MOŻLIWOŚCI STEROWANIA SIŁĄ TARCIA ZA POMOCĄ PRĄDU ELEKTRYCZNEGO PRZEPŁYWAJĄCEGO PRZEZ STREFĘ TARCIA

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 61 Krzysztof KRAWCZYK *, Emil NOWIŃSKI **, Agnieszka CHOJNACKA *** MOŻLIWOŚCI STEROWANIA SIŁĄ TARCIA ZA POMOCĄ PRĄDU ELEKTRYCZNEGO PRZEPŁYWAJĄCEGO PRZEZ STREFĘ TARCIA THE POSSIBILITIES OF FRICTION FORCE STEERING USING ELECTRIC CURRENT IN FRICTION ZONE Słowa kluczowe: zjawiska triboelektryczne, warstwa graniczna Ke words: triboelectric enomenon, boundary layer Streszczenie Niniejsza ublikacja rzedstawia sosób sterowania siłą tarcia za omocą rądu elektrycznego rzeływającego rzez strefę tarcia. Największe zmiany siły tarcia ojawiają się odczas wystęowania intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc w smarowanym węźle tarcia. Przykładając * ** Politecnika Radomska, Instytut Eksloatacji Pojazdów i Maszyn, ul. B. Crobrego 45, Radom. Ośrodek Szkolenia Lotniczego, Radom. *** Politecnika Radomska, Wydział Materiałoznawstwa, Tecnologii i Wzornictwa, ul. Crobrego 27, Radom.

2 62 T R I B O L O G I A dodatkowo naięcie rądu stałego do owierzcni trącyc, uzyskuje się widoczny efekt w ostaci wzrostu siły tarcia. Zauważa się także wływ dodatków owierzcniowo aktywnyc wrowadzanyc do cieczy smarującej na zacodzące zmiany w rocesie tarcia. Również zwiększanie naięcia elektrycznego owoduje znaczący wzrost tarcia. WPROWADZENIE W literaturze dotyczącej roblematyki tribologicznej związanej z oddziaływaniem na strefę tarcia rądem elektrycznym można znaleźć liczne ublikacje w tym zakresie [L. 1 14]. Z analizy literatury wynika, że działanie rądu elektrycznego na strefę tarcia owoduje zmiany wsółczynnika tarcia [L. 1, 3, 4, 13]. Ten fakt sowodował odjęcie badań nad możliwością wykorzystania rądu elektrycznego do sterowania siłą tarcia, aby o rozoznaniu tego zagadnienia móc wykorzystać go w tecnice. Oczywistym jest, że rzed zastosowaniami tecnicznymi należy rzerowadzić badania dotyczące zakresu sterowania siłą tarcia w zależności od arametrów rądu oraz warunków rocesu tarcia. Aby zrealizować owyższe, oracowano lan badań, w którym uwzględniono zmienne zakresy rądu elektrycznego działającego na strefę tarcia, zmienne arametry wymuszeń oddziałującyc na strefę tarcia, takie jak: rędkość ślizgania v [m/s], temeratura węzła tarcia t [ºC] oraz nacisk jednostkowy w strefie tarcia [MPa]. Badania rzerowadzono na modelowym środku smarowym, jakim był olej arafinowy. Część badań rowadzono na oleju modelowym z dodatkami olarnymi takimi jak: kwas stearynowy i alkool stearylowy, o to, aby uzyskać informację, jak dodatki te wływają na zakres sterowalności siłą tarcia. Na odstawie wcześniejszyc ekserymentów rzyjęto w badaniac zakres zmian gęstości rądu elektrycznego wykorzystywanego do sterowania siłą tarcia, który wynosił od ma oraz naięcia od 0,1 1,5 V.

3 T R I B O L O G I A 63 OBIEKT BADAŃ Badania rowadzono na modelowym węźle tarcia (tribometr TR-2) oisanym w [L. 15]. Węzeł tarcia z odłączonym źródłem rądu rzedstawiono scematycznie na Rys. 1. rzeciwróbka róbka obrotowa źródło rądu stałego Rys. 1. Scemat odłączenia źródła rądu elektrycznego do elementów trącyc tribometru Fig. 1. Te sceme of joining of source electric current to fractioned elements of tribometer Badania rowadzono w zakresie rędkości ślizgania 0,1 2 m/s, w temeraturze 20, 40, 60ºC i rzy naciskac jednostkowyc 0 30 MPa. Dodatkowo wrowadzano wymuszenia rądowe 0,1 0,5 A oraz regulowano naięcie rądu stałego w zakresie 0,1,5 V. Podstawowe badania dotyczące wyznaczenia zakresu, w którym można sterować siłą tarcia rzerowadzono na oleju arafinowym firmy Vitco, natomiast badania z dodatkami stanowią otwierdzenie uniwersalności tego zjawiska. EKSPERYMENT Badania rowadzono rzy ustabilizowanej rędkości, ustabilizowanej temeraturze węzła tarcia, a nacisk jednostkowy narastał liniowo. W kolejnyc ekserymentac dyskretnie zmieniano rędkość oraz niezależnie temeraturę. W komorze badawczej znajdował się modelowy środek smarowy. Rejestrowano: siłę tarcia, grubość filmu olejowego, rezystancję w strefie tarcia oraz nacisk jednostkowy. Przyjęto założenie, że oddziaływanie na strefę tarcia rądem elektrycznym może owodować widoczne efekty wówczas, gdy owstaną

4 64 T R I B O L O G I A w strefie tarcia warunki, w któryc rąd elektryczny będzie oddziaływał na cząsteczki nieobojętne elektrycznie, czyli cząsteczki oleju zostaną naelektryzowane lub zjonizowane i będą stanowiły materię odobną do lazmy [L. 12]. Aby wejść w taki zakres tarcia, oszukiwano granicy warunków, w któryc takie zjawiska zaczynają wystęować w sosób zauważalny. Granicę tę można określić, zmieniając liniowo nacisk jednostkowy do cwili, gdy zmieni się struktura środka smarowego w strefie tarcia, owodując gwałtowny sadek rezystancji rzy warunku, że nie zmniejsza się grubość filmu olejowego. Założono także, że rzy dyskretnie zmienianyc arametrac temeratury i rędkości ślizgania granica rzejścia (oisana owyżej) owinna rzesuwać się w zależności od tyc arametrów. Badania miały dwa cele: Określenie granicy oczątku wystęowania intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc, srawdzenie i otwierdzenie założenia, że możliwość sterowania za omocą rądu elektrycznego wystęuje w zakresie wystęowania intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc. Wyznaczanie granicy warunków, w któryc rzecodzono do intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc ilustruje Rys. 2. granica rzejścia do intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc F t R Rys. 2. Identyfikacja rzecodzenia do intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc Fig. 2. Identification of assage to intensive triboelectrical enomenon

5 T R I B O L O G I A 65 Na rysunku tym można zauważyć, że sadkowi rezystancji nie towarzyszy sadek grubości filmu olejowego, a wręcz rzeciwnie jego wzrost. Gdyby nastęował sadek grubości filmu olejowego, można by to interretować związkiem rezystancji z grubością filmu olejowego, który ma carakter dielektryka. Takie zacowanie filmu olejowego świadczy o rzebudowie struktury w związku z wystęowaniem silnyc zjawisk triboelektrycznyc. Rysunki 3, 4 i 5 ilustrują fakt, że zjawisko jest owtarzalne, a onadto wystęuje rzy różnyc środkac smarowyc. ekseryment 1 owtórzenie 1 owtórzenie 2 R Rys. 3. Badanie zjawisk triboelektrycznyc w węźle tarcia smarowanym olejem arafinowym; T = 20ºC, v = 1 m/s Fig. 3. Investigation of triboelectric enomenon in sliding friction in oil araffinic environment; T = 20ºC, v = 1 m/s ekseryment 2 owtórzenie 1 owtórzenie 2 R Rys. 4. Badanie zjawisk triboelektrycznyc w węźle tarcia smarowanym olejem arafinowym z dodatkiem kwasu stearynowego; T= 40ºC, v = 1 m/s Fig. 4. Investigation of triboelectric enomenon in sliding friction in oil araffinic wit additives of stearinic acid;t = 40ºC, v = 1 m/s

6 66 T R I B O L O G I A ekseryment 3 owtórzenie 1 owtórzenie 2 R Rys. 5. Badanie zjawisk triboelektrycznyc w węźle tarcia smarowanym olejem arafinowym z dodatkiem alkoolu stearylowego; T = 40ºC, v = 1 m/s Fig. 5. Investigation of triboelectric enomenon in sliding friction in oil araffinic wit additives of stearyl alcool; T = 40ºC, v = 1 m/s Analizując rzebiegi zmian siły tarcia, rezystancji w strefie tarcia R oraz grubości filmu olejowego od wływem liniowo wzrastającego nacisku jednostkowego z zastosowaniem różnyc środków smarowyc należy zauważyć ewną rawidłowość, która carakteryzuje intensywność wystęowania zjawisk triboelektrycznyc. Ze względu na carakter jednoczesnyc zmian siły tarcia, rezystancji i grubości filmu olejowego, intensywność tribowyładowań można odzielić na 3 etay, co rzedstawiono na Rysunku 6. ETAP I ETAP II ETAP III R Rys. 6. Etay nasilania zjawisk triboelektrycznyc odczas badań tribologicznyc na modelowym węźle tarcia Fig. 6. Stages of increasing triboelectrical enomenon during tribological investigation

7 T R I B O L O G I A 67 Eta I to zakres, w którym zjawiska triboelektryczne wystęują w niewielkim stoniu, a eta II to zauważalne nasilenie tyc zjawisk. Natomiast III eta rzedstawiony na Rysunku 6 to zakres, w którym tribowyładowania wystęują już bardzo intensywnie. Szczegółowy ois tyc zakresów można odnaleźć w ublikacji [L. 15]. Podział ekserymentu tribologicznego na etay w zależności od nasilenia triboemisji osłużył do rzerowadzenia kolejnyc ekserymentów, które miały dać odowiedź, w jakic warunkac za omocą zewnętrznego źródła energii elektrycznej można najefektywniej sterować siłą tarcia. Po określeniu granicznyc warunków, w któryc rzecodzono do wystęowania intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc (eta III wg Rys. 6), rzerowadzono badania z oddziaływaniem rądu elektrycznego na strefę tarcia, w któryc odwzorowano warunki wystęowania silnyc zjawisk triboelektrycznyc, takie jak na Rys. 6 eta III, a więc stały nacisk jednostkowy = 25 MPa. Pokazano to na Rys. 7, gdzie o określonym czasie do owierzcni trącyc rzyłożono naięcie 1V. Po rzyłożeniu naięcia widać silną zmianę siły tarcia. oczątek ekserymentu rzyłożenie naięcia rądu stałego do elementów ciernyc Rys. 7. Efekt rzyłożenia naięcia elektrycznego do owierzcni trącyc odczas wystęowania intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc Fig. 7. Te result of electric tension aly to friction surfaces during intensive triboelectrical enomenon Z kolei w zakresie warunków, gdzie zjawiska triboelektryczne wystęują najsłabiej (eta I wg Rys. 6) ekseryment tribologiczny z użyciem energii elektrycznej rowadzono rzy nacisku jednostkowym = 5 MPa, co okazano na Rys. 8. Z rysunku tego wynika, że rzyłożone naięcie elektryczne nie owoduje żadnyc zmian siły tarcia.

8 68 T R I B O L O G I A oczątek ekserymentu rzyłożenie naięcia rądu stałego do elementów ciernyc Rys. 8. Efekt rzyłożenia naięcia rądu elektrycznego do owierzcni trącyc, odczas gdy nie obserwuje się zjawisk triboelektrycznyc Fig. 8. Te result of electric tension aly to friction surfaces during weak triboelectrical enomenon Srawdzono również warunki, w któryc się te zjawiska rozoczynają, ale nie nabrały jeszcze dominującego carakteru (Rys. 9). Badanie to realizowano rzy nacisku jednostkowym = 15 MPa, który odwzorowywuje warunki tarcia II etau intensywności wystęowania zjawisk triboelektrycznyc z Rysunku 6. oczątek ekserymentu rzyłożenie naięcia rądu stałego do elementów ciernyc Rys. 9. Efekt rzyłożenia naięcia rądu elektrycznego do owierzcni trącyc odczas wystęowania zjawisk triboelektrycznyc Fig. 9. Te result of electric tension aly to friction surfaces during begin triboelectrical enomenon Na Rysunku 9 widać, że o rzyłożeniu naięcia siła tarcia reaguje, ale jeszcze nie z taką intensywnością jak w warunkac, w któryc zjawi-

9 T R I B O L O G I A 69 ska triboelektryczne rzekroczyły wyznaczaną rzez nas granicę wystęowania intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc. Jak wynika z ekserymentów rzerowadzonyc z użyciem źródła rądu stałego, rzykładanie do owierzcni trącyc naięcia elektrycznego owoduje rzede wszystkim zmiany siły tarcia. Realizując te badania w zakresac wystęowania silnyc zjawisk triboelektrycznyc, zauważa się bardzo wyraźne zmiany (nawet 50%) siły tarcia. Natomiast tam, gdzie zjawiska triboelektryczne wystęują znacznie słabiej, to o rzyłożeniu naięcia elektrycznego uzyskuje się gorsze efekty sterowalności siłą tarcia bądź też w ogóle nie wystęują. WNIOSKI 1. Istotnym roblemem tribologicznym jest umiejętność określenia warunków wystęowania intensywnyc zjawisk triboelektrycznyc, owodującyc zmiany siły tarcia, co stwarza możliwość sterowania rocesem tarcia za omocą rądu elektrycznego. 2. Badania wykazały, że intensywne zjawiska triboelektryczne mają carakter uniwersalny, wystęują w rzyadku wszystkic środków smarowyc, ale warunki ic wystęowania są zależne od rodzaju środka smarowego. LITERATURA 1. Maciąg A.: Anizotroia własności tribologicznyc granicznej warstwy smarowej w warunkac olaryzacji rądem stałym. Tribologia, t. 3, Ozimina D.: Badanie oddziaływań tribocemicznyc z zastosowaniem energii elektrycznej. Tribologia, t. 3, Guerett-Piecourt C.: Electrical carges and tribology of insulating materiale. Acad. Sci. Paris, Morris S., Wood R.: Electrostatic carge monitoring of unlubricated sliding wear of a bearing steel Wear 255, Kajdas Cz.: Imortance of te triboemission rocess for tribocemical reaction. Tribology International 38, Harvey T., Wood R., Denuault G.: Investigation of electrostatic carging mecanisms in oil lubricated tribo-contact. Tribology International 35, Cyko E., Kałdoński T.: Possibility of assessment of elements interaction dynamic cange in frictional contact wit triboelectrical effect used Journal of KONES, vol. 14, 2007.

10 70 T R I B O L O G I A Kałdoński T., Wacal A.: Powstawanie ładunków elektrycznyc odczas tarcia metali o teflon. Trybologia, t. 4 5, Grzywaczewski M., Fiłatowa D., Krawczyk K., Nowiński E.: Problemy wyznaczania zakresu arametrów wystęowania efektu tribologicznego możliwości sterowania siłą tarcia za omocą rądu elektrycznego. Terotecnologia 2006, materiały symozjum. 10. Cyko E., Kałdoński T.: Triboelectrical effect in frctional contacts. Solid State Penomena, vol. 113, Hang Y., Yur J., Cou H.: Trib-electrification mecanisms for self mated carbon steels in dry severe wear rocess. Wear 260, Nakayama K.: Triboemission of carged articles from various solids under boundary lubrication conditions. Wear 178, Kajdas C., Furey M., Ritter A.: Triboemission as a Basic Part of te Boundary Friction Regime12 t Colloquium Trib. 2000, Germany Nakayama K., Hasimoto H.: Triboemission, tribocemical reaction, and friction and wear in ceramics under various n-butane gas ressures Tribology International 29, Krawczyk K., Firkowski A., Nowiński E., Cojnacka A., Stęniewski M., Klasek T.: Ocena zmian grubości filmu olejowego w badaniac tribologicznyc. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów PW, nr 2/2010. Recenzent: Dariusz OZIMINA Summary Tis aer resents a new ossibility of using electric current for friction force steering. Tyical friction canges of several arameters deending on unit ressure are also resented. Taking into account te conditions of existing weak and strong triboelectrical enomenon, te ossibility of imact electric current on friction force canges is included. Te largest canges of friction force take lace wen an external source of electric energy coexists in te friction zone and te triboelectrical enomena ave te dominant caracter.