Stanowisko badawcze oraz metoda wyznaczania siły zrywajcej połczenie cierne

Transkrypt

1 Mgr in. Sebastian JANAS Instytut Techniki Górniczej KOMAG Stanowisko badawcze oraz metoda wyznaczania siły zrywajcej połczenie cierne S t r e s z c z e n i e W niniejszym artykule przedstawiono zagadnienie zwizane z badaniem wpływu chropowatoci powierzchni elementów połczenia wciskowego, na wielko oporu wynikajcego z momentu. Omówiono budow stanowiska badawczego i metodyk bada. Zaprezentowano wyniki bada testowania stanowiska oraz wyznaczania oporów toczenia krka pomocniczego. S u m m a r y The problem of testing the impact of roughness of pressing coupling surface on resistance resulting from a torque is presented in the paper. Design of testing facility as well as testing methodology is discussed. Results from testing the facility and from determination of auxiliary disk turning resistance. 1. Wprowadzenie W pracach projektowych jednostki napdowej pojazdów szynowych pojawiła si potrzeba okrelenia wpływu stanu powierzchni czopa i piasty na wielko oporu wynikajcego z momentu obrotowego. Problem ten, wynikł z doboru rodzaju pasowania dla osadzenia czci czynnej i biernej sprzgła przeponowego łczcego silnik z przekładni zbat, metod hydraulicznego rozpierania piasty i osiowego wtłaczania na czop. Postanowiono zbada, jaki wpływ ma stan powierzchni na wielko przenoszonego momentu w aspekcie montau hydraulicznego [3]. Przeprowadzono badania na modelu matematycznym, metod MES, gdzie symulowano monta piasty na czopie. Aby uzyska wyniki sił wystpujcych w takim połczeniu, dla danego pasowania, zmieniono wymiar geometryczny o warto R a stosowanych w tego typu elementach. Takie podejcie nie dało poprawnych wyników, poniewa przy zastosowaniu numerycznej metody konieczne jest odwzorowanie kontaktu dwóch materiałów, a rónica wymiarów geometrycznych z uwzgldnieniem wartoci chropowatoci jest mniejsza od błdu pomiaru. Aby uzyska prawidłowe wyniki z uwzgldnieniem chropowatoci naleałoby przeprowadzi modelowanie matematyczne nierównoci chropowatoci i bada odkształcenia wystpujce w wierzchołkach nierównoci, co jest z punktu widzenia prowadzonych bada nieuzasadnione, poniewa przy szlifowaniu, chropowato powierzchni nie jest powtarzalna [4]. Aby było moliwe zastosowanie modelu MES do okrelenia zalenoci wcisku od przenoszonego momentu wynikajcego z zastosowanego pasowania w modelu numerycznym wprowadza si wartoci współczynnika tarcia, jak dotd nie ma moliwoci wprowadzenia wartoci chropowatoci. Aby móc uwzgldni w modelu numerycznym chropowato powierzchni naleało wyznaczy dowiadczalnie zaleno współczynnika tarcia od chropowatoci powierzchni w kilku rónych wariantach. Problem ten był inspiracj do przeprowadzenia bada stanowiskowych celem, których było wyznaczenie współczynnika tarcia w zalenoci od chropowatoci powierzchni i wprowadzenia go do modelu matematycznego [4]. 2. Konstrukcja i testy stanowiska badawczego Do zbudowania stanowiska badawczego wykorzystano maszyn wytrzymałociow o maksymalnej sile nacisku 1000 kn. Jej zadaniem jest wytworzenie siły nacisku F N, która odzwierciedla nacisk wystpujcy w połczeniu czopowo-ciernym. Badane próbki mocowano w specjalnie przeznaczonym do tego celu przyrzdzie (rys. 1). 8 MASZYNY GÓRNICZE 3/2013 Rys.1. Przyrzd do mocowania próbek przed modyfikacj [2]: 1 - korpus, 2 - pokrywa przetwornika siły, 3 - płyta porednia, 4 - dolny uchwyt próbki, 5 - górny uchwyt próbki, 6 - popychacz, 7 - obejma mocujca, 8 - opór siłownika, 9 - przetwornik siły, 10 - siłownik hydrauliczny do zadawania siły prostopadłej F P, 11 - przetwornik siły, 12 - komplet próbek badawczych Przyrzd składa si z kilku elementów połczonych ze sob za pomoc elementów rubowych. Pozwala to

2 na swobodny monta i demonta w maszynie wytrzymałociowej. Konstrukcja umoliwia umocowanie tensometrycznych przetworników (9, 11) do pomiaru siły normalnej F N i prostopadłej F P. Na odpowiednio przygotowanej płaszczynie korpusu (1) posadowiono przetwornik tensometryczny (9). Bezporednio na przetworniku umieszczono płyt poredni (3), prowadzon w pokrywie przetwornika. Na tej pokrywie zamontowano element mocujcy próbk (4). W tej czci wykonano tolerowany otwór, odpowiadajcy kształtem mocowanej w nim próbce (12). Uchwyt jest przelotowy, przez co próbka swobodnie osiada na płycie poredniej (3), a uchwyt zapewnia jej stabilizacj i moliwo przemieszczania w płaszczyznach równoległych do osi siły normalnej. Drug cz przyrzdu zamocowano w suporcie ruchomym maszyny wytrzymałociowej. Do korpusu przykrcono uchwyt próbki górnej (5). Uchwyt nie jest przelotowy, gdy próbka górna (12) słuy tylko do docisku. Konstrukcja korpusu przyrzdu umoliwia zamocowanie siłownika (10) za pomoc, którego zadawana bdzie siła równoległa do płaszczyzn tarcia, odpowiadajca sile tarcia, do zadawania siły prostopadłej zrywajcej połczenie cierne. Za siłownikiem zamocowano przetwornik tensometryczny (11), na który poprzez element poredniczcy, wywierana jest siła F P. Próbka odzwierciedla fragment powierzchni połczenia czopowo-ciernego. Przy czym zamierza si przyj takie wymiary próbek, aby nacisk jednostkowy na płaszczyznach kontaktu odpowiadał naciskom stosowanym w praktyce. Powierzchnie próbek, poddane zostan szlifowaniu, co bdzie odzwierciedla stan powierzchni czopa i piasty po obróbce. Próbki zostan wykonane z materiału 41Cr4 (40H) ulepszonego cieplnie do twardoci 40 ±3 HRc. W trakcie testowania stanowiska wystpiły problemy, których nie mona było przewidzie na etapie jego projektowania (rys. 2). Podczas prób zerwania połczenia ciernego (zadawanie siły F P ) okazało si, i próbka rodkowa nie ulega przesuniciu równoległemu tylko nastpuje jej skrcenie w jednej, bd w dwóch płaszczyznach (rys. 2a). Problem ten wystpował przy kadej zadanej wielkoci siły normalnej. Po przeanalizowaniu wszystkich czynników wystpujcych w tym niekorzystnym zjawisku okazało si, e zadawana siła zrywajca połczenie cierne nie jest przyłoona prostopadle do osi siły normalnej, co było to powodem skrcenia próbki wzgldem drugiej. W celu wyeliminowania tego niekorzystnego zjawiska wprowadzono na boku próbki, w punkcie przecicia si płaszczyzn podziału, otwór (wykonano nakiełek typu B), a w kocówce popychacza osadzonego na tłoczysku siłownika siły zrywajcej wykonano otwór ø2 mm. Midzy popychacz, a próbk wprowadzono kulk łoyskow. MASZYNY GÓRNICZE 3/ Rys.2. Przypadki nieprawidłowego procesu zerwania połczenia ciernego [opracowanie własne]: a) przypadek skrcenia w płaszczynie prostopadłej do siły normalnej F N, przed wprowadzeniem wymuszonego osiowania siły prostopadłej F P; b) przypadek "zukoszenia" próbek po wprowadzeniu wymuszonego osiowania siły F P Po przeprowadzeniu kilku testów wystpił kolejny problem. Okazało si, e dziki prostopadłemu poprowadzeniu siły zrywajcej wystpował luz konstrukcyjny na słupach prowadzcych maszyny wytrzymałociowej. Efektem tego było blokowanie próbki z jednej strony, co powodowało unoszenie si jej po przeciwnej stronie wraz z suportem rodkowym (rys. 2b). Rys.3. Model stanowiska badawczego [opracowanie własne]: a) pierwotna wersja; b) stanowisko po modyfikacji Podjto prób przekonstruowania przyrzdu do układu, który usztywniałby uchwyt górny i dolny wraz

3 z baz doln, gwarantujc przemieszczanie si próbek w zamierzony sposób. Było to, jednak zbyt kosztowne i mocno ingerujce w całe stanowisko. Innym rozwizaniem problemu było wprowadzenie midzy próbk w uchwycie górnym, a próbkrodkow krka o rednicy 149 mm. Takie rozwizanie nie ingerowało w ju wykonany przyrzd. Zastosowany krek wraz z kostk górn musiał mie jednak lepsze własnoci ni próbki poddawane badaniom. Kolejne testy wykazały poprawne zachowanie całego układu badawczego i równoległe przemieszczanie si próbki wzgldem drugiej. Modyfikacja stanowiska, chocia nie pocigała za sob istotnych zmian konstrukcyjnych, spowodowała potrzeb wyznaczenia oporów toczenia krka podczas zadawania siły F P, co było wynikiem sposobu uycia krka (rys. 3b). 3. Metoda bada Zbudowane stanowisko pozwoli na wyznaczenie siły tarcia zrywajcej połczenie i okrelenie współczynnika tarcia w zalenoci od chropowatoci (rys. 4). Badania bd charakteryzowa si tym, i badane próbki bd miały t sam twardo oraz powierzchnie rónice si chropowatoci po szlifowaniu, przy czym powierzchnie sprzenia ciernego próbek bd odpowiadały powierzchniom nominalnym próbek. Podczas bada zmienne bd wartoci nacisków, odzwierciedlajcych warunki panujce w połczeniu czopowo-ciernym. Badania zmierza bd do: okrelenia, dla okrelonych chropowatoci powierzchni, współczynnika tarcia w momencie zerwania połczenia ciernego, odzwierciedlajcego połczenie czopowo-cierne montowane metod hydrauliczn, wyznaczenia wartoci wcisków, w zalenoci od przenoszonego momentu obrotowego. Mierzone bd i rejestrowane: wartoci chropowatoci powierzchni (pomiar wartoci R a oraz R z ), wartoci siły normalnej do powierzchni nacisku, wartoci siły zrywajcej połczenie cierne odpowiadajcej sile tarcia, stan obcionych powierzchni próbek przed i po zerwaniu sprzenia ciernego. Na podstawie pomiarów zostan wyznaczone charakterystyki okrelajce zaleno współczynnika tarcia od chropowatoci powierzchni. Badania prowadzone bd w dwóch etapach (tabela 1). Pierwszy etap bada prowadzony bdzie na próbkach suchych (odtłuszczonych). Drugi etap, bdzie uwzgldniał wprowadzenie midzy powierzchnie cierne próbek, przed kadym dokonaniem nacisku i zerwaniem połczenia ciernego rodka smarnego. Wprowadzenie czynnika smarnego odzwierciedla ma sytuacj jaka wystpuje po montau czopa i piasty metod hydrauliczn. Kady etap bada bdzie składa si z trzech serii pomiarowych. Kada z serii bdzie z inn konfiguracj próbek (z rónymi wartociami chropowatoci powierzchni). W kadej serii, wykonanych bdzie sze pomiarów dla kadej wartoci siły F N. Program bada [opracowanie własne] ETAP I Powierzchnie próbek odtłuszczone Badania obejmowa bd pomiary i rejestracj: wartoci R a i R z, po obróbce szlifowaniem, obrazu warstwy wierzchniej wybranych próbek (mikroskop), wartoci nacisku midzy próbkami, bez zrywania połczenia ciernego, wartoci R a i R z, po dokonaniu nacisku bez zrywania połczenia ciernego, wartoci nacisku midzy próbkami i siły zrywajcej połczenie cierne, wartoci R a i R z, po zerwaniu połczenia ciernego. Załoono równie wyznaczenie momentu zrywajcego połczenie w sytuacji, gdy midzy współosiowymi powierzchniami czopa i piasty bdzie wywarty nacisk odzwierciedlajcy warunki panujce w rzeczywistym połczeniu czopowo-ciernym. Tabela 1 ETAP II Powierzchnie próbek pokryte warstw czynnika smarnego (gliceryna) Serie pomiarowe Warto siły normalnej F N [kn] 70, 120, , 120, 170 Konfiguracja próbek według wartoci R a 0,2/0,2 0,2/1,0 1,0/1,0 0,2/0,2 0,2/1,0 1,0/1,0 Ilo pomiarów MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

4 Rys.4. Schemat stanowiska badawczego przed modyfikacj [opracowanie własne]: F N - siła normalna, F P - siła prostopadła; 1 - uchwyt górny, 2 - uchwyt dolny, 3 - przetwornik siły, 4 - przetwornik siły, 5 - siłownik do zadawania siły prostopadłej F P, 6 - wzmacniacz pomiarowy, 7 - rejestrator cyfrowy, 8 - pompa hydrauliczna, 9 - suport dolny maszyny wytrzymałociowej, 10 - zestaw próbek do bada 4. Dowiadczalne wyznaczenie oporów toczenia krka pomocniczego Wstpnie opory krka okrelono metod analityczn według schematu sił przedstawionego na rysunku 5a. Do wyliczenia siły tarcia przyjto zaleno [5, 7]: gdzie: f Ft = F N (1) R F t siła tarcia wystpujca w układzie [kn], R promie krka pomocniczego [mm], F N siła normalna [kn], f współczynnik oporów toczenia [mm]. Powysz zaleno zmodyfikowano w celu poznania siły, jaka bdzie wystpowa w przypadku dowiadczalnego wyznaczania oporów toczenia, według schematu na rysunku 5a: f F ' = 4 FN (2) R Wyznaczone analitycznie wartoci siły tarcia F t dla trzech sił normalnych wyniosły: dla 70 kn F t = 191,8 kn, dla 120 kn Ft = 328,77 kn, dla 170 kn Ft = 465,75 kn. Do oblicze przyjto standardowy współczynnik oporów toczenia (stal po stali), co nie było prawidłowym odniesieniem do właciwoci materiału Rys.5. Stanowisko do wyznaczenia oporów toczenia krka pomocniczego: a) schemat sił podczas wyznaczania oporów [opracowanie własne]; b) zmodyfikowane stanowisko do wyznaczania oporów krka [1] Wartoci pomiarów oporów toczenia krka pomocniczego po próbce [opracowanie własne] Tabela 2 Warto siły prostopadłej FP dla kolejnych pomiarów [kn] Nr pomiaru Wartorednia arytmetyczna z 10 pomiarów Siła normalna [kn] p1 0,16 0,27 0,34 p2 0,16 0,26 0,25 p3 0,12 0,34 0,6 p4 0,1 0,32 0,14 p5 0,29 0,37 0,32 p6 0,22 0,2 0,33 p7 0,21 0,24 0,53 p8 0,12 0,26 0,37 p9 0,08 0,21 0,23 p10 0,16 0,14 0,45 0,162 0,261 0,356 MASZYNY GÓRNICZE 3/

5 zastosowanego do wykonania próbek i kr ka. Ze wzgl du, e wyznaczone metod obliczeniow opory toczenia kr ka pomocniczego nie uwzgl dniały wła ciwo ci zastosowanego materiału, rzeczywiste warto ci oporów toczenia kr ka wyznaczono do wiadczalnie. Opory toczenia kr ka wyznaczono na tym samym stanowisku (rys. 5b), na którym mierzone b d siły mi dzy powierzchniami badawczymi próbek, które to próbki b d tych samych wła ciwo ciach, co zastosowane do wyznaczenia współczynnika tarcia ciernego. Dokonano niezb dnej modyfikacji przyrz du, co pozwoliło na zainstalowanie przetwornika siły w specjalnym uchwycie. Poprzez obejm przeci gano próbk do momentu przej cia ze spoczynku do ruchu kr ka po kostce, mierz c jednocze nie warto siły jak wyst piła w momencie zerwania poł czenia ciernego. Uzyskane w ten sposób wyniki uwzgl dniono w obliczeniach siły zrywaj cej poł czenie cierne mi dzy kostkami podczas prowadzenia serii pomiarowych. Ze wzgl du na potrzeb wyznaczenia oporów toczenia kr ka rozszerzono dodatkowo warto ci mierzone o wyznaczenie siły, jaka wynika z oporów toczenia kr ka zastosowanego w układzie badawczym. W programie wyznaczania oporów kr ka przewidziano wykonanie dziesi ciu pomiarów i wyznaczenie redniej arytmetycznej ich warto ci (tabela 2), dla ka dej warto ci siły normalnej. rednie warto ci uwzgl dnione b d w zarejestrowanej sile prostopadłej, która posłu y do wyznaczenia współczynnika tarcia. Do wyznaczenia oporów toczenia u yto drugiego kr ka o takich samych wła ciwo ciach. Zbudowany układ pozwalał w prosty sposób wyznaczy opory toczenia. 5. Stanowisko bada po korektach Po wyznaczeniu oporów toczenia kr ka pomocniczego przyrz d przystosowano do okre lania siły tarcia mi dzy próbkami, uzbrajaj c go dodatkowo w przetwornik do pomiaru drogi, celem okre lenia punku zerwania poł czenia ciernego. Zmodyfikowane stanowisko (rys. 6) zawiera nast puj ce elementy: dwucz ciowy przyrz d do mocowania próbek i siłownika zrywaj cej poł czenie (poz. 1, 2), tensometryczny przetwornik siły FN, FP (poz. 3, poz. 4), 12 siłownik korekcyjny (poz. 5), wzmacniacz sygnału pomiarowego (poz. 6), Rys.6. Zmodyfikowane stanowisko do wyznaczenia siły tarcia [opracowanie własne] [1] 6. Podsumowanie Przedstawione w opracowaniu stanowisko badawcze oraz metoda wyznaczania współczynnika tarcia dla warunków, jakie wyst puj w poł czeniach czopowo-ciernych, umo liwi okre lenie siły tarcia w poł czeniu czopowo-ciernym, a st d równie współczynnik tarcia wyst puj cy w tym poł czeniu. Uzyskane w ten sposób wyniki umo liwi wyznaczenie zale no ci współczynnika tarcia od chropowato ci powierzchni, w kilku ró nych wariantach współpracy powierzchni o ró nych warto ciach chropowato ci. Skonstruowane stanowisko badawcze dzi ki swej modułowej budowie pozwoli równie na wykonanie innych bada ni przedstawione w niniejszym artykule. Literatura 1. Dokumentacja fotograficzna ITG KOMAG. 2. Dokumentacja konstrukcyjna. Stanowisko do wyznaczania siły zrywaj cej poł czenie cierne W ITG KOMAG. Gliwice 2011 (materiały nie publikowane). 3. Drwi ga A. i in.: Zespół nap dowy pojazdu szynowego. Badania modelowe komponentów sprz gieł zespołu nap du tramwaju. CMG KOMAG, Gliwice 2006 (materiały nie publikowane). rejestrator cyfrowy (poz. 7), pompa hydrauliczna zasilaj ca siłownik (poz. 8), maszyna do badania wytrzymało ci na rozci ganie i ciskanie z pulsatorem (poz. 9), komplet próbek testowych (poz. 10), liniowy przetwornik drogi (poz. 11). MASZYNY GÓRNICZE 3/2013

6 4. Janas S. i in.: Analiza napre w połczeniu stokowo-ciernym przy uyciu MES. Okrelenie parametrów nonoci połczenia stokowociernego z uwzgldnieniem wartoci chropowatoci. ITG KOMAG, Gliwice 2010 (materiały nie publikowane). 5. Hebda M., Wachal A.: Trybologia. WNT, Warszawa Praca zbiorowa: Poradnik obsługi technicznej łoysk. SKF, Sko A., Spałek J.: Podstawy Konstrukcji Maszyn. T.1. Obliczenia konstrukcyjne, tolerancje i pasowania połczenia. WNT, Warszawa Artykuł wpłynł do redakcji w sierpniu 2013 r. MASZYNY GÓRNICZE 3/