Praca dyplomowa magisterska

Transkrypt

1 Wydział Mechaniczny kierunek studiów: Mechanika Budowa Maszyn specjalność: Konstrukcja i Eksploatacja Maszyn Praca dyplomowa magisterska Badania tribologiczne nowoczesnych kompozytów polimerowych w aspekcie ich wykorzystania w ślizgowych węzłach maszyn. Paweł Janisio słowa kluczowe: tribologia tworzywa sztuczne ślizgowe węzły maszyn Promotor: prof. dr hab. inŝ. Wojciech Wieleba imię i nazwisko ocena podpis Wrocław 2010 pieczątka Instytutu, w którym student wykonywał pracę Strona 1

2 Spis treści 1. Wprowadzenie Polimery Kompozyty polimerowe charakterystyka i podział Kompozyty w ślizgowych węzłach maszyn i mechanizmów Teorie tarcia Adhezyjna teoria tarcia Molekularna teoria tarcia Adhezyjno-odkształceniowa teoria tarcia Energetyczna teoria tarcia Zalety i wady tworzyw sztucznych jako materiałów ślizgowych Zalety stosowania tworzyw sztucznych Wady polimerów, jako tworzyw konstrukcyjnych ślizgowych Tworzywa najczęściej stosowane w konstrukcji ślizgowych elementów Poliamidy (PA) Poliksymetyleny (POM) Policzterofluoroetylen (PTFE) Polichlorotrójfluoroetylen (PCTFE) Poliestry termoplastyczne (PET) Polieteroketony (PEEK) Modyfikacja tworzyw sztucznych Rodzaje stosowanych napełniaczy Włókna szklane (typ E) Strona 2

3 5.3. Włókna karbonizowane - węglowe Czynniki wpływające na przebieg procesu tarcia i zużywania polimerów Wpływ stanu powierzchni materiału metalowego Chropowatość metalowej powierzchni ślizgowej Twardość elementu metalowego Tworzenie polimerowego filmu Wpływ ukształtowania śladów obróbki oraz tryb pracy Wyniki badań Wpływ parametrów ruchowych na tarcie pary ślizgowej polimer metal Wpływ temperatury Wpływ prędkości ślizgania Wpływ nacisku powierzchniowego Przebieg i opracowanie badań tribologicznych Pojęcie i rola badań doświadczalnych Charakterystyka obiektu badań Metody planowania eksperymentu Planowanie dwupoziomowe Analiza merytoryczna wyników badań doświadczalnych Komputerowe wspomaganie badań doświadczalnych Plan rotalny eksperymentu Właściwości badanych kompozytów ślizgowych ERTA PEEK naturalny ERTAXEL polisiarczek fenylu ERTA PEI - polieteroimid Strona 3

4 8.4. Tabela właściwości badanych polimerów Proces badawczy wybranych polimerów Stanowisko badawcze Wyznaczenie wartości współczynnika tarcia Przygotowanie próbek do badań tribologicznych Wyniki i analiza badań Erta PEEK - wyniki badań Ertaxel wyniki badań Erta Pei wyniki badań Wnioski i porównanie badanych materiałów Zastosowanie materiałów polimerowych Łożyska ślizgowe Bibliografia Strona 4

5 Streszczenie polskie: Celem pracy magisterskiej jest określenie współczynnika tarcia dla badanych trzech polimerów: ERTA PEEK, ERTAXEL, ERTA PEI w zależności od prędkości ślizgania oraz siły nacisku. Cześć teoretyczna opisuje zależności pomiędzy polimerami a ich właściwościami mechanicznymi oraz tribologicznymi. Opisuje zjawiska zachodzące podczas procesu tarcia ślizgowego i określa ważne czynniki wpływające na możliwość wykorzystania polierów jako materiałów konstrukcyjnych do łożysk ślizgowych. Część badawcza weryfikuje tezy zawarte w części teoretycznej oraz analizuje wyniki badań na stanowisku pin on disc, na którym to badane próbki poddawane są pracy stykowej pomiędzy materiałem stalowym dysku oraz polimerem. Wnioski zawarte w pracy mogą posłużyć konstruktorom przy doborze odpowiedniego materiału dla części mechanicznych, które będą poddawane stałym procesom tarcia np.: łożyska, panwie, tuleje ślizgowe. Streszczenie angielskie: The aim of the thesis is to determine the coefficient of friction for the three investigated polymers: ERTA PEEK, ERTAXEL, ERTA PEI depending on sliding speed and load. The theoretical part describes the relationship between polymers and their mechanical and tribological properties. Describes the phenomena which occurs during the process of sliding friction and identifies important factors affecting the possibility of using polymers as a structural material for the bearings. Part of the research is to verify the findings in the theoretical part and analyze the results of tests on the "pin-on-disc", in which the samples are subjected to working contact between the steel disk material and polymer. The proposals included in the thesis can help designers in the selection of a suitable material for mechanical parts which are subjected to constant friction processes such as: bearings, bushings, plain bushings. Strona 5

6 1. Wprowadzenie 1.1. Polimery Polimery nazwa ma swoje pochodzenie ze złożenia dwóch greckich słów: polis co oznacza: wiele, oraz meros część. Połączenie tych dwóch wyrazów znaczy dokładnie wieloczęściowy. Tak więc polimery to substancje, które powstają poprzez połączenie się wielu prostych cząstek (merów). Połączenie jednakowych merów nazywamy homopolimerem, różnych: kopolimer. Polimery przejmują właściwości z cząsteczek, na które się składają, jednak w połączeniu charakteryzują się całkiem odmienną charakterystyką fizyczno chemiczną Kompozyty polimerowe charakterystyka i podział Rozwój tworzyw sztucznych oraz wzrost wymagań stawianym materiałom ślizgowym spowodował lawinę nowych kompozytów polimerowych. Przez kompozyt rozumie się tworzywo, które zostało uzyskane z połączenia materiałów podstawowych w celu ulepszenia właściwości fizycznych a w wypadku kompozytów ślizgowych także właściwości tribologicznych. Kompozyty Wielowarstwowe Wypełniane Wielowarstwowe wypełniane M-M (bi- i trimetale) M-N (powłoki przeciwcierne) N-N (laminaty niemetalowe) M-M (pormety wypełnione metalem) M-N (metale bieŝnikowane niemetalami, pormety wypełniane niemetalami) N-N i / lub M (tworzywa sztuczne wypełniane niemetalami i/ lub metalami) M-M-N M-M-N-M M-N-N I inne Rys. 1. Podział kompozytów ślizgowych.[2] Strona 6

7 1.3. Kompozyty w ślizgowych węzłach maszyn i mechanizmów Produkcja coraz nowszych tworzyw konstrukcyjnych powoduje wzrost wykorzystania tych materiałów na odpowiedzialne elementy maszyn i urządzeń, m.in. w panewkach łożysk ślizgowych, kołach zębatych, krzywkach prowadnicach, ulepszone właściwości tychże tworzyw pozwalają na wykorzystanie ich również w układach tribologicznych tam gdzie wymagana jest zwiększona odporność na zużycie. Tworzywa te znajdują swoje zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie niemożliwe jest wykorzystanie tradycyjnych form smarowania. W przypadkach wykorzystywania tworzyw sztucznych w ślizgowych węzłach maszyn, (czyli w stanie niedostatecznego smarowania lub jego braku) mamy do czynienia z tarciem mieszanym(rys. 2.1) lub suchym(rys. 2), o jakości współpracy elementów oraz o zużyciu elementu ciernego decydują właściwości tribologiczne tworzywa. Rys. 2. Tarcie suche Rys Tarcie mieszane Węzły ślizgowe stanowią jeden z fundamentów w większości maszyn, mają one wpływ na trwałość i niezawodność odpowiadają za zachowanie przepływu energii której zachwianie może powodować znaczne straty w operatywności całej maszyny lub doprowadzić do zniszczenia lawinowego innych części konstrukcyjnych. Tarcie suche (rys. 2) oraz mieszane (rys. 2.1) charakteryzuje się znacznymi wzrostami współczynników tarcia i wzrostu temperatury w strefie roboczej, może to prowadzić do nieodwracalnych zmian geometrycznych mechanizmów współpracujących i powstawania luzów w układzie. Do poprawnego działania węzłów maszyn niezbędny jest więc dobór współpracujących materiałów ślizgowych oraz od poprawnej konstrukcji. Dobór polimeru powinien uwzględniać przede wszystkim jego właściwości w odniesieniu do wymagań jakie będą mu stawiane przez dany system tribologiczny. Więc nie możemy jasno stwierdzić, że kompozyt o najniższym współczynniku tarcia Strona 7

8 będzie idealnym materiałem dla wszystkich maszyn i ich węzłów ślizgowych. Środowisko pracy może stawiać niejednoznaczne priorytety, według których powinniśmy dobierać materiał np.: twardość i chropowatość powierzchni, obciążenie (nacisk powierzchniowy), wahania obciążenia (praca udarowa), prędkość elementów współpracujących, temperatura pracy, wilgotność, etc Ocenę cech użytkowych przeprowadza się w pierwszej fazie na podstawie parametrów opisujących poszczególne własności (fizyczne, mechaniczne, chemiczne) oraz na podstawie parametrów względnych wskaźników określanych przez badania ruchowe, np.: wartość współczynnika tarcia, intensywność zużycia, odporność na zużycie, temperatura tarcia, prędkość ślizgania, Badania tribologiczne można podzielić na podstawowe i modelowe. Badania podstawowe prowadzone są zazwyczaj przy użyciu prostego modelu tribologicznego na próbkach materiałowych. Dzięki nim możemy określić przebieg zjawisk zachodzących w określonych warunkach ruchowych. Badania modelowe są prowadzone na fizycznym modelu całego zespołu ślizgowego łącznie z odwzorowaniem cech geometrycznych kinematycznych i dynamicznych. 2. Teorie tarcia Dla lepszego zrozumienia zjawisk tribologicznych niezbędna jest wiedza na temat teorii tarcia, która ewoluowała przez wiele stuleci. Do tej pory nie ma jednoznacznej odpowiedzi na zjawiska zachodzące podczas tarcia suchego(rys. 2), która uwzględniałaby wszystkie czynniki w parze ślizgowej metal polimer [9] Adhezyjna 1 teoria tarcia Teoria sformułowana przez Bowdena, Tabor w 1954 roku. Zakłada ona, że styk ciał nie zachodzi na nominalnej powierzchni, ale na rzeczywistej. Nierówności, które 1 łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz Strona 8

9 znajdują się na powierzchni ulegają deformacji w wyniku których tworzą się mostki zwarcia, czyli miejsca silnej adhezji, natomiast siłą tarcia potrzebna jest do zerwania tych kontaktów adhezyjnych Molekularna teoria tarcia Stworzona przez Tomlinsona (1929) oraz Deriagina (1933, 1952). Teoria ta przedstawia tarcie, jako siłę międzycząsteczkową w przypadku kontaktu powierzchni gładkich. Wnioskiem płynącym z tej teorii jest to, że siły przylegania lub przyciągania międzycząsteczkowego powinny być uwzględniane w teoriach tarcia Adhezyjno-odkształceniowa teoria tarcia Mechaniczna teoria tarcia, stworzona przez Kragielskiego (1949, 1957, 1965). Teoria stara się uwzględnić zjawiska mechaniczne trących ciał oraz oddziaływanie przyciągania molekularnego zawartego w teorii Tomlinsona i Deriagina. Uwzględnia ona zarówno zaczepianie nierówności powierzchni trących jak również siły adhezyjne Energetyczna teoria tarcia Zdefiniowana przez Kuzniecova (1927) oraz Kosteckiego (1970). Teoria ta wyznacza nowy horyzont w procesie myślenia na temat zjawisk zachodzących podczas tarcia. Wnioskuje ona o istnieniu bilansu energetycznego procesów tarcia zewnętrznego. Zjawiska zachodzące podczas kontaktu materiałów (cieplne, akustyczne, elektryczne a także procesy zużycia) powodują straty energetyczne, pracę sił tarcia można opisać, jako sumę składowych energetycznych. 3. Zalety i wady tworzyw sztucznych jako materiałów ślizgowych 3.1. Zalety stosowania tworzyw sztucznych I. Niska wartość współczynnika tarcia. Współczynnik ten jest głównym czynnikiem decydującym o celowości szerokiego wprowadzenia tworzyw sztucznych. II. III. Stosunkowo duża odporność na zużycie. Właściwość tą wykazują zwłaszcza poliamidy, fenoplasty i poliacetale. Dodatkowo, aby zwiększyć odporność na zużycie oraz obniżyć współczynnik tarcia buduje się z nich materiały kompozytowe. Wysoka odporność na działanie olejów, ługów, wodnych roztworów soli. Niekorzystne działanie mają na nie jedynie silne kwasy mineralne i silne zasady. Strona 9

10 Oznaczenia: A odporny, B- słabo odporny, C- niezalecany Tabela 1. Tabela odporności chemicznych niektórych polimerów konstrukcyjnych [1]. Na podstawie tabeli można wywnioskować, że najlepszą odpornością charakteryzuje się PEEK (polieteroketon). IV. Mały ciężar właściwy. Wartość tego parametru zależy oczywiście od rodzaju wykorzystanego tworzywa, jednak czynnik ten ma duży wpływ na ciężar całej maszyny jak i elementów ciernych które w wielu przypadkach są też elementami obrotowymi. V. Łatwość przetwarzania poprzez formowanie, wtryskiwanie, prasowanie, odlewanie. Strona 10

11 VI. Możliwość pochłaniania zanieczyszczeń podczas eksploatacji w powierzchnie robocze nie powodując żadnych skutków ubocznych. VII. VIII. Cichobieżność szczególnie podczas współpracy ze stalą. Szeroka i ogólnodostępna baza surowców, co wiąże się z mniejszymi kosztami produkcji (ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel kamienny) 3.2. Wady polimerów, jako tworzyw konstrukcyjnych ślizgowych I. Dość niska przewodność cieplna. Polimery są bardzo słabymi przewodnikami ciepła, ich przewodność waha się w granicach 0,1 0,3. Czyli jest ona kilkaset razy mniejsza od przewodności stali. Niskie przewodnictwo tworzyw jest bardzo dużą wadą, jeśli weźmiemy pod uwagę pracę tworzywa w ślizgowych węzłach maszyn. Szczególnie ważnym aspektem, z którymi możemy mieć kłopoty podczas zastosowania tworzyw jest chłodzenie. Chłodzenie wodą nie zawsze daje wymierne skutki, może powodować spęcznienie tworzywa lub korodowanie partnera metalicznego, co może wiązać się ze zmianą geometrii w parze ślizgowej. II. III. Duża rozszerzalność cieplna. W porównaniu do metali jest ona kilku lub czasami kilkunastokrotnie większa. Parametr ten można zmienić dodając odpowiednią ilość wypełniacza lub stosując bardzo cienkie powłoki przeciwcierne. Stosunkowo duża higroskopijność 2. Może powodować niebezpieczeństwo zmiany geometrii, co w przypadku kół zębatych może spowodować do skasowania luzów i wyłamania zębów natomiast w przypadku łożysk ślizgowych klinowania czopa. 4. Tworzywa najczęściej stosowane w konstrukcji ślizgowych elementów. Przedstawiona poniżej grupa tworzyw termoplastycznych jest najczęściej stosowana w konstrukcji ślizgowych elementów maszyn. 2 podatność niektórych substancji na wchłanianie wilgoci lub nawet wiązanie się z wodą. Strona 11

12 4.1. Poliamidy (PA) Szeroka gama poliamidów umożliwia, w zależności od zastosowań, dobór tworzywa o określonych właściwościach technicznych. Już w fazie konstrukcji można uniknąć późniejszych kosztów związanych z korektą i naprawą zużytych elementów. Poliamidy można przetwarzać za pomocą obróbki wiórowej. Przez zastosowanie dodatków uszlachetniających uzyskuje się specyficzne właściwości tego tworzywa takie jak np. odporność na działanie mediów chemicznych, promieniowanie UV, stabilność w warunkach obciążeń cieplnych itp. Różnice we własnościach fizycznych istniejące pomiędzy różnymi typami są głównie spowodowane składem i strukturą ich łańcuchów cząsteczkowych. Szczególne właściwości: odporność na ścieranie -Obok innych właściwości poliamid ma wysoką odporność na ścieranie i tym samym staje się idealnym tworzywem dla elementów ślizgowych. samo smarowność - Poliamid zmodyfikowany podczas polimeryzacji z olejem mineralnym gwarantuje ciągłe smarowanie przez cały okres jego użytkowania. Dodatkowe smarowanie nie jest potrzebne. poziom naprężenia własnego - Na podstawie specjalnego procesu produkcji tworzywa metodą odlewania otrzymuje się poliamid o zmniejszonym poziomie naprężeń wewnętrznych. Pozwala to wykorzystywać go szczególnie do części stosowanych przy pracy na sucho 4.2. Poliksymetyleny (POM) POM-C i POM-H (biały/czarny). Poliacetale to polimery, których łańcuchy zawierają głównie grupy acetalowe (-O-C- O-). Otrzymuje się je głównie w wyniku polimeryzacji aldehydów. Czysty kopolimer (POM-C) acetalu w stosunku do homopolimeru (POM-H) acetalu jest bardziej odporny na hydrolizę, mocne alkalia oraz degradację termiczno-tlenową. Strona 12

13 Homopolimer ma jednak wyższą wytrzymałość mechaniczną, odporność na pełzanie i ścieranie. Posiada również niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej, jest sztywniejszy i twardszy. Szczególne właściwości: Sztywność i znakomita sprężystość powrotna - Poliacetale C i H, mimo minimalnych różnic w twardości i sztywności, mają zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagane jest wysokie bezpieczeństwo pracy przez zachowanie stałych właściwości tworzywa. Szczególnie polecany jest do wytwarzania kół zębatych o małych modułach, krzywek, gniazd zaworów, mocno obciążonych łożysk i krążków, kół zębatych o małych luzach, wszelkiego rodzaju precyzyjnych części konstrukcji maszyn stabilnych wymiarowo. odporność na chemikalia - Poliacetale C i H posiadają dobrą odporność na wiele chemikaliów i umożliwiają ich stosowanie z mediami silnie agresywnymi chemicznie 4.3. Policzterofluoroetylen (PTFE) Jest semi-krystalicznym, wysokosprawnym termoplastem oraz jednym z najbardziej stabilnych termicznie tworzyw sztucznych (temperaturowy zakres pracy: od -200 do +260 o C). Posiada odporność na działanie niemal wszystkich znanych pierwiastków, związków chemicznych oraz rozpuszczalników. Doskonała izolacyjność elektryczna i najniższy współczynnik dielektryczny spośród wszystkich tworzyw sztucznych są cechami istotnymi dla zastosowań w elektrotechnice, a zwłaszcza w technice wysokiej częstotliwości. Szczególne właściwości: zachowanie ślizgowe - Wszystkie rodzaje PTFE wraz z tworzywem PE 2000 posiadają jeden z najmniejszych współczynników ślizgowych wśród wszystkich tworzyw technicznych. Typowa dla PTFE jest bardzo niska przyczepność i tym samym najniższe współczynniki tarcia na prawie wszystkich ciałach stałych. Dzięki równości statycznego i dynamicznego współczynnika tarcia praktycznie nie występuje zjawisko "drgań ciernych" tzw. efekt stick-slip 3. Te właściwości 3 ciągłe powtarzanie tworzenia filmu i statycznego tarcia pomiędzy powierzchnia ślizgową a uszczelnieniem, co widocznie objawia się stałym ruchem Strona 13

14 zmniejszają konieczną moc napędową, redukując tym samym zużycie energii. PTFE jest szczególnie polecany do wszelkiego rodzaju uszczelnień, łożysk i listew ślizgowych. temperatura ciągłego użytkowania - Temperatura ciągłego użytkowania zawiera się w przedziale -200 o C do +260 o C. Trudno zapalne tworzywo wg. UL 94 pod-wyższa bezpieczeństwo urządzeń w zastosowaniu wysokich temperatur. Niewzmocnione typy PTFE preferowane są w zastosowaniach wysokotemperaturowych z uwagi na ich korzystne właściwości ślizgowe, niską ścieralność oraz parametry chemiczne, mechaniczne i elektryczne Polichlorotrójfluoroetylen (PCTFE) Struktura chemiczna tego wysokowartościowego tworzywa sztucznego zapewnia niezwykłe wysoką odporność na chemikalia i pęknięcia naprężeniowe. TECAFLON PTFE jest nierozpuszczalny w prawie wszystkich znanych rozpuszczalnikach. TECAFLON posiada trwałą temperaturą użytkową 260 C. Typowa dla TECAFLON PTFE jest bardzo niska przyczepność i tym samym najniższe współczynniki tarcia na prawie wszystkich ciałach stałych. Dzięki równości statycznego i dynamicznego współczynnika tarcia praktycznie nie występuje efekt stick-slip. Niewzmocnione typy TECAFLON preferowane są w zastosowaniach wysokotemperaturowych z uwagi na ich korzystne właściwości ślizgowe, niską ścieralność oraz parametry chemiczne, mechaniczne i elektryczne Poliestry termoplastyczne (PET) PET jest semi-krystalicznym technicznym tworzywem sztucznym o wysokiej wytrzymałości i ciągliwości, doskonałej skrawalności, co zapewnia szeroki zakres jego zastosowań. PET + środek samosmarny jest politereftalanem etylenu zawierającym równomiernie rozprowadzoną substancję smarującą. Szczególne właściwości: właściwości ślizgowe i ścieralne - Jest idealnym tworzywem do zastosowań ślizgowych i ścieralnych wykazując mały współczynnik ślizgowy i wysokie dynamiczne obciążenie. Dzięki temu możliwe jest Strona 14

15 zredukowanie koniecznych mocy napędowych w urządzeniach, uniknięcie zachowań drgań ciernych oraz znaczne przedłużenie żywotności stosowanych części. Stosowany do wyrobu listw i łożysk ślizgowych. stabilność wymiarowa - PET nieznacznie pochłania wilgoć i dzięki niskiemu współczynnikowi rozszerzalności umożliwia wysoką stabilność wymiarową. Znajduje zastosowanie w produkcji precyzyjnych części mechanicznych: tulei, prowadnic, kół zębatych, rolek, elementów pomp, podkładek oporowych. Szczególne właściwości czystego PET sprawiają, że doskonale nadaje się do produkcji precyzyjnych części mechanicznych, wytrzymałych na duże obciążenia oraz/lub odpornych na ścieranie. odporność UV - PET wykazuje dobrą odporność na promieniowanie ultrafioletowe i małą chłonność wilgoci, co umożliwia stosowanie go na wolnym powietrzu. Redukuje to koszty ochrony powierzchni jakie ponosi się np. przy stosowaniu metalu 4.6. Polieteroketony (PEEK) PEEK to wysokosprawne semi-krystaliczne tworzywo sztuczne, które dzięki unikalnym właściwościom jest odpowiednie do bardzo wielu zastosowań o dużych wymaganiach. Wyróżnia się wysoką krystalicznością i doskonałą wytrzymałością mechaniczną. Tworzywo to znajduje szerokie zastosowanie w budowie pojazdów i maszyn tekstylnych, papierniczych i pakujących, elektrotechnice, mechanice precyzyjnej, technice medycznej i środków spożywczych, technice jądrowej i próżniowej, budowie aparatury. PEEK występuje w 4 formach podstawowych: bez domieszek (kolor beżowy) - posiada dobrą wytrzymałość termicznomechaniczną, dobrą odporność chemiczną i własności ślizgowe oraz bardzo dobrą izolacyjność elektryczną, wzmocniony 30% dodatkiem włókien szklanych (kolor beżowy) - charakteryzuje się podwyższoną odpornością na ścieranie, lepszą termiczną stabilnością kształtu i izolacyjnością elektryczną, Strona 15

16 wzmocniony 30% dodatkiem włókien węglowych (kolor czarny) - lepsza termiczna stabilność kształtu podwyższona odporność na ścieranie bez utraty dobrych właściwości ślizgowych, wzmocniony 10% dodatkiem PTFE, włókien węglowych i grafitu (kolor czarny) - formuła o optymalnych właściwościach tribologicznych. Szczególne właściwości: odporność chemiczna - PEEK posiada doskonałą odporność na chemikalia, która daje możliwość jego użycia w kontakcie z wieloma materiałami. Nie jest przy tym konieczne zastosowanie ochronnych powierzchni lub wysokostopowych metali. Jednocześnie jest on odporny na hydrolizę (260 o C) i gorącą parę. Ze względu na znoszenie częstej sterylizacji bez powstawania pęknięć naprężeniowych PEEK jest wykorzystywany w medycynie i przemyśle spożywczym. odporność na temperaturę - Trwała temperatura użytkowania PEEK sięga 260 o C. Zostają przy niej zachowane jego elektryczne wartości oporowe oraz sztywność i trwałość. Przy zastosowaniach o trwałym obciążeniu i wpływie temperatury zapewnia dobrą odporność formy. właściwości ślizgowe i cierne - Dzięki modyfikacji PEEK posiada wyjątkowe właściwości ślizgowe i ulepszone zachowania ścierne. Jest stosowany m.in. do wytwarzania kół zębatych, łożysk i listw ślizgowych oraz okładzin ciernych. współczynnik rozszerzalności/wydłużenia - PEEK posiada mały współczynnik rozszerzalności termicznej w porównaniu z innymi technicznymi tworzywami sztucznymi. Optymalna stabilność wymiarów pozwala na stosowanie tego tworzywa w środowisku mokrym bez zmiany kształtów. Pozwala to na uniknięcie kosztownych konstrukcji w połączeniach tworzywo sztuczne - metal. Wykorzystywany m.in. przy produkcji tulei, kołnierzy, pierścieni oporowych i listw dystansowych Do grupy tworzyw utwardzalnych stosowanych także w konstrukcji elementów maszyn należą: kompozyty na osnowie tworzyw fenolowych (PF), kompozyty na osnowie tworzyw epoksydowych (EP), Strona 16

17 5. Modyfikacja tworzyw sztucznych Podwyższanie niezawodności i trwałości węzłów ślizgowych poprzez modyfikację tworzyw sztucznych jest mniej kosztowne i mniej czasochłonne niż opracowywanie nowych tworzyw. Proces modyfikacji może być prowadzony w różnych fazach przetwórstwa tzn. podczas produkcji tworzywa bazowego, na etapie półfabrykatu lub po wykonaniu gotowego wyrobu. Niektóre modyfikacja, np. warstwy wierzchniej mogą zachodzić samoistnie poprzez docieranie w materiałach ślizgowych w tym wypadku tworzy się warstwa o polepszonych właściwościach tribologicznych. Do najczęściej stosowanych sposobów modyfikacji należą: modyfikacja chemiczna, obróbka cieplna, modyfikacja warstwy wierzchniej elementu tworzywa za pomocą implementacji jonowej, napromieniowaniem, wykorzystując środki chemiczne lub też poprzez odkształcenia mechaniczne. modyfikacja poprzez napełnienie polimeru bazowego napełniaczami, [3] Bardzo popularna i szybko rozpowszechniana jest ostatnia metoda poprzez stosowanie napełniaczy. Tworzy się w ten sposób kompozyty polimerowe. Stosowane napełniacze mają za zadanie zmniejszać wartość współczynnika tarcia i przede wszystkim zmniejszać intensywność zużycia w warunkach tarcia suchego i mieszanego z przeciwelementem. Dodatkowym ważnym parametrem jest praca skojarzenia ślizgowego, która musi być stabilna w całym zakresie zmienności warunków zewnętrznych podczas procesu tarcia Rodzaje stosowanych napełniaczy Do modyfikacji polimerów stosowane są napełniacze różnego typu. Można je sklasyfikować na podstawie kilku kryteriów, jednymi z nich mogą być: podział ze względu na rodzaj materiału, ze względu na kształt cząstek napełniacza, Podział ze względu na rodzaj materiału rozgranicza nam pole wyboru do napełniaczy metalicznych oraz niemetalicznych. Najczęściej stosowanymi napełniaczami metalicznymi (w postaci proszkowej) są: cyna, miedź, ołów, stopy Strona 17

18 łożyskowe takie jak: brązy, mosiądze, tlenki niektórych metali takie jak:,,,. W drugiej grupie napełniaczy (niemetalicznych) stosowane są zarówno inne polimery (PTFE, PE, różne żywice), napełniacze mineralne takie jak: kreda, mika oraz inne substancje pomocnicze takie jak: sadza, grafit, włókno węglowe, włókno szklane itp. Inną klasyfikacją jaką można stosować jest podział na organiczne i nieorganiczne [4]. Wpływ rodzaju wzmocnienia na moduł Younga kompozytów epoksydowych Włókno borowe Kompozyt borowo-epoksydowy Włókno węglowe Kompozyt węglowo-epoksydowy Włókno aramidowe Kompozyt aramidowo-epoksydowy Kompozyt aramidowoepoksydowy Włókno aramidowe Kompozyt węglowoepoksydowy Włókno węglowe Kompozyt borowoepoksydowy Włókno borowe Moduł Younga Rysunek 4. Wpływ rodzaju wzmocnienia na moduł Younga kompozytów epoksydowych[4] Według kryteria kształtu, napełniacze dzieli się na : dyspanseryjne nazywane również proszkowymi (w postaci granulek, blaszek lub drobnych włókien) włókniste (włókna długie i włókna cięte). Napełniacze są wprowadzane w różnych celach: poprawy właściwości fizycznych, chemicznych oraz mechanicznych. W celu obniżenia ceny polimeru bądź w celu ułatwienia przetwórstwa. Dobór napełniaczy i ich ilości przeprowadza się w taki sposób aby uzyskać zamierzone właściwości kompozytu Włókna szklane (typ E) Włókna szklane, przeznaczone do wzmacniania polimerów są otrzymywane najczęściej ze szkła bezalkalicznego, które zawiera 8-12%. Jest to szkło o specjalnych właściwościach: ma zwiększoną wytrzymałość mechaniczną i lepsze właściwości elektryczne. Strona 18

19 Właściwości włókna szklanego są inne niż szkła litego. Wytrzymałość włókna zależy od jego średnicy(rys.5) oraz długości. Gwałtowne zmniejszenie wytrzymałości włókna jest ściśle związane z defektami które mogą wystąpić na jego powierzchni (im większa jest powierzchnia włókna, tym większa jest możliwość jego uszkodzenia). Wytrzymałość R, MPa Wytrzymałość elementarnego włókna szklanego Średnica włókna, µm Rys. 5. Zależność średnicy włókna od wytrzymałości włókna szklanego.[4] Włókno szklane, w porównaniu z innymi materiałami włóknistymi naturalnymi jak i syntetycznymi. Posiada pięciokrotnie większą wytrzymałość i kilkakrotnie mniejsze wydłużenie (tab. 2). Odporność termiczna włókien szklanych jest bardzo dobra. Wytrzymują one temperatury nawet do 60, niestety po 24 godzinach pracy w temperaturze ok. 400 wytrzymałość maleje o połowę. Mikrobaloniki, które są wprowadzane do polimeru, w niewielkim stopniu wpływają na płynięcie stopu. Nadają jednak kompozytowi właściwości izotropowe 4 4 Izotropowość materiału jest to brak różnic we właściwościach fizycznych tego materiału, takich jak: rozszerzalność termiczna, przewodzenie ciepła, przewodnictwo elektryczne czy współczynnik załamania światła, niezależnie od tego w jakim kierunku są one mierzone. Strona 19

20 Rodzaj włókna Średnica µm Gęstość cm^3 Wytrzymałość na rozciąganie Mpa Wydłużenie % Moduł sprężystości Gpa Szklane typ E Szklane typ M Szklane typ R Szklane typ S Węglowe Grafitowe Stalowe Monokrystaliczne Naturalne: bawełna wełna sizal juta len 5-9 2, , , , , ,4-1,8 900 ~1, ,5-2, ~1, ,8 ~ ~1 4, , ,45-2 rozkład ,5-2 rozkład ,3-3 rozkład Tabela 2. Właściwości różnych włókien[4] Włókna karbonizowane - węglowe Wyżej wymienione włókna otrzymuje się metodą pirolizy 5 polimerycznych substancji organicznych. W zależności od rodzaju i struktury włókna wyjściowego oraz procesu technologicznego uzyskuje się gatunki włókien karbonizowanych różniące się znacznie właściwościami mechanicznymi są to: HM wysokomodułowe HT o dużej wytrzymałości na rozciąganie Podstawowe rodzaje włókien karbonizowanych, różniących się strukturą i właściwościami fizycznymi są następujące: 5 to proces rozkładu termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi. Strona 20

21 włókna węglowe, zawierające ok % węgla. Ich grafitowa struktura krystaliczna jest słabo rozwinięta i mało zorientowana. włókna węglowe, zawierające ok. 99% węgla z dobrze wykształconą i zorientowaną grafitową strukturą krystaliczną. Surowcami z których otrzymywane są włókna karbonizowane są: celuloza, poliakrylonitryl, asfalty, paki mezofazowe, smoły lub żywice fenolowe. 6. Czynniki wpływające na przebieg procesu tarcia i zużywania polimerów 6.1. Wpływ stanu powierzchni materiału metalowego Do głównych czynników, które mają wpływ na jakość procesu tarcia związanych ze stanem powierzchni metalowego współpartnera ślizgowego należy zaliczyć chropowatość oraz twardość powierzchni ślizgowej. Inne czynniki, takie jak: skład chemiczny warstwy wierzchniej czy kierunek struktury powierzchni po obróbce wykańczającej również mają wpływ na zachowanie się pary ślizgowej. Jednak ze względu na technologię wykonywania takich elementów, mają one dość ograniczony zakres dowolności i najczęściej osoba konstruująca nie ma wpływu na te czynniki Chropowatość metalowej powierzchni ślizgowej Jednym z najważniejszych czynników o dużym znaczeniu tribologicznym jest chropowatość powierzchni, w przypadku bardzo gładkich powierzchni, główną rolę w procesie tarcia odgrywa adhezja powierzchni tworzywa do powierzchni metalowego współpartnera. Rezultatem tego jest dość duża wartość współczynnika tarcia, przeciętnie około 1,5 do 2 razy większa, niż przy tarciu po powierzchni bardziej chropowatej. Występowanie silnej adhezji także niekorzystnie wpływa na intensywność zużycia gdyż zjawisko adhezji potęguje się wraz ze wzrostem nacisku, powodując wzrost rzeczywistej powierzchni styku i zbliżenie cząstek współpracujących na odległość zasięgu oddziaływań II rzędu.[3] Można wywnioskować, że wraz ze wzrostem chropowatości maleje współczynnik tarcia, zmniejszając się do minimum (wraz z malejącą adhezją), następnie po osiągnięciu minimum współczynnik tarcia znów zaczyna wzrastać(rys.6 ). Strona 21

22 Rys. 6 Zmiana wartości współczynnika tarcia (rys.a) oraz współczynnika zużycia (rys.b) w zależności od chropowatości powierzchni Ra elementu stalowego.[3] Przyczyną ponownego wzrostu współczynnika tarcia jest opuszczenie strefy przyciągania adhezyjnego i przejście do innego rodzaju tarcia związanego z rysowaniem, bruzdowaniem i mikroskrawaniem powierzchni ślizgowej polimeru. Powoduję to wzrost oporów tarcia i gwałtowny wzrost zużycia tworzywa, w którym zasadniczy udział ma zużycie ścierne. Rys. 7 Wpływ chropowatości Ra stalowego elementu wartości współczynnika tarcia µ.[3] Strona 22

23 Można wywnioskować z przedstawionego rysunku (rys. 7), że istnieje wartość chropowatości powierzchni metalowej, dla której wartość współczynnika tarcia jest najmniejsza (najbardziej optymalna), jest to wartość pośrednia, pomiędzy wysoką chropowatością powierzchni elementu metalowego, a wartością minimalną (zjawisko adhezji). Tworzywo sztuczne Optymalna chropowatość Ra [µm] PA6, PA6.6, PI PA/grafit, PA6.6/PE 1-2 PA11, PA12 0,5-1 POM PTFE 0.2 Tabela. 3 Optymalne chropowatości powierzchni stalowego przeciwelementu dla wybranych polimerów Twardość elementu metalowego Twardość elementu metalowego ma znaczny wpływ na jakość pracy ślizgowej, jednak nie jest to współczynnik, który można uważać za najbardziej odpowiedzialny w tym procesie oddziaływań. Wraz ze wzrostem twardości powierzchniowej metalu, która to jest miarą stanu umocnienia warstwy wierzniej, następuje wzrost energii powierzchniowej. Występowanie tej energii na warstwie powierzchniowej powoduje wzbudzanie atomów tej warstwy a tym samym zwiększenie aktywności chemicznej. Inicjuje to zjawiska niepożądane takie jak: dyfuzję, sorpcję 6 oraz adhezję. Owe zjawiska fizyczne inicjują także wzrost temperatury, która to z kolei zwiększa udział zjawisk adhezyjnych. Wzrost energii powierzchni powoduje również wzrost amplitudy drgań atomów na powierzchni metalu w kierunku prostopadłym do powierzchni, co również wpływa na powstawanie więzi z obcymi atomami na powierzchni tworzywa (adhezja, sorpcja). Tak jak w wypadku chropowatości powierzchni, tak ocenie twardości metalu możemy wyznaczyć twardość elementu, która będzie najbardziej optymalna podczas współpracy metal polimer w danych warunkach pracy tarcia. 6 pochłanianie jednej substancji sorbatu, przez inną substancję sorbent. Strona 23

24 Prace badawcze potwierdzają fakt, że przy łagodnych warunkach tarcia (małe naciski jednostkowe) lepsze właściwości tribologiczne uzyskuje się przy małych wartościach twardości elementu metalowego (30 40 HRC). Natomiast przy dużych wartościach nacisku oraz małej twardości elementu metalowego, następuje zwiększone zużycie powierzchni stalowej ze względu na mniejszą wytrzymałość zmęczeniową stalowych mikronie równości, które zostają ścinane na skutek wielokrotnych oddziaływań z powierzchnią polimeru. Wobec tego przy dużych naciskach zalecane jest aby twardość współpartnera stalowego była większa niż 50 HRC. Dodatkowym uzasadnieniem tej tezy jest także fakt iż w skojarzeniach polimer metal - elementem, który ulega szybszemu zużyciu jest materiał polimerowy co wynika zazwyczaj z racji ekonomicznych Tworzenie polimerowego filmu Tworzenie na powierzchni polimeru i metalu warstwy ślizgowej zbudowanej z materiału polimerowego nazywamy filmem polimerowym. Film polimerowy jest zjawiskiem, które powoduje że tarcie zachodzi pomiędzy powierzchniami polimerowymi, a nie bezpośrednio pomiędzy polimerem a metalem. A. Polak opisał mechanizm powstawania filmu polimerowego jako proces składający się z kilku etapów (rys. 8) Rys. 8 Model tworzenia się filmu polimerowego[3] Strona 24

25 a) początek tworzenia filmu polimerowego pierwsza warstwa polimeru na wierzchołkach mikronie równości powierzchni metalu b) produkty zużycia wypełniają przestrzenie pomiędzy mikrowzniesieniami, c) końcowy etap formowania filmu polimerowego podczas procesu tarcia, Pierwsza warstwa filmu polimerowego powstaje na wierzchołkach mikrowzniesień powierzchni metalowej i jest z nią ściśle związana. Warstwa ta nie jest całkowicie usuwana, jedynie naruszana podczas współpracy. Kolejną fazą jest pojawianie się materiału polimerowego w zagłębieniach elementu metalowego, który jest produktem zużycia oddziaływań wierzchołków mikronie równości powierzchni metalu na powierzchnię polimeru. Nie wszystkie cząstki produktów zużycia zostają związane z powierzchnią metalu. W kolejnych etapach są one ściskane poprzez współpracujące powierzchnie ślizgowe tworząc warstwę o różnej grubości. Szybkość tworzenia filmu, jego trwałość oraz struktura zależy przede wszystkim od ukształtowania powierzchni materiału metalowego, gdyż kształt filmu zazwyczaj jest adaptowany z kształtu mikronie równości powstałych na materiale metalowym, co potwierdzają badania mikroskopowe. Istnieje również hipoteza, która sformułował A. Polak, która twierdzi że czynnikiem mającym duży wpływ na tworzenie filmu polimerowego jest energia powierzchniowa polimeru. Im większa jest wartość tej energii, tym mocniej warstwa polimeru przylega do przeciwelementu, chroniąc w ten sposób materiał polimerowy od bezpośredniego kontaktu z metalem. Idąc dalej tym rozumowaniem materiały, które charakteryzują się dużą wartością energii powierzchniowej tworzą film o większej spójności cząsteczek lub warstw Wpływ ukształtowania śladów obróbki oraz tryb pracy Na właściwości tribologiczne par ślizgowych metal polimer[8], oprócz wyżej wymienionych właściwości struktury powierzchniowej elementu metalowego wpływa również struktura geometryczna powierzchni elementu metalowego. Ważnym aspektem, który powoduje różnice we współczynniku tarcia pomiędzy dwoma materiałami polimer metal jest też tryb pracy. Współczesna nauka o eksploatacji opisuje trzy tryby pracy: docieranie praca właściwa zużycie Strona 25

26 Podczas współpracy elementu polimerowego z metalowym w fazie docierania zostaje wytworzony film polimerowy, który zmniejsza zużycie polimeru i zmniejsza współczynnik tarcia pomiędzy dwoma materiałami aż do przejścia w fazę pracy właściwej, co opisują badania przeprowadzone na próbce materiału kompozytowego na osnowie PTFE z dodatkiem 40% proszku brązu. Materiał ten został dobrany ze względu na dobre właściwości tribologiczne[5] i jest stosowany między innymi jako materiał na panewki bezobsługowe łożysk ślizgowych[2] Wyniki badań Analiza uzyskanych wyników badań pozwala na postawienie tezy, iż zmiana współczynnika tarcia jest degresywna w kolejnych etapach badań, co oznacza że wraz ze wzrostem drogi tarcia maleje współczynnik tarcia. Jest to spowodowane tworzeniem się wyżej wspomnianego filmu polimerowego powłoki chroniącej materiał polimerowy przed bezpośrednim kontaktem elementu stalowego z polimerem [6] prowadzącym do zmniejszenia tempa zużywania materiału polimerowego. Droga tarcia [km] µ [-] Iz [µm/km] µ [-] Iz [µm/km] µ [-] Iz [µm/km] Niepewność +/ / / / / / Kąt śladów obróbki [o] Tabela 4. Wpływ ukształtowania śladów obróbki elementu stalowego w okresie docierania [7]. Z tabeli wyników można wywnioskować, że największe wartości współczynnika tarcia oraz intensywności zużywania występują w pierwszym etapie badań na odcinku drogi tarcia 6km. W tym etapie następuje proces docierania pary trącej oraz rozgrzewanie elementów współpracujących. Towarzyszy temu wysoki współczynnik Strona 26

27 zużycia liniowego w szczególności gdy brak jest wytworzonego filmu polimerowego wówczas nierówności twardszego materiału odgrywają rolę mikroostrzy. W kolejnych etapach przeprowadzonego badania zarejstrowano znaczne zmniejszenie się współczynnika tarcia oraz zużycia liniowego, znaczniej widoczny stał się również wpływ ukierunkowania śladów obróbki na właściwości badanych materiałów. Rys. 9. Wpływ ukształtowania śladów obróbki elementu stalowego w okresie docierania na wartość współczynnika tarcia (µ - współczynnik tarcia, s droga tarcia)[7]. Wykres wpływu ukształtowania śladów obróbki wskazuje nam, że najmniejszą wartość współczynnika tarcia uzyskujemy dla struktury obróbki o kącie 72, jednakże intensywność zużycia liniowego dla tej struktury jest znaczna. Najkorzystniejszym ukształtowaniem śladów obróbki elementu stalowego współpracującego z polimerową próbką pod względem największej odporności na zużycie jest kąt 45. Ukształtowanie to, zapewnia wymaganą stabilność położenia elementów łożyskowych uzyskiwaną po okresie docierania dla polimerowych łożysk ślizgowych. Rezultaty tych badań mogą pomóc konstruktorom w doborze odpowiedniej obróbki maszynowej czopów wału. Strona 27

28 Droga tarcia [km] 26 µ [-] Iz [µm/km] Niepewność +/ / Kąt śladów obróbki [o] Tabela 5. Wpływ ukształtowania śladów obróbki elementu stalowego w okresie docierania.[7] 6.2. Wpływ parametrów ruchowych na tarcie pary ślizgowej polimer metal Spośród wielu czynników ruchowych mających wpływ na właściwości tribologiczne skojarzeń ślizgowych polimer- metal, do najbardziej istotnych oraz najczęściej uwzględnianych w projektowaniu węzłów maszyn należą: temperatura tarcia, prędkość ślizgania, nacisk powierzchniowy, Wpływ temperatury Własności tribologiczne tak jak inne właściwości w fizyce ulegają zmianie wraz z temperaturą materiału polimerowego. Przebieg stanu polimeru oraz wartości temperatury w porównaniu do wartości współczynnika tarcia reprezentuje wykres(rys. 10): Strona 28

29 Rys. 10 Ogólna zależność współczynnika tarcia od temperatury dla polimerowych materiałów termoplastycznych[7]., ę, ś Wykres temperaturowy jest podzielony na trzy stany odpowiadające stanom fizycznym w jakich może znajdować się polimer podczas tarcia. Obszar I odpowiada stanowi wysokoplastycznemu, obszar II wymuszonej elastyczności, natomiast obszar III stanowi szklistemu. Wraz ze zmianą stanu fizycznego materiału polimerowego zmienia się mechanizm tarcia. W obszarze stanu szklistego (III) duży wpływ mają straty mechaniczne związane z objętościowym przeformowaniem warstw wierzchnich. Udział składowej mechanicznej w pobliżu temperatury zeszklenia jest porównywalny z udziałem sił adhezyjnych. W pobliżu tej temperatury możemy zaobserwować najniższy współczynnik tarcia. Wraz ze wzrostem temperatury coraz większą rolę zaczynają odgrywać siły międzycząsteczkowe (adhezji) w związku z współpracującą powierzchnią. Podczas tego wzrostu temperatury rośnie również współczynnik tarcia aż do osiągnięcia wartości maksymalnej w pobliżu temperatury mięknienia. Strona 29

30 Najmocniej reagującymi tworzywami na zmiany temperatury pod względem tribologicznym są termoplasty. Zmiana współczynnika tarcia wybranych polimerów termoplastycznych w funkcji temperatury została przedstawiona na rysunku 11. Z wyżej wymienionego wykresu wynika iż wartość współczynnika tarcia dla większości polimerów (z wyjątkiem PTFE) maleje, natomiast intensywność zużycia Iż ulega zwiększeniu wraz ze wzrostem temperatury. Rys. 11. Wpływ temperatury na wartość współczynnika tarcia (rys. a) oraz intensywność zużywania (rys. b) dla wybranych polimerów współpracujących ze stalą.[7] Wpływ prędkości ślizgania Zależność prędkości ślizgania od wartości współczynnika tarcia jest nie do końca poznanym elementem teorii tarcia ślizgowego. O zależności tej wiadomo mniej niż na temat nacisków jednostkowych. W wielu badaniach prowadzonych przez Kosteckiego [10],[11]wykazano, że istnieją różne przebiegi tej zależności: z minimami oraz maksymami, z monotonicznym opadaniu wartości współczynnika tarcia jak i przebiegami o niezmiennej wartości współczynnika przy zmieniającej się prędkości poślizgu. Większość badaczy twierdzi jednak, że wraz ze wzrostem prędkości ślizgania współczynnik tarcia maleje. Moore twierdzi, co również potwierdzają badania Kosteckiego, że zależność ta jest wykładnicza [12]: exp (1) Gdzie: a, b, c, d to współczynniki zależne od zestawu materiałów węzła tarcia oraz od obciążenia. Strona 30

31 Przykładowa zależność współczynnika tarcia od prędkości ślizgania oraz od nacisku jednostkowego przedstawia rysunek 12 (badanie właściwości tribologicznych polimeru POM niemodyfikowanego). Rys. 12. Zależność współczynnika tarcia µ od prędkości ślizgania v oraz od nacisku p. Przeprowadzona na poliksymetylenie (POM) niemodyfikowanym[13]. Wykres tych zależności określa, iż współczynnik tarcia rośnie wraz z ze wzrostem prędkości ślizgania przy malejącym nacisku jednostkowym. Natomiast w momencie wzrostu nacisku jednostkowego oraz prędkości ślizgania, można zauważyć obniżenie współczynnika tarcia może się to wiązać z powstawaniem filmu polimerowego tworzącego się w mikronierównościach powierzchni materiału metalowego przy wyższym nacisku (wyższa temperatura ułatwia powstawanie filmu) Wpływ nacisku powierzchniowego Wpływ nacisku powierzchniowego na własności ślizgowe a tym samym na współczynnik tarcia można ustalić tylko w krótkim przedziale czasu, gdyż występują zmienne czynniki takie jak: nagrzewanie się i zmiana profilu powierzchni ślizgowych, które powodują rozmycie się proporcji pomiędzy naciskiem powierzchniowym a wartością współczynnika tarcia. Ogólnie przyjętą charakterystyką porównawczą dla elementów polimerowych współpracujących ze stalą jest wykres: Strona 31

32 µ A B C D 0 P Rys.13. Ogólny przebieg zmian wartości współczynnika tarcia w zależności od obciążenia. W przedziale A zaznaczonym na wykresie wartość współczynnika tarcia maleje wraz ze wzrostem obciążenia, gdyż występuje w tej fazie styk częściowo sprężysty a tym samym wzrasta rzeczywista powierzchnia styku. Faza B to dalsze opadanie współczynnika tarcia, aż do osiągnięcia minimum, wartość współczynnika tarcia zwiększa się w przedziale C w tej fazie zwiększa się udział styku plastycznego z równoczesnym wzrostem sił mikroskrawania. Faza D to faza kolejnych wzrostów współczynnika tarcia a następnie jego zmniejszenie w wyniku podwyższonej temperatury w miejscu styku, która powoduje zniwelowanie sił mikroskrawania. 7. Przebieg i opracowanie badań tribologicznych 7.1. Pojęcie i rola badań doświadczalnych Przez eksperyment rozumiemy badanie jakiegoś zjawiska, polegające na celowym wywoływaniu tego zjawiska lub jego zmian oraz obserwacji i pomiarach, umożliwiających wnioskowanie o jego właściwościach. Eksperyment przeprowadza się na drodze badań doświadczalnych mających na celu poznanie informacji o faktach, obiektach, zjawiskach bądź procesach. Na podstawie zgromadzonych informacji określa się model zjawiska, który stanowi jego reprezentację w postaci użytkowej wyrażającej istotne jego cechy. Najczęściej stosowany model matematyczny jest opisem zjawiska za pomocą liczb, zmiennych, zbiorów, funkcji, relacji itd. Znajomość modelu matematycznego umożliwia przewidywanie przebiegu zjawiska lub zachowania obiektu w różnych warunkach. Podstawy teoretyczne badań doświadczalnych ujmuje Strona 32

33 dziedzina wiedzy nazywana teorią eksperymentu. Obejmuje ona następujące zagadnienia: 1. planowanie eksperymentów, 2. metodykę modelowania matematycznego, 3. technikę przeprowadzania pomiarów, 4. analizę wyników pomiarów. Zanim powstała teoria eksperymentu badania doświadczalne dotyczyły prostych obiektów o jednej wielkości wejściowej. Eksperyment polegał na przeprowadzeniu pomiarów wielkości wyjściowej y dla L arbitralnie wybranych wartości wielkości wejściowej x oraz wyznaczeniu funkcji aproksymującej y = f(x). Wraz ze wzrostem złożoności analizowanych obiektów, spowodowanym zwiększeniem liczby wielkości wejściowych, badania doświadczalne realizowano w oparciu o dwie metody: metodę badań kompletnych i monoselekcyjnych. Ze względu na ograniczenia metody kompletnej i monoselekcyjnej przy analizie złożonych obiektów zaistniała potrzeba opracowania nowych metod badawczych. Nastąpił rozwój teorii eksperymentu. Powstały metody planowania badań doświadczalnych, które umożliwiły zwiększenie ilości i jakości uzyskiwanej informacji naukowej. Zmniejszeniu uległa liczba koniecznych do przeprowadzenia pomiarów, a więc zredukowano koszty i czas trwania badań. Badania kompletne i monoselekcyjne pozostawiały swobodę wyboru wartości wielkości wejściowych (punktów pomiarowych) dla których realizowano eksperyment, natomiast wyniki pomiarów analizowano matematycznie dopiero po przeprowadzeniu doświadczenia. Wykorzystując zasady teorii eksperymentu ustala się wstępnie cel i metodę analizy wyników pomiarów, natomiast punkty pomiarowe generowane są na podstawie określonych procedur matematycznych. Pojedynczy punkt pomiarowy, będący s wymiarowym wektorem wartości wielkości wejściowych, nazywany jest układem planu eksperymentu, natomiast zbiór wszystkich punktów pomiarowych stanowi plan eksperymentu. W zależności od celu badań i stosowanych metod analizy uzyskuje się rozmieszczenie punktów, które pozwala na: Strona 33

34 - uwypuklenie poszukiwanych cech obiektu np. liniowości, współzależności zmiennych wejściowych, niezależności wielkości wyjściowej od wielkości wejściowych, - wyznaczenie ekstremum globalnego funkcji obiektu badań, - zmniejszenie nakładu obliczeniowego przy identyfikacji modelu obiektu. Celem badań doświadczalnych jest zwykle wyznaczenie modelu obiektu badań. W ogólności rozróżnia się identyfikację strukturalną polegającą na ustalaniu struktury modelu i wyznaczeniu wartości jego parametrów, oraz identyfikację parametryczną polegającą na ustaleniu wartości parametrów modelu przy a priori danej strukturze modelu. Wyznaczenie dokładnego modelu badanego obiektu jest bardzo trudne ze względu na oddziaływanie na rzeczywisty obiekt wielu trudnych lub niemożliwych do zmierzenia zakłóceń losowych. Z tego względu w teorii eksperymentu stosuje się identyfikację parametryczną, w której przy założonej strukturze modelu i określonych danych wejściowych wyznacza się takie wartości parametrów, które zminimalizują niedokładność modelu. Przyjmuje się postać funkcji aproksymującej model obiektu (najczęściej wielomian algebraiczny) i wyznacza się wartości współczynników tego wielomianu korzystając z metody regresji. Planowanie eksperymentu odbywa się zatem według następującego scenariusza: a) charakterystyka obiektu badań polegająca na sformułowaniu zagadnienia wymagającego rozwiązania na drodze doświadczalnej, ustaleniu wielkości charakteryzujących obiekt badań. b) ustalenie celu badań doświadczalnych, w którego skład wchodzą: identyfikacja modelu badań optymalizacja empiryczna badania eliminacyjne c) generacja lub wybór planu eksperymentu, najlepiej dostosowanego do obiektu badań d) realizacja pomiarów, w oparciu o wybrany plan doświadczenia e) analiza danych empirycznych, zmierzająca do osiągnięcia wybranych celów Strona 34