B2-013

PODSTAWY NAUKI O MATERIAŁACH
Ćwiczenia laboratoryjne (oznaczone symbolem
Temat ćwiczeń:
B2-013 )
Prognozowanie oporów tarcia i intensywności zuŜywania kompozytów
na osnowie tarflenu (PTFE), wyprodukowanych jako materiały ślizgowe
Miejsca ćwiczeń :
początek ćwiczeń w laboratorium nr 02 (pawilon B2 niski parter),
dalszy ciąg ćwiczeń w laboratorium nr 013 (po przeciwnej stronie korytarza)
Prowadzący ćwiczenia: dr inŜ. Zbigniew Oleksiak – pawilon B2 niski parter lab. 013,
konsultacje: po zakończeniu ćwiczeń,
tel. (12) 617 34 21 (automatyczna sekretarka)
Cel ćwiczenia: Zapoznanie z dwoma wybranymi metodami laboratoryjnych
badań tarcia i zuŜywania próbek wykonanych z kompozytów na osnowie
tarflenu w aspekcie zastosowania zbadanego materiału na elementy ślizgowe
współpracujące w warunkach tarcia technicznie suchego z stalowymi nierdzewnymi
elementami maszyn (np. tłokowe
pierścienie uszczelniające współpracujące
z tulejami cylindrowymi, łoŜyska ślizgowe, prowadnice itp.)
Półfabrykat
kompozytu
Powierzchnia
robocza
cylindra
Tłokowy
pierścień
uszczelniający
Fot. 1. Fragment
powierzchni roboczej
cylindra, tłokowy
pierścień uszczelniający
i półfabrykat tarflenowy
w kształcie tulei (jasna
część tulei wykonana
została z czystego
tarflenu,
natomiast ciemniejsza
z kompozytu
tarflenowego).
Półfabrykat
czystego
tarflenu
Wybrane metody laboratoryjnych badań tarcia i zuŜywania materiałów
konstrukcyjnych w Katedrze Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn WIMiR
A. Metoda tradycyjna badań tarcia i zuŜywania kompozytów tarflenowych
(prezentowana z wykorzystaniem stanowiska badawczego usytuowanego
w laboratorium nr 02 – niski parter w pawilonie B2),
B. Nowoczesna metoda badań opracowywana w Katedrze Konstrukcji
i Eksploatacji Maszyn (prezentowana z wykorzystaniem stanowiska badawczego
usytuowanego w laboratorium nr 013 – niski parter w pawilonie B2).
Organizacja ćwiczeń
- Ze względu na obszerność problematyki zajęć, konieczne jest przed ćwiczeniami
przygotowanie się z niniejszych opracowań pod nazwą:
ćwiczenia laboratoryjne B2- 013_część I,
ćwiczenia laboratoryjne B2- 013_część II.
- Ćwiczenia będą realizowane przez około 100 minut.
- Na początku ćwiczenia będzie organizowany sprawdzian (około 10 minut)
z zakresu problematyki przedstawionej we wspomnianych opracowaniach.
- Ocena z tego sprawdzianu będzie oceną ćwiczenia B2-013 i będzie
uwzględniona przy obliczaniu średniej „ waŜonej” z poszczególnych ćwiczeń.
- Ocena zaliczenia ćwiczeń z przedmiotu „Podstawy Nauki o Materiałach”
będzie wystawiona na podstawie tej średniej.
- W przypadku uzyskania oceny zaliczenia z ćwiczeń niŜszej niŜ 4,5 konieczne
będzie pisemne zdawanie egzaminu z przedmiotu PNoM. Pytania będą
obejmować między innymi problematykę opisaną we wspomnianych
opracowaniach.
Przewidywana organizacja sprawdzianu z zakresu ćwiczeń B2-013
W pliku: „Objasnienia i szablon do odpowiedzi na pytania kontrolne”
umieszczono szablon do odpowiedzi na pytania kontrolne, wymagania odnośnie
sposobu wypełniania szablonu, kryterium pozytywnej oceny z ćwiczenia, warunki
uzyskania premii do oceny z sprawdzianu, moŜliwości podwyŜszenia oceny itp.
Podczas ćwiczeń będą zaprezentowane podstawowe zasady:
- podejmowania decyzji o przygotowaniach do rozpoczęcia
badań laboratoryjnych tarcia i zuŜywania tworzyw konstrukcyjnych,
- pobierania i przygotowania próbek do badań,
- pobierania i przygotowania materiału stalowej tarczy
(przeznaczonej do współpracy ślizgowej z próbkami) nazywanej potocznie
tarczą przeciwpróbkowa lub przeciwpróbką,
- wyboru urządzenia (stanowiska) badawczego,
- wyboru laboratoryjnych warunków badania próbek wybranego materiału,
- budowy, przeznaczenia i wykorzystania torów pomiarowo – rejestrujących,
- wykorzystania oprzyrządowania: mechanicznego, elektronicznego, optycznego
i komputerowego stanowisk badawczych.
nie tylko podczas badań
Wspomniane oprzyrządowanie jest wykorzystywane
tarcia i zuŜywania tworzyw konstrukcyjnych.
W omawianej tu problematyce jest ono wykorzystywane do: kontroli i rejestracji
wartości zadawanych parametrów współpracy ślizgowej (np. nacisk, prędkość
ślizgania, ciśnienie i wilgotność atmosfery w komorze badawczej itp.), do
przetwarzania i rejestracji skutków tarcia podczas ruchu stalowej tarczy (opory
tarcia, temperatura w obszarze tarcia, zuŜycie liniowe próbek, powiększone obrazy
powierzchni roboczej stalowej tarczy – przeciwpróbki itp.)
Wprowadzenie:
Elementy mechaniczne maszyn i urządzeń muszą spełniać cały szereg
wymogów stosownie do przeznaczenia tych mechanizmów i ich odpowiedzialności
(waŜności). KaŜdy element mechaniczny musi zazwyczaj charakteryzować się nie
zginanie,
tylko odpowiednią wytrzymałością mechaniczną np. na: zrywanie,
skręcanie itp. ale teŜ 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 zuŜyciowymi. Oznacza to, Ŝe materiały z których wykonywane są np.
elementy hamulców muszą się charakteryzować wysoką wartością współczynnika
tarcia, natomiast elementy łoŜysk powinny charakteryzować się minimalną wartością
tego współczynnika.
Ponadto kaŜdy element ślizgowy podlega zuŜywaniu podczas współpracy
ślizgowej i chodzi tu o to aŜeby zuŜywał się jak najwolniej w przemysłowych
warunkach ślizgania czyli aŜeby jego intensywność zuŜywania była jak najmniejsza
co oznaczać będzie najwolniejsze powiększanie się luzu np. pomiędzy pierścieniem
uszczelniającym a cylindrem spręŜarki. W takim przypadku spręŜarka zachowa
przez zadawalająco długi okres czasu pracy korzystne cechy uŜytkowe. Natomiast
w przypadku duŜej intensywności zuŜywania, stosunkowo szybko nastąpi
przekroczenie wartości granicznej tego luzu (utrata szczelności) co sprawi, Ŝe
spręŜarka będzie tłoczyć mniej gazu i przy niŜszym niŜ wymaganym ciśnieniu –
spręŜarka nie będzie zdatna do uŜycia.
W celu uzyskania ekonomicznie uzasadnionej trwałości elementów maszyn
prowadzone są badania nad opracowaniem receptury odpowiednich materiałów
konstrukcyjnych w ramach Nauki o Materiałach. Działania te są wspierane przez
badania tarcia i zuŜywania w zakresie tribologii (trybologii) podczas, których
między innymi, początkowo w warunkach laboratoryjnych a następnie w warunkach
przemysłowych sprawdzana jest doświadczalnie odporność na zuŜywanie nowo
opracowanych gatunków tworzyw konstrukcyjnych.
W 1939 roku wynaleziono teflon (PTFE – politetrafluoroetylen) lecz do dnia
dzisiejszego konstruktorzy nie znają pełnych jego charakterystyk uŜytkowych.
Produkowany PTFE w Tarnowie nazwany zastał tarflenem. Charakteryzuje się
całym szeregiem unikalnych właściwości. NajwaŜniejsze z nich to bardzo niskie
opory tarcia, odporność na prawie wszystkie chemikalia, tworzenie korzystnej
warstewki samosmarnej na stalowej powierzchni podczas współpracy ślizgowej.
Bardziej szczegółowe dane na jego temat są w Załączniku umieszczonym na końcu
tego opracowania.
Tarflen w postaci proszku suspensyjnego (płatki) jest uŜywany do produkcji
półwyrobów. Proszek ten jest zasypywany do odpowiednich form, prasowany
a następnie spiekany w dość złoŜonym cyklu wygrzewania.
Z półfabrykatów czystego tarflenu (w kształcie: tulejek, wałków, płyt itp.)
wykonuje się elementy maszyn przeznaczone do współpracy ślizgowej , które
znajdują zastosowanie w przemyśle spoŜywczym, w medycynie, farmacji, technice
kosmicznej, próŜniowej itp. Są one stosunkowo mało odporne na zuŜywanie
w cięŜszych warunkach pracy.
Bardziej odporne na zuŜywanie są kompozyty na osnowie tarflenu. 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.
Dlatego przedmiotem badań w Katedrze Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn są
między innymi półfabrykaty kompozytów tarflenowych wyprodukowane w Zakładach
Azotowych w Tarnowie. Charakteryzują się głownie tym, Ŝe 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 spręŜania tlenu i wszędzie tam gdzie nie
dopuszcza się obecności smarów.
Badania charakterystyk tarciowych i odporności na zuŜywanie i materiałów
konstrukcyjnych są najbardziej pracochłonnymi i czasochłonnymi a tym samym
kosztownymi badaniami spośród badań własności tych materiałów.
Muszą być jednak one realizowane po to, aŜeby dawać konstruktorom
niezbędne informacje o własnościach (głównie – intensywność zuŜywania i wartość
współczynnika tarcia) nowych materiałów, z których mogą oni konstruować nowe
elementy ślizgowe węzłów kinematycznych.
W celu znacznego skrócenia czasu badań opracowywane są nowe metody
testowania materiałów na zuŜywanie. Z tego powodu w naszej Katedrze zbudowano
stanowisko badawcze i opracowano podstawy do opracowania szybkiej metody
oceny odporności na zuŜywanie kompozytów tarflenowych. Polega ona na
obserwacji i rejestracji obrazów zmian jakie zachodzą na powierzchni roboczej
tarczy przeciwpróbkowej. Głównie chodzi tu o zmiany obrazów cienkiej warstewki
(nazywanej potocznie filmem transferowym) naniesionej na tarczę przeciwpróbkową
a
złoŜonej z cząsteczek zuŜytych próbek podczas współpracy ślizgowej.
Rejestracja jest prowadzona podczas ruchu obrotowego tarczy przeciwpróbkowej.
Zarejestrowane obrazy są przetwarzane komputerowo z pomocą programów
opracowanych przez dr inŜ. Zbigniewa Rudnickiego.
Podstawowe zasady podejmowania decyzji o przygotowaniach do rozpoczęcia
badań laboratoryjnych tarcia i zuŜywania 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 są zmiany receptury
i technologii otrzymywania nowych gatunków kompozytów (np. w Zakładach
Azotowych w Tarnowie), to konstruktorzy niewiele wiedzą o ich właściwościach
tarciowych i zuŜyciowych a tym samym o ich przydatności do konkretnego nowego
skojarzenia ślizgowego.
W celu wyselekcjonowania najkorzystniejszego gatunku kompozytu do
nowoprojektowanego skojarzenia ślizgowego naleŜy uruchomić laboratoryjne
badania tarcia i zuŜywania wybranych kompozytów z pomocą specjalistycznych
urządzeń badawczych, nazywanych potocznie stanowiskami lub tribotesterami.
Spośród zbadanych gatunków kompozytów, jest wybierany zazwyczaj ten
gatunek kompozytu (do produkcji nowych elementów ślizgowych), którego
intensywność zuŜywania podczas badań laboratoryjnych była najmniejsza.
Podstawowe zasady pobierania i
przygotowania próbek do badań
Właściwości kompozytów są
anizotropowe czyli zaleŜą miedzy
innymi od geometrycznego kierunku w jakim jest realizowane badanie określonej właściwości.
Charakteryzują się najmniejszą
intensywnością zuŜywania 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
aŜeby wykorzystać tę prawidłowość.
Rys.1. Zasada pobierania próbek
i wykonywania tłokowych pierścieni
uszczelniających z półfabrykatu
kompozytu tarflenowego
w formie walca
Podstawowe zasady wyboru gatunku materiału konstrukcyjnego
tarczy (nazywanej potocznie przeciwpróbką) do współpracy ślizgowej z próbkami, przygotowanie
powierzchni roboczej do badań
W ramach symulacji warunków pracy np. pierścieni uszczelniających
z cylindrem spręŜarki bezsmarowej staramy się aŜeby tarcza przeciwpróbkowa –
przeciwpróbka była wykonana z tego samego gatunku materiału i według podobnej
technologii wytwarzania co cylinder spręŜarki. Podobnie, cechy geometryczne
powierzchni roboczej tarczy, która współpracować będzie z próbkami, powinny być
zbliŜone ( np. chropowatośc, falistość powierzchni itp.) do charakterystyk
powierzchni roboczej cylindra spręŜarki.
Film
transferowy
Fot. 2. Tarcza przeciwpróbkowa (przeciwpróbka) z bardziej
widoczną powierzchnią roboczą i śladami współpracy ślizgowej
z próbkami.
Podstawowe zasady wyboru urządzenia (stanowiska) badawczego
UŜywane w Polsce urządzenia do badania tarcia i zuŜywania materiałów
konstrukcyjnych zazwyczaj nie są znormalizowane - nie są objęte Polskimi
Normami, co oznacza, Ŝe nie są im przypisane szczegółowe procedury, według
których naleŜy realizować doświadczenia tarciowo zuŜyciowe. Oznacza to równieŜ,
Ŝe uzyskane w róŜnych krajowych laboratoriach wyniki takich doświadczeń nie mogą
być ze sobą porównywane ani teŜ umieszczane w Polskich Normach.
Stanowiska były i są budowane doraźnie w celu symulowania warunków
pracy konkretnego węzła ślizgowego, w przypadku nadmiernej jego awaryjności np.
nadmierne rozgrzewanie węzła ślizgowego, zacieranie, katastroficzne zuŜywanie się
elementów ślizgowych itp.
Badania na odpowiednim stanowisku w warunkach laboratoryjnych,
zazwyczaj ułatwiają wykrycie przyczyn wadliwego funkcjonowania takiego węzła
ślizgowego. JeŜeli zachodziła potrzeba, to umoŜliwiają równieŜ wyselekcjonowanie
najbardziej odpowiedniego gatunku kompozytu spośród zbadanych
próbek
kompozytytów z którego moŜna by wykonać nowe elementy ślizgowe np.
pierścienie uszczelniające.
AŜeby ta selekcja była poprawna nalęŜy poszczególne doświadczenia
tarciowe realizować w identycznych warunkach badań. Jakkolwiek wyniki badań
tarciowych zaleŜą od kilkunastu czynników, to dla danego przemysłowego węzła
ślizgowego moŜemy wyodrębnić te czynniki, które w najbardziej istotny sposób
wpływają na skutki tacia i zuŜywania. Wyodrębnione w ten sposób czynniki
determinują warunki badania tarcia i zuŜywania i są symulowane z pomocą
laboratoryjnego stanowiska badawczego . Na podstawie badań zrealizowanych w
tak zdefiniowanych warunkach moŜna dokonać poprawnej selekcji najbardziej
odpowiedniego kompozytu spośród zbadanych kompozytów.
Głównym walorem uŜytkowym stanowiska badawczego jest poprawne
symulowanie warunków pracy przemysłowego skojarzenia ślizgowego np.
przemysłowego skojarzenia ślizgowego: tłokowych pierścieni uszczelniających
z tuleją cylindrowa w spręŜarce do tlenu. Na stanowisku badawczym powinny być
zatem symulowane cechy: dynamiczne (docisk jednostkowy próbek do tarczy
przeciwpróbkowej i jego rozkład wartości), kinematyczne (prędkość ślizgania),
termiczne (intensywność odprowadzania ciepła), materiałowe (probki i tarcza
przeciwpróbkowa) a nawet otoczenie (skład chemiczny gazu, jego ciśnienie) itp.
Podstawowe zasady budowy, przeznaczenie i wykorzystanie torów pomiarowo –
rejestrujących
Jak wspomniano
wyŜej, w celu uzyskania porównywalnych wyników
doświadczeń, musimy realizować powtarzalne warunki badań (wielkości zadawane)
dla kaŜdego 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) powierzchni roboczej.
Jako skutki tarcia – wielkości wyjściowe są uznawane: opory tarcia,
temperatura, zuŜycie liniowe itp.
Zarówno wielkości zadawane (wejściowe) jaki skutki tarcia (wielkości
wyjściowe w procesie tarcia) są zazwyczaj wielkościami nieelektrycznymi. W celu
ich przetwarzania i zarejestrowania naleŜy je przekształcić na sygnały elektryczne.
Zazwyczaj kaŜdy 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 aŜeby nie zakłócały
badanego procesu tarcia. Na przykład ślizgająca się termopara dociskana do
powierzchni roboczej stalowej tarczy przeciwpróbkowej moŜe częściowo usuwać
naniesiony na tę powierzchnie film samosmarny - pomijając fakt, Ŝe błędy pomiaru
tą metodą sięgają 30%. W takim przypadku do pomiaru temperatury powierzchni
roboczej tarczy przeciwpróbkowej naleŜy zastosować bezstykowy pirometr
optyczny.
Tak zbudowane tory pomiarowe są wykorzystywane nie tylko na
stanowiskach do badania tarcia i zuŜywania, lecz szeroko w technice.
W większości przypadków wymagane jest aŜeby przed pomiarami były one
wywzorcowane. KaŜdy 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, fot. 6
i fot. 6a), z pomocą dynamometrów przykładamy kolejno róŜne wartości momentów
skręcających do głowicy stanowiska badawczego GFO-02, którymi symulujemy
momenty sił pochodzących od tarcia a następnie kolejno odczytujemy wskazania
rejestratora lub wartości wyświetlane na ekranie monitora. Dla przykładu: do głowicy
stanowiska GFO-02 (poprzez dynamometry) przyłoŜono moment obrotowy równy
1Nm, który symuluje opory tarcia
1Nm = (T1 + T2 +T3 ) 0,5 DT (rys. 2, fot. 6 i fot. 6a),
natomiast na monitorze wyświetliła się wartość np. 0,6789.
JeŜeli tor pomiarowy jest liniowy, to wyświetlona na monitorze podczas
doświadczenia wartość np. 1,3578 oznacza, Ŝe chwilowa wartość momentu tarcia
wynosi 2 Nm. Sumaryczna chwilowa wartość oporów tarcia wynosi więc:
(T1 + T2 +T3 ) [N] =2 / 0,5 DT [m] = 2 / 0,5 X 0,122 = 32,8 [N]
Podstawowe zasady wyboru warunków badań laboratoryjnych
Jak wspomniano wcześniej stanowisko badawcze powinno symulować
warunki pracy tego skojarzenia przemysłowego, które zamierzamy analizować.
NaleŜy w tym celu przeprowadzić pomiary lub obliczenia wartości parametrów
współpracy przemysłowego skojarzenia ślizgowego oraz określić pozostałe warunki
pracy. Chodzi tu głownie jak juŜ wcześniej wspomniano o: wartości i rozkład
nacisków jednostkowych pomiędzy np. pierścieniem ślizgowym a powierzchnią
roboczą cylindra spręŜarki bezsmarowej, przebieg zmian prędkości ślizgania, zakres
zmian temperatury w obszarze ślizgania, charakterystykę chropowatości
powierzchni roboczej cylindra spręŜarki itp.
A. Tradycyjna metoda badań tarcia i zuŜywania
kompozytów tarflenowych
Najpopularniejszą grupę stanowisk badawczych - tribotesterów uŜywanych do
badania tarcia i zuŜywania kompozytów na osnowie PTFE, stanowią tribotestery
typu „pin on disk” (tarcza-trzpień).
Trzpień
Tarcza
przeciwpróbko
-wa
Prób
-ka
Urządzenia typu „pin on disk” przeznaczone są do badania tarcia i zuŜywania
- własności tribologicznych materiałów uŜywanych na elementy trące. Przy ich
pomocy moŜe być określana odporność na zuŜywanie próbek materiału przy
współpracy ślizgowej z innym materiałem w zaleŜności od zadanych: prędkości
poślizgu, nacisków powierzchniowych, wilgotności, składu chemicznego i ciśnienia
w komorze badawczej oraz innych czynników.
NajwaŜniejszym elementem tego urządzenia jest węzeł ślizgowy. Składa się
on z tarczy obracającej się z ustaloną prędkością obrotową „n” i trzpienia
dociskającego próbkę do tarczy z określoną siłą „P” w punkcie odległym od środka
obrotu o wartość promienia „R”.
A1. Stanowisko badawcze, wyposaŜenie 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 umoŜliwia równomierna rozłoŜenie siły docisku na próbki (pochodzące
od masy grawitacyjnej) oraz stabilne „prowadzenie” próbek względem tarczy jako
przeciwpróbki podczas procesu zuŜywania tychŜe próbek. Niekontrolowane zmiany
docisku są zminimalizowane poprzez staranne wypoziomowanie stanowiska oraz
zmniejszenie bicia wzdłuŜnego 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 napręŜno-oporowy do pomiaru oporów
tarcia naklejony na płaskiej belce spręŜystej 4 ,
5 – głowica urządzenia, 6 – nawilŜacz, 7 – masa
obciąŜająca, 8 – łoŜyskowanie 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. DT = średnia średnica
tarcia = 122mm, T1, T2, T3 – opory tarcia
poszczególnych próbek
Tradycyjny tribotester GFO- 02 umoŜliwia 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 aŜ do osiągnięcia zadanej wilgotności.
Obsada
próbki
Próbka
Tarcza
głowicy
Tarcza
przeciwpróbkowa
Termopara
Belka
spręŜysta
z czujnikami
tarcia
Fot. 3. Przechylona
głowica stanowiska
GFO – 02 wraz z zamocowanymi próbkami
w obsadach
Pokrywa
komory
Wzmacniacz
Głowica
tensometryczny
Wilgotnościomierz
Metex –
przetwornik
analog/cyfra
Tarcza
przeciwpróbkowa
Silnik
asynchroniczny
Fot. 4. Widok
tradycyjnego
stanowiska
GFO – 02
ObciąŜniki
Przemiennik
częstotliwości
A2. 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 aŜeby całą powierzchnią przylegały
do tarczy przeciwpróbkowej (np. z pomocą noŜa tokarskiego przy obracającej
się głowicy z próbkami, osadzonej w uchwycie tokarskim – fot. 5). Nominalna
powierzchnia styku jednej próbki z tarczą wynosi około 1cm2,
- 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,
- wywzorcować tor pomiaru temperatury zadając (symulując) znane wartości
temperatury i uruchamiając rejestracje wyników, obliczyć przeliczniki,
Uchwyt
tokarski
Fot. 5 . Wyrównywanie powierzchni roboczej
próbek osadzonych wraz
z oprawkami w uchwycie tokarskim.
Fot. 6. Wzorcowanie toru pomiarowego oporów tarcia; 1- próbka, 2 – tarcza, 3 – czujnik tensometryczny, 4 – belka
spręŜysta, 5 – głowica 12 – cięgno, 13 - obciąŜnik
5
Fot. 6a. Wzorcowanie toru pomiarowego oporów tarcia metodą symulowania oporów tarcia z pomocą dynamometru
i obciąŜników: 1 - tarcza o średnicy rowka D = 110 mm, 2 – cięgno, 3 – krąŜek linowy, 5 – obciąŜnik, 6 – dynamometr.
Wzorcowanie toru do pomiaru temperatury (z pomoca termopary). Po wzorcowaniu termopara jest osadzana
w otworku wykonanym w próbce (w pobliŜu obszaru współpracy ślizgowej)j
- zmierzyć wysokość kaŜdej 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”,
Szablon
Próbka w
obsadzie
Próbka w
obsadzie
Kadłub
optimetru
Fot. 7a Szablon pomiarowy i próbka w obsadzie
na stoliku pomiarowym optimetru
Fot. 7b Szablon wraz z próbką w obsadzie podczas pomiaru
wysokości próbki z pomocą optimetru
- oczyścić powierzchnię roboczą tarczy przeciwpróbkowej z poprzedniego filmu
transferowego z pomocą luźnego proszku korundu o określonej granulacji w
celu uzyskania podobnej chropowatości do tej jaka jest na powierzchni
roboczej w danym cylindrze spręŜarki,
- odtłuścić powierzchnię roboczą tarczy przeciwpróbkowej,
- ułoŜyć głowicę wraz z próbkami na tarczy przeciwpróbkowej,
- zadać wartości parametrów badań zbliŜone do przemysłowych warunków pracy
danego skojarzenia ślizgowego: nacisk jednostkowy z pomocą obciąŜników,
prędkość ślizgania z pomocą przemiennika częstotliwości (falownika),
wilgotność względną z pomocą nastawnych styków wilgotnościomierza,
- zamknąć przeźroczystą pokrywę komory badawczej (jeŜeli 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 ślizgowej (DT = 122 mm) oraz przy zadanej liczbie obrotów
(z pomocą falownika), wykona tyle obrotów, Ŝe droga współpracy ślizgowej
z próbkami wyniesie 30 km,
- po upływie obliczonego czasu obracania się tarczy przeciwpróbkowej, wyłączyć
silnik a następnie wyłączyć rejestracje chwilowych wartości oporów tarcia
i temperatury,
Przykładowy początek pliku G30 z danymi zebranymi podczas badania
badania
kompozytu SMSM-S25 przy nacisku 60 N/cm2 i prędkości 1 m/sek
m/sek
"10"10-2020-2005 16:21:11 SMSM-S25 karta badan G30 pomiar 1 szlif osc papierem 60 na sucho odtluszczono bezyna p60 v1 wzmocniwnie
3%.pokrywa zadana wilgotnosc 50%"
0.000 -0.002 0024
0.547 -0.002 0024
1.258 -0.002 0024
2.250 -0.002 0024
3.238 -0.002 0024
4.230 -0.002 0024
5.219 -0.002 0024
6.258 -0.002 0024
7.250 -0.002 0024
8.238 -0.002 0024
"10"10-1818-2005 16:36:08 SMSM-S25 karta badan G30 pomiar 1 szlif osc papierem 60 na sucho odtluszczono bezyna p60 v1 wzmocniwnie
3%.pokrywa zadana wilgotnosc 50%"
0.063
0.000
0024
0.723
0.000
0024
1.652
0.000
0024
2.641
0.000
0024
3.633
0.000
0024
4.621
0.000
0024
5.660
0.000
0024
6.652
0.383
0024
7.641
0.563
0024
8.633
0.548
0025
9.621
0.550
0025
10.660
0.555 0025
11.652
0.559 0026
………………………………..
……………………………….
……………………………….
po 30 000 sekundach ( 8 godzin i 20 minut) zakończenie pomiarów
pomiarów
Fot. 8. Zarejestrowane surowe wyniki chwilowych wartości: oporów tarcia (nie przeliczone) – druga kolumna oraz temperatury
w obszarze tarcia (wartości rzeczywiste) – trzecia kolumna.
W pierwszej kolumnie zarejestrowano czas kolejnych pomiarow liczony od chwili uruchomienia programu rejestrującego.
- podnieść pokrywę komory badawczej, unieść głowicę i odłączyć od niej oprawki
wraz z próbkami (zdemontowanie próbek z oprawek uniemoŜliwi pomiar
wysokości próbek w oprawkach po tarciu a tym samym pomiar zuŜycia
liniowego podczas całego doświadczenia – doświadczenie naleŜy powtórzyć),
- próbki w oprawkach ułoŜyć na stoliku pomiarowym opimetru na okres około 2
godzin w celu wyrównania temperatur: kadłuba optimetru i próbek w obsadach,
- po wyrównania temperatur zmierzyć wysokość kaŜdej próbki w obsadzie,
oddzielnie trzech powtarzalnych miejscach z pomocą szablonu. Wynik zapisać
na karcie badań w rubryce „po tarciu”. Obliczyć wartość zuŜycia linowego
kaŜdej próbki oddzielnie jako róŜnicę wysokości próbek „przed tarciem” i „po
tarciu”,
- wypełnić kartę badań dla danego doświadczenia,
Przykład wypełnionej
pierwszej stronicy karty
badań G30.
Na drugiej stronicy
karty są umieszczone
nazwy plików
fotografii
(powiększonych
około 100x
z pomocą mikroskopu)
obrazów
powierzchni roboczych
próbek i tarczy
przeciwpróbkowej
przed i po tarciu
- opracować wyniki doświadczenia w formie graficznej,
Przykładowe opracowanie wyników badania na stanowisku GFOGFO-02
Temperatura
w obszarze
tarcia
ZuŜycie
masowe
ZuŜycie
liniowe
- opracować zbiorczą analizę wyników całej serii doświadczeń zrealizowanych
dla wybranego gatunku kompozytu tarflenowego przy róŜnych kombinacjach
wartości zadawanych parametrów współpracy ślizgowej (nacisk, prędkość
ślizgania, wilgotność względna itp.),
Przestrzenny wykres intensywności zuŜywania dla kompozytu SMK22G3
współpracującego ślizgowo z stalowa tarczą przeciwpróbkową
4H13 uzyskany na podstawie kilku badań na stanowisku GFOGFO-02
ZuŜyc ie w funkcji nac isku P[N] i prędkości v[m/s]
Prędkość
ślizgania
M
ZuŜycie
liniowe
próbek
Nacisk
jednostkowy
- porównać z innymi analizami zbiorczymi w celu wyselekcjonowania takiego
gatunku kompozytu, który charakteryzuje się zespołem najkorzystniejszych
cech uŜytkowych np. najmniejszą intensywnością zuŜywania lub najniŜszą
temperaturą współpracy ślizgowej w zakresie zadawanych parametrów
współpracy na stanowisku badawczym.
Na zakończenie wypada podkreślić, Ŝe uzyskane wyniki badań na tradycyjnym
stanowisku GFO-02 są ponadto wykorzystywane przy opracowywaniu szybkiej
metody testowania kompozytów tarflenowych na tarcie i zuŜywanie z pomocą
nowoczesnego stanowiska badawczego usytuowanego w laboratorium 013.
Kraków, kwiecień 2010 r. Zbigniew Oleksiak
ZA ŁĄCZNIK
Własności PTFE i kompozytów na osnowie PTFE
PTFE – Politetrafluoroetylen (w/g ksiąŜki ,,1000 słów o tworzywach sztucznych” wyd.
Ministerstwa Obrony Narodowej 1981 oraz encyklopedii powszechnej PWN przygotował dr inŜ.
Zbigniew Rudnicki – pawilon B2 III piętro pok. 302 )
Polimer fluorowy, otrzymywany przez polimeryzację tetrafluoroetylenu, znany pod
nazwami handlowymi: teflon (USA), tarflen (Polska), polyflon (Japonia) o budowie [-CF2–
CF2-]n . Odkrył go R.J. Plunkett w 1939 r. (USA). Jest białą, w cienkich warstwach, przeświecającą masą o dość duŜym stopniu krystaliczności i masie cząsteczkowej do 10 000
000, mięknie dopiero w temperaturze 330˚C. Jest to najcięŜszy polimer, twardości
odpowiada kauczukowi, odporny na działanie łuku elektrycznego i promieni jądrowych. Ma
najmniejszy współczynnik tarcia 0,05 (jak diament), nie rozpuszcza się na zimno w Ŝadnym
rozpuszczalniku, dopiero w temperaturze powyŜej 330˚C we fluorowanych węglowodorach,
chłonie bardzo mało wody 0,005%, chemicznie obojętny, reaguje tylko z fluorem i
fluorowodorem oraz stopionym sodem. Niepalny, rozkłada się w temperaturze powyŜej
400˚C (b. trujące gazy!). Stosuje się go do wyrobu: wykładzin antykorozyjnych, aparatur
chemicznych, uszczelek, tkanin filtracyjnych, powłok przeciwprzyczepnych i przeciwciernych
(np. w przenośnikach taśmowych), elementy pracujące w podwyŜszonej temperaturze (np.
w pojazdach kosmicznych), odzieŜ pilotów oraz kosmonautów. Dla zmniejszenia znacznego
płynięcia na zimno często uŜywany w postaci zbrojonej lub napełnionej grafitem. Granice
temperaturowe długotrwałego stosowania : ok. -100˚C do 205˚C. Z powodu wysokiej
temperatury mięknienia nie nadaje się do przerobu klasycznymi metodami przetwórstwa
tworzyw sztucznych, lecz stosuje się doń metody metalurgii proszków: prasowanie pod
ciśnieniem oraz wytłaczanie i spiekanie w temperaturze ok. 380˚C lub wycinanie kształtek
z bloków. Wykładziny stołów z PTFE są zarówno odporne na prawie wszystkie chemikalia,
jak na podwyŜszoną temperaturę i są łatwe do otrzymania w czystości.
Tarflen® jest znakiem towarowym ZAT - Zakładów Azotowych w Tarnowie-Mościcach
dla politetrafluoroetylenu (PTFE), odpowiednika Teflonu® firmy DuPont, konstrukcyjnego
tworzywa fluorowego o unikalnych własnościach.
PoniŜej zamieszczono informacje o tarflenie na podstawie danych umieszczonych na
stronie producenta (http://www.azoty.tarnow.pl/)
Tarflen ® jest produkowany poprzez polimeryzację tetrafluoroetylenu wg schematu:
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 zuŜywania 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 próŜni”.
Numer projektu 7 T07C 033 18.