LABORATORIUM PKM Badanie statycznego i kinetycznego współczynnika tarcia dla wybranych skojarzeń ciernych Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Opracowanie dr inż. Dariusz Lepiarczyk
BUDOWA STANOWISKA BADAWCZEGO 1 - korpus stanowiska 2 - wał 3 - łożyskowanie wału 4 - koło linowe 5 - obciążniki (układ obciążający) 6 - tarcze cierne 7 - śruba regulacyjna siłę nacisku F D 8 - czujnik siły 9 - czujniki tensometryczne do pomiaru momentu skręcającego 10 - czujnik kata do pomiaru prędkości przemieszczenia tarczy sprzęgła
BUDOWA STANOWISKA BADAWCZEGO
BUDOWA STANOWISKA BADAWCZEGO Stanowisko laboratoryjne zbudowane jest z korpusu 1, na którym wał 2 został podparty na dwóch łożyskach tocznych 3. Na jednym końcu wału 2 zamocowano koło linowe 4 z odważnikami 5, jako układ obciążający oraz czujnik kąt skręcenia wału 10. Na drugim jego końcu zamontowano tarcze cierne 6 z możliwością ich wymiany. Nacisk na współpracujące tarcze cierne siłą F D jest wywierany za pomocą śruby regulacyjnej 7. Siła dociskająca tarcze mierzona jest za pomocą tensometrycznych czujników siły 8, naklejonych na pałąkowy, sprężysty przetwornik siły. Pomiar momentu skręcającego dokonywany jest za pomocą czujników tensometrycznych 9.
Opis budowy stanowiska laboratoryjnego Wymienne tarcze cierne: a) tarcza cierna z powierzchniami ciernymi wykonanymi z tworzywa sztucznego b) tarcza cierna z stalowymi powierzchniami ciernymi
Opis budowy stanowiska laboratoryjnego
BUDOWA STANOWISKA BADAWCZEGO Konstrukcja tarczy ciernej dociskowej przesuwnej
BUDOWA SYSTEMU POMIAROWEGO Siła dociskająca tarcze mierzona jest za pomocą czujnika siły. Pomiar momentu skręcającego dokonywany jest za pomocą czujników tensometrycznych, cztery sztuki czujników naklejone na powierzchni wału parami w kierunkach wzajemnie prostopadłych, pod kątem 45 względem tworzącej wału po przeciwnych jego stronach i połączone w pełny mostek. Kąt skręcenia wału mierzony jest za pomocą cyfrowego, 10-bitowego czujnika kąta, co zapewnia błąd rozdzielczości pomiaru na poziomie 0,35. Czujnik siły i momentu skręcającego współpracują z kanałami wzmacniacza pomiarowego działającymi na zasadzie modulacji amplitudy, co zapewnia skuteczną eliminację zakłóceń. Czujnik kąta podłączony jest do wejść cyfrowych wzmacniacza. Czujniki współpracują z wielokanałowym wzmacniaczem typu Spider8 firmy HBM połączonym za pomocą interfejsu (IEEE1284 lub USB) z komputerem. Procedura pomiarowa realizowana jest za pomocą firmowego oprogramowania Catman firmy HBM. Wszystkie wielkości mają charakter dynamiczny, mierzone są więc i rejestrowane jako wielkości zmienne w czasie.
PRZEBIEG ĆWICZENIA 1. Założenie tarczy ciernej (6), 2. Dociśnięcie tarczy wstępnie siłą F D (7), 3. Obciążenie koła linowego (4) odważnikiem o masie M (5), 4. Włączenie układ pomiarowego i rejestrującego, 5. Stopniowe zmniejszanie wartości siły docisku do zerwania kontaktu między tarczami, powodujące opadnięcie ciężaru M, 6. Odczytanie i zapisanie otrzymanych wyników pomiaru: siły, momentu i kata, 7. Powtórzenie pomiaru dla innego obciążenia M, 8. Wykonanie kolejnego cyklu pomiaru dla innej tarczy ciernej.
OPRACOWANIE WYNIKÓW Rozkład sił obciążenia badanego sprzężenia ciernego na stanowisku badawczym przedstawiono na rys.: Zamontowane na wale tarcze cierne poddawane są z jednej strony działaniu zewnętrznego momentu obciążenia M obc określanego jako iloczyn sił zewnętrznej obciążającej F L oraz promienia R t tarczy na którym zamocowano obciążenie o masie m : M obc F R m g R (1) L t t
OPRACOWANIE WYNIKÓW z drugiej strony działaniu siły docisku F D. Wartość średnia siły tarcia występująca na powierzchni sprzężonych tarcz przy założeniu, że nacisk na nie rozłożony jest równomiernie oraz: M obc M T (moment obciążenia jest nie większy od momentu tarcia, więc tarcze pozostają w spoczynku), wynosi: M obc m g Rt FTS (2) Rsr R sr gdzie: F TS jest siłą tarcia statycznego, a moment skręcający na wale M S jest równy wówczas momentowi obciążenia M obc : M S M m g R (3) obc t
OPRACOWANIE WYNIKÓW Wartość średniego promienia tarcia obliczono według zależności: gdzie: R sr 2 R 3 R 3 2 r r R - zewnętrzny promień okładzin ciernych, r - wewnętrzny promień okładzin ciernych. 3 (4) 2 Wartość współczynnika tarcia statycznego wyznaczana jest w trakcie eksperymentu polegającego na stopniowym zmniejszaniu siły docisku F D pomiędzy powierzchniami trącymi tarczy, aż do momentu zerwania styku i poślizgu tarcz, a wtedy uwzględniając zależność na F TS (2) można wyznaczyć:
OPRACOWANIE WYNIKÓW Współczynnik tarcia statycznego: S F 2F TS D m g R 2R F sr t D (5)
OPRACOWANIE WYNIKÓW W celu pomiaru wartości współczynnika tarcia statycznego i kinetycznego należy wykonać pomiar wartości siły docisku F D dla granicznego przypadku, gdy zerwany zostaje styk, a tarcza rozpoczyna ruch obrotowy na skutek działania niezrównoważonego momentu skręcającego M S zgodnie ze wzorem: M S M M (6) obc T Ponieważ precyzyjne ustalenie momentu zerwania styku jest trudne, można go zrealizować poprzez równoczesny pomiar w funkcji czasu trzech wielkości: siły docisku F D (t), momentu skręcającego wał M S (t), oraz kąta położenia wału α(t). Pomiar siły i momentu skręcającego można zrealizować przy zastosowaniu czujników tensometrycznych, natomiast kąta α za pomocą cyfrowego czujnika kąta (encodera w kodzie Graya). Na podstawie pomiaru kąta α(t) można wyznaczyć wartość prędkości liniowej na promieniu R śr : v( t) d ( t) Rsr (7) dt
OPRACOWANIE WYNIKÓW Na podstawie pomiaru momentu skręcającego M S (t) wartość siły tarcia kinetycznego F TK możemy zapisać: F F TK M obc TK ( t) (8) Rsr m g Rt ( t) (9) W wyniku zmniejszającej się siły docisku od wartości F D > F Dgr poprzez F D = F Dgr dla = 0, aż do F D < F Dgr rozpocznie się ruch obrotowy tarczy, zacznie działać siła tarcia kinetycznego F TK aż do chwili, gdy obciążnik wprawiający w ruch tarczę zatrzyma się na ograniczniku, przestanie oddziaływać na tarczę siłą F L i wówczas moment obciążenia, moment skręcający i moment od siły tarcia kinetycznego będą wynosiły M obc =M S =M TK =0. R sr
OPRACOWANIE WYNIKÓW Współczynnik tarcia kinetycznego można zatem wyznaczyć z zależności: K FTK ( t) 2F D m g R 2F R D t sr (10)
kąt a[ ] moment [Nm] siła F[N] WYBRANE WYNIKI BADAŃ 800 ŻELIWO - STAL 150N 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 7 czas [s] 50 0-50 0 1 2 3 4 5 6 7 czas [s] 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 czas [s]
kąt a[ ] moment [Nm] siła F[N] WYBRANE WYNIKI BADAŃ 1000 ŻELIWO - ŻELIWO 150N 500 0 0 1 2 3 4 5 6 7 czas [s] 50 0-50 0 1 2 3 4 5 6 7 czas [s] 400 200 0 0 1 2 3 4 5 6 7 czas [s]
kąt a[ ] moment [Nm] siła F[N] WYBRANE WYNIKI BADAŃ 900 ŻELIWO - FERODA 150N 800 700 0 10 20 30 40 50 60 czas [s] 30 25 20 0 10 20 30 40 50 60 czas [s] 400 200 0 0 10 20 30 40 50 60 czas [s]
WYBRANE WYNIKI BADAŃ ŻELIWO - STAL
WYBRANE WYNIKI BADAŃ ŻELIWO - ŻELIWO
WYBRANE WYNIKI BADAŃ ŻELIWO - FERODA
Pytania kontrolne 1. Podział sprzęgieł ciernych. 2. Zastosowanie sprzęgieł ciernych. 3. Zalety i wady sprzęgieł ciernych w porównaniu z innymi sprzęgłami. 4. Wymienić podstawowe funkcje jakie spełniają sprzęgła cierne w napędach. 5. Narysować sprzęgło cierne tarczowe i przedstawić rozkład sił. 6. Narysować sprzęgło cierne stożkowe i przedstawić rozkład sił. 7. Omówić rodzaje materiałów ciernych stosowanych w budowie sprzęgieł. 8. Opisać czynniki wpływające na współczynnik tarcia. 9. Od czego zależy wartość momentu obliczeniowego w sprzęgłach ciernych. 10. Wymienić kryteria doboru sprzęgła ciernego z katalogu.