STANOWISKO DO BADAŃ TRIBOLOGICZNYCH W ZŁOŻONYM RUCHU CYKLICZNYM TOCZNO-ŚLIZGOWYM

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 303 Piotr KOWALEWSKI, Wojciech WIELEBA *, Tadeusz LEŚNIEWSKI * STANOWISKO DO BADAŃ TRIBOLOGICZNYCH W ZŁOŻONYM RUCHU CYKLICZNYM TOCZNO-ŚLIZGOWYM TRIBOLOGICAL TEST RIG FOR CYCLIC ROLLING AND SLIDING CONTACTS Słowa kluczowe: pomiar tarcia, ruch toczno-ślizgowy, stanowisko badawcze Key-words: friction measurement, rotation and sliding movement, tribological tester WSTĘP Wraz z rozwojem technicznym coraz częściej można spotkać się ze złożonymi i nietypowymi węzłami tarcia. Coraz większe znaczenie ma również dokładna znajomość charakterystyk tego typu układów. Niezbędne staje się prowadzenie kompleksowych badań w celu wyznaczenia dokładnych charakterystyk tribologicznych. Dodatkowym zagadnieniem występującym w złożonych węzłach tarcia jest cykliczna przemienność ruchu. Zmiana Politechnika Wrocławska, Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn, ul. Łukasiewicza 5, Wrocław.

2 304 T R I B O L O G I A kierunku poślizgu lub toczenia pociąga za sobą przejście przez stany nieustalone, zmianę kierunku naprężeń oraz tarcie w zakresie tarcia statycznego. Przykładem mogą być węzły tarcia występujące w endoprotezach [L. 1]. Większość istniejących stanowisk tribologicznych posiada możliwość pomiaru siły jedynie podczas jednego, ustalonego rodzaju tarcia. Chcąc otrzymać kompleksowe charakterystyki badanej pary trącej niezbędne jest wykonanie szeregu badań przy zastosowaniu kilku urządzeń badawczych [L. 3]. Również zmiana parametrów ruchowych, takich jak prędkość ślizgania czy siła nacisku wymaga zazwyczaj zmiany konfiguracji urządzenia. Pociąga to za sobą każdorazowo przerwanie cyklu pomiarowego. Wszystkie te przesłanki stały się bodźcem do skonstruowania nowego stanowiska do badań tribologicznych [L. 2]. KINEMATYKA WĘZŁA TARCIA Uniwersalność opisanego stanowiska polega na jego zdolności do badania pary trącej w różnych konfiguracjach ruchowych. Spośród możliwych rozwiązań kinematycznych wybrano wariant, w którym próbka ma możliwość wykonywania ruchu obrotowego, a przeciwpróbka ruchu liniowego. Próbka ma postać tarczy, której powierzchnia walcowa bierze udział w tarciu, natomiast współpracująca przeciwpróbka ma kształt płytki. Niezależne napędy obrotu próbki i liniowego przesuwu przeciwpróbki pozwoliły na dowolne (w zakresie ich ruchomości) konfigurowanie stosunku tarcia ślizgowego do tocznego. Na prezentowanym stanowisku możliwe jest więc prowadzenie badań tylko w ruchu ślizgowym, tylko w ruchu tocznym lub w złożonym ruchu toczno-ślizgowym (Rys. 1). Ograniczeniem prezentowanego stanowiska jest określone maksymalne przemieszczenie przeciwpróbki w jedną stronę odpowiadające składowej ruchu ślizgowego. BUDOWA MECHANICZNA Opracowane stanowisko badawcze (Rys. 2) składa się z dwóch niezależnych zespołów. Funkcją pierwszego z nich jest nadanie ruchu obrotowego walcowej próbce oraz dociśnięcie jej do powierzchni przeciwpróbki z odpowiednią, zadaną siłą nacisku F n. Drugi zespół odpowiada za przesunięcie liniowe przeciwpróbki oraz pomiar siły tarcia F t występującej pomiędzy elementami badanej pary trącej.

3 T R I B O L O G I A 305 Rys. 1. Schemat kinematyczny pary trącej, wraz z możliwymi wariantami ruchowymi. F t siła tarcia, F n siła nacisku, v s prędkość liniowa wózka, n prędkość obrotowa próbki Fig. 1. Kinematics scheme of friction couple and available moving mode. F t friction force, F n normal force, v s linear velocities of movable platform, n rotation velocity of specimen Rys. 2. Stanowisko do badań tribologicznych w złożonym ruchu cyklicznym toczno-ślizgowym, 1 podstawa, 2 wahliwe ramię, 3 prowadnice wózka, 4 wózek dolny, 5 wózek górny, 6 czujnik siły nacisku, 7 zespół obciążający, 8 silnik krokowy, 9 siłownik elektryczny, 10 łożyskowanie wózka dolnego, 11 czujnik siły tarcia, 12 próbka, 13 przeciwpróbka, 14 korba Fig 2. Tester for tribological investigation in complex cyclic rotation and sliding movement, 1 base, 2 lever, 3 rail, 4 lower platform, 5 upper platform, 6 normal force sensor, 7 load unit, 8 step motor, 9 linear actuator, 10 bearing of lower platform, 11 friction force sensor, 12 specimen, 13 counterface, 14 windlass

4 306 T R I B O L O G I A Próbka zamocowana jest na łożyskowanym wale umieszczonym na końcu wahliwego ramienia, pełniącego funkcje dźwigni. Po drugiej stronie ramienia znajduje się zespół obciążający, który powoduje dociskanie próbki poprzez czujnik siły do powierzchni przeciwpróbki. Silnik krokowy obracający próbkę poprzez przekładnię pasową z pasem zębatym nie jest mocowany do wahliwego ramienia, lecz do podstawy zespołu pierwszego. Rozwiązanie takie zmniejsza moment bezwładności wahliwego ramienia i dzięki temu umożliwia szybkie zmiany siły obciążającej parę trącą. Pierwszy zespół można przemieszczać w kierunku pionowym (napęd ręczny przy pomocy korby). Daje to możliwość stosowania próbek o różnych średnicach oraz umożliwia regulowanie wstępnego docisku próbki do przeciwpróbki. Zespół obciążający składa się z silnika prądu stałego oraz przekładni śrubowej. Nakrętka przekładni śrubowej przymocowana jest do sprężyny, a ta z kolei do czujnika siły nacisku. Obracanie nakrętki przy pomocy silnika powoduje napinanie lub luzowanie sprężyny i co za tym idzie zwiększenie lub zmniejszenie siły obciążającej współpracujące elementy pary trącej. Drugi zespół składa się z dwóch wózków, łożyskowanych na prowadnicach tak, aby mogły one poruszać się w tym samym kierunku. Napęd tego zespołu stanowi siłownik elektryczny składający się silnika krokowego oraz przekładni śrubowej. Siłownik ten porusza wózek dolny, na którym znajduje się wózek górny, do którego przymocowano czujnik siły. Zakres ruchomości wózka górnego względem wózka dolnego jest równy wartości ugięcia się czujnika pod wpływem siły tarcia F t. W obydwu zespołach jako napędy zastosowano bipolarne, dwufazowe silniki krokowe. Cechy konstrukcyjne silników krokowych pozwalają na bardzo dokładne pozycjonowanie położenia wału obrotowego. Zastosowane dodatkowo przekładnie zwiększają tę dokładność. Sterowanie częstotliwością impulsów sterujących pozwala na zmianę prędkości obrotowej, przy jednoczesnej kontroli wykonanego przemieszczenia. Poprzez zastosowanie tego rodzaju napędów możliwe jest zadawanie dowolnych przebiegów w czasie przemieszczeń próbki i przeciwpróbki. W celu zapewnienia realizacji założonego ruchu próbki i przeciwpróbki niezbędne było rozwiązanie kilku problemów konstrukcyjnych. Podczas ruchu posuwisto-zwrotnego w pobliżu punktów zwrotnych występują znaczne przyspieszenia, wiąże się to z występowaniem dużych sił bezwładności, które mogą zakłócać wartości mierzonej siły tarcia. Rozwiązaniem tego problemu było zastosowanie układu podwójnego wózka

5 T R I B O L O G I A 307 (Rys. 2). Przymocowany do czujnika siły górny wózek posiada niewielką masę dzięki zastosowanu do jego budowy stopów lekkich (stopy aluminium i tytanu). Ograniczyło to niepożądany efekt wpływu sił bezwładności na wartość rejestrowanej siły tarcia. Zamocowanie próbki na wychylnym ramieniu uprościło sposób obciążania pary trącej, niemniej jednak zrodziło problem przeniesienia napędu z silnika na próbkę. Koncepcja zamocowania silnika na wychylnym ramieniu zwiększyłaby znacznie bezwładność tegoż ramienia. Rozwiązanie to spowodowałoby zbyt dużą inercję układu obciążającego, co nie pozwoliłoby na wykonywanie szybkich zmian wartości siły nacisku F n. W układzie przeniesienia napędu z silnika na próbkę zastosowano elastyczny wał, który pozwala na przenoszenie momentu obrotowego, a jednocześnie pracę układu przy przesuniętych osiach obrotu. Przesunięcie to jest nieznaczne. Wynika ono tylko z ugięcia się przeciwpróbki oraz próbki pod wpływem działającej siły nacisku Fn. UKŁAD STEROWANIA Poprawne działanie urządzenia zapewnione jest poprzez całkowitą kontrolę i automatyczną regulację zadanych wartości wymuszeń. Schemat ideowy układu sterująco-pomiarowego przedstawiono na Rysunku 3. Karta kontrolo-pomiarowa Rys. 3 Schemat ideowy układu sterująco-pomiarowego Fig. 3 Scheme of control and measurement system

6 308 T R I B O L O G I A W czasie pomiaru rejestrowane są siły tarcia F t i nacisku F n. Oprócz rejestracji tych wielkości z częstotliwością próbkowania sięgającą nawet 10 khz, wartość siły nacisku F n jest stale kontrolowana. Jeżeli różnica pomiędzy zadaną wartością siły nacisku a jej rzeczywistą wartością przekracza przyjęty margines błędu, następuje uruchomienie procedury korekcyjnej. Program sterujący przekazuje wyliczoną wartość poprawki do karty sterująco-pomiarowej. Sygnał napięciowy z kary podawany jest do sterownika napięcia stałego, który uruchamia silnik mechanizmu obciążającego. Bez względu na częstotliwość rejestrowania wartości siły tarcia pomiar siły nacisku odbywa się z maksymalną wartością częstotliwości próbkowania. UKŁAD POMIAROWY Dzięki zastosowaniu silników krokowych oraz odpowiedniego układu sterowania możliwe było wyeliminowanie z układu pomiarowego czujników przemieszczeń i prędkości. Do pomiaru sił tarcia F t i nacisku F n zastosowano gotowe tensometryczne czujniki sił. Czujnik siły tarcia pracuje podczas ściskania i rozciągania, natomiast czujnik siły nacisku podczas zginania. W torze pomiarowym wykorzystano mostek tensometryczny, z którego wzmocniony sygnał napięciowy przekazywany jest do karty sterująco-pomiarowej. Karta połączona jest z komputerem klasy PC za pomocą interfejsu USB. Program sterujący dokonuje akwizycji danych i ich zapisu do pliku oraz wyświetla na ekranie w postaci wykresu przebieg zmian wartości współczynnika tarcia. Pomiar sił podczas ruchu przemiennego zawsze stwarza problemy związane z inercją mechaniczną układu. Oprócz zastosowania odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych minimalizujących wpływ tego typu zakłóceń niezbędne jest również dokonanie korekt w wartościach mierzonych sił. Pełna kontrola ruchu pozwala na wyznaczenie chwilowych wartości przyspieszeń, a co za tym idzie przy znanych masach elementów wartości sił bezwładności. Zastosowane w oprogramowaniu sterującym algorytmy pozwalają na automatyczne odjęcie wartości chwilowych sił bezwładności. Możliwa jest również korekta mierzonych wartości o błędy generowane przez opory tarcia w łożyskach. Niezbędna jest w tym wypadku znajomość charakterystyk oporów łożyskowania. Dotychczas nie zastosowano tego typu korekcji sygnału.

7 T R I B O L O G I A 309 PRZYKŁADOWE POMIARY Na Rysunku 4 przedstawiono zarejestrowane zmiany siły tarcia F t podczas badań testowych na opisywanym stanowisku. Próbka, wykonana ze stali austenitycznej 316L (EN ), miała postać walca o promieniu r = 20 mm, i szerokości 10 mm. Chropowatość jej powierzchni wynosiła R a = 1,1 µm. Przeciwpróbkę w postaci płytki wykonano z polietylenu o ultrawysokim ciężarze cząsteczkowym (PE- UHMW), o nazwie handlowej Chirulen Zakres ruchu przeciwpróbki wynosił 80 mm. Próbka nie wykonywała ruchu obrotowego podczas badań (n = 0 obr./min). Vs [mm/s] Fn [N] Ft [N] Vs=f(t) t [s] Fn=f(t) t [s] Ft=f(t) t [s] Rys. 4. Wartości prędkości poślizgu v s (t), siły tarcia F t (t) i siły nacisku F n (t), dla przykładowego pomiaru Fig. 4 Value of sliding velocities v s (t), friction force F t (t) and normal force F n (t), for demonstration measurement Przedstawione wyniki (Rys. 4) zawierają m.in. wykresy zmian prędkości poślizgu v s, oraz siły nacisku. Wielkości te były zadane w ramach cyklu pomiarowego i kontrolowane przez układ sterująco-pomiarowy.

8 310 T R I B O L O G I A Wartość siły tarcia F t była mierzona poprzez czujnik tensometryczny. Dzięki kontroli i rejestracji wartości wymuszeń oraz wartości siły tarcia, możliwe staje się określanie wartości współczynnika tarcia nawet dla wartości pośrednich, nie będących bezpośrednio przedmiotem badań. Przy przyspieszaniu ruchem jednostajnym można wyznaczyć wartości współczynnika tarcia dla całego zakresu prędkości od zera do prędkości m*aksymalnej. Również zwiększając siłę nacisku, i rejestrując wartości F t i F n można wyznaczyć charakterystykę F t = f(f n ) lub znając rozkład nacisków µ = f(p). PODSUMOWANIE Nowe stanowisko do badań tribologicznych w złożonym ruchu cyklicznym toczno-ślizgowym stwarza możliwości prowadzenia kompleksowych badań tribologicznych wybranej pary materiałów. Urządzenie to pozwala na wyznaczenie charakterystyk tribologicznych, dla złożonych pod względem kinematycznym, węzłów tarcia. Zastosowanie rozwiązań konstrukcyjnych minimalizujących wpływ masy elementów stanowiska na wyniki pomiarów oraz zastosowanie korekcji w układzie sterowania, daje możliwość prowadzenia badań w warunkach dynamicznych. Niewątpliwą zaletą opisanego stanowiska jest jego uniwersalność w zakresie stosowania próbek o różnym kształcie i wielkości. Opracowane rozwiązania stały się podstawą zastrzeżeń patentowych zgłoszonego wynalazku o nazwie Urządzenie do badania tarcia w złożonym ruchu toczno-ślizgowym. Dalsze badania prowadzone z wykorzystaniem prototypu urządzenia pozwolą na poprawienie niedoskonałości konstrukcji mechanicznej oraz układu sterowania. LITERATURA 1. Gierzyńska-Dolna M.: Biotribologia, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002, s Kowalewski P.,Woźniak J.: Concept of universal tester for bio-tribological investigation, Bio-Eng-Young nd Students' Scientific Conference of Biomedical Engineering, Szklarska Poręba, April 20 23, 2006, Oficyna Wydaw. PWroc., Wrocław 2006, s Bowden F.P., Tabor D.: Wprowadzenie do trybologi, WNT, Warszawa 1980, s Recenzent: Remigiusz MICHALCZEWSKI

9 T R I B O L O G I A 311 Praca naukowa finansowana przez MNiSW w roku 2007 w ramach projektu badawczego nr N /2652. Summary The concept of design of equipment for the tribological testing of materials and friction couple is described. Idea of equipment was created to build new, universal tribotester for investigation sliding materials in changing motion and load. Paper describes mechanical construction of new tribological tester also measurement and control system. Described machine should make easy investigation and testing friction of materials for different applications. New tribological tester is able to be run also in rolling and sliding motion in one time and to full control all applying loads and kinematics condition, such as normal force F n, rolling velocity n and sliding velocity v s. Those variables could be freely changing during a test. Value of variables can be depended on time and on themselves. It makes possibilities to doing investigation in special measurement programs. Paper also contains experimental results of demonstration investigation.

10 312 T R I B O L O G I A