Janusz JANECKI

*)O PEWNYCH STRONACH PROCESU KONSTRUOWANIA MASZYN I NIEKTÓRYCH PROBLEMACH OBLICZANIA ZUŻYCIA CZĘŚCI MASZYN

*JANUSZ JANECKI, „O PEWNYCH STRONACH PROCESU KONSTRUOWANIA MASZYN I NIEKTÓRYCH PROBLEMACH OBLICZANIA ZUŻYCIA CZĘŚCI MASZYN”, ZAGADNIENIA TARCIA, ZUŻYCIA I SMAROWANIA Zeszyt 2, 1967 Praca wpłynęła do Redakcji 21- X. 1965 r.

l. Wprowadzenie

Obecny okres rozwoju przemysłu w Polsce, cechujący się masową produkcją i eksploatacją maszyn i urządzeń mechanicznych różnorodnego typu, charakteryzują wyraźne tendencje do zwiększenia trwałości i niezawodności maszyn i urządzeń mechanicznych. Cały szereg z produkowanych obecnie maszyn ma niezadowalające jeszcze okresy międzynaprawcze; cechą szczególną zaś wielu produkowanych maszyn jest nierównomierne tracenie przez poszczególne części i zespoły maszyn wartości użytkowej, zmuszające do wykonywania pracochłonnych napraw jedynie ze względu na niekiedy nieliczne części wymagające tej naprawy.
W procesie eksploatacji maszyn zdarzają się nieprzewidziane awarie będące następstwem niekiedy złego wykonalna skojarzonych części, czasami zaś wynikiem wadliwej konstrukcji; często też maszyna nie wytrzymuje całego okresu międzynaprawczego przewidywanego przez konstruktora.
Przyczyną występowania powyższych zjawisk jest na ogół wyłącznie niski stan poziomu wiedzy technicznej z zakresu wpływu na parametry eksploatacyjne maszyn i urządzeń mechanicznych procesów tarcia i zużywania. Konstruktor i technolog w toku procesu konstruowania i kształtowania cech procesu technologicznego nie uwzględniają na ogół cech charakterystycznych przyszłych procesów eksploatacyjnych i wpływu czynników tego procesu na zjawiska zużywania. Znane powszechnie zależności między np. wzrostem odporności na zużywanie a wzrostem twardości są zbyt słabo opisane i nie wyczerpują bynajmniej związków istniejących między całym szeregiem czynników konstrukcji i produkcji a efektami eksploatacyjnymi. Konstruuje się na „wyczucie", stosując klasyczne metody obliczeń wytrzymałości objętościowych [l, 2], a niemal zupełnie nie uwzględnia się w procesie produkowania faktu zasadniczego wpływu na wartość użytkową trących się części maszyn własności warstwy wierzchniej, nadanych tej warstwie w toku np. obróbki mechanicznej, ulepszania cieplnego czy cieplno-chemicznego; zbyt mało rozwinięta jest jeszcze gałąź wiedzy, mówiąca o np. współzależności między stanem naprężeń własnych, zgniotem powierzchniowym, stanem struktury warstwy wierzchniej, kształtem nierówności powierzchni itp. a odpornością na zużycie przy różnych rodzajach zużycia.
Klasyczne zasady pracy konstruktora sprowadzają się z reguły do obliczeń dotyczących wytrzymałości objętościowej i zmęczeniowej oraz do przyjmowania pewnych znanych przeciwciernych (czy wysokociernych) skojarzeń materiałów na poszczególne części maszyn. Nigdy - poza sporadycznymi przypadkami - nie dokonuje się obliczeń części maszyn na zużycie. Klasyczna zaś praca technologa polega na dobraniu rodzajów obróbki zapewniających uzyskanie odpowiednich pasowań i gładkości powierzchni - bardzo często w tym ostatnim przypadku na podstawie tradycji, bez uwzględnienia rzeczywistych potrzeb wynikających np. z gładkości powierzchni uzyskiwanych w toku procesu docierania, ustabilizowanych w całym okresie normalnego zużywania się części maszyn. Zauważa się też tendencje: do podwyższania twardości materiałów na części, pracujące w warunkach tarcia suchego (ścierniwo!) oraz dobierania różnych stopów pracujących w łożyskach przy stosunkowo dużej ich żywotności i małych współczynnikach tarcia. Bynajmniej jednak nie można stwierdzić, że w tym zakresie działalności kierunki są słuszne i że dadzą w efekcie możliwość przedłużenia trwałości części maszyn [l], [3].
Praktyka eksploatacji dowodzi, że bardzo rzadko występuje awaria maszyny, spowodowana pęknięciem części (następstwo niewłaściwych obliczeń wytrzymałości objętościowej). Z reguły maszyna wymaga naprawy tylko w wyniku powiększenia się luzów w skojarzonych częściach maszyn lub pogorszenia gładkości powierzchni (zależne od luzów). Można zatem zaryzykować twierdzenie, że obliczenia wytrzymałościowe klasyczne, objętościowe wykonywane są poprawnie. Natomiast rzuca się wyraźnie w oczy brak metod obliczania części maszyn na zużywanie - a w szczególności odpowiednich danych doświadczalnych w formie wskaźników i współczynników - które by umożliwiły przeprowadzenie takich obliczeń. Brak także w kraju próby dokonywania obliczeń oraz stworzenia dostatecznie obszernego materiału doświadczalnego umożliwiającego stosowanie w toku konstruowania maszyny jej obliczania na zużycie.

2. Procesy tarcia i zużywanie w maszynach

Wszystkie podstawowe oddziaływania mechaniczne (także zmęczeniowe); na części maszyn w maszynach i urządzeniach mechanicznych w sensie „objętościowym" ujęto w obliczeniach wytrzymałościowych. Nawet przy bardzo skomplikowanych przypadkach utwierdzenia elementów maszyny i ich obciążenia konstruktor dysponuje odpowiednim aparatem wytrzymałościowo-matematycznym pozwalającym z dużymi dokładnościami dobrać odpowiednie przekroje, wybrać gatunki tworzyw i należyte skojarzenia, tak by maszyna (urządzenie mechaniczne) obliczone było prawidłowo i obliczeniom tym w praktyce eksploatacji odpowiadało. Natomiast w zakresie ujęcia wskaźników procesów oddziaływania na warstwę wierzchnią w toku eksploatacji i jej niszczenie jakichkolwiek metod i punktów wyjścia brak. Komplikuje sprawę fakt bardzo złożonych procesów, zarówno tarcia i zużycia, występujący w eksploatacji, nie zezwalający, na dostatecznie wierne ujęcie wszystkich stron tych procesów przez skoordynowane systemy obliczeń; nie można nawet w sposób jednoznaczny wyważyć ważności poszczególnych czynników, wpływających ma procesy tarcia i zużywania. Brak dotychczas ustalonych poglądów na: klasyfikację procesów tarcia i zużycia, mechanizm .niszczenia warstwy wierzchniej, wzajemne powiązanie i uwarunkowanie czynników wpływających na tarcie i zużycie itp. Istnieje w praktyce eksploatacji cały szereg typów i rodzajów tarcia często występujących w tym samym skojarzeniu części maszyn w różnych etapach i zakresach pracy skojarzenia.
Rys. l. Klasyfikacja rodzajów zużywania części maszyn (jeden z przyjętych wariantów)

Na proces zużywania wpływa wiele różnych czynników, których ujęcie dostatecznie dokładne w określony system wzajemnego „wyważenia" (określenie „ciężaru gatunkowego") nie jest proste (rys. 1).
Bezpośrednią przyczyną powstawania zużycia jest naturalnie proces (i zjawisko) tarcia [4], [5], [6], [2]. Jednak na sam proces tarcia wpływa wiele czynników i parametrów związanych zarówno ze zjawiskiem tarcia, jak i z cechami pracy skojarzenia. Oto niektóre z nich:
  1. geometria powierzchni,
  2. rodzaj tworzywa części,
  3. struktura warstwy wierzchniej części,
  4. ośrodek (otoczenie, ciecze .smarujące i chłodzące, ścierniwo itp.),
  5. prędkość względna,
  6. rodzaj i geometria ruchu,
  7. warunki obciążenia (rodzaj i wartość),
  8. naprężenia własne warstwy wierzchniej,
  9. temperatura części itp.
Ujęcie wszystkich powyższych czynników w celu wyliczenia wartości współczynnika tarcia jest przy obecnym stanie wiedzy stosowanej z zakresu tarcia w zasadzie (niemożliwe. Przyjmowanie w obliczeniach wartości stabelaryzowanych w szeregu podręczników daje niekiedy okazję do popełnienia nawet kilkusetprocentowego błędu. Z reguły przecież wartości współczynnika tarcia podane są nie dla skojarzenia, lecz dla pojedynczego tworzywa (!), a poza tym dla bliżej nie sprecyzowanych warunków kinematyczno-dynamicznych (współczynnik statyczny?, kinetyczny?). Tak więc już obliczenia strat energetycznych na pokonanie tarcia, dokonywane przez konstruktora, są bardzo przybliżone i często nie odpowiadają rzeczywistości. Ponieważ już w obliczeniach współczynnika tarcia popełnia się tak duży błąd, jakże duży błąd popełniłoby się w obliczeniach zużycia, w których poza wartością współczynnika tarcia na intensywność zużywania wpływa ogromna ilość czynników. Spośród czynników, rzutujących na charakter procesu zużywania i na wartość zużycia (zużycie liniowe, wagowe itp.) w jednostce czasu, wymienić należy: [4], [2], [7].
  1. moduł sprężystości i stosunek modułów sprężystości skojarzonych w częściach maszyn tworzyw,
  2. twardość i stosunek twardości ciał trących się (ściślej -- twardość warstw wierzchnich),
  3. stosunek powierzchni styku, rzeczywistej i nominalnej (zależne zarówno od jakości obróbki - gładkości i kształtów, jak i od E i H!),
  4. rzeczywistych i nominalnych nacisków jednostkowych,
  5. amplitudę i częstości zmian nacisków (przy uwzględnieniu szybkości narastania nacisku - udar!),
  6. strukturę skojarzonych ciał,
  7. porowatość warstwy wierzchniej,
  8. ścierniwo: rozmiar ziaren, gatunek, ilość,
  9. korozyjność metali,
  10. naprężenia własne warstwy wierzchniej,
  11. dyfuzyjność warstwy wierzchniej,
  12. prędkość względną,
  13. umocnienie warstwy wierzchniej,
  14. czas trwania styku suchego,
  15. właściwy dobór par tarcia,
  16. parametry procesu docierania.
Ujęcie wszystkich tych czynników w ewentualnych formułach obliczeniowych intensywności zużywania nastręcza bardzo duże trudności i jest niemal niemożliwe. Należyte wyważenie poszczególnych czynników, posegregowanie ich wg stopnia ważności w wyliczaniu procesu zużycia danego typu będzie już bardzo dużym krokiem naprzód w dziedzinie ulepszenia metod obliczania przy konstruowaniu maszyn i urządzeń mechanicznych. Z powyższego wynika wyraźnie, że procesy obliczeń, opierające się na stosowaniu metod obliczeń wytrzymałości objętościowej i zmęczeniowej, są stosunkowo proste w porównaniu z procesami wyliczeń intensywności zużywania. Nie można naturalnie obecnie ubiegać się o stworzenie ogólnej teorii obliczeń zużycia, która by dawała się łatwo stosować w praktyce inżynierskiej; pożądane będą każde, nawet skromne, o ograniczonej stosowalności, formuły obliczeniowe i materiały do tych formuł, które pchną naprzód zagadnienie obliczeń części maszyn na zużywanie.

3. Współczesny stan metod obliczeń części maszyn na zużywanie

Konstruktor i technolog w trakcie projektowania i wykonywania maszyny określają z reguły jej wytrzymałość, nadając jej tym samym określone cechy użytkowe. Nie zastanawiają się jednak niemal nigdy - bo i brak ku temu podstaw - nad problemami przeciwdziałania c e l o w e g o przyszłym procesom tarcia i zużywania. Z reguły korzystają z utartych metod wytrzymałości objętościowej i zmęczeniowej. Dla przeciwdziałania przyszłym procesom zużywania, z których istnienia zdają sobie doskonale sprawę, stosują tradycyjne metody: jak najlepsze jakościowo tworzywa, możliwie jak najlepsza obróbka mechaniczna (gładkość powierzchni). Te „tradycyjne" metody zapobiegania procesom zużycia w szeregu przypadków zdają egzamin, jednak:
  1. w całym szeregu konkretnych przykładów eksploatacji zawodzą [8],
  2. bynajmniej nie znaczy to, że osiągnięto tym sposobem pułap trwałości skojarzenia części maszyn i że [niemożliwe jest np. dwukrotne zwiększenie tej trwałości!
Do procesu konstruowania wprowadzą się w ostatnich czasach - w sposób zresztą bardzo ostrożny, ukradkowy - pewne elementy obliczeń części maszyn na zużycie. Są one zresztą dalece niepełne, niedoskonałe i dotyczą bardzo nielicznej grupy części maszyn. W odniesieniu do skojarzeń pracujących przy tarciu płynnym wprowadzone metody obliczeniowe, umożliwiające zapewnienie istnienia klina smarnego, są zupełnie zadowalające; natomiast nie zadowala obliczenie łożysk tam, gdzie obok okresów tarcia płynnego występuje tarcie półpłynne [9] lub niekiedy graniczne i suche [10], [4]. Wprowadzono pewne wzory pozwalające określić granicę trwałości powierzchni zębów przekładni zębatych (Niemann 11), jednak nie odzwierciedlają one nawet w dalekim przybliżeniu wpływu wszystkich głównych czynników decydujących o zużywaniu zębów kół zębatych.
W procesie konstruowania korzysta się niekiedy z pewnych doświadczeń eksperymentu eksploatacyjnego, na którego podstawie określono przeciętne trwałości części maszyn w zależności od ich warunków pracy; uwzględniono w ten sposób obliczanie czasu pracy łożysk tocznych oraz skracanie tego okresu w wyniku działania zmęczeniowego obciążenia, uwzględniono określenie długowieczności łożysk tocznych czy przekładni zębatych, opracowano metody optymalnego obliczania łożysk ślizgowych [10], [121. Niemniej mimo powyższych uwag można stwierdzić, że:
  1. nie istnieją do dzisiaj żadne stosowane metody obliczania części maszyn na zużycie;
  2. w najnowszych nawet podręcznikach i programach, dotyczących konstruowania części maszyn lub całych maszyn, nie spotyka się niemal nawet wzmianek o potrzebie takiego obliczania.
W procesach nauczania wyższych i średnich uczelni technicznych pomija się w zasadzie zupełnie zagadnienia związane z procesami tarcia, smarowania i zużycia maszyn. Inżynier (lub technik) kończący uczelnię ma jedynie na ogół niejasne pojęcie o tym, że istnieje proces tarcia, że istnieje obiektywnie zużywanie maszyn, i że dobierać należy odpowiednie skojarzenie części maszyn oraz smary, by przeciwdziałać procesom tarcia i zużywania. Jak uwzględniać cechy charakterystyczne tych procesów w procesie konstruowania i wykonywania oraz eksploatowania maszyny, a także jak korzystać ze skromnych zresztą materiałów, traktujących o tarciu, smarowaniu i zużyciu - nie ma na ogół pojęcia, uczy się tych rzeczy w praktyce zawodowej, i to w dalece niezadowalającym stopniu i na niezadowalającym poziomie.
Reasumując: w procesie konstruowania nie stosuje się dotychczas metod obliczeń części na zużycie, wspomniane wyżej próby niektórych obliczeń są tak szczupłe i niedoskonałe, że !nie przeczą powyższemu stwierdzeniu, brak też tendencji do uwzględnienia tych obliczeń w przyszłości. Przyczyny są tu następujące:
  1. stanowczo brak przedmiotu „Tarcie, smarowanie i zużycie maszyn" w procesach nauczania szkół technicznych - wyższych i średnich;
  2. stanowczo zbyt nikły jest dorobek nauki w zakresie badań zjawisk zużycia, szczególnie zaś w zakresie użytkowego opracowania wyników badań zużycia i tarcia - wywołany m. in. nikłym zaangażowaniem pracowników nauki w tym zakresie; powyższe zjawisko występuje szczególnie jaskrawo w Polsce;
  3. brak w Polsce dostatecznej bazy badawczej oraz zadowalającego zainteresowania zagadnieniami walki z zużyciem w toku konstrukcji i produkcji przez przemysł krajowy, którego personel techniczny i techniczno-badawczy nie zdaje sobie na ogół sprawy z ważności problemu;
  4. ujęcie w określone metody obliczeniowe zjawisk zużywania jest nierównie trudniejsze niż np. zjawisk związanych z pojęciem wytrzymałości objętościowej czy zmęczenia; wywołany jest ten stopień trudności zarówno stanem nauki dotyczącym tarcia i zużycia, jak i faktem występowania szeregu sprzężonych czynników, mających wpływ w toku eksploatacji ,na zużycie oraz dużą trudnością przenoszenia wyniku laboratoryjnego na eksploatację (co jest w pełni możliwe w zakresie wytrzymałości objętościowej).

4. Istniejące metody obliczeń zużycia - proponowane - i ich braki

Jak już wspomniano, 'na zużycie wywiera wpływ cały szereg czynników z sobą niejednokrotnie nawzajem powiązanych. Powiązanie tych licznych czynników jest tak skomplikowane, że nie można nawet w sposób przybliżony określić czynników więcej lub mniej ważnych, by je później - w toku ,np. eksperymentowania, mającego na celu opracowanie metod obliczania (i odpowiednich wskaźników i współczynników do obliczania zużycia) - należycie wyważyć: niektóre odrzucić, inne odwzorować.
Ponadto zależy to także od przewidywanego rodzaju zużycia, bardzo często nie występującego w czystej formie, lecz wspólnie z innymi rodzajami zużycia, w których mechanizm niszczenia warstwy wierzchniej jest skrajnie inny. Na ogół jednak byłoby zadowalające, gdyby udało się - na podstawie eksperymentu - opracować wzory empiryczne (lub nomogramy) dla obliczania intensywności zużywania, przy odwzorowaniu podstawowych parametrów, decydujących w rzeczywistych maszynach o rodzaju zużycia i jego intensywności (poza materiałami) [5], [4], [7]:
  1. prędkości względnej (rząd wartości);
  2. rodzaju ruchu (obrotowy, posuwisto-zwrotny, przegubowy);
  3. charakteru styku współpracujących powierzchni (punktowy, liniowy, powierzchnia o polu określonym dwoma wymiernymi wymiarami, styk wewnętrzny czy zewnętrzny);
  4. rodzaju obciążeń (stałe, zmienne, pulsujące czy oscylujące, wartość amplitudy i częstość zmian, górne i dolne wartości itp.);
  5. wartości obciążenia (nacisk jednostkowy nominalny i rzeczywisty);
  6. typie ośrodka (korozyjny, neutralny, smarowanie, chłodzenie itp.);
  7. proporcji wymiarów i skali geometrycznej zmniejszenia wymiarów badanych części,
a także i ewentualnie całego szeregu innych czynników. Zmusza to naturalnie do konstruowania odpowiednich maszyn do badania zużycia, odwzorowania w nich cech szczególnych pracy rzeczywistych maszyn i przekreśla stosowalność wyników uzyskiwanych w innych warunkach, np. przy badaniach na klasycznych dzisiaj niemal maszynach, jak Amsler, czy Skoda-Sawin.
Takie postawienie zagadnienia nie stwarza naturalnie dogodnych warunków do uzyskiwania na podstawie badań szybkich konkretnych metod obliczania części maszyn na zużycie. Skomplikowany konglomerat warunków przeraża na ogół badaczy; badania idą raczej po linii badań podstawowych pojedynczych, wyjaśniających na ogół zjawiska, nie wpływających jednak w sposób istotny na modyfikację inżynierskich obliczeń części maszyn. Badania prowadzone w dostatecznie bliskich praktyce warunkach kończą się na ogół przebadaniem określonej, konkretnej części (zespołu części) maszyny wykonanej z konkretnego materiału i pozwalają jedynie na uznanie, czy w konkretnych warunkach część ta gwarantuje zadowalającą trwałość. Niemniej szereg badaczy zajęło się i uogólnieniem metod obliczeń na zużycie, a przynajmniej ustaleniem ogólnych fizycznych zależności intensywności zużywania od niektórych parametrów tworzywa i procesu zużywania. Badania te jednak na ogół dotyczą stosunkowo prostych rodzaj ów zużycia, np. zużycia ściernego, wkraczają nieco w obszar zużycia adhezyjnego (przez sczepianie) lub zużycia w wyniku skrawania nierównościami jednej z powierzchni, twardszej, a zupełnie nie obejmują tych najczęstszych przypadków, w których występuje zużycie mieszane - np. przy tarciu półpłynnym. We wszystkich przypadkach w wyniku prac stara się o wymierzenie wartości współczynnika zużycia (wskaźniki zużycia względnego).
Stosunkowo dobrze opracowano podstawowe zależności decydujące o intensywności zużywania przy zużyciu ściernym. Badaniami takimi i opracowaniami teoretycznymi zajęli się m. in. Chruszczow [5], Oberle [14], Niemann [li], Archard [15], Holms [16], Tonn [17], Kragielski [4] i in. We wszystkich jednak przypadkach na ogół nie są to formuły obliczeniowe, które pozwalają na wyliczenie np. intensywności zużywania określonego skojarzenia części maszyn wyłącznie w zależności od parametrów pracy maszyny i wskaźników tworzywa (np. H czy E i in.). We wszystkich (nielicznych zresztą) przypadkach posiłkować należy się przy tym odpowiednimi nomogramami lub wykresami opracowanymi zresztą także w zasadzie w odniesieniu do nielicznych jedynie tworzyw technologicznych.

Zużycie ścierne

Według Chruszczowa [5] intensywność zużycia ściernego (przy istnieniu ziaren utwierdzonych) można przedstawić zależnością:


Iz =
kn
H

• ih		(1)

gdzie: kn - nacisk jednostkowy nominalny,

H - twardość tworzywa (metalu),
ih - jednostkowe zużycie (wagowe lub liniowe).
Niestety we wzorze tym nieznane na ogół są wartości
ih, w obliczeniach przybliżonych przyjmuje się je zwykle jako wartości stałe, jednak ze względu na brak uwzględnienia szeregu takich czynników, jak własności ścierniwa, prędkość itp. wzór bez konkretnych nomogramów, pozwalających na wyznaczenie ih, jest jedynie zależnością funkcyjną pozwalającą ocenić zależność, a nie wyliczyć wartość zużycia.
Według Chruszczowa uwzględnić należy przy zużyciu ściernym następujące zależności.
Według Chruszczowa uwzględnić należy przy zużyciu ściernym następujące zależności.
a) e = b • H - (2) (zużycie względne)
b) At = c • P • S - (3) (praca tarcia)
c) e =
b • H
Ca1 • A + Ca2 • B
- (4) (przy mieszaninie dwóch typów ziaren ściernych)
d) e =
b' • ( H - H0 )
Ca1 • A + Ca2 • B
- (5) (jw. - przy obróbce cieplnej stali w wyniku tarcia)
e) e =
i=n
S
i=1
aiei
- (6) (przy strukturze wieloskładnikowej)
e = a1e1 = (1-a0)e1 - (7) (przy budowie porowatej)
e = e0 + aC = ej + 6,67 • a · b · 10-2 (8) (przy stali węglowej odpuszczanej)
gdzie: e - zużycie względne (5),
b - współczynnik proporcjonalności,
At - praca sił tarcia,
c - f(HB) (współczynnik),
P - sumaryczna siła nacisku nominalnego,
S - droga tarcia (sumaryczna),
Ca1, Ca2 - współczynniki proporcjonalności określające zużycie przy stosowanych dwóch różnych ścierniwach,
A, B - procentowy udział w ścierniwie dwóch typów ziaren ścierniwa,
H0 - twardość warstwy wierzchniej,
H - twardość wyjściowa,
e0 - zużycie względne materiału warstwy wierzchniej o twardości wyjściowej,
ai - część objętości zajęta przez dany składnik (%),
a0 - procentowy udział por w objętości jednostkowej tworzywa,
ef - zużycie względne ferrytu,
C - ilość węgla (%) w stali,
b - ilość cementytu (%) w stali,
a - współczynnik proporcjonalności.

Naturalnie odpowiednie zależności stają się użyteczne dopiero wówczas, gdy istnieją ilustrujące je nomogramy (częściowo podane w pozycji [5], [15], niestety nie wiadomo, jak uwzględnić w praktycznych obliczeniach wzajemne powiązanie poszczególnych zależności, obejmujących w zasadzie wszystkie strony procesy zużycia ściernego stali (poza uwzględnieniem nacisków dynamicznych i prędkości). Ta strona opracowania zużycia ściernego w częściach maszyn nie pozwala naturalnie na wyliczenie wartości zużycia; pozwala jednak już, na dość jednoznaczne przybliżone określenie odporności na zużycie skojarzonych tworzyw w konkretnych częściach, np. ogniwach gąsienicy i innych.
Inne zależności intensywności zużycia ściernego określili Kehl i Siebel [18] oraz inni. Z ich badań, w których zużycie miało charakter ścierny, jednak odbywało się bez ścierniwa (stal po twardym i kruchym żeliwie - w zasadzie rodzaj zużycia wyłącznie ścierny), wynika, że:
  1. zużycie (intensywność zużywania) zmienia się wydatnie w miarę zmieniania się prędkości; różnica w intensywności zużywania przy stałych warunkach innych niż prędkość może zmieniać się nawet tysiąckrotnie! [18];
  2. brak wyraźnych związków między pracą sił tarcia a zużyciem, co oznacza, że nie można na podstawie założenia (wyliczenia) współczynnika tarcia wyznaczyć nawet orientacyjnie intensywności zużywania! [19];
  3. istnieje ogólna prawidłowość zużywania się dwóch skojarzonych powierzchni, przy których pracy ma miejsce ścierne zużycie [5]
e =
CE • HM
CM • HE
 (9)

gdzie: CE, HE- współczynnik proporcjonalności i twardość materiału wzorca (metal, do którego cech odnosi się zużycie względne),
CM, CM
- współczynniki proporcjonalności i twardość metalu badanego.

Badania [5], [20] sugerują, że dla zużycia ściernego (lub dla zużycia, w którym przeważa skrawanie mimo braku ścierniwa) słuszna jest zależność
e = C • En (10)

lub
Iz = C •
P
E
 (11)

czy też
Iz = C •
P • Sa • a
H
 (12)

gdzie: C - współczynnik proporcjonalności, zależny od warunków badań,

E - moduł sprężystości podłużnej,
S - droga tarcia,
a - rozmiar ziaren ścierniwa,
P - nacisk,
Iz - intensywność zużywania.
Istniejące wzory, zezwalające ewentualnie wyliczyć wartość zużycia, nie są z sobą dostatecznie powiązane i nie zezwalają w zasadzie przewidzieć wartość zużycia liniowego czy objętościowego określonej pary współtrącej się przy skomplikowanych warunkach. Wymagają zatem i one odpowiedniego opracowania - szczególnie wyraźnego określenia występujących w nich, często bliżej nie sprecyzowanych współczynników proporcjonalności. Nie uwzględniają np. faktu, że zużycie ścierne nie zależy jedynie od twardości, lecz także i od tego, w jaki sposób twardość tę osiągnięto! Na przykład - zużycie jest mniejsze w przypadku, gdy podwyższoną twardość uzyskano na drodze umocnienia przez obróbkę plastyczną niż w przypadku, gdy twardość tę uzyskano przez dodanie dużych ilości składników stopowych czy też przez hartowanie stali [5].

Inne przypadki zużycia przy tarciu suchym (procesy: skrawania, ścinania, plastycznego i sprężystego przepychania itp.)

Opracowano cały szereg zależności funkcyjnych mówiących o zależności zużycia przy tarciu suchym w przypadkach dominowania zużycia ściernego, nie zezwalających jednak na wyliczenie bezwzględnej wartości zużycia dla konkretnych przypadków części maszyn:
a) Archard [15]
V/L = k0 • N/H (13)

przy kruchym oddzielaniu - 10-7
gdzie : V -objętość usuniętego materiału,
L -
droga tarcia,
k0 -
współczynnik proporcjonalności - przyjmowany
przy mikroskrawaniu - 10-1
przy plastycznym oddzielaniu - 10-4
N -
nacisk,
H-
twardość.

lub
q/L = k • N/Pu (14)

gdzie: q - jednostkowe zużycie,

k - współczynnik (patrz tablice) [5], [15],
Pu - ciśnienie odpowiadające płynięciu materiału.
Intensywność zużycia trących się metali wg Archarda [15] jest różna dla styku plastycznego i styku kruchego; dla plastycznego:
zi =
N • tgQ
2Aa • C • ss(V+1)u
 =
kn • tgQ
C • ss(V-1)n • 2
,(15)

dla kruchego zaś
Zi =
qa
E • n(V-1)K2
,(15a)

gdzie : C -twardość,
V -
wysokość chropowatości powierzchni,
Q -
kąt nachylenia chropowatości powierzchni,
K2 -
ilość cykli powtarzających się sił stycznych.

b) Tonn [17]
B2/B1 = a • H + bu (16)

gdzie : B1, B2 -zużycia skojarzonych par,
a, b -
stałe dla danych metali,
H -
twardość.
c) Oberle[14]
m = H/E • 106 (17)

gdzie : m -wskaźnik odporności na ścieranie (np. mCr = 1200, mSt 200 HB = 95, mSt 600 HB = 286 itp.).

Niektóre przypadki obliczania zużycia przy tarciu mieszanym

W zasadzie dla tarcia mieszanego dotychczas obliczeń nie stworzono. Wyjątkiem są chyba jedynie wskazania dla obliczania żywotności łożysk tocznych (przyjmowane z tablic - zasady powszechnie znane) oraz obliczenia Niemanna [11, 2] sprowadzające się do wyliczenia intensywności zużywania zębów przekładni zębatych. Ustalił on następujące zależności

 a)
  s1 =
SZw
N • T
,      mg/KMh. (18)

gdzie: s1 - zużycie (wskaźnik intensywności zużywania),

T - czas [h],
N - przenoszona moc,
S  Zw - suma ubytków wagowych z wszystkich zębów.
Wartości tych wskaźników obliczone są dla kilku typów przekładni i kilku typów olejów.
b) Zs =
s1 • L • N
F • g
, (19)

gdzie: Zs - grubość warstwy startej z zęba,

L - okres żywotności koła,
F - powierzchnia robocza zęba,
g - ciężar właściwy (Fe).
Z powyższej zależności wybiera się niezbędną głębokość nawęglania zębów (zakładając dopuszczalną grubość startej warstwy).
Pewne próby poczyniono także i w kierunku określenia optymalnej gładkości powierzchni i kształtu (zarysu) nierówności powierzchni ze względu na unoszenie przy tarciu półpłynnym, co wpływa poprzez obniżenie współczynnika tarcia i na obniżenie intensywności zużywania (Kudinow [4], [9]). Określono też w wyniku tego dla części pracujących przy tarciu półpłynnym (ważne np. dla prowadnic płaskich) optymalną chropowatość.
b) hopt =
y0
0,83 - n
, (20)

gdzie: hopt - optymalna wysokość nierówności powierzchni,

y0 - wysokość unoszenia ciała w wyniku tarcia półpłynnego,
n = h0/h - stosunek odpowiednich chropowatości ciał trących się [9].
Określono również optymalną geometrię mikrochropowatości.

Podsumowanie

  1. Istniejące nieliczne metody określają w zasadzie zależności funkcyjne; jedynie niektóre z nich, uzupełnione nomogramami lub wykresami, można zastosować w pewnych specyficznych przypadkach orientacyjnego obliczenia zużycia, i to tylko w przypadkach zużycia ściernego.
  2. Istniejące zależności funkcyjne określają dość dokładnie rodzaj związku między poszczególnymi parametrami procesu zużycia, tarcia i cechami tworzyw części maszyn.
  3. Można stwierdzić, że brak praktycznych określonych metod obliczeń, za których pomocą można by określić optymalną skojarzoną parę i przewidywać (obliczeniowo) trwałość skojarzenia części maszyn.

    5. Problemy projektowania trwałych maszyn

    Eksperymenty, które m. in. pozwoliły na sprecyzowanie bardzo zresztą orientacyjnych zależności matematycznych (p. wyżej), stały się podstawą do określenia czynników mających wpływ na zużycie, a niekiedy i na ilościowe sprecyzowanie wpływu tych czynników. Na ich podstawie (oraz podstawie wielu innych, nie wspomnianych w niniejszej pracy badań) można określić, że istnieje zależność między zużyciem a następującymi czynnikami:
    1. Intensywność zużywania przy zużyciu ściernym jest funkcją twardości; podwyższenie twardości tworzyw trących się części maszyn na ogół uodparnia parę skojarzoną na zużycie [5].
    2. Przy zużywaniu stali podwyższa się odporność wraz z podwyższeniem zawartości węgla w stali [5, 18].
    3. Stale odpuszczane wykazują na ogół większą odporność na zużywanie (szczególnie przy zużyciu ściernym), niż stale niezahartowane lub jedynie zahartowane [22, 5].
    4. Umocnienie warstwy wierzchniej przez zgniot, równoznaczne z podwyższeniem twardości, jest skuteczniejsze niż podwyższenie twardości np. przez hartowanie czy zwiększanie zawartości węgla w stali, jeśli chodzi o odporność na zużywanie [5].
    5. Istnieje pewna prawidłowość, jeśli chodzi o wpływ struktury na podwyższenie odporności na zużycie; materiał o dużej wytrzymałości na ścinanie, zgniot, ściskanie, o dużych wartościach sił międzycząsteczkowych i dużej twardości oraz posiadający drobnoziarnistą, izotropową budowę oraz wykazujący brak dyslokacji jest odporny, na zużycie. Własności te posiadają wszystkie stopy heterogeniczne. Materiały jednoskładnikowe oraz wieloskładnikowe (o innej strukturze) 'własności tych nie wykazują [23].
    6. Części maszyn, mające wysoką gładkość powierzchni oraz w związku z tym na ogół dużą wartość powierzchni styku rzeczywistego, a także dokładnie dopracowane (w toku procesu produkcji) kształty, wykazują dużą odporność na zużywanie {8].
    7. W skojarzeniach smarowanych podwyższa się odporność na zużywanie przez: zapewnienie właściwych luzów, umożliwiających powstawanie klina smarnego, odpowiednie kształty nierówności powierzchni, zezwalające na wytworzenie się dużych mikrosił unoszących w mikroklinach smarnych przy tarciu półpłynnym [9].
    8. Tworzywa wysokocierne odznaczają się małą wartością intensywności zużywania, wówczas gdy:
      1. nacechowane są dużą podatnością i dopracowywalnością;
      2. nie wykazują tendencji do sczepiania z przeciwpartnerem;
      3. gdy mają dostateczną wytrzymałość;
      4. gdy odznaczają się dużą pojemnością i przewodnością cieplną [4].
    9. Wszelkie tworzywa odporne są na zużycie tym bardziej, im mniejsze są wartości naprężeń stykowych wyliczonych wg Herza; warstwa wierzchnia, w której panują naprężenia własne ściskające, na ogół odporna jest na zużycie bardziej niż warstwy wierzchnie bez naprężeń własnych [4], [5].
    10. We wszystkich rodzajach zużycia i typach skojarzeń części maszyn intensywność zużywania zależy od wartości i rodzaju obciążeń (także prędkości), przy czym wyraźnie od charakteru i szybkości narastania obciążeń [4], [7], [24].
    Problem obliczania części maszyn przy uwzględnieniu cech procesów zużywania i późniejszych efektów tego procesu w eksploatacji nie jest więc łatwy. Ze względu na procesy zużycia w dążeniu do projektowania trwałych maszyn (części maszyn) należy uwzględniać dwa podstawowe kierunki działania uwidocznione na rys. 2.
    Rys. 2. Typy zużycia

    Należy zatem zupełnie wyraźnie respektować dotychczasowe wyniki badań części maszyn na zużywanie, uwzględniać pewne reguły (np. powyższe wskazania sformułowane w punktach 1-10) panujące w procesach zużywania, opierać się nie tylko na badaniach zużycia całych maszyn lub badaniach zespołów, ale także i na badaniach zużycia tworzyw, prowadzonych w warunkach zezwalających na przenoszenie wyników na konkretne części maszyn. Aby obliczyć prawidłowo części maszyn - w taki sposób, by maszyna była trwała w eksploatacji - należy znać (i uwzględniać):
    1. granice działania różnych prawidłowości procesów zużywania (warunki, w jakich występują typowe rodzaje zużycia);
    2. zależności intensywności zużywania od wartości nacisków jednostkowych i prędkości ślizgania dla różnych rodzajów zużycia;
    3. wpływ różnych warunków: rodzaju smarowania, temperatury, rodzaju smaru, ilości i charakteru ścierniwa itp. itd. na intensywność zużywania;
    4. zależność trwałości części maszyn od procesu docierania (czas docierania, zależny od kształtu i gładkości powierzchni części maszyn, charakteru zużywania itp.).
    Zasady postępowania przy obliczaniu części maszyn, które mają być trwałe, są następujące (8):
    1. Znajduje się zależności dla określenia form zużywania powierzchni skojarzeń różnych konstrukcji na podstawie prawidłowości procesu zużywania tworzyw (wspomniane już badania zużycia tworzyw w warunkach laboratoryjnych).
    2. Ustala się zakres dopuszczalnego zużycia i czasu pracy części maszyn w zależności od ich przeznaczenia w mechanizmach maszyny.
    W trakcie obliczania części maszyny (można (i należy) uwzględnić:
    1. zabezpieczenie równomiernego zużywania całej powierzchni tarcia;
    2. wybór warunków pracy skojarzenia: przede wszystkim prędkość ślizgania i nacisk jednostkowy nominalny oraz rzeczywisty;
    3. przydatność kształtów powierzchni części maszyn ze względu na ich odporność na zużycie w określonych warunkach pracy maszyny;
    4. określenie czasu docierania - przy uwzględnieniu konkretnych warunków możliwego wadliwego montażu i obróbek;
    5. normatywy na graniczne zużycie odpowiednich skojarzeń części maszyn (wynikają z przeznaczenia części maszyn i maszyny);
    6. opracowanie racjonalnych metod eksploatacji (wskazania w instrukcji obsługi - uzasadnione!) i napraw bieżących maszyn.
    Ważne przy tym jest, by uwzględniać w projektowaniu części maszyn takie jej strony, jak np.: dostateczną sztywność elementów, które będą się zużywać, zmienne warunki pracy maszyny w praktycznej eksploatacji, określenie dopuszczalnych granicznych zużyć itp. Szczególnie ważne jest należyte dobranie warunków docierania maszyny (przy ograniczonych możliwościach idealnego wykonania w produkcji kształtów i powierzchni), gdyż złe docieranie częstokroć przekreśli wysiłki konstruktora, zmierzającego do skonstruowania maszyny trwałej, a więc o częściach odpornych na zużycie.
    Powyższe wskazuje wyraźnie na ważność znajomości teorii tarcia i zużywania przez konstruktorów (i technologów), a także i na konieczność położenia dużego nacisku na doskonalenie metod obliczania części na zużycie.

    6. Wnioski - kierunki działania w zakresie doskonalenia konstruowania trwałych maszyn

    1. W procesie projektowania części maszyn, pracujących przy tarciu, niezmiernie ważne jest: doskonalenie metod obliczeń zużycia i tworzenie, na podstawie eksperymentów i rozważań teoretycznych - prostych, użytkowych zależności obliczeniowych dotyczących zużywania, umiejętne dobieranie materiałów na skojarzone części (uwzględniając prawidłowości zużywania przy różnych skojarzeniach materiałów) oraz aplikowanie umiejętne metod obróbki (chodzi nie tylko o ,np. gładkość, ale i o kształtowanie warstwy wierzchniej).
    2. W praktyce budownictwa maszyn konieczne jest określanie krytycznych węzłów maszyny, decydujących o jej okresie międzynaprawczym; konieczne jest dążenie do tego, by wszystkie (a przynajmniej większość) zespołów zużywała się równomiernie. Praktyka eksploatacji i naprawy dowodzi, że często naprawy bieżące, polegające na wymianie nielicznych części maszyny, podrażają znacznie sumaryczne koszty eksploatacji.
    3. Aby konstruktor mógł należycie korzystać z metod obliczeń części maszyn na zużycie (z ewentualnych zależności funkcyjnych), należy kontynuować celowe, skoordynowane badania zużywania materiałów i części; badania laboratoryjne nie mogą być tu oderwane od rzeczywistości; należy koniecznie odzwierciedlić w nich warunki pracy (przynajmniej podstawowe parametry) rzeczywistych części maszyn. Jednocześnie należy dążyć do opracowywania nomogramów dotyczących wskaźników zużycia w bardzo szerokim zakresie.
    4. Badania podstawowe, prowadzone w szeregu instytucji naukowych, winny być jednak wyraźnie nacechowane na pewną przydatność użytkową; badania zjawisk procesu tarcia i zużywania na wyidealizowanych tworzywach i w wyidealizowanych, prymitywnych warunkach są (poza korzyściami naukowymi) w zasadzie mało przydatne w rozwoju metod obliczania części maszyn na zużycie i w rozwoju gałęzi nauki, mówiącej o maksymalnym przystosowaniu nowych skojarzeń w maszynach.
    5. Konieczne jest wyraźne nadanie nauce o tarciu i zużyciu należnej jej rangi, w szczególności zaś:
      1. ujednolicenie maszyn do badania zużycia i tarcia;
      2. ujednolicenie terminologii;
      3. ujednolicenie metod badań - poprzez odpowiednie znormalizowanie powyższych zagadnień.
      Należy także dążyć do akceptowania niektórych formuł obliczeniowych przez Polską Normę.
    6. Bez ścisłego współdziałania przemysłu i pracowników nauki w zakresie badań zużycia nie może być mowy o efektach użytkowych tej pracy wyrażających się w:
      1. określaniu korzystnych nowych skojarzeń części maszyn (tworzywa), podwyższających trwałość maszyny;
      2. opracowywaniu wiarygodnych metod obliczeń niektórych przynajmniej części maszyn na zużycie, a przynajmniej opracowanie nomogramów wartości porównawczych dotyczących tarcia i zużycia, pozwalających orientacyjnie celowo i świadomie wybierać odpowiednie tworzywa i warunki tarcia;
      3. wykonywaniu przez pracowników nauki badań z zakresu tarcia i zużycia o wartości użytkowej, a nie oderwanej.
    Szczególnej uwagi wymagają te badania zużycia, które mogą wprowadzić efektywne zmiany w proces obliczania części maszyn.

    LITERATURA

    1. J. Janecki, Tarcie i zużycie a trwałość i niezawodność pracy maszyn. Wybr. mater. III Kraj. Konf. Wytrzymałościowej SIMP - WAT 1963.
    2. W. I. Kostecki, Soprotiwlenije iznasziwaniju dietalej maszin. Gost. Tech. Izdt. Masz., Moskwa-Kijew 1959.
    3. S. Ziemba, Zagadnienie współczynników bezpieczeństwa i ich wpływ na trwałość i pewność pracy konstrukcji. Wybr. Mater. III Kraj. Konf. Wytrzymałościowej SIMP - WAT, 1963.
    4. W. I. Kragielski, Trienije i iznos, Moskwa 1962.
    5. M. M. Chruszczow, M. A. Babiczew, Issledowanija iznasziwanija - ispytanije mietałłow. Izd. AN SSSR, Moskwa l960.
    6. F. P. Bowden, D. Tabor, Reibung und Schmierung fester Koerper. Springer Verlag Berlin (Heidelberg) 1959.
    7. A. K. Zajcew, Osnowy uczenija o trienii, iznose i smazkie maszin. Cz. III Iznos maszin. GNT Izd. Masz. Lit., Moskwa-Leningrad 1947.
    8. A. S. Pronikow, Osnownyje woprosy rasczeta i projektirowanija dołgowiecznych maszin. Trudy Wsiesojuznoj konfieriencji. po trieniju i iznosu w maszinach, Moskwa 1960.
    9. W. A. Kudinow, Gidrodinamiczeskaja tieorija połużidkostnogo trienija. Trudy Wsiesojuznoj Konfieriencji po trieniju i iznosu w maszinach, Moskwa 1960.
    10. D. D. Fuller, Teoria i praktyka smarowania. PWT 1960.
    11. G. Niemann, H. Retting, Gehaertete Zahnraeder. Ein Beitrag zur Frage der Tragfaehigkeit und ihrer Erhoehung. Konstruktion in Maschinen-Apparaten. Geraetebau. Heft 6. 1958.
    12. M. G. Chanowdcz, Opory żidkostnogo trienija i kombinirowannyje. Maszgiz. Moskwa 1960.
    13. J. Dietrych, S. Kocańda, W. Korewa, Podstawy konstrukcji maszyn. Cz. I. WNT 1964. [
    14. T. L. Oberle, „H/E • 106 = Model = Measure of Wear Resistance". SAE Journal, nr 8/52.
    15. J. F. Archard, Contact and Rubbing of Flat Surfaces, „Journal of Applied Physics", V. 24 N. 8./1953.
    16. R. Holm, Electricd Contact, H. Gerbers - Stockholm 1964.
    17. W. Tonn, Beitrag zur Kenntniss des Verschleissvor - gangens beim Kurzversuch. Zeitschrift fuer Metalkunde V. 29. ub. pp. 196-198 - Juni 1937.
    18. B. Kehl, E. Siebel, Untersuchungen ueber des Verschleissverhalten des Metallen bei gleitender Reibung. Archiv. f. d. Eisenhuettenwesen nr 11/1936.
    19. W. I. Priadiłow, A. W. Bobylew, Swincowistyje bronzy. Wtoroj sbornik issled. rabot techn. otdieła NATI-ONTI-NKTP, 1933.
    20. R. T. Spurr, F. P. Newcomb. The Friction and wear of various materials sliding against unlubricated surfaces of different types and degrees of roughness. C. o. L. a. W. 1957.
    21. G. Niemann, Maschinenelemente - Getriebe, Berlin 1960.
    22. J. A. Brinell, Undersoekning roerande jaerns och stal samt en del andra kroppars foermaga att motsta noetning. Jernkonttorets Annaler - h. 9., S. 347-398.
    23. P. S. Pałatnik, I. M. Lubarski, A. P. Lubaczenko, Niekotoryje woprosy fizyki iznosa mietałłow. Trudy wsiesojuznoj konfieriencji po trieniju i iznosu w maszinach, Moskwa 1960.
    24. J. Janecki, Badanie wpływu obciążeń dynamicznych na zużycie przy ruchu posuwisto-zwrotnym. Biul. WAT nr 8 (108) 1961.

    On some sides of machine construction process and problems of wearing calculations of machine parts

    S u m m a r y
    In this paper there was discussed an influence of individual sides of the wear process on the life of machines; the existing formulae and methods of calculus of the machine details were analysed and there was presented a much unsatisfactory state of things, as they are now, in the range of consideration of the calculus of wear and its phenomena in machin construction and production. Problems of designing the machines of long life were discuased and some conclusions, concerning the introducing of the friction and wear disciplines into the processes of teaching the engineers and constructing the machines - were precisely stated.