Andrzej KULCZYCKI
Instytut Technologii Nafty Warszawa
Andrzej WACHAL
Wojskowa Akademia Techniczna

*WPŁYW OBCIĄŻENIA I PRĘDKOŚCI ŚLIZGANIA NA TRWAŁOŚĆ WARSTWY GRANICZNEJ

*Materiały XIII Symp. Trib. Częstochowa 84, s. 216-222.

W większości maszyn tarciowych, podstawowym czynnikiem wymuszającym jest obciążenie. Powszechnie uważa się, że obciążenie najlepiej charakteryzuje zachowanie się skojarzenia w procesach tarciowych (obciążenie zespawania, obciążenie zacierania, zużycie w funkcji obciążenia itp.). Również i trwałość warstwy granicznej rozpatrywana jest zazwyczaj w kategoriach obciążalności. Podejście takie jest podejściem uproszczonym gdyż w rzeczywistości na skojarzenie trące, warstwę smarującą, warstwę graniczną działa określona ilość energii. Wprowadzona do skojarzenia energia jest zazwyczaj w przeważającej części przenoszona dalej a tylko jej część jest zamieniana w skojarzeniu na ciepło, które stopniowo ulega rozproszeniu, a część jest wiązana w skojarzeniu - w jego warstwie wierzchniej, a zwłaszcza granicznej, w wyniku zachodzących przemian strukturalnych i chemicznych. Wielu autorów uważa, że tylko podejście energetyczne daje rozsądne rozwiązanie problemów pomiarów trybologicznych i porównywalności wyników uzyskiwanych przy pomocy różnych maszyn tarciowych. Proponuje się charakteryzowanie maszyn tarciowych przy pomocy strumienia energii przypadającego na jednostkę powierzchni skojarzenia. Energię mechaniczną „E” wprowadzoną do skojarzenia określa się iloczynem obciążenia „P”, prędkości „v” i współczynnika tarcia „µ”

E = µ • P •v

Rola poszczególnych członów tego iloczynu w skutkach trybologicznych była przedmiotem prac kilku autorów. Szczególnie wnikliwe są prace przeprowadzone przez Czichosa i jego współpracowników [1, 2, 3, 4]. Czichos starał się udowodnić, że iloczyn „P • v” jest wielkością stałą dla danego skojarzenia i wywołuje określone skutki zużyciowe. Pewne, nieraz znaczne niezgodności z eksperymentem usiłuje on skorygować przy pomocy współczynników

Pa • vb • Tc = const.

przy 0 < a•b•c < 1; P- obciążenie; v - prędkość ślizgania; T - temperatura.

Niezgodności wynikają z faktu, że pewne procesy zużyciowe są bardziej podatne na działanie obciążenia a pewne na działanie prędkości. Zastosowanie podejścia energetycznego do niszczenia warstwy granicznej oraz wpływ jaki mają na trwałość -tej warstwy obciążenie i prędkość nie zostały dotychczas jednoznacznie określone.
Przedstawione wcześniej [4, 5, 6, 7, 8] wyniki badań nad mechanizmem tworzenia warstwy granicznej w różnych zakresach wymuszeń (obszar Antiwear i obszar EP) skłoniły autorów artykułu do postawienia następującej tezy:
  • ilość energii, która może przepłynąć przez węzeł tarcia nie powodując w nim procesów destrukcyjnych, jest cechą struktury warstwy granicznej.
Pod pojęciem struktury rozumie się tutaj, udział w warstwie granicznej i wzajemny stosunek związków złożonych i prostych charakterystyczny dla warunków obszaru „Antiwear” i obszaru „EP”. Zagadnienia te zostały wyjaśnione obszerniej w oddzielnych publikacjach [7, 8].
Gdyby powyższa teza była słuszna, to dla pewnych zakresów wartości obciążenia „P” i prędkości ślizgania „vs” ilość energii ( E = f(P, vs) ), która może przepływać przez węzeł tarcia nie powodując niszczenia warstwy granicznej jest wielkością stałą dla danego skojarzenia i dla danego oleju smarowego. Weryfikację postawionej tezy przeprowadzono na zmodyfikowanym aparacie czterokulowym (firmy Stanhope Seta). Modyfikacja polegała na zmianie sposobu obciążenia ze skokowego na sposób ciągły (przesuwanie ciężaru na belce obciążającej przy pomocy silnika elektrycznego) oraz wprowadzeniu możliwości prowadzenia pomiaru przy kilku różnych prędkościach ślizgania (zastosowanie przekładni pasowej). Aparat zaopatrzono ponadto w belkę tensometryczną i rejestrator momentu tarcia. W badaniach weryfikacyjnych prowadzono dwa rodzaje pomiarów.
Pierwszy rodzaj pomiarów polega na oznaczeniu obciążenia zatarcia „P”, przy stałej prędkości obrotowej górnej kulki i jednostajnie wzrastającym obciążeniu od P =0 do Pz, [ 6 ] z prędkością narastania obciążenia vp = 45 N/s. Powyższe pomiary wykonywane były przy kilku różnych prędkościach górnej kulki vs = 0,18; 0,38; 0,56 i 0,72 m/s /rys. 1/.
Drugim rodzajem pomiarów było wyznaczenie czasu potrzebnego do zatarcia tz [ 7 ]. Test ten prowadzony jest przy stałej prędkości obrotowej górnej kulki wybranej spośród vs = 0,18; 0,38; 0,56 i 0,72 m/s oraz ustalonym obciążeniu przy którym zatarcie pojawiało się po upływie tz /rys. 2/.
W oparciu o uzyskane wyniki pomiarów obliczano ilość energii, która została wprowadzona do skojarzenia do momentu zatarcia wykorzystując zależności:
  • EPz 1/2 µ • Pz2 • vp • vs - dla pierwszego rodzaju pomiarów;
  • Ez = µ • P • vs • tz - dla drugiego rodzaju pomiarów.
Wartości współczynników tarcia µ wyznaczono z tensometrycznych pomiarów momentu tarcia. Wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono na rys. 3, 4 i 5.
Stwierdzono, że w zakresie prędkości vs = 0,38 ¸ 0,72 m/s dla danego oleju wartość EPz jest stała i nie zależy od prędkości ślizgania, istotnie różni się natomiast od zaobserwowanej dla prędkości vs = 0,18 m/s. Należy więc sądzić, że w zakresie prędkości ślizgania vs = 0,38 ¸ 0,56 m/s struktura warstwy granicznej jest niezmienna i inna niż dla vs = 0,18 m/s.
Wyniki przedstawione na rys. 5 ( Etz ) wskazują, że jedynie dla dwóch olejów (olej przekładniowy Transol A i olej bazowy Hydrorafinat 5) w zakresie prędkości ślizgania vs = 0,18 ¸ 0,72 m/s wartość (Etz) jest stała. Dla oleju hydraulicznego stałość wartości Etz uzyskano w zakresie vs = 0,18 ¸ 0,56 m/s. Pozostałe oleje charakteryzowały się znacznymi różnicami wartości Etz, uzyskanymi przy różnych wartościach vs. Zaobserwowano fakt, że identyczne wartości Etz dla różnych prędkości ślizgania otrzymano wówczas, gdy przyłożone obciążenia pozwalały uzyskać zbliżone wartości tz. Wynika stąd, że dla zbliżonych wartości tz uzyskiwano identyczne struktury warstwy granicznej wytworzonej przez dany olej w pewnych zakresach wartości vs.
Wnioski te potwierdziła analiza zależności vs • tz = f(P) /rys. 1/. Dla wszystkich badanych olejów w zakresie prędkości ślizgania vs = 0,18 ¸ 0,38 m/s iloczyn vs • tz nie zależy od wartości przyłożonego obciążenia, a o wartości tz decydowała wartość vs. Zmiana wartości Etz, dla różnych prędkości vs jest tu więc spowodowana zmianą obciążenia, przy którym prowadzono test. W zakresie prędkości vs = 0,18 ¸ 0,72 m/s o zmianie wartości Etz decyduje prędkość ślizgania. Zmiany wartości Etz spowodowane różnicami prędkości ślizgania są znacznie większe niż ma to miejsce dla obszaru, w którym o energii Etz decyduje obciążenie. Należy więc sądzić, że prędkość ślizgania ma znacznie większy wpływ na niszczenie struktury warstwy granicznej niż przyłożone obciążenie.
Przedstawione wyniki badań pozwoliły stwierdzić, że ilość energii, która może przepływać przez węzeł tarcia nie powodując przerwania warstwy granicznej, zależy od jej struktury /udział struktur charakterystycznych dla obszarów Antiwear i EP w wytworzonej warstwie granicznej/. O zmianie struktury warstwy granicznej wytworzonej zarówno przy jednostajnie wzrastającym, jak i przy ustalonym obciążeniu w przeważającej mierze decyduje prędkość ślizgania. Należy podkreślić, że w większości maszyn tarciowych nie mamy możliwości zmiany prędkości ślizgania.

Literatura

  1. Czichos H., Krischke K. - Wear, v. 22 No 3 /1972/ s. 321-336.
  2. Czichos H. - Wear V.28, No 1 /1974/ s. 95-101.
  3. Hebda M., Wachal A. - Trybologia. WNT, Warszawa 1980
  4. Czichos H. - ASLE Trans. V.17 No 4 /1975/ s. 300-306
  5. Forbes E.A. - Wear V.15. N 2 /1970/ s. 87-96
  6. Barcroff P.T., Bird B.J., Hutton J.F., Bark D. - Wear V.77 /1977/ s. 355-384.
  7. Wachal A. - Zagadnienia eksploatacji maszyn. Zeszyt 3 /55/, 1983. s. 325 - 332.
  8. Kulczycki A. - Materiały 3-go Kongresu Trybologicznego „Eurotrib 81”, V. IIl/A s. 145-160.
  9. Kulczycki A. - Trybologia 1/84 s. 12-14
  10. Sadowski J. - Materiały XIII Symp. Trib. Częstochowa 84, s. 245-252

Rys. 1 Przykładowy wykres zmian momentu tarcia (Mt) w funkcji obciążenia

Rys. 2 Przykładowy wykres zmian momentu tarcia (Mt) w czasie

Rys. 3 Zależność energii EPt od prędkości ślizgania (vs):
1. Hydrorafinat-5,
2. Brigstock,
3. Transol A,
4. Transol B,
5. Hipol 10,
6. Hipol 15F

Rys. 4 Zależność Etz od prędkości ślizgania (vs)
1. Hydrorafinat-5,
2. Brigstock,
3. Transol A,
4. Transol B,
5. Hipol 10,
6. Hipol 15F,
7. Olej hydrauliczny

Rys. 5 Zależność iloczynu vs • ts od przyłożonego obciążenia (P)
1. Hydrorafinat-5,
2. Brigstock,
3. Transol A,
4. Transol B,
5. Hipol 10,
6. Hipol 15F,
7. Olej hydrauliczny