STANOWISKO DO BADAŃ ŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH Z WYKORZYSTANIEM BILANSU CIEPLNEGO

Transkrypt

1 1-01 I B O L O G I A 85 Dariusz LEPIACZYK *, Wacław GAWĘDZKI **, Jerzy ANOWSKI * SANOWISKO DO BADAŃ OŻYSK ŚLIZGOWYCH Z WYKOZYSANIEM BILANSU CIEPLNEGO LABOAOY SAND FO ESS OF SLIDE BEAINGS BASED ON HEA BALANCE Słowa kluczowe: łożysko ślizgowe, moel energetyczny, bilans cieplny, współczynnik tarcia Key wors: slie bearings, energetic moel, heat balance, friction coefficient Streszczenie W pracy przestawiono konstrukcję stanowiska laboratoryjnego o baań łożysk ślizgowych z wykorzystaniem bilansu cieplnego. Zamieszczono opis zabuowanych na stanowisku torów pomiarowych momentu tarcia oraz pomiaru temperatury. Stanowisko umożliwia realizację baań owolnie wybranych skojarzeń materiałowych współpracujących ślizgowo. Istnieje możliwość energe- * ** AGH Akaemia Górniczo-Hutnicza, Katera Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, al. A. Mickiewicza 30, Kraków, lear@agh.eu.pl. AGH Akaemia Górniczo-Hutnicza, Katera Metrologii, al. A. Mickiewicza 30, Kraków, waga@agh.eu.pl.

2 86 I B O L O G I A 1-01 tycznego wyznaczania wartości współczynników tarcia na kontakcie czopa i panewki. WPOWADZENIE Duże znaczenie w konstrukcji maszyn i urzązeń mechanicznych mają skojarzenia ślizgowe współpracujących elementów [L., 3]. Szczególnie otyczy to różnych rozajów sprzęgieł oraz łożysk ślizgowych, co uzasania potrzebę poszukiwania nowych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych [L. 5, 6, 7]. óżnoroność ostępnych obecnie na rynku rozajów łożysk ślizgowych stwarza problem ich optymalnego zastosowania i prawiłowego oboru. Powszechnie używane są łożyska ślizgowe z taśm bimetalowych i monolitycznych, spiekane z proszków metali, wykonane z jenolitego metalu (brązu, mosiązu, żeliwa) lub tworzyw sztucznych. Jenocześnie w oborze łożysk pojawiają się truności ze wzglęu na brak okłanych wartości parametrów tribologicznych używanych na skojarzenia materiałowe. W celu ujenolicenia zasa oboru i uzyskania postawowych parametrów współpracy opracowano moel i zbuowano stanowisko laboratoryjne. Umożliwia ono baanie różnych skojarzeń materiałowych w aspekcie zmian oporów ruchu, a także temperatury współpracy baanego łożyska. W wyniku prowazonych baań istnieje możliwość określenia wartości współczynników tarcia. Pomiar temperatury współpracy zapewnia optymalny obór rozaju skojarzenia i właściwą buowę łożyska ślizgowego. Cel pracy Głównym celem pracy jest przestawienie energetycznego moelu pracy łożyska ślizgowego i zbuowanego o jego oświaczalnej weryfikacji stanowiska baawczego. Opracowany moel współpracy czopa i panewki z wykorzystaniem bilansu cieplnego oraz zbuowane stanowisko umożliwiają wyznaczanie wartości współczynników tarcia i obór materiałów skojarzeń ślizgowych. ENEGEYCZNY MODEL PACY OŻYSKA ŚLIZGOWEGO Na ys. 1 przestawiono moel analogu elektrycznego przepływu ciepła w ukłazie pracy łożyska ślizgowego w stanie ustalonym. W moelu elektrycznym procesów cieplnych przyjęto, że źróło prąowe jest analogiem mocy cieplnej Q generowanej przez łożysko, źróło napięciowe oraz napięcia są analogiem temperatury. ezystancje elektryczne są analogiem rezystancji cieplnych. W moelu pominięto pojemności cieplne, gyż ukła pracy łożyska analizowany jest w ustalonym stanie pracy.

3 1-01 I B O L O G I A 87 ys. 1. Schemat moelu analogu elektrycznego przepływu ciepła w ukłazie pracy łożyska ślizgowego w stanie ustalonym Fig. 1. he scheme of electric analogue of heat flow in the system of the slie bearing operation in the steay state Na ys. 1 przyjęto następujące oznaczenia: PP punkt na wale, w którym mierzona jest temperatura PP, Q moc cieplna wyzielana w baanym łożysku ślizgowym,,pp rezystancja cieplna pomięzy łożyskiem ślizgowym a punktem PP na wale, w którym mierzona jest temperatura,,ot rezystancja cieplna łożyska ślizgowego wzglęem otoczenia, PP,ot rezystancja cieplna pomięzy punktem PP na wale a otoczeniem, ot temperatura otoczenia, śrenia temperatura na styku czop panew łożyska, temperatura w punkcie pomiarowym na wale. PP Poczas obrotu czopa w panwi łożyska wyziela się moc cieplna Q, określająca ilość ciepła wytwarzanego w łożysku przez tarcie w jenostkowym czasie: Q Q + Q P 0 = (1) Pierwszy skłanik sumy Q P to moc cieplna wyzielona w łożysku wskutek ziałania siły nacisku P prostopale wzglęem osi łożyska, którego czop obraca się wzglęem panwi z prękością v: Q P = P µ v = P µ ω () gzie: µ jest współczynnikiem tarcia kinetycznego, śrenicą czopa łożyska, a ω prękością kątową jego obrotów. Drugi skłanik sumy w (1) Q 0 to moc cieplna wyzielona w nieobciążonym siłą P łożysku (P = 0) wskutek oziaływania momentu tarcia M w łożysku, poczas obrotów czopa w panwi z prękością kątową ω: Q 0 = M ω (3)

4 88 I B O L O G I A 1-01 Uwzglęniając () oraz (3) w (1) otrzymujemy: Q = P µ ω + M ω Wyzielana w łożysku moc cieplna Q wywołuje wzrost śreniej temperatury na styku czop panew w oniesieniu o temperatury otoczenia ot o wartość [L. 1]: = = Q ot Z, O (4) (5) gzie Z,O jest zastępczą rezystancją cieplną określaną o strony łożyska wzglęem otoczenia (zastępcza rezystancja pomięzy punktami i O na ys. 1). Uwzglęniając (4) w (5), można wyznaczyć wartość współczynnika tarcia łożyska: ω M Z, O µ = (6) P ω Ponieważ pomiar śreniej temperatury na styku czop panew oraz wartości rezystancji zastępczej Z,O jest truny w realizacji, wykonamy pomiar temperatury w łatwo ostępnym punkcie pomiarowym PP wybranym na wale w pobliżu czopu łożyska zgonie z ys. 1. Mamy wówczas: Q PP PP ot PP, ot, ot PPO = = = (7) Q gzie PPO jest wypakową rezystancją cieplną pomięzy punktami PP i O. Nie ma ona charakteru rezystancji zastępczej pomięzy tymi punktami, tylko jest parametrem funkcji określającej przemianę wyzielonej w łożysku mocy cieplnej Q na różnicę temperatury wału wzglęem otoczenia PP. PP, ot +, ot +, PP Dzieląc stronami równania (5) i (7), otrzymujemy: Z, O = PP PPO (8) Zależność (8) oznacza, że pomimo braku możliwości okłanego wyznaczenia wartości temperatury łożyska i rezystancji cieplnej łożyska wzglęem otoczenia Z,O, można precyzyjnie wyznaczyć ich iloraz (niezbęny w zależności (6)) poprzez pośreni pomiar temperatury PP wzglęem temperatury otoczenia ot i rezystancji cieplnej PPO. Uwzglęniając (8) w (6), uzyskujemy zależność o wyznaczania współczynnika tarcia w łożysku ślizgowym:

5 1-01 I B O L O G I A 89 PP ω M PPO µ = (9) P ω W celu wyznaczenia współczynnika tarcia łożyska ślizgowego należy przeprowazić wa eksperymenty pomiarowe. W pierwszym należy zmierzyć prękość kątową ω wału, wartość momentu tarcia M unieruchomionej i nieobciążonej panwi łożyska (P = 0) oraz wywoływaną przez moment tarcia wartość temperatury w punkcie PP wału wzglęem temperatury otoczenia PP. Na postawie (4) oraz (7) wyznaczana jest wartość rezystancji cieplnej PPO. W rugim eksperymencie należy obciążyć łożysko znaną siłą P oraz zmierzyć, przy tej samej prękości obrotowej co w eksperymencie 1, wywoływaną przez obciążenie wału siłą P, wartość temperatury w punkcie PP wału wzglęem temperatury otoczenia PP. Na postawie (9) wyznaczana jest wartość współczynnika tarcia łożyska ślizgowego. OPIS SANOWISKA BADAWCZEGO Konstrukcja stanowiska umożliwia baanie łożysk ślizgowych metoą energetyczną, opartą na przestawionym w artykule moelu. Uzyskane wyniki baań pozwalają na wyznaczenie współczynnika tarcia kinetycznego w skojarzonych parach ślizgowych. Schemat buowy wraz ze specyfikacją zamontowanych elementów stanowiska przestawiono na ys. a. Stanowisko skłaa się z ramy 1, na którym wałek został poparty na wóch łożyskach kulkowych 3. Wał jest napęzany przez silnik elektryczny MS80 1,1 kw, poz. 4 z regulowaną prękością obrotową przez przetwornicę częstotliwości E1000 1,5 kw, poz. 5. a) b) ys.. Schemat stanowiska baawczego (a) oraz głowicy łożyska (b) Fig.. he scheme of the test stan (a) an the hea (b) of slie bearings Napę z silnika przekazywany jest przez sprzęgło mieszkowe 6 na momentomierz 0WN/10 Nm, poz. 7, a następnie przez sprzęgło mieszkowe 8 na wał.

6 90 I B O L O G I A 1-01 Na czopie końcowym wału znajuje się głowica baawcza, przestawiona na ys. b. W skła głowicy baanego łożyska 9, wchozi obuowa 13, w której osazono ciasno pasowane, wymienne panewki 14. Na czop wału, wciśnięto tulejkę 15, wykonaną ze stali C45. uch obrotowy występuje na powierzchni ślizgowej 16, mięzy panewką łożyska 14 i tulejką ślizgową 15. Obciążenie poprzeczne łożyska ślizgowego jest zaawane przez obciążnik 10, zamocowany na śrubie 17. Obciążenie określano na waze elektronicznej WP4C z okłanością o 1 g. BUDOWA OÓW POMIAOWYCH Na stanowisku baawczym zbuowano system pomiarowy, którego schemat przestawiono na ys. 3. ys. 3. Schemat torów pomiarowych na stanowisku baawczym Fig. 3. he scheme of the measurement system installe in the test stan or pomiaru momentu tarcia skłaa się z czujnika tensometrycznego 0WN umożliwiającego pomiar momentu skręcającego w zakresie o 10N m z okłanością 0,% i maksymalnej prękości obrotowej obr./min. W czujniku momentu wbuowany jest optyczny przetwornik prękości obrotowej, umożliwiający pomiar prękości w zakresie o 3000 obr./min. Mierzący bezstykowo temperaturę Pirometr aynger MX4 umożliwia pomiar temperatury w zakresie -30 o 900 C z okłanością ±1% oczytu lub 1 C i możliwością regulacji współczynnika emisyjności w zakresie o 0,1 o 1 co 0,01, minimalna śrenica pola pomiaru temperatury wynosi 19 mm przy oległości pirometru o obiektu 1,15 m. Kamera termowizyjna A30 służy o określania pola rozkłau temperatury w regulowanych zakresach temperatury: -0 C o 10 C, 0 C o 350 C, a opcjonalnie o 100 C. ozzielczość matrycy kamery wynosi pikseli, a okłaność pomiaru temperatury ±% oczytu lub ± C.

7 1-01 I B O L O G I A 91 PODSUMOWANIE Przestawiony w artykule moel przepływu ciepła w ukłazie pracy łożyska ślizgowego umożliwił wyprowazenie zależności matematycznych, pozwalających wyznaczać współczynnik tarcia kinetycznego łożyska na bazie bilansu energetycznego. W opracowanej metozie wykorzystywane są łatwo mierzalne różnice temperaturowe wału i otoczenia oraz moment tarcia baanego skojarzenia. Pomiary te zastąpiły truno bąź nieprecyzyjnie mierzone temperatury czopa łożyska pomiarem temperatury wału. Opracowana metoa może znaleźć zastosowanie w iagnostyce i eksploatacji praktycznych rozwiązań skojarzeń ślizgowych, gy klasyczne metoy mechaniczne i inne są trune lub niemożliwe o zastosowania. Weryfikację eksperymentalną opracowanego moelu wybranych par ślizgowych przestawiono w pracy [L. 5]. LIEAUA 1. Gawęzki W.: Pomiary elektryczne wielkości nieelektrycznych. Wy. AGH, Kraków Ertuğrul D., Fazlı D.: ribological an fatigue failure properties of porous P/M bearing. International Journal of Fatigue, Volume 30, Issue 4, April Szczerek M., Wiśniewski M.: ribologia i ribotechnika. Wyawnictwo: Zakła Poligrafii Instytutu echnologii Eksploatacji. aom Sensors an Amplifiers, Hottinger Balwin Messtechnik, 5. arnowski J., Gawęzki W., Lepiarczyk D.: Baanie współczynnika tarcia łożyska ślizgowego z wykorzystaniem bilansu cieplnego. ribologia, 6/011 (40), s Marklun P.; Larsson.: Wet clutch friction characteristics obtaine from simplifie pin on isc test. ribology International Volume: 41, Issue: 9 10, September, 008, pp Nyman P.; Mäki.; Olsson.; Ganemi B.:Influence of surface topography on friction characteristics in wet clutch applications. Wear Volume: 61, Issue: 1, July 0, 006, pp Summary In the paper esign of the laboratory test stan for slie bearings tests base on heat balance is presente. he escription of friction torque an temperature measurement systems installe on the stan are given. he stan enables realization of any chosen material combination in sliing cooperation. here is possibility of energetic etermination of friction coefficient in the bush an pivot contact.