymuszającej poślizg, a jedynie mogą one podlegać drganiom w warunkach eksploatacji. Z tego typu przypadkami mamy do czynienia szczególnie w środkach transportu lotniczego (samolotach). Przykładem może być występowanie zużycia frettingowego w elementach poszycia płatów nośnych [4]. Elementy skrzydła, które tworzą pokrycie i elementy 399

5 użebrowania łączone są przez połączenia nitowane i śrubowe. W wyniku obciążenia płatów w trakcie lotu może następować ich ugięcie. Efektem tego mogą mieć miejsce oscylacje o bardzo małej amplitudzie pomiędzy powierzchnią nitu lub śruby względem otworu lub powierzchni pokrycia. Będzie więc spełniony warunek wystąpienia zjawiska frettingu, a jego konsekwencją uszkodzenia powierzchni styku. Obraz uszkodzeń frettingowych na powierzchni pokrycia skrzydła i nakładki przedstawiono na rys.7. Rys. 7. Stykające się powierzchnie pokrycia skrzydła i nakładki z widocznymi obszarami zużycia frettingowego [4] Zużycie frettingowe można również zaobserwować w elementach silników lotniczych. Miejscem szczególnie podatnym na rozwój tego zjawiska jest połączenie łopatka wirnik w sprężarkach i turbinach silników odrzutowych [4]. Na rys.8 przedstawiono uszkodzenia frettingowe w wrębie zamka tarczy. Uszkodzenie te mogą być ogniskiem pęknięć zmęczeniowych lub mogą być przyczyną zmniejszenia nacisków montażowych w połączeniu Wg [2] w silnikach turboodrzutowych szczególnie ważny jest problem zużycia powierzchni stykowych elementów pierścienia łopatek sprężarki. Elementy składowe tworzą podczas montażu zamknięty pierścień składany i współpracują stykowo ze sobą z określonym wciskiem. Zużycie frettingowe w tym połączeniu doprowadza do zmniejszenia, a niekiedy do całkowitego zaniku napięcia konstrukcyjnego. W wyniku tego zwiększają się amplitudy przemieszczeń wibracyjnych pióra łopatek czego konsekwencją może być ich urwanie. Rys. 8. Ślady frettingu we wrębie zamka tarczy sprężarki silnika lotniczego [4] WNIOSKI Przytoczone przykłady występowania zużycia frettingowego dotyczyły tylko wybranych skojarzeń elementów w środkach transportu, które połączone były głównie poprzez wcisk. W połączeniach tych praktycznie nie powinny mieć miejsca oscylacje. Występujące ślady zużycia frettingowego wskazują natomiast, że wyeliminowanie oscylacji pomiędzy skojarzonymi powierzchniami jest praktycznie niemożliwe. Stąd należy sądzić, że zużycie frettingowe może mieć miejsce w każdym skojarzeniu spełniającym warunki do zaistnienia tego zjawiska. 400

6 Charakterystyczną cechą zużycia frettingowego jest to, że rozwija się ono już po niewielkiej liczbie cykli przemieszczeń względnych skojarzonych powierzchni (ok cykli). Intensywność zużycia rośnie do ok cykli pracy, a następnie stabilizuje się. Uszkodzenia frettingowe bardzo często stają się źródłem rozwoju innych uszkodzeń, szczególnie zmęczeniowych. W warunkach zmiennych obciążeń, będące wynikiem frettingu wżery, mikropęknięcia, mogą stać się ogniskiem rozwoju pęknięć zmęczeniowych. Wyniki podawane przez wielu autorów wykazują, że wytrzymałość zmęczeniowa elementów pracujących w warunkach frettingu zmniejsza się nawet o 30%. Ograniczenie rozwoju zużycia frettingowego jest procesem bardzo złożonym. Wynika to przede wszystkim z faktu, że nieznany jest jednoznacznie mechanizm jego rozwoju. Dotyczy to głównie określenia procesu inicjującego rozwój tego zużycia. Wymaga to z kolei szczegółowej analizy warunków pracy badanego skojarzenia. W przypadku połączeń wciskowych pracujących w warunkach obrotowego zginania procesem inicjującym fretting są zjawiska adhezji [3]. Natomiast w innych skojarzeniach mogą to być procesy zmęczenia powierzchniowego, mikroskrawania, utlenienia i inne. Streszczenie W artykule omówiono warunki rozwoju zużycia frettingowego, szczególnie podkreślając duże prawdopodobieństwo wystąpienia oscylacji pomiędzy skojarzonymi powierzchniami. Stwierdzono, że istnieje duże prawdopodobieństwo jego rozwoju w środkach transportu. Jako przykład przedstawiono rozwój tego zużycia w wybranych połączeniach pojazdów szynowych i konstrukcji lotniczych). Fretting wear in transport means Abstract In the paper development conditions of fretting wear were discussed. A great generation probability of oscillation between coupled surfaces was pointed out particularly. It was found there is a big probability of that oscillation development in the means of transport. As an example development of that wear in selected joints of rail vehicles and aeronautical constructions was presented. BIBLIOGRAFIA 1. Bartel A.A., Schutzmassnahmen an metallischen Oberflächen gegen die Schadens-bildung durch Reiboxydation. Jahrbuch für Oberflächentechnik, Mettallverlag GmbH, Berlin, Bd. 29, Bezjazycnyj V.F., Leonov B.N., Semenov A.N., Stan warstwy wierzchniej i własności eksploatacyjne połączeń wciskowych w silnikach turboodrzutowych - badania frettingu. Tribologia, nr. 3, Guzowski S., Analiza zużycia frettingowego w połączeniach wciskowych na przykładzie osi zestawów kołowych pojazdów szynowych. Monografia 284, Politechnika Krakowska, Kraków Jachimowicz J., Kajka F., Kaniowski J., Karliński W., Fretting w konstrukcjach lotniczych. Tribologia, 3/ Mindlin R.D., Compliance of elastic bodies in contact. J. Appl. Mech. Trans. ASME, nr 16, Michnej M., Proces zużycia w połączeniu obrotowym na przykładzie modelu zestawu kołowego z samoczynną zmianą rozstawu kół. Praca doktorska, Kraków, Neyman A., Fretting w elementach maszyn. Wyd. Politechniki Gdańskiej, Gdańsk Suwalski R., System samoczynnej zmiany rozstawu kół pojazdów szynowych. Monografia 154, wyd. AGH Kraków, Шевеля В.В., Калда Г.С., Фреттинг-усталсть металлов. Изд. Хмельницкий Подiлля, Völkening W., Die Gestaltung des Achsschenkels von Rollenlager-Radsätzen und die Auswahl der Rollenachslager. ZEV - Glassers Annalen, 96 (1972), Nr Waterhouse R.B., Fretting corrosion. Pergamon Press Ltd, Oxford,