Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego łożyska

Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego łożyska

WICZENIE LABORATORYJNE NR 5
Opracował: Stanisław Krawiec, Zbigniew Lawrowski
Temat: Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego
1. Wprowadzenie
Przed opisem wiczenia nieco rozszerzymy wiadomo ci o ło yskach lizgowych podane
na wykładzie Podstaw Konstrukcji Maszyn.
Ło ysko lizgowe jest – w przeciwie stwie do ło yska tocznego – zespołem nieintegralnym. Oznacza to, e nale y je rozpatrywa jako cało dopiero w poł czeniu z czopem i ze rodkiem smarnym. Bezpieczna i trwała praca ło yska lizgowego zapewniona jest tylko przy tarciu
płynnym, to znaczy wtedy, gdy czop oddzielony jest od panwi warstewk rodka smarnego
w ten sposób, e aden z punktów jego powierzchni nie styka si z adnym punktem powierzchni panwi. Praca ło yska w warunkach tarcia mieszanego, to jest wtedy, gdy cz
obci enia
przenoszona jest w bezpo rednim styku czopa z panwi , cechuje si zwi kszonymi oporami ruchu, zu yciem czopa i panwi, a w skrajnych wypadkach zatarciem ło yska. Dlatego nale y tak
konstruowa ło yska lizgowe, aby podczas pracy zachodziło w nich tarcie płynne.
Tarcie płynne mo na uzyska przez wytworzenie takiego ci nienia rodka smarnego
w szczelinie smarowej, aby równowa yło ono obci enie zewn trzne ło yska. Ci nienie to mo na uzyska dwoma sposobami: za pomoc smarowania hydrodynamicznego oraz za pomoc
smarowania hydrostatycznego. Smarowanie hydrodynamiczne, które mo na nazwa samoistnym, polega na wytworzeniu wyporu hydrodynamicznego wskutek ruchu wzgl dnego czopa
i panwi oraz dzi ki klinowo zw aj cej si szczelinie smarowej. Zapełnienie szczeliny smarowej
rodkiem smarnym jest, oczywi cie, trzecim niezb dnym warunkiem. Smarowanie hydrostatyczne polega na doprowadzaniu rodka smarnego do szczeliny smarowej pod ci nieniem, równowa cym obci enie ło yska. Ze wzgl du zarówno na prostot układu smarowniczego, jak
i prostot obsługi ło yska – smarowanie hydrodynamiczne jest najcz ciej stosowanym sposobem wytwarzania ci nienia rodka smarnego w szczelinie smarowej ło ysk lizgowych.
W dalszym ci gu rozwa a b dziemy tylko ło yska hydrodynamiczne, poniewa wła nie
takie ło ysko jest przedmiotem bada w niniejszym wiczeniu. Ponadto ograniczymy si do łoysk poprzecznych, smarowanych olejem.
Na rys. 1 pokazano schemat ło yska hydrodynamicznego. Pełny wypór hydrodynamiczny
oddziela czop od panwi tak, e nawet w najw szym miejscu szczeliny smarowej h0 nie ma
bezpo redniego styku pomi dzy tymi elementami. Mimo rodowe usytuowanie czopa w panwi
zapewnia naturaln , klinowo zw aj c si szczelin smarow . Przypomnijmy sobie w tym
miejscu podstawowe warunki niezawodnej i trwałej pracy ło yska lizgowego:
- warunek tarcia płynnego,
- warunek równowagi cieplnej.
O pierwszym z nich wspomniano wy ej. Drugi polega na uzyskaniu równowagi cieplnej
w ło ysku: ciepło tarcia powinno by tak odprowadzane z ło yska, aby jego temperatura nie
przekraczała warto ci dopuszczalnej, wynosz cej zazwyczaj od 60 do 80 oC.
Warunek tarcia płynnego b dzie spełniony wtedy, gdy najmniejsza wysoko szczeliny
smarowej h0 b dzie wi ksza (lub co najmniej równa) od sumy zakłóce jej kształtu. Na zakłócenia kształtu szczeliny smarowej mog si zło y : chropowato powierzchni czopa i panwi, bł dy kształtu powierzchni roboczych czopa i panwi oraz ugi cia czopa. Szczegóły na ten temat
mo na znale w [1].
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-2-
Rys 1. Schemat poprzecznego ło yska lizgowego smarowanego hydrodynamicznie: D,R, - rednica, promie
ło yska, d,r - rednica, promie czopa, l – długo ło yska, Op – rodek panwi, Oc – rodek czopa,
F – siła poprzeczna obci aj ca ło ysko, ω - pr dko k towa czopa, e – mimo rodowo czopa,
ho – najmniejsza wysoko szczeliny smarowej, phydr – ci nienie hydrodynamiczne
Je li sum zakłóce kształtu szczeliny smarowej nazwa a, to warunek tarcia płynnego
mo na zapisa nast puj co:
a < h0 .
(1)
Na warto a składaj si mikro- i makroodchylenia wykonania powierzchni roboczej
panwi i czopa, zale ne od decyzji konstruktora, oraz ugi cie czopa, zale ne zarówno od obci enia wału, jak i od decyzji konstruktora (dobór odpowiednich wymiarów wału i czopa). Najmniejsza wysoko szczeliny smarowej h0 zale y tak e cz ciowo od decyzji konstruktora, a cz ciowo od parametrów ruchowych ło yska, co ilustruje wzór
L
h0 = δ (1 − ε ) = (1 − ε ) ,
(2)
2
gdzie: δ = R-r – luz promieniowy ło yska,
L = D-d – luz rednicowy ło yska,
ε = e/δ = 2e/L – mimo rodowo wzgl dna poło enia czopa w panwi,
e – mimo rodowo poło enia czopa w panwi (por. rys. 1).
Mimo rodowo wzgl dna ε przyjmuje warto ci od 1 (styk czopa z panwi ) do 0 (współ rodkowe poło enie czopa w panwi). Dlaczego?
O warto ci luzu ło yskowego decyduje konstruktor. Warto mimo rodowo ci zale y od
liczby Sommerfelda (na któr te ma wpływ konstruktor przez dobór luzu ło yskowego i lepkoci oleju):
pψ 2
SO =
,
(3)
ηω
gdzie: p= F/dl - redni nacisk w ło ysku,
ψ=L/D – luz wzgl dny,
η - lepko dynamiczna oleju,
ω - pr dko k towa czopa.
Liczba Sommerfelda jest parametrem podobie stwa hydrodynamicznego ło ysk: ło yska
o tej samej warto ci tego parametru maj t sam warto mimo rodowo ci wzgl dnej ε. Na
rys.2 pokazano wykres zale no ci ε=f(SO). Zwró my uwag na to, e warto ci mimo rodowo ci
wzgl dnej zale tak e od długo ci wzgl dnej ło yska l/d. Ponadto ró ni si one nieco dla łoysk z k tem opasania 180o i 360o. Z wykresu wida , e ze zwi kszeniem warto ci liczby Sommerfelda (np. wskutek zwi kszenia obci enia F) – ro nie mimo rodowo wzgl dna. Tym samym maleje h0 (por. wzór (2)).
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
Rys. 2. Zale no
Rys. 3. Zale no
mimo rodowo ci wzgl dnej od liczby Sommerfelda
najmniejszej wysoko ci szczeliny smarowej od liczby Sommerfelda
-3-
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-4-
Je li odnie najmniejsz wysoko szczeliny smarowej do luzu ło yskowego i wprowadzi tak zwan wzgl dna najmniejsz wysoko szczeliny smarowej h' = h0 / δ = 2h0 /( D − d ) , to
mo na przeanalizowa wprost zale no h’ od SO. Pokazano to na wykresie na rys. 3. Widzimy,
e ze zmniejszeniem warto ci SO zwi ksza si najmniejsza wysoko szczeliny smarowej, a zatem zwi ksza si pewno ruchu ło yska ze wzgl du na tarcie płynne.
Tak wi c liczba Sommerfelda jest podstawowym parametrem w analizie ło ysk lizgowych. Warto zatem zastanowi si nad jej czynnikami. redni nacisk p = F / dl zale y zarówno
od czynnika danego (obci enie ło yska F), jak i od decyzji konstruktora (wymiary ło yska d
oraz l). Je li przyj , e wymiary ło yska zmieniaj si w stosunkowo małym przedziale, to
czynnik p mo na uwa a w pewnym stopniu za dany. Wzgl dny luz ło yskowy ψ jest czynnikiem dyspozycyjnym konstruktora: jego warto dobiera si w procesie konstruowania ło yska.
Lepko oleju η jest równie czynnikiem dyspozycyjnym konstruktora; olej o okre lonej lepkoci równie dobiera si zale nie od warunków ruchu ło yska. Pr dko k towa czopa ω (lub łoyska, je li jest ono ruchome) jest czynnikiem danym. Zatem na parametr Sommerfelda składaj
si : dwa czynniki dane (F, ω) oraz dwa czynniki dyspozycyjne (ψ, η).
Konstrukcja hydrodynamicznego ło yska lizgowego polega na takim doborze warto ci
czynników dyspozycyjnych: ψ oraz η, aby w danych warunkach pracy ło yska (F, ω) wyst piło
w nim tarcie płynne i aby ło ysko zbytnio si nie grzało. Warunek tarcia płynnego zapisany jest
wzorami (1) oraz (2); o warunku równowagi cieplnej b dzie mowa w dalszym tek cie. W warunku tarcia płynnego nale y uwzgl dnia czynniki dyspozycyjne zawarte w lewej stronie nierówno ci (1): chropowato powierzchni roboczych czopa i panwi oraz ich odchylenia kształtu.
Dobór odpowiednich warto ci wspomnianych wy ej parametrów ułatwiaj metody oblicze ło ysk lizgowych: analityczne lub nomograficzne (np. [1], [2]). Ze wzgl du na do uci liwy tok oblicze coraz cz ciej stosuje si wspomaganie komputerowe.
W tym miejscu nale y jeszcze
zatrzyma si nad zagadnieniem rodka smarnego, tj. nad olejem smarnym.
Jego lepko w du ej mierze decyduje
zarówno o wyporze hydrodynamicznym, jak i o oporach tarcia w ło ysku.
Lepko jest własno ci fizyczn płynów. Opisowo mo na j okre li jako
opór przy przesuwaniu si warstewek
płynu wzgl dem siebie. Na rysunku 4
zilustrowano przesuwanie si płytki o
powierzchni A po warstewce cieczy o
grubo ci h. Aby pokona opór lizgania
si warstewek cieczy wzgl dem
Rys. 4. Rozkład pr dko ci po lizgu w warstwie oleju
siebie, trzeba przyło y do górnej,
ruchomej, płytki sił styczn Ft. Siła ta przedstawia opór tarcia wewn trznego w cieczy i jest
okre lona wzorem Newtona
dν
Ft = Aη
(4)
dh
lub
Ft
dν
=τ =η
,
(4a)
A
dh
gdzie: A – powierzchnia przesuwanych warstw,
dv/dh – gradient pr dko ci,
τ - jednostkowy opór tarcia wewn trznego,
η - współczynnik lepko ci dynamicznej, zwany w skrócie „lepko ci dynamiczn ”.
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-5-
Jednostk lepko ci dynamicznej jest paskalosekunda (Pa⋅s). Jest to bardzo du a jednostka, dlatego u ywa si zazwyczaj tysi cznych jej cz ci: milipaskalosekund (mPa⋅s}. Woda
w temperaturze 20 oC). ma lepko 1 mPa⋅s. Oleje smarne maj lepko ci od kilkana cie do kilkadziesi t (a nawet kilkaset) razy wi ksze.
Lepko cieczy zale y od temperatury oraz od ci nienia. Ze wzrostem temperatury lepko zmniejsza si , natomiast ze wzrostem ci nienia – zwi ksza si . Wyra ne zwi kszenie lepko ci oleju ze wzrostem ci nienia zaznacza si jednak dopiero, gdy wynosi ono ok. 60 MPa. Tak
du e ci nienia nie wyst puj na ogól w ło yskach lizgowych, dlatego zale no lepko ci od
ci nienia pominiemy w naszych rozwa aniach.
Natomiast zmniejszenie lepko ci oleju smarnego ze wzrostem jego temperatury jest dla
pracy ło yska spraw niezwykle istotn . Ciepło tarcia podnosi temperatur oleju, jego lepko
zmniejsza si , zwi ksza si warto liczby Sommerfelda, zwi ksza si mimo rodowo i w nast pstwie tego zmniejsza si wysoko szczeliny smarowej h0. A to oznacza zmniejszenie pewno ci ruchu przy tarciu płynnym, a nawet przej cie w zakres tarcia mieszanego. Z powy szego
wynika oczywisty wniosek: do oblicze nale y bra warto lepko ci w temperaturze pracy łoyska: ηt! O cieple w ło ysku b dzie mowa w dalszym tek cie, teraz jeszcze słów par o charakterze zmiany lepko ci ze zmian temperatury.
Zmiana lepko ci ze zmiana temperatury ma charakter logarytmiczny. W praktyce najcz ciej posługujemy si wykresami η=f(t) wykonanymi w układzie współrz dnych logarytmicznych. Wtedy otrzymuje si wykresy liniowe. Na rys. 5 przedstawiono wykres wspomnianej temperaturowej zale no ci lepko ci dla tak zwanych olejów normalnych. Nazwa bierze si st d, e
lepko olejów w temperaturze 50 0C uszeregowano według ci gu liczb normalnych. Wykres
dotyczy olejów bez dodatków uszlachetniaj cych, przede wszystkim za dodatków zmniejszaj cych podatno ich lepko ci na temperatur . Wa ny on jest m. in. dla wszystkich olejów
maszynowych ogólnego stosowania.
Tak wi c w procesie konstruowania ło yska lizgowego musimy wst pnie oszacowa
robocz temperatur oleju i do oblicze wynikaj cych z warunku tarcia płynnego przyj lepko oleju w tej temperaturze. Sprawdzenie warunku cieplnego wyka e, czy przyj li my właciw temperatur oleju (ło yska).
W tym miejscu trzeba przypomnie wspomniany wy ej drugi konieczny warunek bezpiecznej
pracy ło yska – warunek równowagi cieplnej. Sprawdza si go bilansuj c ciepło tarcia z ciepłem
odprowadzanym z ło yska
µFν = αA(t − t 0 ) + cρ t Q(t 2 − t1 ) ,
(5)
gdzie: µ - współczynnik tarcia płynnego,
A – powierzchnia odprowadzania (zewn trzna ło yska) ciepła,
c – ciepło wła ciwe oleju,
ρt – g sto oleju w temperaturze pracy,
Q – nat enie przepływu oleju chłodz cego ło ysko,
t – temperatura ło yska,
t0 – temperatura otoczenia,
(t2 – t1) – przyrost temperatury oleju podczas przej cia przez ło ysko.
Pierwszy składnik prawej strony dotyczy chłodzenia naturalnego, drugi za wprowadza si wtedy, gdy musimy chłodzi ło ysko dodatkowym intensywnym przepływem oleju.
Ze wzoru (5) mo na obliczy temperatur ło yska i porówna j z warto ci zało on .
Je li warto ci te ró ni si istotnie, trzeba wróci do warunku tarcia płynnego, zmieniaj c wartoci parametrów dyspozycyjnych (jakich?). Istniej te wzory empiryczne (por. np. [1]), według
których mo na wst pnie okre li temperatur ło yska.
Wyst puj cy we wzorze (5) współczynnik tarcia płynnego zale y głownie od liczby
Sommerfelda
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
dla
dla
SO<1
SO>1
µ=
µ=
-6-
3ψ
,
SO
3ψ
SO
(6)
.
Rys. 5. Zale no
lepko ci olejów normalnych od temperatury
(obja nienie w tek cie)
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-7-
Zale no ci te zilustrowano na rys. 6 lini ci gł . Linie kreskowe obrysowuj pasmo warto ci µ obliczanych według innych formuł ni podane wy ej. Widzimy, e ze zwi kszaniem warto ci SO (a wi c np. ze zwi kszaniem nacisku p lub ze zmniejszeniem pr dko ci ω lub te ze
zmniejszeniem lepko ci oleju η) maleje warto współczynnika tarcia, co jest korzystne. Równocze nie jednak – jak ju si przekonali my – zwi kszenie warto ci SO powoduje zwi kszenie
mimo rodowo ci, a tym samym zmniejszenie wysoko ci szczeliny smarowej, co z kolei jest niekorzystne, bo mo e doprowadzi do tarcia mieszanego.
Rys.6. Zale no
współczynnika tarcia od liczby Sommerfelda
Tak wi c konstrukcja i działanie hydrodynamicznego ło yska lizgowego s ci le zwi zane z warto ci parametru Sommerfelda. Nale y tak dobra czynniki dyspozycyjne wchodz ce
w skład tego parametru, aby wyst piło jak najmniejsze tarcie (ze wzgl du na straty energetyczne
oraz ze wzgl du na temperatur ło yska) i równocze nie aby zapewni mo liwie du y stopie
pewno ci ruchu przy tarciu płynnym. Zwró my przy tym uwag na fakt, e obydwa te dania s
przeciwstawne: zmniejszenie tarcia uzyskuje si przy wi kszych warto ciach SO, natomiast
zwi kszenie wysoko ci szczeliny smarowej (a wi c zwi kszenie pewno ci ruchu przy tarciu
płynnym) – przy mniejszych warto ciach SO. Konstrukcja niezawodnego i trwałego ło yska lizgowego jest wi c pewnym kompromisem pomi dzy obydwoma wspomnianymi daniami.
2. Badania ło ysk lizgowych. Charakterystyka tarcia ło yska
Hydrodynamiczna teoria smarowania daje na ogół wystarczaj ce podstawy do konstruowania ło ysk lizgowych spełniaj cych warunki: tarcia płynnego i równowagi cieplnej, przy
danych parametrach pracy – obci eniu i pr dko ci. Współczesne metody obliczeniowe pozwalaj nie tylko na szybkie i dokładne obliczanie ło ysk hydrodynamicznych, lecz tak e umo liwiaj ich optymalizacj , zazwyczaj według kryteriów: maksimum no no ci, minimum tarcia
(por. np. [1]) a tak e innych (np. stateczno ci).
W niektórych wypadkach konieczne jest tak e badanie do wiadczalne ło yska. Konieczno taka zachodzi wtedy, gdy tworzy si ło ysko, którego cechy odbiegaj od cech typowych
ło ysk (dla których sprawdzone s upraszczaj ce zało enia w obliczeniach), na przykład ło ysko
bardzo krótkie (l/d<0,5) cechuj ce si znacznymi upływami oleju przez czoła, ło yska o zmniejszonych luzach itp. Tak e stosowanie nowych materiałów ło yskowych b d nowych rodków
smarnych wymaga na ogół do wiadczalnej weryfikacji.
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-8-
Badania prowadzi si b d na modelach ło yska, b d na obiekcie rzeczywistym.
W pierwszym wypadku buduje si uproszczony model ło yska i bada si go na specjalnym stanowisku badawczym. W badaniach takich chodzi zazwyczaj o okre lenie wpływu istotniejszych
cech ło yska na jego zachowanie si w ruchu, np. wpływu długo ci ło yska na jego no no .
W drugim przypadku sprawdza si zachowanie si ło yska o zdefiniowanych cechach konstrukcyjnych przy zmiennych parametrach pracy: obci eniu, pr dko ci, temperaturze otoczenia.
Mówimy wtedy, e okre lamy charakterystyk ło yska. Poniewa głównym kryterium oceny
jako ci pracy ło yska jest zachodz ce w nim tarcie, jest to zazwyczaj tarciowa charakterystyka
ło yska.
Pierwsze badania charakterystyki tarciowej ło yska lizgowego przeprowadził, w roku
1902, Stribeck. Na rys. 7 pokazano wykres µ=f(n) stanowi cy wła nie charakterystyk tarciow
ło yska badanego przez Stribecka (dla przejrzysto ci pokazano tylko niektóre krzywe dla
p=const). Krzywa tarcia ("krzywa Stribecka”) składa si z dwóch gał zi: lewej – charakteryzuj cej tarcie mieszane w ło ysku oraz prawej – charakteryzuj cej tarcie płynne.
Rys. 7. Charakterystyka tarciowa ło yska poprzecznego według bada Stribecka: a) niektóre wyniki bada ło yska
eliwnego o rednicy 70 mm i długo ci 230 mm; b) schemat krzywej Stribecka
Przy wybiegu, tj. przy zatrzymywaniu ło yska, nast puje przej cie odwrotne: przy okre lonej
pr dko ci ko czy si tarcie płynne i zaczyna si gwałtowne zwi kszanie warto ci współczynnika
tarcia, charakteryzuj ce pojawienie si tarcia mieszanego. Taki przebieg tarcia w ło ysku hydrodynamicznym jest, oczywi cie, niekorzystny. Wyst powanie tarcia mieszanego podczas rozruchu i wybiegu wywołuje zwi kszone opory ruchu ło yska, mo e wywoła drgania, a przede
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-9-
wszystkim powoduje zu ywanie si panwi i czopa. Aby zmniejszy te szkodliwe oddziaływanie,
nale y d y do tego, by krytyczna pr dko vkr – przej cia w stan tarcia płynnego – była jak
najmniejsza. Na podstawie bada Stribecka i pó niejszych do wiadcze innych badaczy (patrz
[2]) mo na stwierdzi , e krytyczny punkt na krzywych tarcia zbli a si tym bardziej do pocz tku układu współrz dnych, im mniejsze jest obci enie ło yska p. St d wniosek, e szybkie osi gni cie tarcia płynnego mo liwe jest przede wszystkim w ło yskach odci onych. Niestety, nie
zawsze mo na uruchamia maszyn nieobci on . W szczególnie odpowiedzialnych ło yskach,
np. w ło yskach turbin parowych, stosuje si wi c podczas rozruchu odci enie hydrostatyczne.
Z wykresu Stribecka wida jeszcze jedn prawidłowo : ze zwi kszeniem obci enia
maleje współczynnik tarcia płynnego. Czytelnik zechce zastanowi si dlaczego.
Je li na osi odci tych charakterystyki tarciowej ło yska nanie nie pr dko czopa, lecz
bezwymiarowy parametr λ = η n”/ p, zwany liczb Herseya, to wszystkie prawe gał zie krzywych Stribecka zejd si w jedn (n” oznacza tu pr dko obrotow w obr/s). Natomiast punkt
krytyczny a tak e warto współczynnika tarcia odpowiadaj ca minimum na krzywej nadal zalee b d od obci enia ło yska [2]. Na rys. 8 pokazano krzyw tarcia we wspomnianym układzie współrz dnych, ograniczaj c si do jednej warto ci p. U dołu rysunku schematycznie pokazano wysoko ci szczeliny smarowej odpowiadaj ce punktom pracy w ró nych cz ciach krzywej tarcia.
Rys. 8. Krzywa Herseya; λkr – krytyczna warto liczby Herseya
(przej cie w stan tarcia płynnego)
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-10-
Charakterystyka tarciowa danego ło yska mo e by pomocna w okre leniu parametrów bezpiecznej pracy, tj. pracy w zakresie tarcia płynnego. Im dalej na prawo od punktu krytycznego
b dzie poło ony punkt pracy ło yska, tym pewniej b dzie ono pracowało w warunkach tarcia
płynnego. Jako miar niezawodno ci działania ło yska przy tarciu płynnym mo na wi c przyj
„współczynnik bezpiecze stwa tarcia płynnego” okre lony stosunkiem warto ci liczby Herseya
dla punktu pracy ło yska, do krytycznej warto ci tej liczby
x=
λ
.
λkr
(7)
Wydawałoby si zatem, e nale y d y do tego, aby punkt pracy znajdował si mo liwie
daleko od punktu krytycznego. „Odsuwanie” si w prawo od punktu krytycznego zbyt daleko ma
jednak nast puj ce wady: zwi ksza si współczynnik tarcia, a zatem zwi kszaj si straty energetyczne, zwi ksza si najmniejsza wysoko szczeliny smarowej, co mo e wywoła niestabiln
prace ło yska (prosz przypomnie sobie schemat powstawania wyporu hydrodynamicznego w
poprzecznym ło ysku lizgowym, podawany na wykładzie i zanik klinowo zw aj cej si szczeliny przy pr dko ci d cej do niesko czono ci!).
Na koniec zwró my uwag na mo liwo pewnej samoregulacji warunków pracy ło yska
w zakresie tarcia płynnego: je li wskutek jakich zaburze w ruchu ło yska zwi kszy si tarcie,
to tym samym zwi kszy si ciepło tarcia, wskutek czego zmniejszy si lepko oleju; spowoduje
to zmniejszenie liczby Herseya λ i przesuni cie si punktu pracy ło yska w lewo, do nowego
punktu roboczego. Taka samoregulacja jest, oczywi cie, mo liwa tylko w ograniczonym zakresie przeci e i tak e ze wzgl du na ni punkt pracy ło yska nie powinien le e zbyt blisko
punktu krytycznego (dlaczego?).
3. Cel wiczenia
Celem wiczenia jest okre lenie wpływu warunków pracy ło yska lizgowego na jego
działanie i zarejestrowanie tego wpływu w postaci charakterystyki tarciowej ło yska.
4. Przedmiot bada
Przedmiotem bada jest modelowe ło ysko lizgowe, składaj ce si z trzech szeregowo ustawionych panewek. Schemat
ło yska pokazano na rys. 9. Model traktuje
si jako trzy równocze nie badane ło yska.
Badane ło ysko składa si z dwóch
panwi górnych (pg) – zewn trznych oraz
panwi dolnej (pd) – wewn trznej. Siły
wywierane w głowicy badawczej działaj
naprzemianlegle, tak jak pokazano na
schemacie. Ło ysko jest smarowane piercieniem lu nym (ps).
Rys. 9. Schemat badanego ło yska: pd - panew dolna,
pg – panew górna, ps – pier cie smaruj cy
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-11-
5. Stanowisko badawcze
Schemat stanowiska badawczego pokazano na rys. 10. Składa si ono z nast puj cych
zespołów:
- nap dowego,
- badawczego (głowicy badawczej),
- pomiarowego.
Zespół nap dowy składa si z silnika elektrycznego (s), regulatora pr dko ci (falownika),
redukcyjnej przekładni z paskiem klinowym (p) oraz wału po rednicz cego (wp) podpartego na
dwóch ło yskach tocznych.
Głowica badawcza jest zbudowana w postaci wahadła (w) zawieszonego na wymiennym
czopie (c), mocowanym w uchwycie wału po rednicz cego. W ramie wahadła umieszczone jest
badane ło ysko (ł) z trzema panwiami pokazanymi na rys. 9. Ło ysko opiera si rodkowym
wyst pem swej podstawy na spr ynie płytkowej (sp), jego pokrywa natomiast jest dociskana
dwiema rubami ( r) wkr canymi w gwintowane otwory górnej poprzeczki wahadła. W ten sposób – przez nacisk rub na pokryw – obci a si panwie górne, a przez ram wahadła, spr yn
i podstaw ło yska obci a si panew doln . Uzyskuje si w ten sposób naprzemianlegle obci enie panwi górnych i dolnych oraz zamkni cie układu sił w obr bie wahadła.
Rys. 10. Schemat stanowiska badawczego: s – silnik elektryczny, p – przekładnia pasowa klinowa,
wp – wał po redni, c – czop, w – wahadło, ł – badane ło ysko, r – ruby napinaj ce,
sp – spr yna płytkowa, cz – czujnik zegarowy
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-12-
Ugi cie wzorcowanej spr yny, mierzone czujnikiem (cz), jest miar obci enia ło yska.
Na podstawie wykresu wzorcowania spr yny sporz dzono wykaz sił F obci aj cych ło ysko
przy danym jej ugi ciu, a znaj c powierzchnie nominalne panwi A=d⋅l, mo na ka demu ugi ciu
spr yny przypisa odpowiedni nacisk redni p=F/dl. Zwró my uwag na to, e panwie zewn trzne s dwukrotnie w sze ni panew dolna, co wobec rozkładu sił, pokazanego na rys. 9,
daje nominalnie jednakowe naciski we wszystkich panwiach.
Dzi ki zamkni ciu układu sił w obr bie wahadła oraz zawieszeniu go swobodnie na czopie mo e ono, pod wpływem tarcia w ło ysku, wychyla si z poło enia równowagi. Przez
zrównowa enie momentu tarcia w ło ysku sił spr yny wagi (wg) mierzy si na ramieniu l sumaryczny moment tarcia we wszystkich trzech panwiach.
Wskutek obróbki kompletu panwi w specjalnym uchwycie zachowuje si stosunkowo
dokładne wymiary i kształty otworów wszystkich trzech panwi oraz ich współosiowo . Dzi ki
temu mo na – z dokładno ci wystarczaj ca do bada sprawdzaj cych – przyj , e udział
wszystkich „cz stkowych” ło ysk zespołu w całkowitym momencie tarcia jest jednakowy.
Oprócz momentu tarcia podczas bada mierzy si temperatur w ciankach panwi oraz w
zbiorniku oleju za pomoc czujnika temperatury. Do charakterystyki ło yska przyjmuje si najwy sz temperatur wskazywan przez wymieniony czujnik.
6. Przebieg pomiarów
1. Uruchamia si stanowisko przy nieobci onym ło ysku, po czym powoli obci a si je do
okre lonej warto ci. Ło ysko pracuje nast pnie przy stałej pr dko ci obrotowej i obci eniu do chwili osi gni cia równowagi cieplnej. Przyjmuje si , e równowaga taka nast puje
wtedy, gdy temperatura ło yska nie zmienia nie w ci gu trzech kolejnych jej pomiarów,
dokonywanych co 10 minut. Dla przyspieszenia tego procesu zaleca si prowadzi rozruch
ło yska przy mo liwie du ej pr dko ci obrotowej.
2. Zmniejsza si pr dko obrotow do osi gni cia Mmin, tj. do punktu krzywej tarcia okre lonego odci t λkr. Dalsze zmniejszanie pr dko ci b dzie powodowało gwałtowne zwi kszenie momentu tarcia. Aby uzyska dokładniejszy pomiar momentu tarcia, odpowiadaj cego
µmin, odczytuje si wskazania wagi Gmin1 wówczas, gdy po osi gni ciu minimum zaczynaj
one rosn oraz Gmin2 , gdy po ponownym zwi kszeniu pr dko ci wskazówka wagi przechodzi przez minimum. Oblicza si warto redni wskaza wagi dla punktu minimum
G
+ Gmin 2
G min = min 1
(8)
2
Równocze nie mierzy si temperatur ło yska oraz pr dko ci obrotowe n’ oraz n” odpowiadaj ce Gmin1 oraz Gmin2. Oblicza si redni pr dko krytyczn
n'+ n"
n kr =
(9)
2
3. Z charakterystyki temperaturowej okre la si lepko u ytego oleju w zmierzonej temperaturze ło yska i oblicza si krytyczn warto liczby Herseya
ηn
λkr = t kr
(10)
p
4. Zwi ksza si pr dko obrotow (przy ustalonym obci eniu) do warto ci n1, n2, n3, ustalaj c ka dorazowo stan cieplny ło yska, mierzy si warto ci momentu tarcia i temperatur
jak w p. 2, okre la si lepko oleju w danej temperaturze oraz oblicza warto liczby Herseya dla stanów 1, 2, 3, po czym oblicza si współczynnik bezpiecze stwa tarcia płynnego
według wzoru (7).
5. Na podstawie bilansu cieplnego, opieraj c si na zmierzonych warto ciach wielko ci
wchodz cych do formuły tego bilansu, oblicza si współczynnik przechodzenia ciepła α
(wzór (5)), przyjmuj c tylko chłodzenie naturalne. Powierzchnia zewn trzna ło yska wynosi A=0,05 m2. Współczynnik tarcia oblicza si z momentu tarcia, okre lonego iloczynem
Laboratorium Podstaw Konstrukcji Maszyn
wiczenie: „Wyznaczanie charakterystyki tarciowej poprzecznego ło yska lizgowego”
-13-
(3.11)
Mt=G l,
G – wskazania wagi,
l – długo ramienia wahadła.
Współczynnik tarcia
M
Gl
µ = t : 2F =
,
(3.12)
r
2 Fr
gdzie: F – siła spr yny płytkowej (odczyt czujnika + dane wzorcowania spr yny),
r – promie czopa.
gdzie:
UWAGA: Podczas wiczenia nale y bezwzgl dnie stosowa si do wskaza
prowadz cej zaj cia, dotycz cych bezpiecze stwa pracy.
osoby
7. Sprawozdanie z wiczenia
1. Wyniki pomiarów i oblicze wpisa do tabel arkusza pomiarowego.
2. Na podstawie zarejestrowanych i przeliczonych wyników wykona wykres zale no ci
współczynnika tarcia od liczby Herseya (charakterystyk tarciow ło yska).
3. Obliczy współczynnik przechodzenia ciepła w ło ysku.
4. Oceni dokładno pomiarów.
5. We wnioskach nale y odpowiedzie na nast puj ce pytania:
a) jak wpływaj na no no ło yska i wysoko szczeliny smarowej: lepko oleju,
pr dko obrotowa wału, luz ło yskowy, wzgl dna długo ło yska l/d,
b) jak wpływaj na współczynnik tarcia w ło ysku: lepko oleju, pr dko obrotowa wału, redni nacisk p .
Przy oddawaniu sprawozdania obowi zuje znajomo materiału z zakresu ło ysk lizgowych. W przygotowaniu do sprawdzianu mo e pomóc tre (p. 1 i 2) niniejszej instrukcji, szczególnie za zawarte w tek cie pytania („dlaczego?”).
8. Pytania kontrolne
1. Omówi warunki trwałej i niezawodnej pracy ło yska lizgowego.
2. Od czego zale y współczynnik tarcia płynnego ?
3. Omówi lepko oleju smarnego oraz jej wpływ na prac ło yska lizgowego
LITERATURA
[1] wiczenia z podstaw konstrukcji maszyn. Poradnik. Praca zbiorowa pod red. Z. Lawrowskiego, Skrypt Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1982.
[2] Korewa W., Zygmunt K., Podstawy konstrukcji maszyn, Cz. 2, Warszawa, WNT, 1971.
[3] Podstawy konstrukcji maszyn Praca zbiorowa pod red. Z. Osi skiego, Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999.