DYSSYPACJA I AKUMULACJA ENERGII JAKO CZYNNIKI WARUNKUJĄCE TRWAŁOŚĆ PAR TARCIOWYCH

Transkrypt

1 T R I B O L O G I A 219 Jan SADOWSKI * DYSSYPACJA I AKUMULACJA ENERGII JAKO CZYNNIKI WARUNKUJĄCE TRWAŁOŚĆ PAR TARCIOWYCH DISSIPATION AND ACCUMULATION OF ENERGY AS FACTORS CONDITIONING STABILITY OF FRICTIONAL COUPLES Słowa luczowe: ypacja i aumulacja energii, tarcie, zużywanie, trwałość Key-words: dissipation and accumulation of energy, friction, wear, stability Streszczenie W pracy przedstawiono zużycie i trwałość par tarciowyc jao sute ypacji i aumulacji energii. Pary te potratowano ja systemy termodynamiczne otwarte i opisano zacodzące w nic procesy na podstawie * Politecnia Radomsa, Wydział Mecaniczny, Instytut Budowy Maszyn, ul. Krasiciego 54, Radom.

2 220 T R I B O L O G I A pierwszej zasady termodynamii. Uwzględniono podstawowe oddziaływania energetyczne i ic związi z ypacją i aumulacją energii podczas tarcia. Opisano intensywność zużywania ustabilizowanego oraz trwałość par tarciowyc jao funcję parametrów tarcia, własności fizycznyc trącyc się ciał oraz mecanizmu zużywania. Wyorzystano również zależność J.F. Arcarda, warunującą zużycie objętościowe. Opracowane zależności, opisujące trwałość par tarciowyc zostały zinterpretowane fizycznie. WPROWADZENIE Dyssypacja energii w budowie i esploatacji maszyn sutuje stratami energii i zużyciem głównie tribologicznym. Straty energii w zasadniczej części przejawiają się jao generowane ciepło tarcia (zwane też ciepłem ypacji) i wzrost entropii. Powstające podczas tarcia ciepło może być odprowadzane do otoczenia. Nie powoduje ono zużycia ubytowego, lecz zmienia pole temperatur poszczególnyc elementów maszyny i ewentualnie zmienia własności ic materiału. Aby zużywanie tribologiczne nastąpiło, rozpraszanie energii musi odbywać się w inny sposób. Autor oreślił oddziaływanie energetyczne prowadzące do zużycia jao ypację mecaniczną. Towarzyszy jej producja entropii struturalnej, związanej z odtwarzaniem strutury warstwy wierzcniej [L. 1]. Z olei ypacja mecaniczna oznacza wyonywanie pracy mecanicznej napięcia powierzcniowego oraz mecanicznej pracy objętościowej, towarzyszącej rozdrabnianiu substancji. W pracy [L. 1] poazano, że praca napięcia powierzcniowego jest o trzy rzędy wartości mniejsza od pracy objętościowej. Udział wspomnianyc strat, cieplnyc i mecanicznyc, w bilansie energii warunuje sprawność maszyn i urządzeń mecanicznyc. Dyssypacji energii nie można uninąć w obietac rzeczywistyc. Można ją do pewnego stopnia ograniczyć, zmniejszając tarcie. Są jedna urządzenia, w tóryc wymagane jest duże tarcie oreśla się je mianem sprzęgającyc (amulce i sprzęgła cierne). Sładowa mecaniczna energii ypowanej powoduje trwałe zmiany budowy warstwy wierzcniej współpracującyc elementów, co prowadzi do oddzielania się cząste zużycia. Ubyti te po upływie dostatecznie długiego czasu powodują zmiany geometrii elementów i ic niezdatność. Za podstawę rozważań przyjęto w niniejszym opracowaniu równanie pierwszej zasady termodynamii dla

3 T R I B O L O G I A 221 systemów otwartyc oraz zależność J.F. Arcarda opisującą zużycie objętościowe spowodowane tarciem. Uzysano wniosi o termodynamicznyc uwarunowaniac trwałości elementów par tarciowyc; mogą być one wyorzystane przez podmioty projetowania, wytwarzania i esploatacji maszyn. ZUŻYWANIE W SYSTEMIE TRIBOLOGICZNYM JAKO PRZEJAW DYSSYPACJI ENERGII Najczęściej jao system tribologiczny oreśla się parę tarciową, natomiast pozostała część rzeczywistości przypisywana jest do otoczenia. Podejście systemowe umożliwia, ja dotycczas, ustalenie związów ilościowyc między oddziaływaniami energetycznymi systemu i otoczenia z uwzględnieniem wymiany masy jedynie w przypadu potratowania pary tarciowej lub jej części jao systemu termodynamicznego otwartego [L. 2]. Uzysany tutaj opis analityczny zużycia jest ta samo ważny ja równanie pierwszej zasady termodynamii i zawiera wszystie informacje o przemianac energii warunującyc je. Praca tarcia A t1-2 wyonana nad systemem przez otoczenie sutuje: zmianą energii wewnętrznej U systemu, przepływem energii na sposób ciepła do otoczenia Q 1-2 i zmianą entalpii I, czyli przeniesieniem pewnej energii do otoczenia wraz z produtami zużycia. Zmianę entalpii stanowi iloczyn zużycia masowego m i średniej entalpii właściwej produtów zużycia i, tóra carateryzuje ilościowo dowolny mecanizm zużywania. Mianami oddziaływań energetycznyc A t1-2, U, Q 1-2 i I jest dżul, ubytu masy m ilogram, entalpii właściwej i dżul na ilogram. Równanie pierwszej zasady termodynamii przyjmuje, zatem postać U I Q A t1-2. (1) Praca tarcia jest sumą dwóc oddziaływań ypatywnyc ciepła tarcia Q i pracy ypacji mecanicznej A. Zatem można zależność (1) zmodyfiować, poazując związi między tymi oddziaływaniami ypatywnymi i opisanymi powyżej wzorem (2). U I Q Q +A (2)

4 222 T R I B O L O G I A Wynia z niego, że ciepło ypacji może wpływać na zmiany: energii wewnętrznej, entalpii (aumulacja energii cieplnej w materiale) i ciepła (dalsza ypacja energii w otoczeniu), natomiast praca ypacji mecanicznej wpływa tylo na zmiany energii wewnętrznej i entalpii (aumulacja energii mecanicznej w otoczeniu defetów strutury materiału). Podstawowe równanie zużycia, wyniające z zasady (1), po wprowadzeniu entalpii i, ma postać [L. 2]: I A m t1 2 U Q1 2 (3) i i W ogólnym przypadu zmiana energii wewnętrznej systemu i jego cłodzenie sprzyjają ograniczeniu zużycia tribologicznego. W przypadu procesów stacjonarnyc zmiana energii wewnętrznej U 0, a zamiast przyrostów wielości termodynamicznyc występują ic strumienie. Uwzględniając na podstawie zależności (2), że strumień entalpii ma sładową cieplną I& c i mecaniczną & I m, można wyrazić (2) dla procesów stacjonarnyc w postaci I& I& c + & I m Q & + Q & + A & (4) Zestawiając ze sobą oddziaływania cieplne i mecaniczne otrzymuje się dwa związi: I& m m& a I& c m& u c Q & + A & η A & (5) Q & (6) gdzie: a praca właściwa ypacji mecanicznej [J/g], u c energia wewnętrzna właściwa materiału produtów zużycia związana z ic nagrzaniem wsute tarcia [J/g], natomiast stosune mocy η A & / A & jest sprawnością zużywania; strumienie wielości oznaczono ropą u góry. Z (5) i (6) wynia zużycie masowe systemu [L. 2] m& I& a m Q & u Q& c η A & a (7)

5 T R I B O L O G I A 223 Według zależności (7) sładowa mecaniczna strumienia entalpii I& m, bezpośrednio przyczyniająca się do rozdrabiania substancji podczas dominacji oreślonego mecanizmu zużywania scarateryzowanego wielością a nie zawiera informacji o wpływie procesów cieplnyc na zużycie. Natomiast drugi człon zależności (7), związany z wynoszeniem przez produty zużycia energii do otoczenia na sposób ciepła jednoznacznie wsazuje, że cłodzenie (- Q & ), przyczynia się do zmniejszania ubytu masy systemu. Objętość zużytego materiału w jednostce czasu (strumień objętości) V & wynia z zależności J.F. Arcarda, tóra wyrażona może być następująco po uwzględnieniu dotycczasowyc rozważań: V & ρ m& N v H A& µ H η A & (8) ρ a gdzie: współczynni zużywania, v prędość tarcia [m/s], ρ gęstość materiału [g/m 3 ], µ współczynni tarcia, H twardość materiału [MPa], N nacis na powierzcni tarcia [N], A & - moc tarcia [W]. Współczynni, carateryzujący prawdopodobieństwo utworzenia cząsti zużycia tribologicznego, opisuje zatem następujący wzór: η µ H ρ a Obo własności materiału (ρ, H), współczynnia tarcia µ i pracy właściwej ypacji mecanicznej a, o współczynniu zużywania decyduje również strutura bilansu energetycznego wyrażona parametrem η. W celu wyznaczenia współczynnia zużywania jao funcji parametru η można zanalizować plastyczny sty trącyc się ciał. Ja wiadomo, stosune powierzcni nominalnej i rzeczywistej jest stosuniem nacisów jednostowyc odpowiednio twardości H i nacisu p N/A n (9) A n H n0 (10) p A r

6 224 T R I B O L O G I A Powierzcnia nominalna jest więc n 0 razy więsza od powierzcni rzeczywistej. Z olei powierzcnię rzeczywistą A r można w ujęciu modelowym przedstawić, jao zbiór n 0 powierzcni elementarnyc A ri równomiernie rozłożonyc na powierzcni nominalnej. W ażdym elementarnym polu A ri panuje naprężenie styczne µ H n 0 µ p. Naprężenie to równa się gęstości energii tarcia warunującej zużywanie. Można ją przeliczyć na gęstość energii mecanicznej związanej wyłącznie z tworzeniem się produtów zużycia, czyli pozbawianej sładowej cieplnej wprowadzając parametr η, w sposób następujący: µ H n 0 µ p n (η µ p) 1 (η µ p) (11) Parametr ten opisują zależności η n n 0 H p (12) Współczynni zużywania jao prawdopodobieństwo oddzielenia cząsti zużycia został wyrażony odwrotnością liczby impulsów energii potrzebnej do oddzielenia cząsti zużycia n. Jest on taże funcją parametru η oraz stosunu p/h η p, (13) H tóra stanowi uzupełnienie interpretacji wyrażonej wzorem (9). Ustalone powyżej zależności: (3), (7), (8), (9) i (13) carateryzują zużycie i zużywanie oraz podatność materiału na oddzielanie cząste zużycia jao wyni ypacji i aumulacji energii w systemie trącyc się ciał z uwzględnieniem nietóryc własności fizycznyc materiałów, strutury bilansu energii i cec mecanizmu zużywania. TRWAŁOŚĆ ELEMENTU PARY TARCIOWEJ JAKO SKUTEK DYSSYPACJI I AKUMULACJI ENERGII W celu zilustrowania uwarunowań trwałości elementu pary tarciowej przebiegiem ypacji i aumulacji energii w jego objętości jest dogodnie posłużyć się liniową intensywnością zużywania stacjonarnego I, tóra jest stosuniem zużycia liniowego i drogi tarcia L. Kryterium dopuszczalnego zużycia może być zużycie, tóremu odpowiada droga

7 T R I B O L O G I A 225 tarcia L v t poonana z prędością v w czasie t. Z liniową intensywnością zużywania I związana jest właściwa liniowa intensywność zużywania i. Między tymi wielościami zacodzą następujące relacje: I L L p i H (14) Ja poazano w pracy [L. 3] właściwa liniowa intensywność zużywania i równa jest współczynniowi zużywania. Równość ta pozwala uwzględnić wynii przeprowadzonyc w poprzednim rozdziale rozważań i ustalić trwałość elementu, jao drogę tarcia lub czas tarcia do powstania dopuszczalnego ubytu liniowego w sposób następujący: L H p i H p 2 H η p ρ a η µ p (15) t H v p i H v p 2 H v η p ρ a v η µ p (16) Na podstawie wzorów (15) i (16) można stwierdzić, że przy założonym dopuszczalnym zużyciu liniowym i danej, stałej prędości tarcia v trwałość elementu pary tarciowej wzrasta z wadratem twardości jego materiału i maleje z wadratem nacisu jednostowego panującego na powierzcni nominalnej; jest ona też odwrotnie proporcjonalnie do wartości parametru η, czyli do stosunu pracy ypacji mecanicznej i pracy tarcia. Ponadto przy danej gęstości materiału trwałość ta wzrasta ze wzrostem pracy właściwej ypacji mecanicznej i maleje ze wzrostem współczynnia tarcia. PODSUMOWANIE Trwałość danego elementu pary tarciowej wyrażona czasem jego esploatacji lub drogą tarcia jest warunowana przede wszystim przez dopuszczalne zużycie i przez szereg czynniów natury fizycznej zależnyc od budowy i własności materiału elementu oraz przez waruni esploatacji. W ogólnym przypadu wpływ tyc czynniów ustala się empirycznie, ponieważ nie udaje się to na drodze rozważań teoretycznyc, co wynia

8 226 T R I B O L O G I A ze złożonej natury procesów tribologicznyc. Wprowadzenie jao podstawy rozważań równania pierwszej zasady termodynamii dla systemów otwartyc umożliwiło wyznaczenie zużycia masowego, a pośrednio i objętościowego będącego sutiem ypacji i aumulacji energii dla dowolnego mecanizmu zużycia ustabilizowanego, dowolnyc wartości parametrów tarcia i dla dowolnyc materiałów pary tarciowej. Analiza liniowej intensywności zużywania doprowadziła do ujawnienia fizycznyc uwarunowań trwałości badanego elementu pary tarciowej. LITERATURA 1. Sadowsi J.: Zagadnienia ypacji energii w procesie zużywania tribologicznego. Monografia nr 113, Wyd. Politecnii Radomsiej, Radom 2008, s Sadowsi J.: Osobliwości procesów termodynamicznyc towarzyszącyc tarciu metali. Monografia nr 52, Wyd. Politecnii Radomsiej, Radom 2001, s Sadowsi J.: Zagadnienie interpretacji niezawodności elementarnego zjawisa tarcia. Materiały XXXV Zimowej Szoły Niezawodności, ITeE, Radom 2007, s Recenzent: Stanisław F. ŚCIESZKA Summary Wear and stability of frictional couples are presented as a function of dissipation and accumulation of energy. Suc couples are treated as open termodynamic systems and processes occurring in tem are described on te basis of te first law of termodynamics. Basic energy interactions and teir relations to dissipation and accumulation of energy during friction are taen into account. Te intensity of stabilised wear and te stability of frictional couples as a function of friction parameters, te pysical properties of rubbing bodies, and mecanism of wear are described. J.F. Arcard's dependence conditioning volumetric wear is also given. Te dependencies describing te stability of frictional couples are interpreted in pysical terms.

9 T R I B O L O G I A 227 Elżbieta SIWIEC *, Monia MAKOWSKA *, Jarosław MOLENDA * MIKROSTRUKTURA I SKŁAD CHEMICZNY WARSTW GRANICZNYCH, POWSTAJĄCYCH Z UDZIAŁEM BIOKOMPONENTÓW OTRZYMANYCH Z ODPADÓW PORAFINACYJNYCH OLEJU RZEPAKOWEGO MICROSTRUCTURE AND CHEMICAL COMPOSITION OF BOUNDARY LAYERS FORMED WITH BIOCOMPONENTS OBTAINED FROM REFINING RAPESEED OIL Słowa luczowe: biododati, mirostrutura, warstwa graniczna, współczynni tarcia, cropowatość Key-words: bioadditives, microstructure, boundary layers, coefficient of friction, rougness Streszczenie W artyule przedstawiono wynii badań strutury i sładu cemicznego powierzcni śladów tarcia, wpływającyc na caraterystyi przeciwzu- * Instytut Tecnologii Esploatacji Państwowy Instytut Badawczy, ul. Pułasiego 6/10, Radom, tel. (048)

10 228 T R I B O L O G I A życiowe biododatów otrzymanyc w wyniu oczyszczania odpadów po rafinacji oleju rzepaowego. Stwierdzono, że rodzaj zastosowanego środa smarowego w istotny sposób wpływa na mecanizm ształtowania warstwy wierzcniej, efetem czego jest zmiana mirostrutury powierzcni tarcia. W śladac tarcia stwierdzono więszą, niż to wynia ze sładu stali, zawartość węgla oraz w nietóryc przypadac tlenu, co może świadczyć o powstawaniu podczas tarcia związów organicznyc lub tlenów i węgliów. WPROWADZENIE W budowie i esploatacji maszyn szczególną rolę odgrywa prawidłowe smarowanie węzłów tarcia, ponieważ jest to jeden z najsuteczniejszyc sposobów zmniejszania oporów rucu oraz zabezpieczenia współpracującyc tarciowo powierzcni przed zużywaniem [L. 1 2]. Od współczesnyc środów smarowyc wymaga się, aby oprócz spełniania swoic podstawowyc funcji, były one taże nieszodliwe dla środowisa naturalnego. Środi smarowe mogą być uznane za przyjazne środowisu, jeśli do ic omponowania zastosowane zostaną nietosyczne i łatwo ulegające biodegradacji sładnii [L. 3 5]. W więszości współczesnyc ompozycji smarowyc zawarte są dodati uszlacetniające, tóre powodują poprawę oreślonyc właściwości środa smarowego. Nietóre z nic, zwłaszcza lasyczne dodati smarnościowe i inibitory utleniania, wyazują szodliwe oddziaływanie na środowiso naturalne. Dąży się więc do ograniczenia zawartości tego typu dodatów w olejac, a przez to do zmniejszenia uciążliwości eologicznej środów smarowyc. Wyeliminowanie bądź reducja zawartości dodatów sutuje jedna pogorszeniem właściwości użytowyc samego oleju, dlatego dąży się do zastąpienia ic nową generacją dodatów przyjaznyc dla środowisa. Taą cecę posiadają dodati zawierające w swoic struturac wyłącznie węgiel, wodór, tlen (nieiedy azot) tzw. dodati typu CHO/CHON wśród tóryc można wymienić syntetyczne i naturalne estry, wasy tłuszczowe, amidy, aloole, poliole, a taże aleny [L. 6 7]. Wiele z tyc substancji znajduje się w odpadac porafinacyjnyc oleju roślinnego [L. 8 11]. Wyseparowanie i zastosowanie tyc sładniów pozwoli nie tylo na ograniczanie ilości powstającyc odpadów, ale taże opracowanie nietosycznyc środów smarowyc, przeznaczonyc do stosowania w urządzeniac, stwarzającyc duże prawdopodobieństwo saże-