JANUSZ JANECKI

#)BADANIE WPŁYWU OBCIĄŻEŃ DYNAMICZNYCH NA ZUŻYCIE PRZY RUCHU POSUWISTO-ZWROTNYM

1 . STRESZCZENIE

W pracy uzasadniono celowość badań pierwiastkowych zużycia tworzyw oraz celowość zajęcia się badaniem wpływu na zużycie obciążeń dynamicznych. Omówiono program badań, konstrukcję urządzenia służącego do badań, podając sposób przygotowania przedmiotu badań i wartości błędów pomiarowych. Podano wyniki badań ilościowych wpływu obciążenia dynamicznego na zużycie przy ruchu posuwisto-zwrotnym, wskazujące, na intensyfikowanie zużycia wskutek stosowania zmiennych w czasie obciążeń. Przeanalizowano przyczyny intensyfikujące zużywanie, podano i przeanalizowano możliwe przyczyny istnienia krytycznej częstości zmian obciążenia, przy której zużycie wagowe osiąga maksimum. Wykazano nieliniową zależność zużycia wagowego od wartości obciążenia statycznego, czym w pewnym stopniu tłumaczy się zintensyfikowanie zużywania przy naciskach zmiennych, oraz liniową zależność między prędkością względną a zużyciem wagowym w ruchu posuwisto-zwrotnym.

#JANUSZ JANECKI, „BADANIE WPŁYWU OBCIĄŻEŃ DYNAMICZNYCH NA ZUŻYCIE PRZY RUCHU POSUWISTO-ZWROTNYM”, BIULETYN WOJSKOWEJ AKADEMII TECHNICZNEJ IM. J. DĄBROWSKIEGO Rok X, nr 8 (108), sierpień 1961 *Badania tego typu nazywa się dalej w tekście pierwiastkowymi.

I. Wstęp

*      *        *

 

Coraz powszechniejsze wykorzystywanie maszyn oraz urządzeń mechanicznych we wszystkich gałęziach przemysłu, transportu czy komunikacji wywołuje coraz szersze zainteresowanie badaniami zużycia części maszyn. Procesy zużywania ograniczają żywotność maszyny, możliwość maksymalnego jej obciążenia, zmuszając do wykonywania szeregu zabiegów obsługowych, regulacyjnych i naprawczych, mających na celu przeciwdziałanie zużyciu lub likwidowanie następstw zużywania. Jednocześnie zjawiska tarcia i zużycia zmuszają do poszukiwania nowych tworzyw części maszyn oraz nowych metod uodparniania części maszyn (tworzywa, powierzchni tarcia) na proces ścierania.
Szczególnie intensywny rozwój nauki o tarciu i zużyciu, opierającej się w ogromnej większości przypadków na eksperymentowaniu i ustalaniu teorii zużywania na drodze empirycznej, zauważa się w licznych ośrodkach naukowych i przemysłowych Anglii, Niemiec, Stanów Zjednoczonych oraz Związku Radzieckiego. Złożoność zjawisk związanych z tarciem i zużyciem Wywołuje potrzebę prowadzenia badań, w których wyodrębnia się jeden czynnik jako dominujący w procesie zużywania, eliminując jednocześnie (lub ustalając) wartości szeregu innych, współdziałających czynników*.
Niezależnie od takiego typu badań - kontynuuje się tak badania eksploatacyjne (na ogół statystyczne), jak i badania laboratoryjne na całych zespołach czy maszynach. Jednak i w tych dwóch grupach badań dąży się do stworzenia takich warunków, które by dawały możność jak najściślejszego ustalania i kontrolowania w toku badań poszczególnych, wpływających na proces zużywania, czynników.
Pod pojęciem „zużycie” rozumie się niszczenie części maszyn w wyniku działania obciążeń normalnych i wywołanych nimi sił tarcia (oraz szeregu efektów spowodowanych istnieniem siły tarcia) [l], [2], [3], [4], [5], dających w efekcie, zmianę: kształtu, gładkości powierzchni, ubytku ilościowego materiału itp. parametrów części maszyn, poddanych procesowi tarcia. W zależności od specyfiki: kinematyki ruchu, doboru materiałów, obciążeń, gładkości powierzchni, warunków smarowania części, itp. - rodzaj procesu niszczenia materiału będzie różny. Klasyfikacja w pracach szeregu badaczy (Chruszczow, Holzer, Konwisarow, Kostecki, Zajcew, Bowden itp.) rozróżnia cały szereg rodzajów zużycia w zależności od: rodzaju tarcia, charakteru tarcia, ośrodka w którym występuje zużycie, form niszczenia materiału warstwy podpowierzchniowej*) (powierzchniowe, wewnętrzne, ścinanie, wyrywanie itp.), kinematyki, części, charakteru deformacji sprężystych i plastycznych itd. Celem niniejszej pracy nie jest klasyfikowanie rodzajów zużycia ani też ustosunkowywanie się do klasyfikacji . Nie wdając się w szczegóły, przyjmujemy za słuszną klasyfikację, podaną przez Kosteckiego [6]. Wg tej klasyfikacji rozróżnia się:
  1. Zużycie przez sczepianie I rodzaju - mające miejsce przy niedużych prędkościach względnych i tarciu suchym, w przypadku gdy rzeczywiste naciski jednostkowe osiągają wartości przekraczające w mikroobszarach styku powierzchni granicę plastyczności metalu. To zużycie objawia się zrostami (tzw. zimne zgrzewanie) występów mikronierówności powierzchni - i następnie ścinaniem tych zrostów lub wyrywaniem z materiału warstwy podpowierzchniowej cząstek tworzywa [7] (szczególnie dla materiałów jednoimiennych)**).
  2. Zużycie przez utlenianie - występujące tak przy tarciu tocznym jak i ślizgowym, przy tarciu suchym granicznym i półpłynnym, dla różnych wartości prędkości względnych (1-20 m/sek). W wyniku działania siły tarcia (jej efektów) zachodzi intensywne utlenianie materiału górnych partii warstwy podpowierzchniowej, postępujące w głąb i ich stopniowe usuwanie w wyniku ścierania.
  3. Zużycie cieplne (zwane także zużyciem przez sczepianie II rodzaju) występujące przy podobnych warunkach jak i zużycie przez, sczepianie I rodzaju, jednak przy intensywniejszym wydzielaniu ciepła wyższe prędkości, gorsze chłodzenie, większe naciski). W odniesieniu do części maszyn ten rodzaj zużycia jest zużyciem awaryjnym. Niszczenie materiału polega na rozmazywaniu (płynięciu) całych warstw, które osiągają lub przekraczają zwykle temperaturę topnienia.
  4. Zużycie ścierne - występujące przy dowolnych prędkościach, jednak jedynie w obecności materiału ściernego lub też bardzo znacznych różnicach twardości współpracujących części. Niszczenie powierzchni następuje przez ścinanie („zeszlifowywanie”) mikroobjętości warstwy podpowierzchniowej.
    *)Warstwa ulegająca odkształceniom wynikłym z procesów tarcia i zużycia.
    **)Metale o identycznym lub podobnym składzie chemicznym.

  5. Zużycie przez łuszczenie - występujące przy tarciu tocznym (lub toczno-ślizgowym), przy dużych naciskach jednostkowych w mikro-obszarach kontaktu, wywołujących wytężenie bliskie krytycznemu w materiale warstwy podpowierzchniowej. Występuje tak przy tarciu suchym (łuszczenie się materiału w wyniku zmęczeniowego niszczenia) jak i przy bogatym nawet smarowaniu (pitting).

a.
b.

c.
d
Rys. l. Widok powierzchni tarcia części, w których następowało zużycie przez:
a) sczepianie I rodz.;
b) utlenianie;
c) sczepianie II rodzaju (cieplne);
d) zużycie ścierne;
e) zużycie przez łuszczenie. Powiększenie ~300X [7]
e.

Poszczególne rodzaje zużycia nie występują na ogół w „czystych” formach -- m. in. i dlatego, że na ogół w procesie tarcia działa cały szereg czynników, intensyfikujących zużycie, które wywołują powstawanie różnorakich form niszczenia materiału. Niemniej zawsze można Wyodrębnić jeden, dominujący rodzaj zużycia (p. rys. 1).
W badaniach pierwiastkowych, ustalając szereg czynników, można osiągnąć występowanie tylko jednego rodzaju zużycia -szczególnie w przypadku dobrania odpowiednich tworzyw i warunków pracy. W tych badaniach można zatem określić dokładnie wpływ konkretnego, badanego czynnika na proces zużywania. W wyniku przebadania szeregu czynników można ustalić ich „ciężar gatunkowy” z punktu widzenia zużywania - oraz wyodrębnić najważniejsze z nich. To zezwoli na skuteczną walkę metodami eksploatacyjnymi jak i produkcyjnymi - z zużyciem części maszyn i całych zespołów maszyn.
Badania zużycia są procesami długotrwałymi i żmudnymi. Nieustalony charakter tarcia [8], do dziś niedokładnie zbadany, stwarza bardzo dużą złożoność procesów zużywania. Szereg nieuchwytnych przez aparaturę pomiarową czynników rzutuje na zużycie - a zatem i na wielkość błędu, z jakim określa się zużycie. Dlatego też z reguły zużycie określa się na podstawie całego szeregu pomiarów i prób z pewnym prawdopodobieństwem. W zależności od stosowanych warunków badań oraz urządzeń, błędy pomiarowe mają bardzo różne wartości. Np. badanie na typowych maszynach (Amsler, Skoda-Sawin) daje nawet kilkudziesięcioprocentowe błędy średniej, arytmetycznej pomiaru zużycia.
Z tego też względu stosowanie odpowiednich urządzeń, zezwalających na uzyskiwanie powtarzalności warunków zużywania - oraz dających kinematykę taką samą, jak kinematyka części maszyn, posiada pierwszorzędne znaczenie., Niemniej - wyciągane wnioski, w celu sprecyzowaniu sensu zjawisk towarzyszących procesowi zużywania, będą i tak mniej lub więcej hipotetyczne [9], [10].
W procesie zużywania maszyn zauważa się wyraźnie trzy etapy zużywania [11]. Każdy z nich wywiera określony, zasadniczy wpływ na wartość użytkową maszyny. W miarę trwania procesu zużywania powiększają się wielkości luzów w parach współpracujących. To zjawisko sprzyja coraz intensywniejszemu zachodzeniu uderzeń dynamicznych w toku zmian prędkości i obciążeń czy zmiany kierunku prędkości. Niezależnie od tego - szereg maszyn i zespołów (szczególnie pojazdów mechanicznych terenowych, maszyn do prac ziemnych itp.) pracuje przy zmiennych obciążeniach - pochodzących tak od specyfiki rozwiązania konstrukcyjnego maszyny, jak i specyfiki wykorzystywania. oraz od uderzeń od strony gruntu (urobiska). Dodatkowo - ruch posuwisto-zwrotny, w którym kierunek działania siły tarcia jest zmienny, stwarza dogodne warunki dla uderzeń mikronierówności powierzchni części maszyn. Charakter wykorzystywania maszyn oraz kinematyka ich części stwarzają warunki dla powstawania zmiennych obciążeń [12], [13].
Wpływ dynamiczności na zużycie należy rozpatrywać w kilku aspektach:
  1. Sposób zmienności obciążenia ma wpływ na przebieg odkształceń materiału w mikroobszarach kontaktu powierzchni, jak i na charakter odrywania cząstek, stanowiących produkt ścierania (poślizgowy, rozdzielczy, pękanie kruche itp.).
  2. Na zużycie ma wpływ udział sił bezwładności elementów, za pomocą których realizowany jest i przenoszony zmienny w czasie i miejscu nacisk.
  3. Zmienne w czasie stany naprężeń i odkształceń związane z dynamicznym charakterem nacisku i siły tarcia - przyspieszają proces zmęczenia materiału warstwy podpowierzchniowej, co rzutuje na wartość zużycia.
  4. Zmienne siły (a zatem i zmienne stany naprężeń i odkształceń) rzutują w istotny i sposób na zjawisko nieregularnego spiętrzania ciepła w mikroobszarach kontaktu, intensyfikującego, zużywania.
  5. Styczne działanie siły tarcia, zmieniającej kierunek działania w ruchu posuwisto-zwrotnym oraz wartość siły, zmienna w czasie skutek zmiennej prędkości chwilowej, zmieniają stan naprężeń i odkształceń oraz stan cieplny w mikroobszarach, co rzutuje na intensywność zużywania.
Obserwacje eksploatacyjne [12], [13] sugerują, że zużycie przy ruchu posuwisto-zwrotnym jest zależne od charakteru przykładania obciążeń - intensyfikuje się przy obciążeniach zmiennych. Charakterystyczne jest, że wpływu tego nie można w zadowalający sposób dla tego typu ruchu tłumaczyć zmianą rodzaju tarcia (przerywanie klina olejowego, ubożenie procesu smarowania), wywołaną zmianą obciążeń. Na znacznym obszarze drogi tarcia przy ruchu posuwisto-zwrotnym nie ma tarcia płynnego; przyczyny podwyższonego zużycia nie mogą zatem leżeć jedynie w zmianie rodzaju tarcia, a także w zmianie procesu odkształcania i niszczenia materiału warstwy podpowierzchniowej.
Cytowane i omówione badania eksploatacyjne narzuciły temat opisywanej pracy. Niezależnie od tego badania takie są celowe, gdyż dostępna literatura nie notuje tego rodzaju badań, zaś bardzo szczupła jest ilość publikacji, omawiających badania zużycia przy ruchu posuwisto-zwrotnym. Dla zbadania wpływu obciążeń dynamicznych na zużycie przy ruchu posuwisto-zwrotnym przyjęto metodę badań pierwiastkowych. Badania te mają określić zależności istniejące między intensywnością zużywania a zmiennością obciążeń oraz ustalić przyczyny podwyższonego zużywania. Niniejszą publikację poświęcono pierwszemu celowi: ustaleniu (ilościowych zależności między zużyciem a zmiennym obciążeniem.

II. Program badań

Program badań, który dał wytyczne do skonstruowania urządzenia, służącego do badań oraz przyjęcia metody badań i przedmiotu badań, był następujący:
  1. stwierdzenie charakteru wpływu obciążeń dynamicznych na wartość intensywności zużywania;
  2. określenie wpływu wartości współczynnika dynamiczności obciążenia* na zużycie (w ruchu posuwisto-zwrotnym);
  3. określenie wpływu częstości zmian obciążenia na wartość zużycia;
  4. określenie; wpływu: prędkości średniej i chwilowej na zużycie oraz wartości nacisku jednostkowego statycznego na intensywność zużywania.
*)Współczynnik dynamiczności obciążenia = kn max:kn min

Zbadanie powyższych. zależności między obciążeniem a zużyciem należałoby przeprowadzić na stanowisku, umożliwiającym realizowanie ruchu posuwisto-zwrotnego oraz stosowanie zmiennych w czasie obciążeń. Urządzeniu stawiano następujące wymagania:
  1. realizowanie ruchu o kinematyce ruchu układu korbowego;
  2. zachowanie odpowiednich proporcji mechanizmów urządzenia (skok, długość łącznika korby);
  3. pewność dokładnego ustawiania próbek bez stosowania docierania;
  4. powiązanie mechanizmu zmiany nacisku z mechanizmem napędzającym urządzenie;
  5. możliwość pomiaru: temperatury próbki, obrotów, drogi tarcia, siły tarcia, intensywności chłodzenia.

III. Urządzenie do badania zużycia

Urządzenie składa się z podstawowych elementów, cechujących mechanizm korbowy oraz mechanizmu zmiany nacisku (rys. 2). Przeciwpróbka mocowana jest na suwadle - próbka w uchwycie, prowadzonym
Rys. 2. Schemat urządzenia do badania zużycia przy ruchu posuwisto-zwrotnym i naciskach zmiennych.
l - układ korbowy; 2 - suwadło; 3- przeciwpróbka; 4 - próbka; 5 - sprężyna nacisku; 6 - mimośród; 7 - napinacz łańcucha napędu mechanizmu zmiany nacisku

w prowadnicach płaskich rolkowych. Uchwyt próbki przekazuje na powierzchnię tarcia nacisk, wytworzony mechanizmem zmiany nacisku przez nacisk na sprężynę. Prowadzenia poszczególnych mechanizmów (suwadła, uchwytu próbki) gwarantują istnienie ściśle regulowanych wartości luzów. W toku badań zachowana jest równoległość powierzchni tarcia próbki i przeciwpróbki z odchyleniami, mierzonymi na krawędzi próbki, nie większymi od l mikrona (wskutek pewnego luzu w prowadnicy uchwytu próbki).

Urządzenie napędzano w trakcie badań silnikiem prądu stałego zasilanym w układzie Vard-Leonarda, o dużym nadmiarze mocy, gwarantującym stabilność obrotów silnika (urządzenia). Mechanizm zmiany nacisku napędzany był łańcuchem Galla, o kontrolowanym w toku prób naciągu i kontrolowanej wartości zużycia (decydujących o wierności odwzorowania sinusoidy zmiany nacisku w stosunku do ruchu suwadła). Stosowano rozmaite przełożenia między wałkiem napędu suwadła a wałkiem mechanizmu, zmiany .nacisku przez używanie rozmaitych średnic kół łańcuchowych. Mechanizm zezwalał także na ustalanie nacisku statecznego o dowolnej wartości. Charakterystyka techniczna urządzenia przedstawiała się następująco:
  1. skok przeciwpróbki - 30-60 mm;
  2. zakres obrotów wałka napędu - 55 - 2000 obr/mm (warunkowanie obrotami silnika);
  3. prędkość średnia - od 0,60 do 36 m/min;
  4. wartości obciążania normalnego - 0,7 - 50,0 kG;
  5. maksymalna wartość współczynnika dynamiczności obciążenia = 36;
  6. wartości przełożeń napędu - od 14 : 30 do 18 : 7;
    Urządzenie zezwalało na dokonywanie następujących pomiarów:
    Rys. 3. Urządzenie do badania zużycia przy ruchu posuwisto-zwrotnym i naciskach dynamicznych.
    Skala l : 15 (45 x 68.5mm)

  1. drogi tarcia w czasie prób i obrotów wałka napędu w jednostce czasu - przez pomiar suwów licznikiem suwów;
  2. temperatury próbki - przez wmontowanie końcówki termopary wewnątrz próbki na odległość ok. 0,3 mm od powierzchni tarcia;
  3. intensywności chłodzenia lub smarowania - przez dozowanie cieczy chłodzącej lub smarnej;
  4. wartości obciążenia - przez pomiar ugięcia sprężyny o znanej charakterystyce. Poza tym urządzenie umożliwiało dokonywanie pomiaru siły tarcia.

IV. Przedmiot badań i warunki badań

Celem niniejszej pracy miało być ustalenie zależności istniejących między intensywnością zużywania a wielkością zmienności obciążenia przy ruchu posuwisto-zwrotnym, oparte na badaniach o charakterze pierwiastkowym, zatem kształt próbek oraz materiał próbek przyjęto takie, by zapewniały one uzyskiwanie jak najbardziej powtarzalnych wyników prób oraz jak najlepsze obserwacje procesu zużycia (i towarzyszących jemu zjawisk).
Przyjęto próbki o płaskich powierzchniach tarcia, nie wymagające uprzedniego docierania przed poddaniem procesowi zużycia. Jednocześnie przyjęto takie materiały, które zapewniały duży efekt zużycia i gwarantowały brak przemian cieplnych (hartowanie, odpuszczanie), które mogły zaistnieć wskutek wydzielania się w wyniku tarcia dużych ilości ciepła w przypadku stosowania materiałów nadających się do obróbki cieplnej. Przyjęto zatem: na próbki - stal St. l, na przeciwpróbki - stal 85. Złożenia stal-żeliwo unikano m. in. i dlatego, by nie zachodziło zjawisko smarowania grafitem, zawartym w żeliwie, co skażało by proces zużywania. Materiał próbki gwarantował jednocześnie dobrą obserwację procesu odkształcenia materiału warstwy podpowierzchniowej, wskutek stosunkowo dużej jednorodności struktury. Charakterystykę przedmiotu badań podano niżej, pokazując jednocześnie wygląd przedmiotu badań. Próbki wykonywane były z jednego kawałka pręta (płaskownika); wszystkie identycznie były obrabiane, szlifowane na szlifierce do płaszczyzn w jednej partii. Ostatnia, zdejmowana przez szlifowanie warstwa, nie była grubsza od 0,1 mm. Próbki eliminowano ostatecznie przez pomiar twardości metodą Vickersa, następnie przemywano benzyną ekstrakcyjną, odtłuszczano wapnem wiedeńskim, ważono i poddawano procesowi zużycia.

 

T a b e l a   1   

Przedmiot badań

CzęśćPowierzchnia tarcia - mm2Materiał częściStan powierzchniTwardość Hv.oUwagi
Próbka12 ±0,05 X 4 ±0,03Stal St 1 ferrytyczna z nikłą zawartością perlitu (0,09% węgla)Szlifowana w 10 klasie chropowatości powierzchni109 ±3Szlifowane poprzecznie do kierunku tarcia

Przeciwpróbka

czynna 54 X 12Stal perlityczna 85j. w.264 ±4j. w.

 

Zużycie próbek oceniano na podstawie pomiaru zużycia, wagowego - przez ważenie próbek i przeciwpróbek przed i po zużyciu na wadze analitycznej z dokładnością 0,1 mg. Niektóre próbki oraz przeciwpróbki poddano uprzednio przygotowaniu do pomiaru zużycia metodą sztucznych baz [14] przy użyciu jako penetratora piramidy kwadratowej przyrządu Vickers-Poldi (twardościomierz). W sporadycznych przypadkach mierzono zużycie liniowe przeciwpróbek przez profilografowanie powierzchni tarcia.
Na podstawie wstępnych eksperymentów ustalono warunki badań, przy których istniała dostatecznie duża intensywność zużywania, a jednocześnie nie istniało zacieranie (zużycie przez sczepianie II rodzaju). Pozwoliło to na wykonanie dużej ilości prób i (ok. 600) i dało możność zbadania jednej próbki przy jednorazowym uruchomieniu urządzenia. To z kolei zezwoliło na dokładne określenia wartości zużycia w poszczególnych wariantach badań.
Warunki badań były następujące:
  1. tarcie technicznie suche - chłodzenie powierzchni tarcia roztworem wodnym dwuchromianu potasu;
  2. prędkość średnia przeciwpróbki = 0,24 m/sek (145 obr/min);
  3. średnie obciążenie ==26 kG/cm2;
  4. droga tarcia próbki - S ==2100 m (42 000 suwów).

Rys. 4. Przedmiot badań: a) próbka, b) przeciwpróbka

Obciążenia zmienne aplikowano tak, by średnia wartość sinusoidy zmian obciążenia była zawsze równa - niezależnie od wartości współczynnika dynamiczności obciążenia - 26 kG/cm2.
Rys. 5. Wykres prędkości i drogi suwadła urządzenia dla n = 145 obr/min
Rys 6. Obraz obciążeń i obraz występowania maksimów obciążeń przy różnych wartościach prędkości względnej chwilowej dla przełożenia i == 17 :18

Badania zużycia realizowano przy zmianie obciążenia wg sinusoidy o różnych wartościach amplitudy i różnych częstościach powtarzania się maksimów obciążeń. Aby mieć pewność, że we wszystkich przypadkach stosowanych obciążeń zmiennych średnia wartość obciążenia powierzchni tarcia próbki na całej drodze tarcia będzie stała (także stała suma iloczynów wartości chwilowych prędkości względnych i chwilowych obciążeń), zastosowano przełożenie między wałkiem napędu urządzenia a wałkiem zmiany nacisku, wyrażające się ułamkiem, którego licznik nie mieścił się bez reszty w mianowniku (lub na odwrót). Stosowano przełożenia: 17 :18, 17 : 9, 17 :14, 17 : 21. Takie przełożenia dawały możność „wędrowania” maksimum obciążenia wzdłuż powierzchni tarcia przeciwpróbki (rys. 6). Pozwalało to na założenie, że bilans obciążenia na całej drodze tarcia (2100 m) będzie wartością stałą (z określonym błędem) dla wszystkich wartości współczynnika dynamiczności obciążenia. Pomiar zużycia liniowego w różnych punktach powierzchni tarcia przeciwpróbki wykazał odwzorowanie zużycia liniowego przez wykres prędkości chwilowej przeciwpróbki także i dla przypadku stosowania obciążeń zmiennych (rys. 9) - podobnie jak dla nacisku stałego. Rozkład ten potwierdza słuszność tezy, że warunki obciążenia powierzchni tarcia próbki były identyczne tak w przypadku badań zużycia przy naciskach stałych, jak i przy naciskach zmiennych.
Rys. 7. Powierzchnia tarcia przeciwpróbki zatartej

a)
b)
Rys. 8. Powierzchnia tarcia przeciwpróbki: a) przy przełożeniu 17:18; b) przy przełożeniu l : l (stały punkt przypadania maksimum obciążenia w środku pow. tarcia)
Rys. 9. Obraz wzdłużnego rozkładu zużycia liniowego przeciwpróbki przy: 1) występowaniu max. nacisku zawsze w środku powierzchni tarcia przeciwpróbki; 2) w (punkcie zwrotnym; 3) przy wędrującym maksimum nacisku

W badaniach miały miejsce określone błędy pomiarowe, Wynikające z ustalenia na stanowisku pomiarowym wielkości: nacisków, prędkości drogi tarcia, powierzchni tarcia itp. Wykaz błędów podano w tabeli 2.

T a b e l a  2     

Wielkości błędów pomiarowych

NaciskuObrotówDrogi tarciaTemp. próbkiIntensyw. chłodzenia

± 0,195%

± 1.45%±0,143%± 1,3 do 2%± 2,5%

V. Wyniki badań przy stosowaniu obciążeń stałych

Rys. 10. Zależność zużycia wagowego próbek od obciążenia statycznego n ==145 obr/min; S = 2100 m

Przed przystąpieniem do zasadniczych badań (wpływu obciążeń zmiennych na zużycie) przeprowadzono próby, mające na celu wyjaśnienie zależności między zużyciem a wartością obciążenia stałego (statycznego). Ogółem zbadano 60 próbek, uzyskując w wyniku 10 punktów pomiarowych, na' podstawie których wykreślono krzywą, charakteryzującą zależność wartości zużycia wagowego od wartości obciążenia statycznego. Nie podając tabeli cyfrowej, której odzwierciedleniem jest omawiany wykres (rys. 10), ograniczymy się do stwierdzenia, że błędy określenia wartości poszczególnych punktów wykresu ma podstawie wyników prób, wyliczone zgodnie z zasadami rachunku wyrównawczego, były minimalne (także i we wszystkich następnych pomiarach). Trzykrotny średni błąd średniej arytmetycznej nie przekraczał nigdy ± 6% (w odniesieniu do wartości zużycia wagowego). Wszystkie wartości punktów są określone ze 100% prawdopodobieństwem, co naturalnie pozwala przekonywająco określać poszczególne zależności między obciążeniem a zużyciem.
Okazuje się, że zależność ta nie jest liniowa, zużycie wagowe nie jest proporcjonalne do obciążenia statycznego (dla warunków badań autora). Zależność ta ma charakter paraboliczny - i może być odwzorowana matematycznie:

gdzie:

Zw - zużycie wagowe w mg;
kni - wartość nacisku jednostkowego statycznego.
Zależność ta wykazuje minimalny średni błąd kwadratowy odchylenia poszczególnych punktów wykresu od krzywej, mający wartość:

Funkcja ta jest naturalnie ważna jedynie dla przedziału, ograniczonego dwoma skrajnymi punktami pomiarowymi ;(od 4 kG/cm2 do 41 kG/cm2) oraz dla warunków badań, stosowanych w omawianych pomiarach zużycia.
Paraboliczny przebieg zależności zużycia wagowego od wartości nacisku statycznego sugeruje, że przy wprowadzeniu zmiennych obciążeń zamiast obciążeń stałych (o takiej samej średniej wartości obciążenia) zużycie winno być wyższe na skutek występowania dużych chwilowych nacisków.

VI. Badania zużycia przy obciążeniach zmiennych

W tych badaniach stosowano następujące warunki poszczególnych serii badań:
  1. Wartości współczynnika dynamiczności obciążenia w poszczególnych 1,92; 3,0; 4,8; 8,4; 34,0; przy czym we wszystkich przypadkach średnia wartość nacisku jednostkowego dla sinusoidalnego cyklu zmiany obciążenia wynosiła 26 kG/cm2,
  2. Częstości zmian obciążenia były różne i miały wartości, wyrażające się w przełożeniu między wałkiem napędu suwadła a wałkiem napędu mechanizmu zmiany nacisku i = 17 :18, 17 :14, 17 : 21, 17 : 9. Pierwszą i ostatnią wartość stosowano dla wszystkich wartości współczynnika dynamiczności obciążenia, zaś pozostałe w niektórych przypadkach (p. rys. 11).
W każdej z poszczególnych serii badań zbadano zużycie co najmniej 10 próbek; na każdy punkt wykresu rys. 11 składa, się zatem średnia wartość arytmetyczna co najmniej 10 prób.
Dodatkowo zbadano (fragmentarycznie) zależność między wartością współczynnika dynamiczności obciążenia a wartością zużycia dla wyższej wartości prędkości względnej (n =250 obr/min) (rys. 11).
Rys. 11. Zużycie wagowe próbek przy różnych wartościach częstości zmian obciążenia oraz prędkości średniej w funkcji wartości współczynnika dynamiczności obciążenia:
1 - i = 17 : 18; n = 250 obr/min
2 - i = 17 : 9; n =250 obr/min
3 - i = 17 : 18; n = 145 obr/min
4 - i = 17 : 9; n = 145 obr/min
4a i = 17 : 14; n = 145 obr/min
4b i = 17 : 21; n =145 obr/min

Wyniki badań wskazują wyraźnie na wzrost zużycia wagowego wraz ze wzrostem wartości współczynnika dynamiczności obciążenia. Charakter przyrostu wartości zużycia jest podobny dla różnych wartości prędkości względnych i dla różnych częstości zmian obciążenia. Przyrost zużycia jest monotoniczny do przyrostu wartości współczynnika dynamiczności obciążenia, przy czym przyrost ten jest bardzo duży. Zauważa się ponad dwukrotny wzrost wartości zużycia przy r = 34 w porównaniu do zużycia przy obciążeniu stałym o tej samej wartości, co i wartość średnia obciążenia zmiennego (26 kG/cm2); ma to miejsce, mimo że praca obliczeniowa siły tarcia jest we wszystkich przypadkach wartością stałą.
Wspomniany już paraboliczny przebieg zużycia wagowego w funkcji wartości obciążenia statycznego tłumaczy wzrost zużycia w pewnym stopniu. W momentach występowania dużych wartości obciążeń (górna połówka sinusoidy obciążenia) zużycie jest na tyle duże, że z naddatkiem wyrównuje niższe zużycie, występujące przy trwaniu niedużych obciążeń (dolna połówka sinusoidy obciążenia). Jednak nie wydaje się, że jedynie ten przebieg (rys. 10) może tłumaczyć podwyższenie zużycia przy obciążeniach dynamicznych. Działanie zmiennych w czasie sił (nacisk, siła tarcia) wywołuje zmienne stany naprężeń i odkształceń w mikroobszarach warstwy podpowierzchniowej (a zatem i zmienne stany cieplne) - a to także winno intensyfikować zużycie.
Dla stwierdzenia, czy parabolicznym przebiegiem zależności zużycia wagowego od nacisku statycznego można w pełni tłumaczyć podwyższone zużycie mające miejsce przy obciążeniach dynamicznych, dokonano obliczeń kontrolnych na podstawie wykresu 10 (p. rys. 12). Połówkę sinusoidy obciążenia podzielono na 12 części. Dla każdej z nich wyliczono wartość powierzchni ograniczoną odpowiednimi pionowymi oraz sinusoidą i poziomą średnią:

gdzie: „a” i „b” - wartości poszczególnych przedziałów.
Rys. 12. Wykres obrazujący przeliczenie zużycia dla obciążeń zmiennych: l, 3, 3, 4, 5 = wartościom współczynnika dynamiczności obciążenia r = 1,92; 3,0; 4,8; 8,4; 34,0

Z wyliczonych w ten sposób powierzchni obliczono średnią wartość nacisku każdego przedziału „a” - „b” i z kolei dla nich odczytano z wykresu rys. 10 wartości zużycia wagowego, zsumowano je i wyciągnięto z nich wartość średnią arytmetyczną. Uzyskano w ten sposób wartość zużycia dla cyklu dynamicznego, dla odpowiednich wartości współczynnika dynamiczności obciążenia, wyliczoną przy statycznym potraktowaniu zjawiska:

Przeliczenia dokonano dla częstości zmian obciążenia i = 17 :18 i dla wartości współczynnika dynamiczności obciążenia r = 1,92; 3,0; 4,8. Dla wyższych wartości współczynnika dynamiczności przeliczenie dostatecznie dokładne jest niemożliwe, gdyż występują tu wartości nacisków chwilowych, przy których w badaniach statycznych miało miejsce zacieranie próbek. Wobec zmiany zaś charakteru procesu zużycia ekstrapolacja wykresu z rys. 12 jest niedopuszczalna.
Porównanie krzywych zużycia: przeliczeniowej i eksperymentalnej (rys. 13) wyraźnie wskazuje, że nie można tłumaczyć podwyższonego zużycia przy naciskach dynamicznych jedynie faktem występowania większych chwilowych obciążeń. Analiza wykazuje, że podwyższenie zużycia jest wywołane innym procesem niszczenia materiału wskutek przyrostów nacisków w czasie (zmienne w czasie - stany odkształceń i stany cieplne w mikroobszarach).
Rys. 13. Zależność /zużycia wagowego od amplitudy nacisku dynamicznego dla i=17 : 18; 2 - wyliczona 'na podstawie wykresu z rys. 12; 1 - zbadana; la i 2a - przebieg przypuszczalny (ekstrapolowany)

Okazuje się, że istnieje określona „krytyczna” wartość częstotliwości zmian obciążenia, przy której zużycie osiąga maksymalną wartość. Dla przypadku badań autora krytyczna częstość występuje przy przełożeniu i = 17 : 18. Proces zużycia będzie zależał bez wątpienia od stanu cieplnego w mikroobszarach, wywołanego działaniem obciążenia normalnego i stycznego [4], [15]. Przy małych częstotliwościach zmian obciążenia dłuższe 'będzie trwanie dużych obciążeń (górna połówka sinusoidy obciążenia) i większe nagrzanie materiału warstwy podpowierzchniowej w wyniku długotrwałego działania siły tarcia o dużej wartości. Jednak mszczenie materiału zależy nie tylko od temperatury całego materiału części, ale i od stanu cieplnego mikroobszarów, ułatwiającego proces sczepiania [7], [15]. Spiętrzenie ciepła zaś w mikroobszarach rzeczywistego kontaktu będzie większe przy szybszym zgniataniu mikrowystępów - a więc przy większej wartości gradientu obciążenia względem czasu. To zaś odpowiada większej częstości zmian obciążenia. Nie pomijając naturalnie innych zjawisk (inny stan naprężeń w mikroobszarach), a ograniczając się jedynie do szerszego rozpatrzenia tej hipotezy „cieplnej”, można sugerować, że istnieje określona częstość zmian obciążenia, przy której stan cieplny mikroobszarów warstwy podpowierzchniowej, wywołany dużą wartością siły tarcia oraz szybkim zgniataniem mikrowystępów, będzie wywierał maksymalny efekt zużyciowy.
Można by sugerować, że zużycie wzrasta przy obciążeniach zmiennych - wskutek innego rozkładu nacisków w funkcji prędkości. Jednak badania dowodzą, że istnieje (w przypadku badań autora) liniowa zależność zużycia od prędkości względnej. Wskazuje na to zarówno liniowe zużycie przeciwpróbki, odwzorowujące sinusoidę prędkości przeciwpróbki (rys. 14), jak i wyniki dodatkowych badań, przy których zastosowano obciążenia zmienne o stałym punkcie przypadania maksimum obciążenia zmiennego w poszczególnych seriach, przy różnych wartościach prędkości względnej chwilowej (rys. 15). Aczkolwiek rozrzuty wyników badań są tutaj dość duże, to jednak wyraźnie widać, że zależność zużycia od prędkości, przy której występuje maksimum nacisku, jest zależnością liniową.
Tylko w nielicznych przypadkach prosta, przeprowadzona przez odpowiednie punkty, wychodzi poza pole błędu średniego średniej arytmetycznej pomiaru. Na ogół jednak we wszystkich przypadkach jest to zależność liniowa.
Rys. 14. Zużycie liniowe przeciwpróbki przy przełożeniu 17:18 dla:
1 - 34,0;
2 - 4,8;
3 - 1,92;
4 - nacisk stały

Rys. 15. Zużycie wagowe próbek w funkcji prędkości, przy której występuje stale maksimum nacisku dla
i = 17 :18
oraz wartości współczynnika dynamiczności obciążenia:
1- 8,4;
2 - 4,8;
3 - 3,0;
4 - 1,92.

7. Wnioski

  1. Istnieje monotoniczna zależność między wzrostem współczynnika dynamiczności obciążenia a wzrostem wartości zużycia wagowego próbek. We wszystkich przypadkach obciążenie zmiennie wywołuje podwyższenie wartości zużycia. Zużycie jest wyższe mimo, że średnia wartość obciążenia znanego jest równa wartości obciążenia statycznego.
  2. Nie można tłumaczyć wzrostu zużycia wskutek obciążeń zmiennych jedynie, nieliniową zależnością zużycia od wartości obciążenia stałego. Podwyższenie zużycia wynika najprawdopodobniej z działania zmiennych w czasie naprężeń i odkształceń w mikroobszarach warstwy podpowierzchniowej, dających intensywniejsze niszczenie materiału.
  3. Zużycie zależne jest od częstości zmian obciążenia - przy czym istnieje pewna krytyczna wartość częstości, przy której zużycie osiąga maksimum.
  4. Istnieje monofoniczna zależność między temperaturą próbki a wartością zużycia. Większemu zużyciu z reguły towarzyszy wyższa temperatura próbki, wskazująca na istnienie wyższych wartości temperatury warstwy podpowierzchniowej, rzutującej na zużycie*).

LITERATURA:

  1. A. K. Z a j c e w - Odnowy uczenija o trenii, iznosie i smazkie maszin. - Moskwa, 1947/48.
  2. D. W. K o n w i s a r o w - Wniesznie trenije i iznas metatlow. - Swierdłowsk, 1947.
  3. D. W. K o n w i s a r o w - Iznos metałłow. - Moskwa, 1938.
  4. W. D. K u ź n a e c o w - Fizyka twierdowo tieła. T. IV. - Tomsk, 1947.
  5. A. D r e s c h e r - Zur Mechanik der Reibung tester Koerper - VDI, 17/58.
  6. D. I. K o s t e c k i - Soprotiwlenije iznasziwaniju detalej maszin. Kijew, 1959.
  7. F. P. B o w de n - Priroda iznosa, metałłow. - Trenije i granicznaja smazka. - Sb. statiej - Moskwa, 1953.
  8. B. W. D i e r i a g i n - Co to jest tarcie. Warszawa, 1956.
  9. M. M. C h r u s z c z o w - Osnownyje probliemy tieorii iznasziwanija. Sb. AN.SSSR., 1954.
  10. F. P. B o w d e n, D. T a b o r - Trenije i powreżdenije truuszczichsja tieł. - Sb. statiej, Moskwa, 1953.
  11. W. F. L o r e n z - Raboczaja schiema iznasziwanija. Trenije i iznos w maszinach. Izd. AN.SSSR. Sb. VII/53.
  12. J. Janecki - Badanie wpływu dynamiczności obciążenia silnika czołgu w czasie eksploatacji i na zużycie grupy tłokowej. - Biuletyn WAT, nr XXXVI/58.
  13. J. Janecki - O eksploatacyjnych badaniach wpływu obciążeń dynamicznych na zużycie grupy tłokowej silnika czołgu. - Biuletyn WAT, nr 1/1959.
  14. J. Janecki - Badanie spęczenia wkoło odcisków przy stosowaniu metody sztucznych baz w pomiarach zużycia części maszyn. - Biuletyn WAT, nr 3/1960.
  15. F. P. B o w d e n, D. T a b o r - Temperatura powierchnosti truszczichsja tieł. Sb. statiej - Moskwa, 1953.
*)Obserwacje, dokonane w toku badań, dotyczące zjawisk towarzyszących zużyciu, będą omówione w następnej publikacji.

Summary

The purpose of the primary investigations on the wear of materialas as well as purpose of undertaking by the author these investigations on the influence of the dynamical loads on this wear were motivated in this paper. The program of investigations, construction of the testing arrangement were discussed and the method of preparing the subject, of testing as well as the values of measurment errors were given.
Results of quantitative investigatioins of the influence of the dynamical load on the wear at the reciprocating sliding motion were also given. They show an intensification of the wear if the loads, varying in time, were applied.
The reasons, intensifing the wear, were analyzed, the possible reasons of the appearing of the critical load change frequency, at which the weight wear gets its maximum, were given and analyzed.
Non-linear relation between the weight wear and the value of the statical load was pointed out, by what the intensifing of the wear at variable loads can be in some degree explained as well as relation between the relative speed and weight wear in reciprocating sliding motion.