Zastosowanie MES do okre lenia napr e i odkszta ce w w z ach tarcia testera T-05 Piotr Duda Uniwersytet l ski, Wydzia Informatyki i Nauki o Materia ach, Zak ad Bada Warstwy Wierzchniej, piotr.duda@us.edu.pl Henryk B kowski Politechnika l ska, Wydzia Transportu, Katedra Eksploatacji Pojazdów Samochodowych, henryk.bakowski@polsl.pl Grzegorz S u a ek - Uniwersytet l ski, Wydzia Informatyki i Nauki o Materia ach, Zak ad Technologii Warstw Powierzchniowych, grzegorz.sluzalek@us.edu.pl Streszczenie Tester tribologiczny T-05 ze skojarzeniem typu rolka klocek s u y do oceny odporno ci na zu ycie ró nych par materia owych. W a ciwo ci tribologiczne, które s badane, nie dotycz tylko jednego z elementów w z a, lecz obu jego sk adników oraz ustalonych warunków otoczenia. Za pomoc metod pomiarowych nie zawsze mo na wyja ni zjawiska wyst puj ce w skojarzeniu. Dlatego uzupe nieniem bada powinna by analiza uk adu z wykorzystaniem metod numer ycznych (MES). Wst p W a ciwo ci tribologiczne, czyli charakterystyki tarciowe i zu yciowe, nie dotycz tylko jednego z elementów w z a, lecz obu jego sk adników oraz zdeterminowanych warunków otoczenia. Uzyskane charakterystyki nie stanowi tym samym sta ych materia owych ani nawet cech badanego w z a, ale charakteryzuj ca y system. Utrata zdolno ci eksploatacyjnych mo e by skutkiem zmian w a ciwo ci fizyko-chemicznych warstwy wierzchniej wywo anych tarciem. Czego konsekwencj jest ubytek masy i zmiana wymiarów elementów tr cych. W zagadnieniach tribologicznych problemy materia owe sprowadza si na ogó do analizy warstwy wierzchniej elementów tr cych. Traktuj c zu ycie tribologiczne jako utrat pierwotnych w a ciwo ci sk adników w z a tarcia. Analizowa powinno si nie tylko cechy geometryczne ale te inne cechy jak: mechaniczne, w a ciwo ci fizykochemiczne i dla uzupe nienia powinno si przeprowadzi obliczenia numeryczne. Spo ród ca ej gamy dost pnych urz dze do bada tarcia, zu ycia i smarowania cz sto stosuje si testery o skojarzeniu rolka-klocek na przyk ad tester T-05 (Rys. 1) produkcji ITEe PIB w Radomiu [1, 2]. W artykule przedstawiono przyk adowe badania, przeprowadzone na ww. urz dzeniu, dla skojarzenia skoncentrowanego i roz o onego pary materia owej PEEK/BG EN-AW 5251. Uzupe nieniem bada tribologicznych by a analiza uk adu z wykorzystaniem metod numerycznych. Dlatego równolegle z badaniami tribologicznymi zosta y przeprowadzone symulacje komputerowe do okre lenia napr e i odkszta ce za pomoc metody elementów sko czonych (MES). 1
Rys. 1. Tester T-05 widok stanowiska Warunki bada tribologicznych i oblicze MES Do bada zu yciowych wykorzystano stanowisko typu trzpie -tarcza T-05 (Rys 1), stanowisko umo liwia pomiar warto ci: si y i wspó czynnika tarcia, zmiany wymiaru liniowego próbek oraz temperatury masowej próbki i medium smaruj cego. Do wspó pracy tribologicznej wybrano materia y cz sto stosowane na elementy maszyn i urz dze : tworzywo PEEK/BG (próbka) i stop aluminium EN-AW 5251 (przeciwpróbka). Badania przeprowadzono na drodze 0,4 km dla pr dko ci 0,2 m/s i przy obci eniu w z a tarcia si 50 N. Podczas testów wykorzystano dwa rodzaje w z ów tarcia to jest: styk skoncentrowany i styk roz o ony (Rys. 2 i 3) w warunkach tarcia technicznie suchego. Akwizycj danych przeprowadzono za pomoc wzmacniacza pomiarowego MST-02 i komputera klasy PC. Temperatur otoczenia utrzymywano w zakresie 22 ±1 ºC, a wilgotno 35 ±5%. Zu ycie liniowe okre lano jako przemieszczeniem czujnika indukcyjnego. Rys. 2. Styk skoncentrowany obiekt rzeczywisty i model bry owy 2
Rys. 3. Styk roz o ony obiekt rzeczywisty i model bry owy Modele bry owe analizowanych skojarze do symulacji MES zbudowano w programie CAD Solid Edge. Nast pnie wyeksportowano je do rodowiska MSC Software. Na model bry owy w preprocesingu zosta a na o ona siatka wygenerowana za pomoc funkcji Automesh, której poprawno zweryfikowano za pomoc macierzy Jakobiego ( Rys. 4) [3 5] weryfikacji siatki obliczenia wykonano dl a styku roz o onego i skoncentrowanego przy jednakowych war unkach pocz tkowych (identycznych jak w badaniach tribologicznych). Rys. 4. Weryfikacja poprawno ci wygenerowanej siatki dla styku skoncent rowanego i roz o onego 3. Wyniki bada Wizualizacja wyników bada tribologicznych zosta a przeprowadzona w arkuszu kalkulacyjnym i przedstawiona na rysunku 5. Otrzymane warto ci rednie wspó czynnika tarcia dla styku skoncentrowanego i roz o onego wynosi y oko o 0,33. Mimo bardzo zbli onej warto ci redniej, dla obu wariantów, obserwowany jest wzrost amplitudy wspó czynnika tarcia wraz z rosn c drog dla styku skoncentrowanego. W przypadku styk roz o onego widoczna jest wzgl dnie sta a amplituda w funkcji drogi. Wzrost amplitudy w w le, o styku skoncentrowanym, jest wprost proporcjonalny do rosn cej powierzchni wspó pracy, co dodatkowo ilustruje wykres zmian przemieszczenia liniowego zu ywaj cych si elementów w z a. 3
Rys. 5. Charakterystyki tribologiczne dla styku od lewej skoncentrowanego i roz o onego Poziomy przebieg charakterystyki przemieszczenia liniowego w styku roz o onym jest spowodowany bardzo ma ymi warto ciami zu ycia masowego praktycznie nie rejestrowanymi za pomoc wagi analitycznej. Rejestrowane za pomoc czujnika przemieszczenia zu ycie liniowe w styku skoncentrowanym by o na granicy oznaczalno ci zu ycia masowego i wynosi o oko o 0,1 mg. Podstawowym rodzajem zu ycia jakie wyst pi o dla powy szej pary materia owej jest zu ycie cierne. wiadcz o tym produkty zu ycia w postaci py u jaki zebrano pod w z em tarcia, oraz obrazy izometryczne powierzchni klocków PEEK/BG po wypoziomowaniu i przeprowadzeniu korekcji liniowej (Rys. 6). Widoczne na obrazach bruzdy s owocami wspó pracy mikronierówno ci próbek w postaci zjawisk mikroskrawania i bruzdowania. Intensywno zu ywania si jest w du ym stopniu zale na od powierzchni wspó pracy i od napr e wyst puj cych w styku partnerów tribologicznych. Napr enia dla styku roz o onego przyjmuje si jako dla powierzchni nieodkszta calnej i jest to w za o eniach warto sta a równa stosunkowi si y obci enia do teoretycznej powierzchni wspó pracy. Natomiast dla styku skoncentrowanego wylicza si napr enia maksymalne ze wzorów Hertza. Rys. 6. Obrazy izometryczne powierzchni klocków PEEK/BG po wypoziomowaniu i przeprowadzeniu korekcji liniowej od lewej styku skoncentrowanego i roz o onego Analiza wyników otrzymanych z modelowania numerycznego za pomoc MES potwierdzi a znane z literatury rozk ady napr e i odkszta ce wyst puj ce w styku skoncentrowanym (Rys. 7). Wyliczone napr enia s jednak znacz co ni sze od 4
napr e maksymalnych wyliczonych z wzorów Hertza. Powodem najprawdopodobniej jest uproszczenie modelu w stosunku do obi ektu rzeczywistego i ma e zag szczenie siatki w obr bie miejsca kontaktu. Warto napr e dla styku roz o onego s ponad dwa razy mniejsze, a odkszta cenia stanowi prawie po ow warto ci wariantu skoncentrowanego (Rys. 8). Rys. 7. Model rozk adu napr e oraz jego warto ci w styku skoncent rowanym i roz o onym Rys. 8. Model rozk adu odkszta ce oraz jego warto ci w styku skoncentrowany m i roz o onym Rozk ad napr e dla styku roz o onego, przedstawiony na rysunku 7, uwidoczni ciekaw w a ciwo tego skojarzenia. Otó przewidywane napr enia w tym styku powinny si mie ci w granicach 0,5 MPa, z niewielkimi odst pstwami ze wzgl du na dyskretyzacj modelu. S od nich jednak wi ksze o prawie 60%. wiadczy to o tym i próbka stanowi ca wycinek panwi nie modeluje go idealnie. Maksymalne napr enia koncentruj blisko pionowej osi symetrii uk adu próbka przeciwpróbka. Dodatkowo na samych brzegach klocka wyst puj do du e napr enia o warto ci prawie po owy maksymalnych. Wyst powanie niekorzystnych zjawisk kra cowych potwierdzaj rezultaty oblicze numerycznych dla odkszta ce (Rys. 8). Niew a ciwy dobór warunków przeprowadzania testów tribologicznych, na przyk ad zbyt du ego obci enia w z a tarcia mo e spowodowa, e napr enia stykowe b d wi ksze ni granica plastyczno ci materia u badanego i nast pi 5
deformacja jednego z elementów w z a. Przyk adem potwierdzaj cym taki stan napr e i odkszta ce mo e by deformacja próbki polietylenowej (z polietylenu o du ym ci arze cz steczkowym UHMWPE) uzyskana podczas bada we wspó pracy z pier cieniem ze stopu Vitalium. Deformacja kszta tu jest zaznaczona czarnymi ukami (Rys. 9). Szeroko powierzchni wspó pracy w miejscu najwi kszych napr e zwi kszy a si z 6,35 mm do prawie 8 mm. Natomiast rogi próbki uleg y oddaleniu od siebie o 2 mm. Wskazany wi c powinno by najpierw przeprowadzenie analiz numerycznych rozk adu napr e i odkszta ce w planowanym skojarzeniu a na tej podstawie dobór warunków bada tribologicznych. Rys. 9. Klocek z UHMW PE po badaniach tribol ogicznych z zaznaczonymi odkszta conymi kraw dziami bocznymi Podsumowanie Tworz c nowoczesne materia y na w z y tribologiczne niemo liwym jest pomini cie bada empirycznych na stanowiskach do badania tarcia, zu ycia i smarowania. Badania takie przeprowadza si najcz ciej na urz dzeniach znormalizowanych o du ym stopniu uproszczenia (badania modelowe) ze wzgl du na niskie koszty i prostot wykonania próbek. W takich badaniach parametry s wyra nie wyodr bnione i atwo mo na je utrzyma na sta ym poziomie. Mo liwe s jednak powa ne zafa szowania z uwagi na przep yw ciep a czy reakcje tribochemiczne innego rodzaju, a tak e podwy szone obci enia mechaniczne (naciski powierzchniowe). Przeprowadzenie analiz MES modelowego skojarzenia rolka klocek dla pary materia owej tworzywo PEEK/BG stop aluminium potwierdzi o niedoskona o ci zwi zane z obci eniem w z a tarcia w stosunku do napr e panuj cych w strefie styku. Dodatkowo u atwiaj wnioskowanie dotycz ce zjawisk jakie wyst puj w badanym w le tribologicznym. Przeprowadzenie modelowania przed rozpocz ciem bada tribologicznych pozwala optymalnie dobra parametry testów oraz zapobiega przekroczeniu dopuszczalnych napr e dla elementów w z a. 6
Literatura [1] Instrukcja obs ugi testera T-05 typu rolka-klocek, Radom, 1995, ITEe [2] J. Cybo, A. Józefów, A. Matj asi ski, P. Duda: Zastosowanie tester a T-05 do bada zu ycia, Katowice, 2000, Solidification of Metals and Alloys, Nr 44 [3] G. S u a ek, H. B kowski: Zastosowanie MES do wyja nienia mechanizmu zu ywania w w z ach tarcia, Warszawa, 2007, Bi uletyn WAT, LVI [4] M. Bara, G. S u a ek, H. B kowski: Model testera do bada tribologicznych w ruchu posuwisto zwrotnym, Warszawa, 2009, Mechanik, Nr 1 [5] G. S u a ek, M. Bara, P. Golba, H. B kowski: Trójwymiarowy w ze tarcia warstwy duplex w skojarzeniach lizgowych, Warszawa, 2009, Mechani k, Nr 1 7