L4 - Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
EKSPLOATACJA MASZYN
Badanie procesu tarcia w łożyskowaniach
ślizgowych
Numer ćwiczenia: L4
Kod:
Białystok 2011
1. CEL I ZAKRES ĆWICZEŃ
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesami tarcia i zużycia
wybranych par ciernych stosowanych na łożyska ślizgowe.
Zakres ćwiczenia obejmuje:
omówienie
budowy,
zasady
działania
i
przeznaczenia
tribotestera T - 11,
określenie
parametrów
tribologicznych
niezbędnych
do
przeprowadzenia biegów badawczych,
wykonanie biegów badawczych dla dwóch par ciernych,
wyznaczenie podstawowych charakterystyk tribologicznych par
ciernych w zadanym środowisku, np. powietrza,
określenie zużycia masowego próbek.
2. WPROWADZENIE
2.1. Tarcie i zużycie tribologiczne
Tarcie jest definiowane jako zjawisko powstawania siły hamującej
ruch przemieszczających się względem siebie dwóch ciał stałych
stykających się wzdłuż pewnej powierzchni.
Siła hamująca, zwana inaczej siłą tarcia w przypadku, gdy występuje
ruch ciała, jest skierowana przeciwnie do kierunku ruchu tego ciała, a jej
wartość jest wprost proporcjonalna do wartości siły nacisku i zależy przede
wszystkim od rodzaju trących się powierzchni (materiał zastosowany na
elementy, chropowatość warstwy wierzchniej) a także od stanu ruchu
(rozróżnia się tarcie ślizgowe i tarcie toczne oraz tarcie statyczne i
dynamiczne), a także od warunków zewnętrznych (np. od temperatury
otoczenia, środowiska pracy) [1].
Na rys. 1. przedstawiono ogólną klasyfikację tarcia wykorzystywaną
w fizyce.
Rys. 1. Podstawowy podział tarcia w fizyce
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
2
Podział stosowany w technice, uwzględniający występowanie środków
smarowych (rys. 2) można przedstawić jako:
a) tarcie suche - między współpracującymi powierzchniami dwóch
elementów nie ma żadnych ciał obcych, np. środka smarnego,
występuje wydzielanie się dużej ilości ciepła, spadek wytrzymałości
oraz wzrost zużywania się części (rys. 2a);
b) tarcie graniczne - powierzchnie trące są pokryte środkiem
smarowym zawierającym substancje powierzchniowo czynne, które
tworzą na powierzchniach elementów warstwy graniczne odporne
na duże naciski i trwale z nimi połączone (rys. 2c);
c) tarcie mieszane - zjawisko występowania różnych rodzajów tarcia
w strefie
styku
elementów
trących
z
wyodrębnionymi
mikroobszarami styku, wypadkowa różnych rodzajów tarcia
(rys. 2b);
d) tarcie płynne - powierzchnie tarcia są rozdzielone warstwą środka
smarnego w postaci smaru stałego, cieczy lub gazu, tarcie
zewnętrzne jest zamieniane na tarcie wewnętrzne czynnika
smarnego, siła tarcia płynnego zależy wyłącznie od właściwości
środka smarnego, a nie od właściwości powierzchni
współpracujących (rys. 2d).
a) tarcie suche
b) tarcie graniczne
c) tarcie mieszane
d) tarcie płynne
Rys. 2. Poglądowy sposób przedstawienia klasyfikacji tarcia ślizgowego
wykorzystywanej w technice
2.2. Tarcie ślizgowe
Tarcie wyraża się wzorem:
T ≤ µ·P [N],
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
3
gdzie: T – siła tarcia ślizgowego [N], P – obciążenie normalne [N],
µ - współczynnik tarcia ślizgowego.
Jeśli ma nastąpić ruch, siła przyłożona do ciała musi być większa lub
równa oporowi tarcia (sile tarcia).
Współczynnik tarcia µ zależy m.in. od:
zadanego obciążenia, prędkości ślizgania, rodzaju ruchu,
własności stykających się powierzchni (głównie od chropowatości
powierzchni),
materiałów części współpracujących,
środowiska pracy danej pary ciernej (tarcie w powietrzu, wodzie,
oleju).
3. PODSTAWY TEORETYCZNE
3.1. Łożyska w budowie maszyn
Aby umożliwić ruch obrotowy elementów maszyn konieczne jest
utrzymanie stałego położenia osi obrotu. Utrzymanie stałego położenia osi
obrotu zapewniają elementy zwane łożyskami.
Elementy wirujące osadzone są na wałach lub osiach, a te z kolei
osadzone są w łożyskach. Obciążeniem łożyska są więc siły, które
oddziaływają na dane łożysko i mogą mieć składowe w kierunku osi wału i
w kierunku poprzecznym [1].
Ze względu na rodzaj występującego obciążenia możemy wyróżnić
łożyska:
poprzeczne – do przenoszenia przede wszystkim obciążeń
poprzecznych;
wzdłużne (osiowe) – do przenoszenia przede wszystkim obciążeń
osiowych;
poprzeczno – wzdłużne – do przenoszenia zarówno obciążeń
poprzecznych jak i osiowych.
Funkcje przeniesienia obciążeń zarówno poprzecznych jak i osiowych
mogą być rozdzielone na kilka łożysk (poprzecznych i wzdłużnych). Mogą
też być stosowane łożyska, które jednocześnie przenoszą oba obciążenia:
poprzeczne i wzdłużne.
Gdy ruch czopa i łożyska jest realizowany w ten sposób, że
powierzchnia czopa ślizga się sie po powierzchni obejmującej go, wówczas
mamy do czynienia z łożyskami ślizgowymi. Element ten wówczas
nazywamy panwią lub panewką [1].
Innym rozwiązaniem jest zastosowanie łożysk tocznych, gdzie ruch
jest realizowany za pośrednictwem elementów toczących się po
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
4
powierzchni zewnętrznej
elementu łożyska.
i
powierzchni
wewnętrznej
odpowiedniego
3.2. Charakterystyka łożysk ślizgowych
Łożyska ślizgowe działają na zasadzie współpracy powierzchni
roboczych panewki i czopa wału oraz ich wzajemnego poślizgu (tarcie
ślizgowe). Z reguły w łożyskach ślizgowych stosuje się środki smarujące,
jednak występują nierzadkie rozwiązania łożysk na bazie tarcia suchego
(tzw. łożyska samoobsługowe, samosmarne).
W takim jednak przypadku przodującą rolę odgrywają właściwości
materiałów, z których wykonane są powierzchnie współpracujące
(powierzchnie cierne).
Gdy występuje zjawisko niedoboru smaru, a w skrajnym przypadku
wręcz jego brak, należy liczyć się z wystąpieniem [2]:
znacznego wzrostu temperatury łożyska,
szybszego tempa zużycia powierzchni ślizgowych,
wykruszania się powierzchni i ich plastycznego odkształcenia,
dla pary ciernej metal - metal:
- zatarcia w wyniku zespolenia powierzchni;
- wytopienia się fragmentów materiału.
Zaletami łożysk ślizgowych są [3]:
trwałość łożysk pracujących w stabilnych warunkach tarcia płynnego
jest praktycznie nieograniczona,
w warunkach tarcia płynnego uzyskuje się bardzo małą wartość
współczynnika tarcia µ (możliwe jest uzyskanie wartości
współczynnika tarcia µ < 0,005),
możliwość przenoszenia wysokich obciążeń przy bardzo dużych
prędkościach obrotowych łożyskowanych wałów,
tłumienie drgań.
Do wad łożysk ślizgowych należy zaliczyć [3]:
konieczność stosowania środków smarowych wysokiej jakości
z dodatkami
antyzużyciowymi
AW
(Anti - Wear)
oraz
przeciwzatarciowymi EP (Extreme Pressure) i zachowanie wysokiej
czystości podczas eksploatacji,
konieczność zapewnienia wysokiej gładkości powierzchni oraz
odpowiednio technologicznie ukształtowanych warstw wierzchnich
czopa i panwi.
Odmian konstrukcyjnych łożysk ślizgowych jest mniej niż łożysk
tocznych. Jednak oba rodzaje łożysk uzupełniają sie nawzajem i mają
jednocześnie określone zastosowania.
Przykłady zastosowania łożysk ślizgowych:
mechanizmy zegarków ręcznych (bardzo małe rozmiary
i obciążenia, małe prędkości poślizgu),
w mechanizmach przemysły lekkiego,
urządzenia medyczne, dentystyczne,
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
5
węzły konstrukcyjne w stalowych dźwigarach i napinaczach, np.
dachów namiotów,
wózki widłowe, cylindry hydrauliczne,
maszyny budowlane,
urządzenia automatyki przemysłowej, np. pakowarki spożywcze,
przenośniki do gazet w drukarni, roboty przemysłowe,
przemysł samochodowy (m.in. tuleje poliamidowe: fotele, pedały,
układ kierowniczy, hamulce, drzwi), rolniczy, lotniczy, itp.
3.3. Materiały na łożyska ślizgowe
Istotną sprawą w procesie projektowania elementów jest właściwy
dobór materiałów współpracujących ze sobą w procesie ślizgania się
powierzchni czopa i panewki. Czopy w łożyskach ślizgowych są zazwyczaj
stalowe, natomiast materiały stosowane na panewki są różnorodne.
Materiały, z których wykonywane są łożyska ślizgowe muszą sprostać
wielu wymaganiom, ponieważ podczas pracy łożyska następuje
nieuchronne ich zużywanie się.
Ogólnym założeniem jest, aby z dwóch stykających sie elementów
zużywał sie tylko jeden, łatwiejszy do naprawy lub wymiany. Elementem
łatwym do wymiany jest w łożysku panewka, dlatego też materiał
powierzchni panewki jest z reguły mniej odporny na zużycie od czopa.
Powinien być poza tym bardziej odkształcalny, tak, aby poddawał się
pod działaniem twardszych zanieczyszczeń i umożliwiał ich wypłukanie
przez środek smarny.
W fazie docierania materiał panewki powinien sie ścierać w sposób
umożliwiający dopasowanie sie powierzchni czopa i panewki. Oczywiście
z drugiej strony, zużycie materiału nie powinno następować zbyt szybko.
Materiał panewki powinien cechować się właściwościami
przeciwzatarciowymi w warunkach, gdy zawiedzie smarowanie. Powinien
kosztem uplastycznienia, a nawet częściowego topienia umożliwić
krótkotrwałą pracę bez zniszczenia [1, 2].
Liczba stosowanych materiałów łożyskowych jest bardzo duża.
W budowie maszyn najczęściej stosowane są brązy i stopy łożyskowe. Na
łożyska ślizgowe stosuje sie różne rodzaje mas plastycznych, a wiec
żywice fenolowe, poliamidy, teflon i inne tworzywa termoplastyczne
i termoutwardzalne. Masy plastyczne używa sie do łożysk niezbyt
obciążonych i przy niedużych prędkościach ślizgania.
Łożyska na bazie tworzyw sztucznych wykazują wiele zalet m.in. [5]:
nie występuje zjawisko zatarcia (nie następuje szczepienie między
elementem metalowym a polimerowym),
mają dobre właściwości ślizgowe (niski współczynnik tarcia),
wysoka odporność chemiczna,
niewrażliwość na korozję,
łatwość formowania gotowych panewek,
łatwość modyfikacji materiałów.
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
6
Podstawową wadą stosowania materiałów polimerowych na panewki
łożysk ślizgowych jest słabe przewodnictwo cieplne, co powoduje szybkie
nagrzewanie się elementów łożyska oraz duża chłonność cieczy, co
powoduje ich pęcznienie. Stosowane są także nasycone fenolem łożyska
porowate [3].
4. METODYKA BADAŃ
4.1. Opis stanowiska
Ćwiczenie jest prowadzone przy wykorzystaniu tribotestera T-11 (rys. 3,
rys. 4) do badań tarcia ślizgowego i zużycia par ciernych w układzie trzpień
- tarcza (rys. 5).
Rys. 3. Schemat kinematyczny testera T-11 [4]: 1 - korpus, 2 - silnik, 3 - przekładnia
pasowa zębata, 4 - czujnik impulsów, 5 - tuleja wrzeciona, 6 - wrzeciono, 7 - płyta
przesuwna, 8 - obciążniki wyważające, 9 - przeciwwaga, 10 - wałek, 11 - dźwignia,
12 -wspornik, 13 - obciążniki, 14 - próbka, 15 - przeciwpróbka, 16 - nakrętka, 17 tarcza oporowa,18 - wspornik czujnika, 19 - czujnik tensometryczny, 20 - popychacz,
21 - tarczka pomiarowa, 22 - mechanizm przesuwu, 23 - opór regulowany, 24 komora grzejna, 25 - element grzejny, 26 - tuleja izolacyjna
Przeciwpróbka (tarcza) wykonana z metalu obraca się wokół własnej
osi z pewną prędkością obrotową n, próbka zaś wykonana z wybranego
polimeru (bądź kompozytu polimerowego) dociśnięta jest z góry określoną
siłą P.
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
7
Rys. 4. Tester T-11 zespół dźwigni, komory grzejnej i mocowania próbek [4]:
1 - wrzeciono, 2 - tarcza oporowa, 3 - nakrętka, 4 - tulejka, 5,6-tulejka zaciskowa
kulki, 7 - wspornik, 8 - szalka, 9 - tulejka regulacyjna, 10 - wałek, 11 - jarzmo, 12 - oś
dźwigni, 13 - obciążnik, 14 - przeciwwaga,15 - obciążnik regulacyjny, 16 - śruba
dwustronna, 17 - sworzeń, 18 - dźwignia, 19 - podpora dźwigni, 20 - płyta
przesuwna, 21 - płaszcz wewnętrzny komory grzejnej, 22 - osłona, 23 - wykładzina
izolacyjna, 24 - pierścień izolacyjny, 25 - płaszcz zewnętrzny komory grzejnej, 26 tarcza izolacyjna, 27 - tuleja izolacyjna, 28 - zabierak, 29 - łożysko, 30 - kulka, 31 pokrywa szklana, 32 - pokrywa, 33 - tuleja rozprężna, 34 - grzejnik, 35 - śruba, 36 pokrętło, 37 - wspornik, 38 - tuleja łożyskowa, 39 - przyłączka, 40 - dysza, 41, 42 nakrętka
Schemat pracy pary ciernej przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5. Schemat pary ciernej
Do pomiaru zużycia wagowego próbek zostanie wykorzystana waga
laboratoryjna WAS 160/C/2.
Materiały, z których wykonano trzpień i tarczę zostaną podane przez
prowadzącego.
4.2. Przebieg ćwiczenia
a) ustalić wartości stałych parametrów badań (obciążenie, promień
tarcia RT, czas biegu badawczego t),
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
8
b) zważyć, a następnie zamontować próbkę oraz przeciwpróbkę
w uchwytach testera, ustawić promień tarcia, wypoziomować
dźwignię,
c) ustawić czujniki niezbędne do odczytu wartości siły tarcia oraz
zużycia liniowego próbki,
d) uruchomić program, wyzerować (Tare) wartości kanałów
pomiarowych (rys. 6),
e) zdefiniować założone parametry biegu badawczego w oknie
programu (rys. 7),
f) uruchomić urządzenie,
g) po zakończeniu pracy zdemontować i zważyć próbkę,
h) wyniki pomiarów zamieścić w protokole pomiarów,
i) powtórzyć
bieg
badawczy
dla
założonych
wartości
obciążeń/prędkości.
Rys. 6. Okno testowania kanałów pomiarowych [4]
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
9
Rys. 7. Okno konfiguracji procesu pomiarowego [4]
4.3. Prezentacja i analiza wyników badań
I.
Dobór warunków przeprowadzenia próby badawczej
Przy założonej prędkości poślizgu i promieniu tarcia prędkość obrotowa
przeciwpróbki wynosi:
30 Vp
n
RT
[obr/min];
gdzie: Vp – prędkość poślizgu, [m/s], RT – promień tarcia [m].
Nacisk jednostkowy w styku pary ciernej wynosi:
p
4 P
, [N/m2];
d2
gdzie: P – siła obciążająca próbkę, [N], d – średnica próbki, [m].
Całkowita intensywność zużycia próbki wynosi:
Im
M1 M 2
, [mg/m3];
S F
gdzie: M1, M2 – masa próbki przed i po biegu badawczym [mg],
F – powierzchnia przekroju próbki [m2], S – droga tarcia [m]:
S
RT t n , [m];
gdzie: t – czas biegu badawczego, [min].
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
10
II.
Przykładowe przebiegi siły tarcia, zużycia liniowego oraz
temperatury mierzonej w pobliżu styku ciernego, w funkcji czasu.
5. OPRACOWANIE WYNIKÓW BADAŃ
a) dokonać niezbędnych obliczeń wg wzorów zamieszczonych w
rozdz. 4.3,
b) wypełnić protokół pomiarowy,
c) sporządzić wykresy zależności siły tarcia F = f(ν), zużycia liniowego
z = f(ν) oraz temperatury mierzonej T = f(ν) w pobliżu styku
ciernego, w funkcji prędkości ślizgania badanych par ciernych.
6. SPRAWOZDANIE
Sprawozdanie winno zawierać:
stronę tytułową,
cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,
niezbędne obliczenia (rozdz. 4) i wykresy (wymienione w rozdz. 4
i w rozdz. 5 niniejszej instrukcji),
wydruki z programu przeprowadzonego biegu badawczego,
wypełniony całkowicie protokół pomiarowy,
wnioski z uzyskanych wyników badań doświadczalnych.
7. LITERATURA
1. Z. Osiński (red.) Podstawy konstrukcji maszyn. Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 2010.
2. A. Kubalski (red.) Poradnik konstruktora maszyn i urządzeń,
Wydawnictwo Verlag Dashofer, Warszawa 2011.
3. A. Neyman Wykład z podstaw konstrukcji maszyn z ćwiczeniami
rachunkowymi: łożyska ślizgowe.
4. Dokumentacja techniczna, instrukcja obsługi tribotestera T-11.
5. Z. Lawrowski Bezobsługowe łożyska ślizgowe. Politechnika
Warszawska, Warszawa 2006.
8. PROTOKÓŁ POMIAROWY
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
11
Białystok, dn………………
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Katedra Budowy i Eksploatacji Maszyn
PROTOKÓŁ POMIAROWY
Ćwiczenie nr:
Badanie procesu tarcia ślizgowego
Nr. biegu badawczego
1
2
Materiał próbki
Średnica próbki d [m]
Materiał przeciwpróbki
Promień tarcia RT [m]
Czas biegu badawczego
t [min]
Prędkość obrotowa
przeciwpróbki n [obr/min]
Prędkość poślizgu [m/s]
Obciążenie P [N]
Nacisk jednostkowy
2
p [N/m ]
Masa próbki przed biegiem
badawczym M1 [mg]
Masa próbki po biegu
badawczym M2[mg]
Masa przeciwpróbki przed
biegiem badawczym [g]
Masa przeciwpróbki po
biegu badawczym [g]
Intensywność zużycia próbki
Im [mg]
Rodzaj środowiska
………………………………..
data wykonania ćwiczenia
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
……………………………..
podpis prowadzącego
12