wpływ wybranych środków smarnych na rozwój

5-2012
TRIBOLOGIA
47
Stanisław GUZOWSKI*, Maciej MICHNEJ*
WPŁYW WYBRANYCH ŚRODKÓW SMARNYCH
NA ROZWÓJ ZUŻYCIA FRETTINGOWEGO
W POŁĄCZENIU OBROTOWYM WAŁEK–TULEJA
THE IMPACT OF SELECTED LUBRICANTS ON FRETTING
WEAR DEVELOPMENT IN A FRICTION PAR AXLE–SLEEVE
Słowa kluczowe:
połączenie obrotowe, zużycie, zestaw kołowy
Key words:
swivel joint, wear, wheel set
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badań modelowych związanych z oceną wybranych środków smarnych pod kątem ich wpływu na inicjację i intensywność
rozwoju zużycia frettingowego wstępującego w połączeniu obrotowym wałek–
–tuleja.
*
Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych, al. Jana Pawła II 37,
31-864 Kraków, tel. (12) 628 36 58, e-mail: [email protected].
48
TRIBOLOGIA
5-2012
WPROWADZENIE
Zużycie frettingowe jest procesem złożonym, który w dużym stopniu decyduje
o jakości, niezawodności i trwałości elementów maszyn i urządzeń. Badania
eksploatacyjne wskazują, że pomimo szczegółowej kontroli na etapie wytwarzania i eksploatacji, nie da się całkowicie uniknąć uszkodzeń z powodu frettingu. Wyniki badań zużycia frettingowego w połączeniach elementów maszyn,
pracujących w warunkach obrotowego zginania wskazują, że zużycie to może
mieć istotny wpływ m.in. na obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej połączenia, a także może być ogniskiem rozwoju pęknięć zmęczeniowych. Połączenia
obrotowe elementów maszyn pracujące w warunkach obrotowego zginania,
podobnie jak połączenia wciskowe, również mogą generować warunki niezbędne do rozwoju zużycia frettingowego [L. 1]. Są nimi określony nacisk normalny
oraz przemieszczenia względne pomiędzy elementami o małej amplitudzie poślizgu. Złożone zjawiska fizykochemiczne zachodzące na styku skojarzonych
powierzchni oraz wpływ dużej liczby czynników powoduje, że mechanizm
rozwoju zużycia frettingowego jest trudny do opisania. Obecnie przyjmuje się,
że fretting jest zjawiskiem o bardzo złożonym mechanizmie zużywania, w którym nakładają się lub następują po sobie: zużycie adhezyjne, zmęczenie powierzchniowe, odwarstwianie, utlenianie, ścieranie wierzchołkami nierówności
i luźnymi produktami zużycia [L. 2]. Obrazem zużycia frettingowego mogą być
ślady korozji na powierzchni elementów, wzrost chropowatości powierzchni,
mikropęknięcia w warstwie wierzchniej, w konsekwencji prowadzące do pogorszenia warunków pracy połączenia.
METODYKA BADAŃ
Badania doświadczalne przedstawione w niniejszym artykule dotyczą połączenia obrotowego tulejki z wałkiem, które modeluje rzeczywiste połączenie tulei
ślizgowej koła z osią zestawu kołowego z samoczynną zmianą rozstawu kół.
Zestawy te są polską konstrukcją (SUW 2000) i od kilku lat eksploatowane
w ruchu kolejowym między Polską a Ukrainą. W trakcie eksploatacji pojawiły
się jednak pewne problemy w użytkowaniu tych zestawów. Okazało się, że
w połączeniu obrotowym tuleja koła–podpiaście osi, pomimo stosowania środków smarnych, ma miejsce rozwój zużycia frettingowego, a ponadto blokowanie
się koła w trakcie jego przesuwu. Stąd przytoczone wyniki w niniejszym artykule
obejmują jedynie badania wpływu wybranych środków smarnych na inicjację
zużycia frettingowego i siłę tarcia w trakcie przesuwu koła. Badania zużyciowe
próbek modelujących połączenie tuleja–oś przeprowadzono na maszynie zmęczeniowej typu MUJ, która pozwala na uzyskanie parametrów symulujących rzeczywiste warunki eksploatacji zestawu kołowego. Konstrukcja maszyny pozwala na otrzymanie okresowo zmiennego obciążenia z równoczesnym zginaniem
5-2012
TRIBOLOGIA
49
obracającej się próbki (Rys. 1). Siła Q symuluje część obciążenia statycznego
zestawu kołowego, a siła P pozostałą część tego obciążenia pozwalającą na
dociążenie tulejki do wałka odzwierciedlając rzeczywiste warunki eksploatacji.
Układ taki zapewnia stałe obciążenie modelu w płaszczyźnie pionowej. Przy
doborze próbki modelującej połączenie tuleja ślizgowa–oś zestawu kołowego
kierowano się zachowaniem podobieństwa wymiarowego w strefie połączenia,
które dotyczyło długości połączenia, średnicy osi oraz pasowania. W tym celu
zachowano proporcję długości połączenia i średnicy osi oraz pasowania. Do
badań wałek wykonano ze stali 45, a tulejkę ze stali 36HNM. Taki dobór materiałów zapewniał zbliżone własności do materiałów, z których wykonany był
obiekt rzeczywisty w wersji prototypowej.
Tulejkę ustalano względem podpiaścia wałeczka za pomocą śruby bez łba
z gniazdem, która zabezpieczała przed przemieszczeniami poosiowymi i obwodowymi oraz zapewniała ruch tulejki względem wałeczka w kierunku promieniowym podczas obrotów. Przed przystąpieniem do badań zużyciowych dla
każdego modelu skojarzeń za pomocą dynamometru wykonano pomiar siły
niezbędnej do przesunięcia tulejki po wałku, co modelowało rzeczywisty przesuw koła po osi zestawu kołowego w trakcie przejazdu wagonu przez torowe
stanowisko przestawcze.
Rys. 1. Schemat obciążenia próbki na maszynie wytrzymałościowej typu MUJ i odpowiadający mu rozkład momentu zginającego
Fig. 1. Loading of test piece and bending moment distribution on MUJ machine
Badania modeli połączenia tuleja ślizgowa–oś zestawu kołowego przeprowadzono przy zastosowaniu w węźle tribologicznym środka smarnego, który
w założeniu powinien wyeliminować zużycie współpracujących powierzchni
oraz powinien zapewnić możliwość swobodnego przesuwu tulei po wałku po
badaniach zużyciowych. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań
dwu rodzajów środków smarnych:
• Withmore,
• Glacier,
50
TRIBOLOGIA
5-2012
WYNIKI BADAŃ ZUŻYCIOWYCH
Badania polegały na obserwacji makroskopowej oraz mikroskopowej powierzchni wałków po badaniach zużyciowych. Badania makroskopowe wykonano po zdjęciu tulejki z wałka. Powierzchnie wałków obserwowano przy powiększeniu ok. 8x oraz 50x. Strefy współpracujące w węźle tribologicznym
oraz strefy występowania zużycia poddano badaniom chropowatości powierzchni oraz analizie mikroskopowej na mikroskopie skaningowym.
Smar Withmore
Przedstawione na Rys. 2 obrazy zużycia na powierzchni wałka wskazują na
duży stopień uszkodzenia powierzchni. Smar po badaniach zużyciowych przeprowadzonych dla 6,12 x 106 cykli uległ „zapieczeniu”, co świadczy o małej
stabilności własności, całkowicie uniemożliwiając przesuw tulejki po wałku.
Na powierzchni podpiaścia zaobserwowano duże uszkodzenia w postaci wżerów, o brązowym i miejscami czarnym zabarwieniu, będących wynikiem utlenienia obszaru zużycia. Świadczy to o znacznym rozwoju zużycia frettingowego.
Rys. 2. Obrazy makroskopowe uszkodzonego obszaru podpiaścia wałka
Fig. 2. Images of the damaged area of shaft seat
Pod mikroskopem skaningowym w obszarze zużycia zaobserwowano narosty oraz wyrwania (złuszczenia) materiałowe, które po odkształceniu plastycznym uległy utlenianiu. Przyczyną powstałych uszkodzeń są niekorzystne właściwości smaru plastycznego, które powodują, że w warunkach obciążeń zmęczeniowych dochodzi do separacji składnika stałego smaru, który następnie
ulega częściowemu usuwaniu z węzła styku. Pozostała część smaru z uwagi na
małą amplitudę oscylacji mogła doprowadzić do propagacji uszkodzeń zmęczeniowych. Potwierdza to tezę Zhou Z.R. i Vinceta [L. 3], że przy małych wartościach amplitudy penetracja smaru do mikropęknięć może powodować wykruszanie, pogarszając warunki do stopnia, w jakim odbywa się styk suchy.
5-2012
TRIBOLOGIA
51
Rys. 3. Obrazy zużycia – liczba cykli 6,12 x 106, pow. x 1000
Fig. 3. Images of wear area – cycles nb. 6.12 x 106, magn. x 1000
Smar Glacier
Smar Glacier znajduje zastosowanie przy powlekaniu metalowych powierzchni
ciernych, których nie można efektywnie smarować olejem lub smarem z powodu wysokich obciążeń, małej prędkości lub niekorzystnych wpływów środowiska. Smar charakteryzuje się odpornością na utlenianie, dobrą adhezją oraz
odpornością na naciski. W badanym przypadku po usunięciu środka smarnego
powierzchnia podpiaścia nie wykazała jakichkolwiek śladów zużycia frettingowego. Luz pomiędzy tulejką a wałkiem nie uległ zmianie. W przeprowadzonym badaniu stwierdzono, że spośród badanych smarów smar Glacier wykazał
się największą odpornością na zużycie.
Rys. 4. Obrazy makroskopowe podpiaścia wałka
Fig. 4. Images of shaft seat
Smar Glacier charakteryzuje się dużą stabilnością własności smarnych
w przyjętych warunkach badań zmęczeniowych. Siła niezbędna do zsunięcia
tulejki uległa nawet nieznacznemu zmniejszeniu po określonej liczbie cykli
badań zmęczeniowych. Konsystencja smaru nie uległa zmianie w stosunku do
52
TRIBOLOGIA
5-2012
stanu wyjściowego. Na obrazach mikroskopowych widoczne są pomijalne ślady
uszkodzeń powierzchni, które są niemożliwie do zidentyfikowana w badaniach
makroskopowych. Źródła powstałych uszkodzeń należy dopatrywać w niedostatecznym smarowaniu węzła.
Rys. 5. Obrazy powierzchni wałka – liczba cykli 7,9 x 106, pow. x 1000
Fig. 5. Images of shaft surface – cycles nb. 7.9 x 106, magn. x 1000
Ze względu na wyniki przeprowadzonych badań smar Glacier powinien zostać poddany dalszym badaniom w warunkach eksploatacyjnych.
WNIOSKI
Wyniki badań wskazują na wyraźny wpływ własności środków smarnych
na intensywność rozwoju zużycia frettingowego. Badany smar Withmore, pomimo lepszej zdolności do utrzymywania się w obszarze styku, w wyniku obciążeń zmęczeniowych tracił te własności, powodując ponadto zlepianie się
z produktami zużycia, co doprowadziło do znacznego wzrostu siły przesuwu
i w konsekwencji do zablokowania tulei na wałku. Z kolei smar Glacier znacznie ograniczył zużycie przy założonej liczbie cykli zmęczeniowych, charakteryzuje się on również dużą stabilnością własności. Świadczy to również o jego
dobrych własnościach przeciwadhezyjnych w przeciwieństwie do smaru Withmore.
LITERATURA
1. Guzowski S.: Warunki rozwoju zużycia fretting w połączeniu koło–oś zestawu kołowego. Zeszyty Naukowe, Transport Politechnika Śląska. 1995 Z. 27, s. 111–118.
2. Neyman A: Fretting w elementach maszyn. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej.
Gdańsk 2003.
3. Zhou Z.R., Vincent L: Lubrication in fretting – a review. Wear Vo. 225–229, 1999.
5-2012
TRIBOLOGIA
53
Summary
Complex physicochemical phenomena occurring at the interface between
associated surfaces and the impact of a large number of factors makes the
development of fretting wear mechanism difficult to describe and it has
not received a clear definition in publications. The paper presents the
results of model tests related to the evaluation of selected lubricants
related to their impact on the initiation and intensity fretting wear
development in a friction par axle-sleeve.
54
TRIBOLOGIA
5-2012