BUCHALSKI Krzysztof 1 MACIEJCZYK Andrzej 2 Badania doświadczalne niestacjonarnego elastohydrodynamicznego (ehd) izotermicznego filmu olejowego WSTĘP Problem tarcia między szeroko pojętymi elementami tocznymi mającymi zastosowanie w środkach transportu najczęściej kojarzone jest z koniecznością zastosowania łożyska. Oczywiście najlepszym rozwiązaniem byłoby łożysko toczne, w odmianie kulkowej, wyposażone w pierścienie uszczelniające i napełnione przez producenta odpowiednią ilością środka smarnego. W praktyce byłby to niezwykle wygodny sposób rozwiązywania problemów, gdzie łożysko stanowi element typu zamontuj i zapomnij. Niestety nie zawsze jest możliwe zastosowanie łożysk tocznych. Zarówno w środkach transportu jak i różnego rodzaju maszynach i urządzeniach przemysłowych mamy do czynienia ze zjawiskiem ruchu między powierzchniami o różniącej się znacznie krzywiźnie. Występuje ono we wszystkich rodzajach łożysk, krzywkach i przekładniach zębatych. Tylko w przypadku niewielkiej liczby rozwiązań z zastosowaniem łożysk tocznych, problem smarowania elementów tocznych da się rozwiązać poprzez zastosowanie smaru plastycznego. W zastosowaniach ogromnej większości rozwiązań konstrukcyjnych z zastosowaniem łożysk, krzywek i kół zębatych mamy do czynienia ze smarowaniem olejem. Zjawisko smarowania elementów tocznych w zakresie niewielkich grubości generowanego filmu olejowego między powierzchniami o różniącej się znacznie krzywiźnie opisuje teoria smarowania elastohydrodynamicznego. Zagadnienie wpływu zmiennego w czasie obciążenia zewnętrznego na grubość niestacjonarnego EHD filmu olejowego [5,6] jest zagadnieniem trudnym do rozwiązania, zarówno pod względem badań teoretycznych, jak i doświadczalnych i do tej pory jeszcze niedostatecznie poznanym [3,4]. W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych EHD filmu olejowego dla wybranych wariantów częstotliwości zmian obciążenia zewnętrznego. Badania przeprowadzone były na doświadczalnym stanowisku badawczym opisanym w pracy [1]. 1. ZAŁOŻENIA DO BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Rzeczywistym i idealnym modelem styku liniowego byłby kontakt rolka-płaszczyzna. Jednakże trudno byłoby stworzyć stanowisko badawcze z nieskończenie długą płaszczyzną, po której toczyłaby się rolka, lub zastąpienie płaszczyzny rodzajem transportera taśmowego. Z tego powodu stanowisko badawcze to rolka i wirująca wokół swojej osi tarcza [1]. W takim przypadku nie może być mowy o kontakcie liniowym, ponieważ przy takiej współpracy między rolką, a dyskiem występują duże poślizgi kompensujące różnice prędkości obwodowych krawędzi bocznych rolki. Z tego powodu zdecydowano się na realizację badań EHD filmu dla kontaktu eliptycznego, możliwie blisko przybliżającego kontakt liniowy, dobierając stosunek krzywizn rolki w taki sposób, żeby nie następowały poślizgi. Do badań przyjęto: parametry rolki (stal): moduł sprężystości E 1 = 2.1*10 5, Liczba Poissona 1 = 0.3, promienie krzywizn rolki Rx=12,7 [mm], Ry=64,8 [mm] parametry rubinowego dysku: moduł sprężystości E 2 = 81 000, 1 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź 2 Politechnika Łódzka, Katedra Pojazdów i Podstaw Budowy Maszyn, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź 792
Liczba Poissona 2 = 0.208, parametry oleju: gęstość o = 890 [kg/m 3 ], współczynnik piezolepkości = 25 [GPa -1 ], lepkość dynamiczna o = 0,69 [Pa*s], zakres obciążeń maksymalnych : 30 [N] (p max =320 ) 45 [N] (p max =366 ) [2] zakres prędkości przepływu: 0.1 5. Przyjęty zakres prędkości przepływu został zdeterminowany maksymalną prędkością 450 [klatek/s] robienia zdjęć przez kamerę cyfrową. Eksperyment wykonano dla przebiegów sinusoidalnych zmian obciążenia zewnętrznego, dla częstotliwości wymuszenia f=10, 20 i 30[Hz]. Przykład charakterystyki zmian obciążenia zewnętrznego przedstawiono na rysunku 1. Rys.1. Przykład charakterystyki zmian obciążenia zewnętrznego dla wymuszenia f= 20 [Hz] Badania były prowadzone w zakresie zjawisk izotermicznych z uwagi na ograniczenia stanowiska badawczego. Wykonane zostały w ramach współpracy na Uniwersytecie Technicznym w Brnie. 2. UZYSKANE WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH Uzyskane wyniki badań przy różnych wartościach częstotliwości i obciążenia zewnętrznego dla trzech wariantów wielkości prędkości przepływu U przedstawiono w poniższych tabelach: Tab.1. Przykładowe wyniki dla zmiennej prędkości przepływu i stałej częstotliwości wymuszenia 02 2,00 281,75 20,40 329,00 32,50 30 03 1,00 249,11 14,10 346,97 38,10 30 793
Tab.2. Przykładowe wyniki dla zmiennej częstotliwości wymuszenia i zmiennej prędkości przepływu 02 2,00 281,75 20,40 329,00 32,50 30 03 1,00 249,11 14,10 346,97 38,10 30 04 4,00 286,72 21,50 330,07 32,80 20 08 4,00 244,67 13,36 339,53 35,70 10 Tab.3. Przykładowe wyniki dla stałej częstotliwości wymuszenia i zmiennej prędkości przepływu 04 4,00 286,72 21,50 330,07 32,80 20 08 4,00 244,67 13,36 339,53 35,70 10 W oparciu o kompletny zestaw wyników pomiarów w 300 punktach skonstruowano przestrzenną mapę grubości filmu dla wybranej chwili czasu oraz płaski rozkład grubości filmu dla płaszczyzny przekroju Y=0.. Rys.2. Przykład przestrzennej mapy filmu olejowego dla częstotliwości wymuszenia f =10 [Hz] w chwili t =39,39 [ms] 794
Rys. 3. Grubość filmu olejowego dla płaszczyzny przekroju Y=0 Na rysunku 4 przedstawiono zrzut ekranu z zarejestrowanym obrazem z kamery cyfrowej, z widocznymi centralnie pierścieniami Newtona dla wybranej chwili czasu. Po prawej stronie rysunku pierścienie Newtona dla siedmiu kolejno następujących po sobie chwil czasowych, odpowiadających zmianie wartości obciążenia zewnętrznego. W dolnej części rysunku zamieszczono profil grubości filmu dla współrzędnej Y=0 oraz wykres zmian grubości filmu h m (w punkcie centralnym: x=0,y=0) w funkcji zmian obciążenia zewnętrznego. Rys. 4. Zrzut ekranu z obrazem z kamery cyfrowej Badania prowadzono w czasie rzeczywistym z ciągłą rejestracją obrazu pulsacji filmu olejowego oraz animacją pierścieni Newtona. 795
WNIOSKI Na podstawie badań eksperymentalnych stwierdzono, że zmiana grubości filmu olejowego jest opóźniona w fazie z wymuszeniem. Z tego powodu podczas spadku wartości obciążenia zewnętrznego grubość filmu rośnie. Ta tendencja utrzymuje się przez pewien czas także gdy obciążenie zewnętrzne już zwiększa swoją wartość. Przy dalszym wzroście obciążenia grubość filmu maleje i utrzymuje tę tendencję mimo, że obciążenie zewnętrzne już zaczyna maleć. Wyraźnie zarysowuje się tu zjawisko bezwładności filmu olejowego, tzn. jego opóźnionej reakcji w stosunku do wymuszenia. Badania wykazały również, że wypływy boczne są małe w porównaniu z kierunkiem przepływu strumienia głównego. Tym samym potwierdzono pierwotnie przyjęte założenie dotyczące pominięcia udziału wypływów bocznych w całkowitej masie przepływającej przez obszar kontaktu strugi. Streszczenie Artykuł przedstawia przykładowe wyniki badań izotermicznego EHD filmu olejowego oraz wpływu działania zmiennego w czasie obciążenia zewnętrznego na jego parametry takie jak: rozkład ciśnienia i grubość filmu na długości strefy kontaktu. Rozpatrywany kontakt jest liniowym stykiem skoncentrowanym dwóch walców oddzielonych warstwą smaru. Badania przeprowadzone były na doświadczalnym stanowisku badawczym na Uniwersytecie Technicznym w Brnie. Experimental study of unsteady elastohydrodynamic (ehd) isothermal oil film Abstract This article presents an example of the results of the isothermal EHD oil film and the impact of time-varying measures of external load on its parameters such as pressure distribution and film thickness along the length of the contact zone. The relevant contact is concentrated linear contact between two wires separated by a layer of grease. Tests were carried out on an experimental bench at the Technical University in Brno. BIBLIOGRAFIA 1. Buchalski K., Stanowisko do badań niestacjonarnego (EHD) izotermicznego filmu olejowego. Autobusy, 3/2013, str. 1585-1591. 2. Buchalski K., Wpływ zmiennego w czasie obciążenia zewnętrznego na parametry elastohydrodynamicznego (EHD) izotermicznego filmu olejowego. Autobusy, 3/2013, str. 1575-1583. 3. Gohar R., Elastohydrodynamics. Imperial College Press 2001. 4. Hebda M., Wachal A., Tribologia. WNT Warszawa 1980. 5. Krupka I., Hartl M., Liska M., The influence of slide to role ratio on lubricant film thickness distribution in the vicinity of real roughness features passing through EHD point contact. 31-st Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Leeds, September 2004. 6. Krupka I., Hartl M., Liska M., Direct observation of the behaviour of real surface roughness passing through EHD point contact, 30-th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, September 2003. 796