BADANIA DOŚWIADCZALNE WPŁYWU DRGAŃ KONTAKTOWYCH. STYCZNYCH WZDŁUśNYCH NA SIŁĘ TARCIA PAWEŁ GUTOWSKI*, MARIUSZ LEUS*, ARKADIUSZ PARUS**

Transkrypt

1 MODELOWANIE INśYNIERSKIE ISSN X 35, s , Gliwice 2008 BADANIA DOŚWIADCZALNE WPŁYWU DRGAŃ KONTAKTOWYCH STYCZNYCH WZDŁUśNYCH NA SIŁĘ TARCIA PAWEŁ GUTOWSKI*, MARIUSZ LEUS*, ARKADIUSZ PARUS** *Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, **Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Szczecińska pawel.gutowski@ps.pl, mariusz.leus@ ps.pl, arkadiusz.parus@ps.pl Streszczenie. W pracy przedstawiono oryginalne stanowisko badawcze do badania wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym. Zamieszczono i opisano wybrane wyniki badań doświadczalnych przeprowadzonych na tym stanowisku ukazujące zarówno jego moŝliwości, jak i dwa najistotniejsze z poruszonych problemów, tj. zakres i skalę wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia. Wykazano, Ŝe zjawisko obniŝenia siły tarcia pod wpływem tych drgań zachodzi juŝ przy częstotliwościach znacznie mniejszych niŝ drgania ultradźwiękowe, a warunkiem jego wystąpienia jest, aby amplituda prędkości drgań była większa od prędkości ruchu ślizgowego. 1. WSTĘP Tarcie moŝe spełniać w układach mechanicznych rolę zarówno pozytywną, jak i negatywną. W aspekcie pozytywnym wykorzystuje się je do przenoszenia sił w połączeniach spoczynkowych (połączenia wciskowe, nitowe, itp.) oraz między elementami znajdującymi się w ruchu (sprzęgła, napędy cierne, hamulce, koła jezdne i in.). W drugim aspekcie tarcie jest zjawiskiem wywołującym skutki niepoŝądane, np. wzrost obciąŝenia, zuŝywanie się współpracujących powierzchni, wzrost temperatury, zmiany geometrii elementów, itp. Prace prowadzone w róŝnych ośrodkach naukowo badawczych na świecie wykazały, Ŝe siła tarcia moŝe zostać w znaczący sposób obniŝona w wyniku wzbudzenia drgań kontaktowych między współpracującymi powierzchniami. Zjawisko to obserwuje się zarówno w przypadku drgań normalnych [1], jak i stycznych do powierzchni styku [2-9]. Wykorzystuje się je w praktyce przemysłowej, między innymi w obróbce plastycznej [8,9] i w obróbce skrawaniem [5], w celu obniŝenia siły tarcia między narzędziem a przedmiotem obrabianym. W literaturze z zakresu badania wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym główna uwaga skupiona jest na drganiach ultradźwiękowych (20 i 60kHz) [2,5-9]. Brak jest natomiast prac, w których analizowane by było oddziaływanie drgań o częstotliwościach niŝszych, a takŝe prac, w których przeprowadzono by kompleksową analizę czynników determinujących obniŝenie siły tarcia w obecności drgań kontaktowych stycznych. Stąd teŝ autorzy niniejszej pracy zbudowali własne, oryginalne stanowisko badawcze dające moŝliwość przeprowadzenia badań doświadczalnych umoŝliwiających wielokryterialną analizę wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym. W pracy zamieszczono i omówiono niektóre z uzyskanych wyników.

2 40 P. GUTOWSKI, M. LEUS, A. PARUS 2. STANOWISKO BADAWCZE Schemat blokowy stanowiska przedstawiono na rys. 1. WyróŜnić w nim moŝna takie układy jak: ślizgowy, napędowy, generujący drgania, obciąŝający oraz pomiarowo-rejestrujący. 1 próbka górna 2 próbka dolna 3 podstawa 4 silnik napędowy 5 wzbudnik drgań 6 siłomierz 7-9 czujniki przyspieszeń 10 obciąŝenie zewnętrzne Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego wraz z układem pomiarowo-rejestrującym 2.1. Układ ślizgowy Główną część stanowiska stanowi specjalnie zaprojektowana para ślizgowa utworzona przez próbkę górną przesuwaną ze stałą prędkością po drgającej, w kierunku stycznym do powierzchni styku, próbce dolnej. Para ta (rys. 2) została tak zamodelowana w metodzie elementów skończonych (pakiet MES ADINA), aby uzyskać jak najbardziej równomierny rozkład nacisków powierzchniowych na współpracujących powierzchniach (rys. 3). Rys. 2. Układ ślizgowy: a) para ślizgowa, b) model dyskretny pary ślizgowej Powierzchnia styku próbki dolnej i górnej składa się z dwóch jednakowych, symetrycznie połoŝonych względem osi przesuwu, prostokątnych części o wymiarach 12 x 50 mm kaŝda. Próbka górna została wykonana ze stali 45, jej masa wynosi m = kg. Zmiana własności pary ślizgowej (rodzaj materiału, chropowatość powierzchni) realizowana jest poprzez wymianę nakładek mocowanych na próbce dolnej.

3 BADANIA DOŚWIADCZALNE WPŁYWU DRGAŃ KONTAKTOWYCH STYCZNYCH 41 Rys. 3. Próbka górna: a) realizacja obciąŝenia zewnętrznego, b) rozkład nacisków na powierzchni styku z próbką dolną 2.2. Układ napędowy Do napędu umoŝliwiającego przesuwanie próbki górnej ze stałą prędkością zastosowano układ składający się z prowadnicy liniowej EPX40 wyposaŝonej w śrubę pociągową, silnika krokowego z przekładnią, zabieraka oraz układu zasilającego i sterującego pracą silnika. Układ napędowy jest odizolowany od pozostałych elementów stanowiska poprzez umieszczenie go na osobnym stole. Sterowanie jego pracą odbywa się za pomocą komputera i sterownika MONOPACT LT. Aktualnie na stanowisku moŝliwa jest do uzyskania stała prędkość przesuwu próbki górnej po próbce dolnej w zakresie v c = mm/s Układ generujący drgania Próbka dolna wprawiana jest w ruch drgający za pomocą wzbudnika piezoelektrycznego PSt 1000/16/150 VS25. Sygnał sterujący tym wzbudnikiem generowany jest przez kartę kontrolno-pomiarową DS1104 komputera pomiarowego, a następnie jest wzmacniany poprzez wzmacniacz PIEZOMECHANIC RCV 1000/3. W obecnej konfiguracji na stanowisku moŝliwe jest wygenerowanie drgań o częstotliwości f = Hz i amplitudzie a = µm Układ obciąŝający ObciąŜenie styku w kierunku normalnym do jego powierzchni jest wypadkową cięŝaru własnego próbki górnej oraz siły S przykładanej centralnie do tej próbki za pomocą cięgna obciąŝanego dźwignią z przesuwanymi obciąŝnikami. Taki układ pozwala na uzyskanie nacisków normalnych na powierzchni styku począwszy od p min = N/mm 2 (obciąŝenie cięŝarem własnym próbki górnej) do p max = N/mm 2 przy sile zewnętrznej S = 100 N Układ pomiarowo rejestrujący Schemat blokowy układu pomiarowo rejestrującego przedstawiono na rys. 1. Pomiar siły napędu odbywa się za pomocą specjalnego siłomierza pierścieniowego. Sygnał z siłomierza trafia do wzmacniacza pomiarowego prądu stałego (HBM ME10) współpracującego z czujnikami tensometrycznymi w układzie pełnego mostka. Następnie sygnał ten przekazywany jest do układu rejestrującego komputera pomiarowego, który wyposaŝony jest w kartę kontrolnopomiarową DS1104 i oprogramowanie ControlDesk firmy dspace do przetwarzania danych doświadczalnych. Układ ten umoŝliwia dokonywanie ciągłej kontroli i rejestracji wartości i przebiegu zmian siły napędu. Pomiar przyspieszeń próbki górnej i próbki dolnej realizowany jest za pomocą czujników przyspieszeń firmy Kistler. Sygnały z tych czujników przekazywane są do wzmacniacza ładunku (Kistler 5128A), a następnie do komputera pomiarowego. Zdjęcie części mechanicznej przygotowanego do badań stanowiska badawczego wraz z układem pomiarowo rejestrującym przedstawiono na rys. 4. Docelowo planuje się

4 42 P. GUTOWSKI, M. LEUS, A. PARUS przeprowa- dzenie na tym stanowisku kompleksowych badań doświadczalnych wpływu drgań kontakto-wych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia uwzględniających zarówno czynniki związane z wymuszeniem, jak i czynniki związane z parą cierną. Do pierwszych z nich naleŝą: częstotli-wość i amplituda drgań, a takŝe prędkość wzajemnego przesuwu elementów pary ciernej, zaś do drugich: rodzaj i twardość materiału współpracujących elementów, chropowatość ich powierzchni, uŝyty środek smarujący, sztywność styku i in. Rys. 4. Stanowisko badawcze do badania wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym: a) widok ogólny części mechanicznej, b) układ pomiarowo rejestrujący Z wykonanych badań przedstawiono w niniejszej pracy tylko wybrane wyniki ukazujące moŝliwości stanowiska badawczego oraz ilustrujące najistotniejsze z poruszonych problemów, tj. zakres i skalę wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia. 3. BADANIA DOŚWIADCZALNE I ICH WYNIKI Prezentowane badania przeprowadzono dla styku suchego. Powierzchnie tworzące styk wykonane były w róŝnych klasach chropowatości. Dla próbki górnej (próbki odniesienia) parametr R a wynosił 0.26 µm, zaś dla próbki dolnej (wymiennej) R a = 1,56 µm. Twardość obydwu próbek była zbliŝona: próbka górna 254 HV10, dolna 258 HV10. Badania przeprowadzono przy wymuszeniu harmonicznym o stałej częstotliwości równej f = 2600 Hz. Wymuszenie to zadawane było na próbkę dolną. Prędkość przesuwu próbki górnej była stała i wynosiła v c = 0.31 mm/s. Badania przeprowadzono dla dwóch wartości nacisków normalnych p 1 = N/mm 2 i p 2 = N/mm 2. Parametrem zmiennym była amplituda v a prędkości drgań wymuszonych. Zmieniano ją w trakcie pomiarów w granicach od v a = 0.18 mm/s do v a = 10 mm/s. Jak juŝ zaznaczono, prędkość przesuwu próbki górnej była stała (v c = const.), stąd teŝ moŝna przyjąć, Ŝe siła tarcia F T między próbką górną i dolną jest równa spręŝystej sile napędu, mierzonej za pomocą siłomierza pierścieniowego umieszczonego między próbką górną a zabierakiem (rys. 1). Na rys. 5 przedstawiono przykładowo przebiegi siły tarcia (siły napędu) przed i po włączeniu wzbudnika drgań dla czterech wybranych wariantów wartości amplitudy prędkości drgań wymuszonych v a równych: 0.19, 0.49, 1.3 i 3.6 mm/s. Z przebiegów tych widać, Ŝe w trzech przypadkach (rys. 5b-d) wzbudzenie drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych spowodowało obniŝenie siły tarcia, natomiast w przypadku pierwszym (rys. 5a) efektu takiego nie było. Widać przy tym, Ŝe skala redukcji siły tarcia wyraźnie zaleŝy od amplitudy prędkości drgań wymuszonych. Im większa jest amplituda prędkości drgań v a próbki dolnej w stosunku do prędkości przesuwu v c próbki górnej, tym większe zachodzi obniŝenie siły tarcia.

5 BADANIA DOŚWIADCZALNE WPŁYWU DRGAŃ KONTAKTOWYCH STYCZNYCH 43 Rys. 5. Przebiegi siły tarcia dla róŝnych amplitud prędkości drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych dla v c = 0.31 mm/s, f = 2600 Hz, p = 0.03 N/mm 2. Styk suchy, stal-stal Zbiory takich wykresów dla róŝnych wartości amplitud prędkości drgań (v a ), róŝnych prędkości przesuwu (v c ), róŝnych wartości nacisków normalnych (p) oraz róŝnych rodzajów styku (styk suchy, styk smarowany) i róŝnego rodzaju kojarzonych par materiałów posłuŝyły do sporządzenia wykresów zbiorczych przedstawiających wpływ amplitudy prędkości drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia. Na rys. 6 przedstawiono przykładowo taki wykres otrzymany dla pary stal stal, dla wyŝej podanych warunków. Rys. 6. Wpływ amplitudy prędkości drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia: F T siła tarcia przy wymuszonych drganiach, F C siła tarcia Coulomba

6 44 P. GUTOWSKI, M. LEUS, A. PARUS Z zestawienia na rys. 6 widać wyraźnie, Ŝe warunkiem koniecznym obniŝenia siły tarcia w ruchu ślizgowym w obecności drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych jest, aby amplituda prędkości drgań wymuszonych v a była większa od prędkości ruchu ślizgowego v c. 4. PODSUMOWANIE Zaprojektowane i zbudowane przez autorów oryginalne stanowisko badawcze umoŝliwia przeprowadzenie badań doświadczalnych wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŝnych na siłę tarcia. Wykonane badania doświadczalne wykazały, Ŝe siła tarcia w obecności tych drgań moŝe zostać w sposób istotny obniŝona (niemalŝe do zera). Stopień wpływu drgań kontaktowych wzdłuŝnych na siłę tarcia zaleŝy od amplitudy prędkości tych drgań. W przypadku, gdy amplituda ta jest mniejsza od prędkości ruchu ślizgowego (v a < v c ) nie obserwuje się istotnego wpływu drgań na siłę tarcia. LITERATURA 1. Hess D.P., Soom A.: Normal vibrations and friction under harmonic loads: Part I - hertzian contacts. Journal of Tribology 1991, 113, s Kumar V.C., Hutchings I.M.: Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration. Tribology International 2004, 37, s Leus M., Gutowski P.: Analysis of longitudinal tangential contact vibration effect on friction force using Coulomb and Dahl models. Journal of Theoretical and Applied Mechanics 2008, 46, 1, s Leus M., Gutowski P.: Badania symulacyjne wpływu drgań kontaktowych stycznych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym. Modelowanie InŜynierskie 2007, 3, 34, s Littmann W., Storck H., Wallaschek J.: Sliding friction in the presence of ultrasonic oscillations: superposition of longitudinal oscillations. Archive of Applied Mechanics 2001, 71, s Sase N., Chandy M., Suzuki K., Kumagai T., Fujii H.: Reduction of friction without lubrication. Proceedings of the International Conference AMPT 95, III, 1995, s Sase N., Kurahashi T., Fujii M., Kutomi H., Fujii H.: Control of friction coefficient between metal surfaces. Proceedings of the International Conference AMPT 97, II, 1997, s Siegert K., Ulmer J.: Reduction of sliding friction by ultrasonic waves. Production Engineering 1998, 5, s Siegert K., Ulmer J.: Superimposing ultrasonic waves on the dies in tube and wire drawing. Journal of Engineering Materials and Technology 2001, 123, s EXPERIMENTAL TESTS OF THE INFLUENCE OF THE LONGITUDINAL TANGENTIAL CONTACT VIBRATIONS ON THE FRICTION FORCE Summary. The original test stand for examination of the influence of longitudinal tangential contact vibrations on friction force in sliding motion is presented. Some chosen results of carried out experimental tests are given. They showed both the power of elaborated stand and the two most essential tested problems, i.e. the range and the scale of the influence of the longitudinal tangential contact vibrations on the friction force. It was proved that the reduction of this force as a result of these vibrations takes place at frequencies much less than ultrasonic, and that the necessary condition to observe this effect is that the amplitude of velocity of these vibrations must be greater than the velocity of sliding motion.