1
PODSTAWY NAUKI O MATERIAŁACH
Ćwiczenia laboratoryjne (oznaczone symbolem
B2-013
)
A.
Tradycyjna Metoda badań tarcia i zużywania
kompozytów
tarflenowych
Wprowadzenie:
Elementy mechaniczne maszyn i urządzeń muszą spełniać cały szereg wymogów
stosownie do przeznaczenia tych mechanizmów i ich odpowiedzialności (ważności). Każdy
element mechaniczny musi zazwyczaj charakteryzować się nie tylko odpowiednią
wytrzymałością mechaniczną np. na: ściskanie, ścinanie, zginanie, skręcanie itp. ale też
określoną odpornością na działanie: substancji chemicznych (powodujących korozję,
destrukcję, trawienie itp.), niskich lub wysokich temperatur, promieniowania, starzenia, pól
magnetycznych itp.
Natomiast te elementy mechaniczne, które współpracują ślizgowo z innymi
elementami muszą jeszcze dodatkowo charakteryzować się określonymi cechami tarciowymi
i zużyciowymi. Oznacza to, że materiały z których wykonywane są np. elementy hamulców
muszą się charakteryzować wysoką wartością współczynnika tarcia, natomiast elementy
łożysk powinny charakteryzować się minimalną wartością tego współczynnika.
Ponadto każdy element ślizgowy podlega zużywaniu podczas współpracy ślizgowej i
chodzi tu o to ażeby zużywał się jak najwolniej w przemysłowych warunkach ślizgania czyli
ażeby jego intensywność zużywania była jak najmniejsza co oznaczać będzie najwolniejsze
powiększanie się luzu np. pomiędzy pierścieniem uszczelniającym a cylindrem sprężarki. W
takim przypadku sprężarka zachowa przez zadawalająco długi okres czasu pracy korzystne
cechy użytkowe. Natomiast w przypadku dużej intensywności zużywania, stosunkowo szybko
nastąpi przekroczenie wartości granicznej tego luzu (utrata szczelności) co sprawi, że
sprężarka będzie tłoczyć mniej gazu i przy niższym niż wymaganym ciśnieniu – sprężarka
nie będzie zdatna do użycia.
W celu uzyskania ekonomicznie uzasadnionej trwałości elementów maszyn powinny
być prowadzone badania nad opracowaniem receptury odpowiednich materiałów
konstrukcyjnych w ramach Nauki o Materiałach. Działania te mogą być wspierane (w
uzasadnionych ekonomicznie przypadkach) przez badania tarcia i zużywania w zakresie
tribologii (tribologia – nauki o tarciu i zużywaniu materiałów konstrukcyjnych).
W 1939 roku wynaleziono teflon (PTFE – politetrafluoroetylen) lecz do dnia
dzisiejszego konstruktorzy nie znają pełnych jego charakterystyk użytkowych. Produkowany
PTFE w Tarnowie nazwany zastał tarflenem. Charakteryzuje się całym szeregiem
unikalnych właściwości. Najważniejsze z nich to bardzo niskie opory tarcia, odporność na
prawie wszystkie chemikalia oraz poprawna współpraca ślizgowa przy stosunkowo
podwyższonej temperaturze. Bardziej szczegółowe dane na jego temat są między innymi na
stronie internetowej http://pl.wikipedia.org/wiki/Teflon
Tarflen w postaci proszku suspensyjnego (płatki) jest używany do produkcji
półwyrobów. Proszek ten jest zasypywany do odpowiednich form, prasowany a następnie
spiekany w dość złożonym cyklu wygrzewania. Ze względu na duży skurcz po wygrzewaniu
praktycznie nie można uzyskać wymaganych dokładności geometrycznych elementów
ś
lizgowych. Dlatego z półwyrobów czystego tarflenu (w kształcie: tulejek, wałków, płyt itp.)
wykonuje się (metodą obróbki skrawaniem) elementy maszyn przeznaczone do współpracy
ś
lizgowej , które znajdują zastosowanie w przemyśle spożywczym, w medycynie, farmacji,
2
technice kosmicznej, próżniowej itp. Są one stosunkowo mało odporne na zużywanie w
cięższych warunkach pracy.
Bardziej odporne na zużywanie są kompozyty na osnowie tarflenu bo tworzą na
stalowym elemencie (z którym ślizgowo współpracują) warstewkę samosmarną – film
transferowy. Otrzymuje się je przez zmieszanie proszku suspensyjnego tarflenu z wybranymi
napełniaczami, którymi mogą być: np. koks, grafit, proszki brązu, włókna szklane lub
węglowe
Napełniacze o określonej granulacji, właściwościach powierzchniowych i w
określonej proporcji są wprowadzane do mieszanki. Po starannym zmieszaniu składników są
formowane, prasowane i spiekane. Następnie (z półwyrobów) metodą obróbki skrawaniem
otrzymujemy elementy ślizgowe „na gotowo”
Zazwyczaj nie są jednak znane właściwości tarciowe i zużyciowe nowych gatunków
kompozytów.
Dlatego przedmiotem badań w Katedrze Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn były
między innymi półfabrykaty kompozytów tarflenowych wyprodukowane w Zakładach
Azotowych w Tarnowie. Charakteryzują się one głównie tym, że wykonane z nich elementy
mechaniczne podczas poprawnej współpracy ślizgowej nie wymagają smarowania. Znajdują
one zastosowanie między innymi jako pierścienie ślizgowe lub uszczelniające np.
w urządzeniach do sprężania tlenu i wszędzie tam gdzie nie dopuszcza się obecności smarów.
Badania charakterystyk tarciowych i odporności na zużywanie i materiałów
konstrukcyjnych są najbardziej pracochłonnymi i czasochłonnymi a tym samym kosztownymi
badaniami spośród badań własności tych materiałów.
Jednak dla poszerzenia wiedzy konstruktorów i użytkowników węzłów ślizgowych
podejmuje się badania z pomocą urządzeń potocznie nazywanych stanowiskami badawczymi
lub tribotesterami (rys. 2, fot.3, fot 4). Przedmiotem badań są próbki kompozytów, które są
zamontowane na tych urządzeniach współpracują ślizgowo z wybranymi gatunkami
materiałów konstrukcyjnych (zazwyczaj ze stalą nierdzewną).
W celu znacznego skrócenia czasu badań zużyciowych prowadzone są liczne prace w
wielu ośrodkach badawczych.
Z tego samego powodu w naszej Katedrze zbudowano stanowisko badawcze i
opracowano podstawy do opracowania szybkiej metody oceny odporności na zużywanie
kompozytów tarflenowych. Opracowywana metoda jest bardziej szczegółowo opisana w II
części objaśnień do ćwiczenia B2-013. Ponadto opracowano szablon, który umożliwia
powtarzalne usytuowanie końcówki pomiarowej podczas pomiaru wysokości próbek przed – i
po tarciu. Dzięki jego zastosowaniu było możliwe skrócenie czasu doświadczeń ponad 3
krotne. Szablon został uznany Przez Urząd Patentowy jako nowość ( P384478).
1. Podstawowe zasady podejmowania decyzji o rozpoczęciu badań laboratoryjnych tarcia i
zużywania tworzyw konstrukcyjnych
Do nowoprojektowanych węzłów ślizgowych coraz częściej są potrzebne materiały o
wyjątkowych właściwościach. Coraz częściej wymagania te spełniają kompozyty tarflenowe,
które powinny współpracować ślizgowo zazwyczaj w nietypowych warunkach ślizgania.
Jakkolwiek łatwe były zmiany receptury i technologii otrzymywania nowych gatunków
kompozytów (np. w Zakładach Azotowych w Tarnowie), to konstruktorzy niewiele wiedzą o
ich właściwościach tarciowych i zużyciowych a tym samym o ich przydatności do
konkretnego nowego skojarzenia ślizgowego.
Spośród zbadanych gatunków kompozytów, jest wybierany zazwyczaj ten gatunek
kompozytu (do produkcji nowych elementów ślizgowych), którego intensywność zużywania
podczas badań laboratoryjnych była najmniejsza.
3
2. Podstawowe zasady pobierania i przygotowania próbek do badań
3. Podstawowe zasady wyboru gatunku materiału konstrukcyjnego tarczy (nazywanej
potocznie przeciwpróbką) do współpracy ślizgowej z próbkami, przygotowanie
powierzchni roboczej do badań
W ramach symulacji przemysłowych warunków pracy np. pierścieni uszczelniających
z cylindrem sprężarki bezsmarowej staramy się ażeby tarcza przeciwpróbkowa –
przeciwpróbka była wykonana z tego samego gatunku materiału i według podobnej
technologii wytwarzania co cylinder sprężarki. Podobnie, cechy geometryczne powierzchni
roboczej tarczy, która współpracować będzie z próbkami, powinny być zbliżone ( np.
chropowatość, falistość powierzchni itp.) do charakterystyk powierzchni roboczej cylindra
sprężarki.
Właściwości
kompozytów
są
anizotropowe czyli zależą miedzy
innymi od geometrycznego kierunku
w jakim jest realizowane badanie
określonej właściwości.
Charakteryzują się najmniejszą
intensywnością zużywania w
przypadku gdy kierunek ślizgania jest
zgodny z kierunkiem prasowania
mieszanki tarflenowej. Z tego powodu
zarówno pierścienie tłokowe jak i
próbki do badań muszą być tak
wycinane z tulei półfabrykatu ażeby
zachować tę prawidłowość
Rys.1. Zasada pobierania próbek
i wykonywania tłokowych
pierścieni uszczelniających z
półfabrykatu kompozytu
tarflenowego w formie walca
4
4. Podstawowe zasady wyboru urządzenia (stanowiska) badawczego
Stanowiska były i są budowane doraźnie w celu symulowania warunków pracy
konkretnego węzła ślizgowego, w przypadku nadmiernej jego awaryjności np. nadmiernego
zużywanie się węzła ślizgowego, nadmiernego rozgrzewania, zacierania, generowania drgań
tarciowych, itp. Budowanie nietypowych stanowisk badawczych sprawia, że nie są one objęte
Polskimi Normami co oznacza, że PN nie zawierają szczegółowych procedur, według których
należy realizować doświadczenia tarciowo zużyciowe. Oznacza to również, że uzyskane na
nietypowych urządzeniach w różnych krajowych laboratoriach wyniki doświadczeń nie mogą
być ze sobą porównywane ani też umieszczane w Polskich Normach..
Badania są realizowane na takim stanowisku, które umożliwia symulowanie
warunków pracy takiego przemysłowego skojarzenia ślizgowego, które charakteryzuje się
wspomnianą wyżej awaryjnością. Wyniki badań zazwyczaj ułatwiają wykrycie przyczyn
wadliwego funkcjonowania takiego węzła ślizgowego. Jeżeli zachodziła potrzeba, to
umożliwiały również wyselekcjonowanie najbardziej odpowiedniego gatunku kompozytu
spośród zbadanych próbek kompozytytów z którego można by wykonać nowe elementy
ś
lizgowe np. pierścienie uszczelniające.
Zazwyczaj chodzi tu o taki kompozyt, który zużywa się najwolniej, charakteryzuje
się najmniejszymi oporami tarcia lub najniższą temperaturą pracy w skojarzeniu ślizgowym.
Ażeby ta selekcja była poprawna należy poszczególne doświadczenia tarciowe
realizować w identycznych warunkach badań. Zachowanie tego warunku umożliwiają nam:
cechy konstrukcyjne badanego skojarzenia ślizgowego i urządzenia badawczego, aparatura
kontrolno pomiarowa i przestrzeganie wypracowanych wcześniej procedur badawczych.
Na stanowisku badawczym powinny być zatem symulowane warunki pracy
przemysłowego skojarzenia ślizgowego:
•
dynamiczne (docisk jednostkowy próbek do tarczy przeciwpróbkowej i jego rozkład
wartości),
•
kinematyczne (prędkość ślizgania),
•
termiczne (intensywność odprowadzania ciepła),
•
materiałowe (próbki i tarcza przeciwpróbkowa)
•
a nawet otoczenie (np. w komorze badawczej) badanego skojarzenia ślizgowego (skład
chemiczny gazu, jego ciśnienie, wilgotność względną,) itp.
Fot. 2. Tarcza przeciwpróbkowa
(przeciwpróbka) z bardziej
widoczną powierzchnią roboczą i
ś
ladami współpracy ślizgowej z
próbkami.
film
transferowy
5
5. Podstawowe zasady budowy, przeznaczenie i wykorzystanie
torów pomiarowo – rejestrujących
Jak wspomniano wyżej, w celu uzyskania porównywalnych wyników doświadczeń,
musimy realizować powtarzalne warunki badań (wielkości zadawane) dla każdego
eksperymentu. Uzyskujemy je poprzez poprzez kontrolę ewentualnie rejestracje wielkości
zadawanych.
Jako wielkości zadawane – wejściowe zazwyczaj są uznawane:
•
charakterystyki materiałowe próbki i tarczy przeciwpróbkowej,
•
docisk jednostkowy próbek do tarczy przeciwpróbkowej,
•
prędkość ślizgania,
•
wilgotność otoczenia,
•
cechy geometryczne (np. chropowatość) i materiałowe powierzchni roboczej.
Jako skutki tarcia –(wielkości wyjściowe) zazwyczaj są uznawane:
•
opory tarcia,
•
temperatura,
•
zużycie liniowe itp.
Zarówno wielkości zadawane (wejściowe) jak i skutki tarcia (wielkości wyjściowe w
procesie tarcia) są zazwyczaj wielkościami nieelektrycznymi. W celu ich przetwarzania i
zarejestrowania należy je przekształcić na sygnały elektryczne.
Zazwyczaj każdy tor pomiarowo – rejestrujący składa się z przetwornika (czujnika),
który właśnie zamienia wartości nieelektryczne (np. siły, prędkości, przemieszczenie liniowe,
temperatury itp.) na sygnały napięciowe lub prądowe.
Są one kierowane zazwyczaj do wzmacniaczy a dalej do przetworników (kart
pomiarowych), w których sygnały analogowe (napięciowe, prądowe) ulegają zmianie na
cyfrowe i dopiero takie mogą być rejestrowane przez system operacyjny komputera.
Podstawowym warunkiem poprawnego funkcjonowania torów pomiarowych
i stanowiska badawczego, jest między innymi takie zabudowanie czujników (przetworników)
pomiarowych w stanowisku badawczym ażeby nie zakłócały badanego procesu tarcia. Na
przykład ślizgająca się termopara dociskana do powierzchni roboczej stalowej tarczy
przeciwpróbkowej może częściowo usuwać naniesiony na tę powierzchnie film samosmarny -
pomijając fakt, że błędy pomiaru tą metodą sięgają 30%. W takim przypadku do pomiaru
temperatury powierzchni roboczej tarczy przeciwpróbkowej należy zastosować
np. bezstykowy pirometr optyczny.
Tak zbudowane tory pomiarowe są wykorzystywane nie tylko na stanowiskach do
badania tarcia i zużywania, lecz szeroko w technice.
W większości przypadków wymagane jest ażeby przed pomiarami były one
wywzorcowane. Każdy tor pomiarowy jest oddzielnie wzorcowany. Polega to na zadawaniu
czujnikowi (przetwornikowi) znanych wartości mierzonego parametru i odczytywaniu
(rejestrowaniu) wskazań mierników (rejestratorów).
Przykładowo: Podczas wzorcowania toru pomiarowego oporów tarcia (rys. 2, rys. 6 i
fot. 6a), z pomocą dynamometrów przykładamy kolejno różne wartości siły na ramieniu 0,5
.
D
T
i w ten sposób do głowicy przykładamy różne wartości momentów obrotowych, np. M
o
=
1 Nm, który symuluje określone opory tarcia. Następnie kolejno odczytujemy wskazania
rejestratora lub wartości wyświetlane na ekranie monitora.
Dla przykładu: do głowicy stanowiska GFO-02 (poprzez dynamometry) przyłożono
siłę na ramieniu 0,5 D
T
, uzyskując moment obrotowy równy M
o
= 1 Nm, który symuluje
opory tarcia.
M
o
= (T
1
+ T
2
+T
3
) 0,5 D
T
(rys. 2, rys. 6 i fot. 6a),
czyli: 1Nm = (T
1
+ T
2
+T
3
)
.
0,5
.
0,122
6
natomiast na monitorze wyświetliła się wartość np.0,6789,
podczas, gdy symulowana sumaryczna wartość oporów tarcia była:
Jeżeli podczas doświadczenia tarciowego (podczas ruchu tribotestera) odczytana
wartość na monitorze wynosiła 1,36 to:
1,36 : 0,6789 = 2 zakładając, że ten tor pomiaru jest liniowy.
Zatem wartość oporów tarcia M
t
= 2 Nm , czyli:
M
t
= 2Nm = (T
1
+ T
2
+T
3
)
.
0,5
.
0,122,
stąd sumaryczna wartość rzeczywistych oporów tarcia wynosi:
6. Podstawowe zasady wyboru warunków badań laboratoryjnych
Jak wspomniano wcześniej stanowisko badawcze powinno symulować warunki pracy
tego skojarzenia przemysłowego, które zamierzamy analizować.
Należy w tym celu przeprowadzić pomiary lub obliczenia wartości parametrów
współpracy przemysłowego skojarzenia ślizgowego oraz określić pozostałe warunki pracy.
Chodzi tu głownie jak już wcześniej wspomniano o:
•
wartości i rozkład nacisków jednostkowych pomiędzy np. pierścieniem ślizgowym a
powierzchnią roboczą cylindra sprężarki bezsmarowej,
•
przebieg zmian prędkości ślizgania,
•
zakres zmian temperatury w obszarze ślizgania,
•
charakterystykę chropowatości powierzchni roboczej cylindra sprężarki itp.
W Katedrze Konstrukcji Maszyn i Eksploatacji podjęto porównawcze badania tarcia i
zużywania kompozytów tarflenowych na zlecenie użytkownika sprężarek do tlenu o średnicy
cylindrów około 800 mm. Oferowane za granicą uszczelniające pierścienie do tych sprężarek
jako pierścienie zamienne były bardzo drogie. Dlatego podjęto badania kompozytów
tarflenowych wyprodukowanych w Zakładach Azotowych w Tarnowie. Miały one na celu
wyselekcjonowanie polskiego kompozytu jako alternatywy dla bardzo drogiego kompozytu
zagranicznego. Badania trwały kilka miesięcy i dlatego powstał w Katedrze Konstrukcji i
Eksploatacji Maszyn pomysł opracowania szybszej metody testowania.
Zbadano kilkadziesiąt gatunków kompozytów krajowych i wyselekcjonowano gatunek,
który charakteryzował się najmniejszą intensywnością zużywania. Wykonane z tego gatunku
pierścienie uszczelniające okazały się nie gorsze od zagranicznych, a były kilka razy tańsze.
Porównawcze badania zostały zrealizowane na nietypowym tribotesterze GF-02.
7
B.
Tradycyjna Metoda badań tarcia i zużywania
kompozytów
tarflenowych
Najpopularniejszą grupę stanowisk badawczych - tribotesterów używanych do badania
tarcia i zużywania kompozytów na osnowie PTFE, stanowią tribotestery typu „pin on disk”
(trzpień na tarczy).
Urządzenia typu „pin on disk” są przeznaczone do badania tarcia i zużywania
materiałów używanych na elementy trące – czyli własności tribologicznych. Przy ich pomocy
może być określana intensywność zużywania próbek materiału przy współpracy ślizgowej z
innym
materiałem
w
zależności
od
zadanych:
prędkości
poślizgu,
nacisków
powierzchniowych, wilgotności, składu chemicznego i ciśnienia w komorze badawczej oraz
innych czynników.
Najważniejszym elementem tego urządzenia jest węzeł ślizgowy. Składa się on z:
•
tarczy obracającej się z ustaloną zadaną prędkością obrotową „n”
•
trzpienia dociskającego próbkę do tarczy z określoną zadaną siłą „P” w punkcie
odległym od środka obrotu o wartość promienia „R”.
B1. Stanowisko badawcze, wyposażenie i oprzyrządowanie
Wybrano tradycyjne stanowisko badawcze - tribotester typu „ pin on disc”
przy czym zamiast jednej próbki w kształcie walcowej lub kulistej wybrano próbki w
kształcie graniastosłupa o podstawie prostokąta. Warunki te spełnia tradycyjny tribotester
oznaczony symbolami GFO-02. Trzy próbki osadzone w obsadach są przytwierdzone do
tarczy głowicy badawczej. Tarcza jako przeciwpróbka, napędzana silnikiem, wykonuje ruch
obrotowy względem pionowej osi. Takie rozwiązanie umożliwia równomierna rozłożenie siły
docisku na próbki (pochodzące od masy grawitacyjnej) oraz stabilne „prowadzenie” próbek
względem tarczy (jako przeciwpróbki) podczas procesu zużywania tychże próbek.
Niekontrolowane zmiany docisku są zminimalizowane poprzez:
•
staranne wypoziomowanie stanowiska
8
•
zmniejszenie bicia wzdłużnego tarczy do wartości około 2 mikrometrów dzięki
elastycznemu osadzeniu tarczy na wrzecionie stanowiska.
Rysunek 2 przedstawia schemat stanowiska GFO – 02.
Widok głowicy stanowiska GFO – 02 oraz sposób mocowania próbek w obsadach do
głowicy przedstawia fot. 3, natomiast ogólny widok stanowiska umieszczono na fot. 4.
Do badań wybrano prostokątny kształt próbek, który utrudnia przypadkowe usytuowania
kierunku prasowania próbek względem kierunku ślizgania.
Rys.2. Schemat tradycyjnego tribotestera (GFO – 02) z czujnikami do pomiaru oporów tarcia oraz z
termoparą do pomiaru temperatury;
1 – próbka kompozytu w obsadzie, 2 – tarcza jako przeciwpróbka wykonana za stali 4H13, 3 – czujnik
naprężno-oporowy do pomiaru oporów tarcia 4 – płaska belka sprężysta , 5 – głowica urządzenia, 6 –
nawilżacz, 7 – masa obciążająca, 8 – łożyskowanie wrzeciona, 9 – sprzęgło podatne, 10 – silnik
elektryczny , 11 – kadłub urządzenia, 12 – pokrywa komory badawczej, 13 – wilgotnościomierz z
nastawnymi stykami, D – średnica nawinięcia linki do wzorcowania = 110mm. D
T
= średnia średnica
tarcia = 122mm, T
1,
T
2,
T
3
– opory tarcia poszczególnych próbek
9
Tradycyjny tribotester GFO- 02 umożliwia doświadczenia w zadanej wilgotności w
przypadku gdy badane skojarzenie ślizgowe zamkniemy pokrywą, w której umieszczony jest
wilgotnościomierz z nastawnymi stykami. Steruje on podgrzewaniem wody w komorze
badawczej aż do osiągnięcia zadanej wilgotności.
Fot.
3.Przechylona
głowica stanowiska
GFO – 02 wraz z
zamocowanymi
próbkami w obsadach
Fot. 4. Widok
tradycyjnego
stanowiska
GFO – 02
10
B2. Przykładowa kolejność najbardziej istotnych czynności podczas jednego
doświadczenia
•
wyciąć próbki z półfabrykatu wybranego kompozytu zachowując zgodność
kierunków: prasowania półfabrykatu i przewidywanego kierunku ślizgania na
stanowisku (rys. 1),
•
wykonać otworki w próbkach dla termopar,
•
zamocować próbki w oprawkach a oprawki w głowicy stanowiska badawczego,
•
wyrównać powierzchnię roboczą próbek tak ażeby całą powierzchnią przylegały do
tarczy przeciwpróbkowej (np. z pomocą noża tokarskiego przy obracającej się głowicy
z próbkami, osadzonej w uchwycie tokarskim – fot. 5). Nominalna powierzchnia
styku jednej próbki z tarczą wynosi około 1cm
2
,
•
wywzorcować tor pomiaru oporów tarcia zadając (symulacja) znane wartości
momentu oporów tarcia (fot. 6, fot. 6a) i uruchamiając rejestracje wyników, obliczyć
przeliczniki niezbędne przy opracowywaniu wyników doświadczeń,
Fot. 5 Wyrównanie powierzchni
roboczej próbek osadzonych wraz
z oprawkami w uchwycie tokarki.
11
wywzorcować tor pomiaru temperatury zadając (symulacja) znane wartości
temperatury i uruchamiając rejestracje wyników, obliczyć przeliczniki
•
po wzorcowaniu termopara jest osadzana w otworku wykonanym w próbce (w pobliżu
obszaru współpracy ślizgowej)
Fot. 6a.
Wzorcowanie toru
pomiarowego
oporów tarcia
metodą
symulowania
oporów tarcia z
pomocą
dynamometru i
obciążników:
1 - tarcza o średnicy
rowka D = 110 mm,
2 – cięgno,
3 – krążek linowy,
5 – obciążnik,
6 – dynamometr
12
•
zmierzyć wysokość każdej próbki (nie wyjmując jej z obsady!) w trzech
powtarzalnych miejscach z dokładnością 0,001 mm z pomocą optimetru (fot. 7a,
fot.7b), wynik pomiaru zapisać na karcie badań w rubryce „ przed tarciem”,
•
oczyścić powierzchnię roboczą tarczy przeciwpróbkowej z poprzedniego filmu
transferowego z pomocą luźnego proszku korundu o określonej granulacji w celu
uzyskania podobnej chropowatości jaka jest na powierzchni roboczej w danym
cylindrze sprężarki,
•
odtłuścić powierzchnię roboczą tarczy przeciwpróbkowej,
•
ułożyć głowicę wraz z próbkami na tarczy przeciwpróbkowej,
•
zadać wartości parametrów badań zbliżone do przemysłowych warunków pracy
danego skojarzenia ślizgowego: nacisk jednostkowy z pomocą obciążników, prędkość
ś
lizgania z pomocą przemiennika częstotliwości (falownika), wilgotność względną z
pomocą nastawnych styków wilgotnościomierza,
•
zamknąć przeźroczystą pokrywę komory badawczej (jeżeli w planie badań
przewidziano doświadczenie w zadanej wilgotności względnej),
•
uruchomić program komputerowy do rejestrowania oporów tarcia i temperatury w
obszarze tarcia, wpisać nastawy do próbkowania i warunki badania, które razem z
wynikami chwilowych pomiarów, będą stanowić dokumentację doświadczenia
(fot.8),
•
uruchomić rejestracje pomiarów z pomocą programu komputerowego,
•
uruchomić silnik, który wprawia w ruch obrotowy tarczę przeciwpróbkową,
•
okresowo kontrolować prace stanowiska badawczego,
•
obliczyć po jakim czasie tarcza przeciwpróbkowa, na wybranej średnicy współpracy
ś
lizgowej (D
T
= 122 mm) oraz przy zadanej liczbie obrotów (z pomocą falownika),
wykona tyle obrotów, że droga współpracy ślizgowej z próbkami wyniesie 30 km,
•
po upływie obliczonego czasu obracania się tarczy przeciwpróbkowej, wyłączyć
silnika następnie wyłączyć rejestracje chwilowych wartości oporów tarcia i
temperatury,
13
Przykładowy pocz
ą
tek pliku G30 z danymi zebranymi podczas badani
Przykładowy pocz
ą
tek pliku G30 z danymi zebranymi podczas badani
a
a
kompozytu SM
kompozytu SM
-
-
S25 przy nacisku 60 N/cm
S25 przy nacisku 60 N/cm
2
2
i pr
ę
dko
ś
ci 1 m/
i pr
ę
dko
ś
ci 1 m/
sek
sek
"10
"10
-
-
20
20
-
-
2005 16:21:11 SM
2005 16:21:11 SM
-
-
S25 karta
S25 karta
badan
badan
G30 pomiar 1 szlif
G30 pomiar 1 szlif
osc
osc
papierem 60 na sucho
papierem 60 na sucho
odtluszczono
odtluszczono
bezyna
bezyna
p60 v1
p60 v1
wzmocniwnie
wzmocniwnie
3%.pokrywa zadana
3%.pokrywa zadana
wilgotnosc
wilgotnosc
50%"
50%"
0.000
0.000
-
-
0.002 0024
0.002 0024
0.547
0.547
-
-
0.002 0024
0.002 0024
1.258
1.258
-
-
0.002 0024
0.002 0024
2.250
2.250
-
-
0.002 0024
0.002 0024
3.238
3.238
-
-
0.002 0024
0.002 0024
4.230
4.230
-
-
0.002 0024
0.002 0024
5.219
5.219
-
-
0.002 0024
0.002 0024
6.258
6.258
-
-
0.002 0024
0.002 0024
7.250
7.250
-
-
0.002 0024
0.002 0024
8.238
8.238
-
-
0.002 0024
0.002 0024
"10
"10
-
-
18
18
-
-
2005 16:36:08 SM
2005 16:36:08 SM
-
-
S25 karta
S25 karta
badan
badan
G30 pomiar 1 szlif
G30 pomiar 1 szlif
osc
osc
papierem 60 na sucho
papierem 60 na sucho
odtluszczono
odtluszczono
bezyna
bezyna
p60 v1
p60 v1
wzmocniwnie
wzmocniwnie
3%.pokrywa zadana
3%.pokrywa zadana
wilgotnosc
wilgotnosc
50%"
50%"
0.063 0.000 0024
0.063 0.000 0024
0.723 0.000 0024
0.723 0.000 0024
1.652 0.000 0024
1.652 0.000 0024
2.641 0.000 0024
2.641 0.000 0024
3.633 0.000 0024
3.633 0.000 0024
4.621 0.000 0024
4.621 0.000 0024
5.660 0.000 0024
5.660 0.000 0024
6.652 0.383 0024
6.652 0.383 0024
7.641 0.563 0024
7.641 0.563 0024
8.633 0.548 0025
8.633 0.548 0025
9.621 0.550 0025
9.621 0.550 0025
10.660 0.555 0025
10.660 0.555 0025
11.652 0.559 0026
11.652 0.559 0026
………………………………..
………………………………..
……………………………….
……………………………….
……………………………….
……………………………….
po 30 000 sekundach ( 8 godzin i 20 minut) zako
ń
czenie pomiar
po 30 000 sekundach ( 8 godzin i 20 minut) zako
ń
czenie pomiar
ów
ów
•
podnieść pokrywę komory badawczej, unieść głowicę i odłączyć od niej oprawki wraz
z próbkami (zdemontowanie próbek z oprawek uniemożliwi pomiar wysokości
próbek w oprawkach po tarciu a tym samym pomiar zużycia liniowego podczas
całego doświadczenia – doświadczenie należy powtórzyć),
•
próbki w oprawkach ułożyć na stoliku pomiarowym opimetru na okres około 2 godzin
w celu wyrównania temperatur: kadłuba optimetru i próbek w obsadach,
•
po wyrównania temperatur zmierzyć wysokość każdej próbki w obsadzie, oddzielnie
w trzech powtarzalnych miejscach z pomocą szablonu. Wynik zapisać na karcie badań
w rubryce „po tarciu”. Obliczyć wartość zużycia linowego każdej próbki oddzielnie
jako różnicę wysokości próbek „ przed tarciem” i „po tarciu”,
•
wypełnić kartę badań dla danego doświadczenia, opracować wyniki doświadczenia w
formie graficznej,
Czas liczony
od chwili
uruchomienia
stanowiska
Chwilowa
warto
ś
ci
rzeczywistych
oporów tarcia
Gatunek badanego kompozytu,
zadane warunki badania,
charakterystyka powierzchni roboczej
tarczy przeciwpróbkowej,
nastawy przyrz
ą
dów pomiarowych,
data badania, nr dokumentu pomiarowego
Chwilowa warto
ść
temperatury
w obszarze tarcia próbki z
tarcz
ą
przeciwpróbkow
ą
14
Przykładowe opracowanie wyników badania na stanowisku GFO
Przykładowe opracowanie wyników badania na stanowisku GFO
-
-
02
02
•
opracować zbiorczą analizę wyników całej serii doświadczeń zrealizowanych dla
wybranego gatunku kompozytu tarflenowego przy różnych kombinacjach wartości
zadawanych parametrów współpracy ślizgowej (nacisk, prędkość ślizgania,
wilgotność względna itp.),
•
porównać z innymi analizami zbiorczymi w celu wyselekcjonowania takiego gatunku
kompozytu, który charakteryzuje się zespołem najkorzystniejszych cech użytkowych
np. najmniejszą intensywnością zużywania lub najniższą temperaturą współpracy
ś
lizgowej w zakresie zadawanych parametrów współpracy na stanowisku badawczym.
Na zakończenie wypada podkreślić, że uzyskane wyniki badań na tradycyjnym
stanowisku GFO-02 są ponadto wykorzystywane przy opracowywaniu szybkiej metody
testowania kompozytów tarflenowych na tarcie i zużywanie z pomocą nowoczesnego
stanowiska badawczego usytuowanego w laboratorium 013.
15
Przestrzenny wykres intensywno
ś
ci zu
ż
ywania
Przestrzenny wykres intensywno
ś
ci zu
ż
ywania
dla
dla
kompozytu
kompozytu
SMK22G3
SMK22G3
współpracuj
ą
cego
ś
lizgowo z stalowa tarcz
ą
współpracuj
ą
cego
ś
lizgowo z stalowa tarcz
ą
przeciwpróbkow
ą
przeciwpróbkow
ą
4H13 uzyskany na podstawie kilku bada
ń
na stanowisku GFO
4H13 uzyskany na podstawie kilku bada
ń
na stanowisku GFO
-
-
02
02
Zużycie w funkcji nacisku P[N] i prędkości v[m/s]
M
Na podstawie powyższego przestrzennego wykresu można zaobserwować ekstremum
minimum powierzchni zakrzywionej (oznaczonej wielokolorowo), wyznaczonej na podstawie
znacznej liczby laboratoryjnych doświadczeń zużyciowych. To ekstremum odpowiada
minimalnej intensywności zużywania kompozytu SMK22G3 współpracującego ślizgowo ze
stalą nierdzewną 4H13. Na podstawie tego wykresu można odczytać wartość docisku (tu np.
1N/cm^2) oraz wartość prędkości poślizgu (tu np. 20 cm/sek), przy których to parametrach
pracy zbadany w warunkach laboratoryjnych kompozyt tarflenowy zużywał się najwolniej.
Podobne wykresy sporządzone dla innych gatunków kompozytów mogą być
wykorzystane przez konstruktorów, podczas projektowania nowego skojarzenia ślizgowego
złożonego np. z dostępnego kompozytu SMK22G3 i stali 4H13. Zawierają one informacje o
tym jakie należy realizować parametry pracy przemysłowego skojarzenia ślizgowego ażeby
zastosowany tam kompozyt zużywał się najwolniej.
Bibliografia:
1.
Rymuza Z. : Tribologia polimerów ślizgowych. WNT, Warszawa 1986.
2.
Bryła P.: Wpływ chropowatości nierdzewnej tarczy jako przeciwpróbki i wilgotności
względnej otoczenia na intensywność zużywania się wybranych kompozytów na
osnowie tarflenu (PTFE). Praca magisterska WIMiR 2006.
3.
Zakłady Azotowe w Tarnowie Mościcach S.A. TARFLEN® Politetrafluoroetylen.
Katalog. Tarnów 2005.
4.
Oleksiak Z.: Sprawozdanie z badań „Metodyka szybkiego oznaczania parametrów
tribologicznych tworzyw konstrukcyjnych współpracujących ślizgowo w wybranych
ośrodkach gazowych i w próżni”. Projekt badawczy nr 7 T07C 033 18 finansowany
w latach 2000 -20006 przez Komitet Badań Naukowych
Opracował: Zbigniew Oleksiak
Zu
ż
ycie liniowe
próbek
Docisk jednostkowy
próbek do tarczy
przeciwpróbkiowej
Pr
ę
dko
ść
po
ś
lizu
póbek po tarczy
przeciwpróbkowej