możliwości sterowania siłą tarcia za pomocą prądu elektrycznego

2-2011
TRIBOLOGIA
61
Krzysztof KRAWCZYK*, Emil NOWIŃSKI**,
Agnieszka CHOJNACKA***
MOŻLIWOŚCI STEROWANIA SIŁĄ TARCIA
ZA POMOCĄ PRĄDU ELEKTRYCZNEGO
PRZEPŁYWAJĄCEGO PRZEZ STREFĘ TARCIA
THE POSSIBILITIES OF FRICTION FORCE STEERING
USING ELECTRIC CURRENT IN FRICTION ZONE
Słowa kluczowe:
zjawiska triboelektryczne, warstwa graniczna
Ke words:
triboelectric phenomenon, boundary layer
Streszczenie
Niniejsza publikacja przedstawia sposób sterowania siłą tarcia za pomocą
prądu elektrycznego przepływającego przez strefę tarcia. Największe
zmiany siły tarcia pojawiają się podczas występowania intensywnych
zjawisk triboelektrycznych w smarowanym węźle tarcia. Przykładając
*
**
***
Politechnika Radomska, Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn, ul. B. Chrobrego 45,
26-600 Radom.
Ośrodek Szkolenia Lotniczego, 26-600 Radom.
Politechnika Radomska, Wydział Materiałoznawstwa, Technologii i Wzornictwa,
ul. Chrobrego 27, 26-600 Radom.
62
TRIBOLOGIA
2-2011
dodatkowo napięcie prądu stałego do powierzchni trących, uzyskuje się
widoczny efekt w postaci wzrostu siły tarcia. Zauważa się także wpływ
dodatków powierzchniowo aktywnych wprowadzanych do cieczy smarującej na zachodzące zmiany w procesie tarcia. Również zwiększanie napięcia elektrycznego powoduje znaczący wzrost tarcia.
WPROWADZENIE
W literaturze dotyczącej problematyki tribologicznej związanej z oddziaływaniem na strefę tarcia prądem elektrycznym można znaleźć liczne
publikacje w tym zakresie [L. 1–14].
Z analizy literatury wynika, że działanie prądu elektrycznego na strefę tarcia powoduje zmiany współczynnika tarcia [L. 1, 3, 4, 13]. Ten fakt
spowodował podjęcie badań nad możliwością wykorzystania prądu elektrycznego do sterowania siłą tarcia, aby po rozpoznaniu tego zagadnienia
móc wykorzystać go w technice. Oczywistym jest, że przed zastosowaniami technicznymi należy przeprowadzić badania dotyczące zakresu
sterowania siłą tarcia w zależności od parametrów prądu oraz warunków
procesu tarcia.
Aby zrealizować powyższe, opracowano plan badań, w którym
uwzględniono zmienne zakresy prądu elektrycznego działającego na strefę tarcia, zmienne parametry wymuszeń oddziałujących na strefę tarcia,
takie jak: prędkość ślizgania v [m/s], temperatura węzła tarcia t [ºC] oraz
nacisk jednostkowy w strefie tarcia p [MPa].
Badania przeprowadzono na modelowym środku smarowym, jakim
był olej parafinowy. Część badań prowadzono na oleju modelowym
z dodatkami polarnymi takimi jak: kwas stearynowy i alkohol stearylowy,
po to, aby uzyskać informację, jak dodatki te wpływają na zakres sterowalności siłą tarcia. Na podstawie wcześniejszych eksperymentów przyjęto w badaniach zakres zmian gęstości prądu elektrycznego wykorzystywanego do sterowania siłą tarcia, który wynosił od 100–500 mA oraz
napięcia od 0,1–1,5 V.
2-2011
TRIBOLOGIA
63
OBIEKT BADAŃ
Badania prowadzono na modelowym węźle tarcia (tribometr TR-2) opisanym w [L. 15]. Węzeł tarcia z podłączonym źródłem prądu przedstawiono schematycznie na Rys. 1.
przeciwpróbka
próbka obrotowa
źródło prądu
stałego
Rys. 1. Schemat podłączenia źródła prądu elektrycznego do elementów trących
tribometru
Fig. 1. The scheme of joining of source electric current to fractioned elements of tribometer
Badania prowadzono w zakresie prędkości ślizgania 0,1–2 m/s,
w temperaturze 20, 40, 60ºC i przy naciskach jednostkowych 0–30 MPa.
Dodatkowo wprowadzano wymuszenia prądowe 0,1–0,5 A oraz regulowano napięcie prądu stałego w zakresie 0,1–,5 V. Podstawowe badania
dotyczące wyznaczenia zakresu, w którym można sterować siłą tarcia
przeprowadzono na oleju parafinowym firmy Vitco, natomiast badania
z dodatkami stanowią potwierdzenie uniwersalności tego zjawiska.
EKSPERYMENT
Badania prowadzono przy ustabilizowanej prędkości, ustabilizowanej
temperaturze węzła tarcia, a nacisk jednostkowy narastał liniowo. W kolejnych eksperymentach dyskretnie zmieniano prędkość oraz niezależnie
temperaturę. W komorze badawczej znajdował się modelowy środek
smarowy.
Rejestrowano: siłę tarcia, grubość filmu olejowego, rezystancję
w strefie tarcia oraz nacisk jednostkowy.
Przyjęto założenie, że oddziaływanie na strefę tarcia prądem elektrycznym może powodować widoczne efekty wówczas, gdy powstaną
64
TRIBOLOGIA
2-2011
w strefie tarcia warunki, w których prąd elektryczny będzie oddziaływał
na cząsteczki nieobojętne elektrycznie, czyli cząsteczki oleju zostaną
naelektryzowane lub zjonizowane i będą stanowiły materię podobną do
plazmy [L. 12]. Aby wejść w taki zakres tarcia, poszukiwano granicy
warunków, w których takie zjawiska zaczynają występować w sposób
zauważalny. Granicę tę można określić, zmieniając liniowo nacisk jednostkowy do chwili, gdy zmieni się struktura środka smarowego w strefie
tarcia, powodując gwałtowny spadek rezystancji przy warunku, że nie
zmniejsza się grubość filmu olejowego. Założono także, że przy dyskretnie zmienianych parametrach temperatury i prędkości ślizgania granica
przejścia (opisana powyżej) powinna przesuwać się w zależności od tych
parametrów.
Badania miały dwa cele:
• Określenie granicy początku występowania intensywnych zjawisk
triboelektrycznych,
• sprawdzenie i potwierdzenie założenia, że możliwość sterowania za
pomocą prądu elektrycznego występuje w zakresie występowania intensywnych zjawisk triboelektrycznych.
Wyznaczanie granicy warunków, w których przechodzono do intensywnych zjawisk triboelektrycznych ilustruje Rys. 2.
granica przejścia do intensywnych zjawisk
triboelektrycznych
Ft
p
h
R
Rys. 2. Identyfikacja przechodzenia do intensywnych zjawisk triboelektrycznych
Fig. 2. Identification of passage to intensive triboelectrical phenomenon
2-2011
TRIBOLOGIA
65
Na rysunku tym można zauważyć, że spadkowi rezystancji nie towarzyszy spadek grubości filmu olejowego, a wręcz przeciwnie – jego
wzrost. Gdyby następował spadek grubości filmu olejowego, można by to
interpretować związkiem rezystancji z grubością filmu olejowego, który
ma charakter dielektryka. Takie zachowanie filmu olejowego świadczy
o przebudowie struktury w związku z występowaniem silnych zjawisk
triboelektrycznych. Rysunki 3, 4 i 5 ilustrują fakt, że zjawisko jest powtarzalne, a ponadto występuje przy różnych środkach smarowych.
eksperyment 1
p
powtórzenie 1
powtórzenie 2
Ft
R
h
t [s]
Rys. 3. Badanie zjawisk triboelektrycznych w węźle tarcia smarowanym olejem
parafinowym; T = 20ºC, v = 1 m/s
Fig. 3. Investigation of triboelectric phenomenon in sliding friction in oil paraffinic
environment; T = 20ºC, v = 1 m/s
eksperyment 2
powtórzenie 1
powtórzenie 2
p
Ft
h
R
t [s]
Rys. 4. Badanie zjawisk triboelektrycznych w węźle tarcia smarowanym olejem
parafinowym z dodatkiem kwasu stearynowego; T= 40ºC, v = 1 m/s
Fig. 4. Investigation of triboelectric phenomenon in sliding friction in oil paraffinic
with additives of stearinic acid;T = 40ºC, v = 1 m/s
66
TRIBOLOGIA
eksperyment 3
2-2011
powtórzenie 1
powtórzenie 2
p
Ft
h
R
t [s]
Rys. 5. Badanie zjawisk triboelektrycznych w węźle tarcia smarowanym olejem
parafinowym z dodatkiem alkoholu stearylowego; T = 40ºC, v = 1 m/s
Fig. 5. Investigation of triboelectric phenomenon in sliding friction in oil paraffinic
with additives of stearyl alcohol; T = 40ºC, v = 1 m/s
Analizując przebiegi zmian siły tarcia Ft, rezystancji w strefie tarcia
R oraz grubości filmu olejowego h pod wpływem liniowo wzrastającego
nacisku jednostkowego z zastosowaniem różnych środków smarowych
należy zauważyć pewną prawidłowość, która charakteryzuje intensywność występowania zjawisk triboelektrycznych. Ze względu na charakter
jednoczesnych zmian siły tarcia, rezystancji i grubości filmu olejowego,
intensywność tribowyładowań można podzielić na 3 etapy, co przedstawiono na Rysunku 6.
E TAP
I
E TAP
II
E TAP
III
p
Ft
h
R
Rys. 6. Etapy nasilania zjawisk triboelektrycznych podczas badań tribologicznych
na modelowym węźle tarcia
Fig. 6. Stages of increasing triboelectrical phenomenon during tribological investigation
2-2011
TRIBOLOGIA
67
Etap I to zakres, w którym zjawiska triboelektryczne występują
w niewielkim stopniu, a etap II to zauważalne nasilenie tych zjawisk.
Natomiast III etap przedstawiony na Rysunku 6 to zakres, w którym tribowyładowania występują już bardzo intensywnie. Szczegółowy opis
tych zakresów można odnaleźć w publikacji [L. 15].
Podział eksperymentu tribologicznego na etapy w zależności od nasilenia triboemisji posłużył do przeprowadzenia kolejnych eksperymentów,
które miały dać odpowiedź, w jakich warunkach za pomocą zewnętrznego źródła energii elektrycznej można najefektywniej sterować siłą tarcia.
Po określeniu granicznych warunków, w których przechodzono do
występowania intensywnych zjawisk triboelektrycznych (etap III wg Rys. 6),
przeprowadzono badania z oddziaływaniem prądu elektrycznego na strefę
tarcia, w których odwzorowano warunki występowania silnych zjawisk
triboelektrycznych, takie jak na Rys. 6 etap III, a więc stały nacisk jednostkowy p = 25 MPa. Pokazano to na Rys. 7, gdzie po określonym czasie do powierzchni trących przyłożono napięcie 1V. Po przyłożeniu napięcia widać silną zmianę siły tarcia.
h
Ft p
początek
eksperymentu
przyłożenie napięcia prądu
stałego do elementów
ciernych
Ft
p
h
t [s]
Rys. 7. Efekt przyłożenia napięcia elektrycznego do powierzchni trących podczas
występowania intensywnych zjawisk triboelektrycznych
Fig. 7. The result of electric tension apply to friction surfaces during intensive triboelectrical phenomenon
Z kolei w zakresie warunków, gdzie zjawiska triboelektryczne występują najsłabiej (etap I wg Rys. 6) eksperyment tribologiczny z użyciem
energii elektrycznej prowadzono przy nacisku jednostkowym p = 5 MPa,
co pokazano na Rys. 8. Z rysunku tego wynika, że przyłożone napięcie
elektryczne nie powoduje żadnych zmian siły tarcia.
68
TRIBOLOGIA
h
Ft
p
początek
eksperymentu
2-2011
przyłożenie napięcia prądu
stałego do elementów
ciernych
Ft
p
h
t [s]
Rys. 8. Efekt przyłożenia napięcia prądu elektrycznego do powierzchni trących,
podczas gdy nie obserwuje się zjawisk triboelektrycznych
Fig. 8. The result of electric tension apply to friction surfaces during weak triboelectrical phenomenon
Sprawdzono również warunki, w których się te zjawiska rozpoczynają, ale nie nabrały jeszcze dominującego charakteru (Rys. 9). Badanie to
realizowano przy nacisku jednostkowym p = 15 MPa, który odwzorowywuje warunki tarcia II etapu intensywności występowania zjawisk triboelektrycznych z Rysunku 6.
h
Ft
p
początek
eksperymentu
przyłożenie napięcia prądu
stałego do elementów
ciernych
Ft
p
h
t [s]
Rys. 9. Efekt przyłożenia napięcia prądu elektrycznego do powierzchni trących
podczas występowania zjawisk triboelektrycznych
Fig. 9. The result of electric tension apply to friction surfaces during begin triboelectrical phenomenon
Na Rysunku 9 widać, że po przyłożeniu napięcia siła tarcia reaguje,
ale jeszcze nie z taką intensywnością jak w warunkach, w których zjawi-
2-2011
TRIBOLOGIA
69
ska triboelektryczne przekroczyły wyznaczaną przez nas granicę występowania intensywnych zjawisk triboelektrycznych.
Jak wynika z eksperymentów przeprowadzonych z użyciem źródła
prądu stałego, przykładanie do powierzchni trących napięcia elektrycznego powoduje przede wszystkim zmiany siły tarcia. Realizując te badania
w zakresach występowania silnych zjawisk triboelektrycznych, zauważa
się bardzo wyraźne zmiany (nawet 50%) siły tarcia. Natomiast tam, gdzie
zjawiska triboelektryczne występują znacznie słabiej, to po przyłożeniu
napięcia elektrycznego uzyskuje się gorsze efekty sterowalności siłą tarcia bądź też w ogóle nie występują.
WNIOSKI
1. Istotnym problemem tribologicznym jest umiejętność określenia warunków występowania intensywnych zjawisk triboelektrycznych, powodujących zmiany siły tarcia, co stwarza możliwość sterowania procesem tarcia za pomocą prądu elektrycznego.
2. Badania wykazały, że intensywne zjawiska triboelektryczne mają charakter uniwersalny, występują w przypadku wszystkich środków smarowych, ale warunki ich występowania są zależne od rodzaju środka
smarowego.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Maciąg A.: Anizotropia własności tribologicznych granicznej warstwy
smarowej w warunkach polaryzacji prądem stałym. Tribologia, t. 3, 2004.
Ozimina D.: Badanie oddziaływań tribochemicznych z zastosowaniem
energii elektrycznej. Tribologia, t. 3, 1999.
Guerett-Piecourt Ch.: Electrical charges and tribology of insulating materiale. Acad. Sci. Paris, 2001.
Morris S., Wood R.: Electrostatic charge monitoring of unlubricated sliding wear of a bearing steel Wear 255, 2003.
Kajdas Cz.: Importance of the triboemission process for tribochemical
reaction. Tribology International 38, 2005.
Harvey T., Wood R., Denuault G.: Investigation of electrostatic charging
mechanisms in oil lubricated tribo-contact. Tribology International 35,
2002.
Cypko E., Kałdoński T.: Possibility of assessment of elements interaction
dynamic change in frictional contact with triboelectrical effect used Journal of KONES, vol. 14, 2007.
70
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
TRIBOLOGIA
2-2011
Kałdoński T., Wachal A.: Powstawanie ładunków elektrycznych podczas
tarcia metali o teflon. Trybologia, t. 4–5, 1980.
Grzywaczewski M., Fiłatowa D., Krawczyk K., Nowiński E.: Problemy
wyznaczania zakresu parametrów występowania efektu tribologicznego –
możliwości sterowania siłą tarcia za pomocą prądu elektrycznego. Terotechnologia 2006, materiały sympozjum.
Cypko E., Kałdoński T.: Triboelectrical effect in frctional contacts. Solid
State Phenomena, vol. 113, 2006.
Hang Y., Yur J., Chou H.: Trib-electrification mechanisms for self mated
carbon steels in dry severe wear process. Wear 260, 2006.
Nakayama K.: Triboemission of charged particles from various solids under boundary lubrication conditions. Wear 178, 1994.
Kajdas C., Furey M., Ritter A.: Triboemission as a Basic Part of the
Boundary Friction Regime12th Colloquium Trib. 2000, Germany 2000.
Nakayama K., Hashimoto H.: Triboemission, tribochemical reaction, and
friction and wear in ceramics under various n-butane gas pressures Tribology International 29, 1996.
Krawczyk K., Firkowski A., Nowiński E., Chojnacka A., Stępniewski M.,
Klasek T.: Ocena zmian grubości filmu olejowego w badaniach tribologicznych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów PW, nr 2/2010.
Recenzent:
Dariusz OZIMINA
Summary
This paper presents a new possibility of using electric current for
friction force steering. Typical friction changes of several parameters
depending on unit pressure are also presented. Taking into account
the conditions of existing weak and strong triboelectrical phenomenon,
the possibility of impact electric current on friction force changes is
included. The largest changes of friction force take place when an
external source of electric energy coexists in the friction zone and the
triboelectrical phenomena have the dominant character.