test machine for investigation of sliding friction in reciprocating

test machine for investigation of sliding friction in reciprocating

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 1‐2 ISSN 1231 ‐ 4005 TEST MACHINE FOR INVESTIGATION OF SLIDING FRICTION
IN RECIPROCATING MOTION
Krzysztof Druet, Jacek I. Łubiński, Szymon Grymek
POLITECHNIKA GDAŃSKA
Wydział Mechaniczny
Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
ul. G. Narutowicza 11/12 80-952 Gdańsk
[email protected], [email protected], [email protected]
tel. (0****58) 347-26-93, fax (0****58) 347-27-42
Abstract
Among sliding friction testers a group can be distinguished with reciprocating linear motion of the friction couple.
Popularity of this group of tribometers is caused by common presence of the particular type of motion in machines
e.g. piston engines. This type test machine - TPZ Tribometer has been designed at the Chair of Machine Design and
Maintenance of Technical University of Gdańsk for studying the lubricated or dry sliding friction under regulated
agitating factors and different stiffnesses of passive specimen supporting system and loading system.
The TPZ Tribometer is shown schematic in Fig.1 and photographed in Fig.2, 3 and 4. The upper specimen (1)
is passive; It is fitted at the lower end of a push-rod (3) supported in linear roller bearings mounted in housing (5)
attached through springs (9) to the tribometer frame (6). The springs are rectangular frames which are a few orders
of magnitude stiffer in the vertical direction than horizontal. Various replacement frames allow for dynamics
changes of the test set-up to. Changes are limited by the necessity of a rigid horizontal support of the upper
specimen for proper friction contact. Load is exerted either by tensioning the spring (10) or by weights acting via a
flexible lever on the push-rod.
Lower specimen (2) is attached to a reciprocating slider (4), which is supported on linear roller bearings and
frame (6). It is moved by crank (7) taking power from an AC frequency inverter drive through belt transmission.
This provides computerised velocity adjustment. Slider displacement is measured with linear resistor (8) and
supplied to computer as a feedback signal. The slider is equipped with semi-conductor temperature stabilizers (12),
heating or cooling specimens by Peltier effect. Heat is transferred through ribs with forced convection. Specimens
and/or lubricant temperatures are measured with thermocouples (13).
Friction (upper specimen displacement) is measured with strain gauges on the elastic frames (9) supporting
the push rod housing (5). Wear of both specimens (11) is measured in real-time as vertical displacement of push-rod
(3) against frame (6).
Tests confirm the fulfilment of design objectives.
Basic operating envelope for TPZ Tribometer is:
maximum stroke……………40 mm
maximum load……………...1000 N
sliding velocity range……….0.01….0,5 m/s
temperature............................± 50°C relative to ambient temperature
Programmable velocity changes and low minimum velocity and changeable dynamics of the test set-up make
the rig an ideal tool for friction dynamics research.
STANOWISKO DO BADANIA TARCIA ŚLIZGOWEGO W RUCHU
POSUWISTO-ZWROTNYM
72
Streszczenie
Skonstruowano urządzenie do badania tarcia ślizgowego, w styku smarowanym lub technicznie
suchym, w ruchu prostoliniowym (posuwisto-zwrotnym), przy nastawnym poziomie wymuszeń, a także przy różnych
sztywnościach układu prowadzącego próbkę bierną oraz układu zapewniającego docisk próbek. Przewidziano
pomiar wartości wymuszeń, przemieszczenia próbki biernej (siły tarcia) oraz zużycia próbek.
1. WPROWADZENIE
Postęp w budowie silników spalinowych, który dokonał się na przestrzeni minionego stulecia,
oraz którego świadkami jesteśmy współcześnie, jest w głównej mierze wynikiem rozwiązywania
problemów z węzłami ruchowymi występującymi w silnikach. One bowiem decydują o sprawności i trwałości silnika. Powszechnie wiadomo, że występujące w skojarzeniach ruchowych
wszelkich maszyn i urządzeń (nie tylko silników) tarcie jest przyczyną dyssypacji ponad 50%
energii pozyskanej na świecie z różnych (najczęściej nieodnawialnych) źródeł oraz jest
odpowiedzialne za ponad 90% niesprawności pociągających za sobą konieczność dokonywania
odnowy obiektów technicznych albo powodujących definitywne wycofanie ich z eksploatacji.
Kluczowe znaczenie ma zatem wykorzystanie w technice wiedzy tribologicznej, pozyskanej
w znacznej mierze na drodze eksperymentalnej.
Eksperyment tribologiczny polega na celowym wywoływaniu tarcia, a następnie obserwacji
jego przebiegu i skutków. Charakteryzującą eksperyment metodę opisują trzy elementy [4]:
model fizyczny złożony z ciał stałych, aparatura służąca do wywoływania tarcia oraz procedura
eksperymentu. W przypadku obiektów technicznych przewidzianych do seryjnego, czy wręcz
masowego wytwarzania zwykle przeprowadza się eksperymenty wykorzystujące rzeczywiste
obiekty, poddawane badaniom w warunkach laboratoryjnych albo w warunkach rzeczywistego
użytkowania. Prócz tego, powszechnie przeprowadza się eksperymenty laboratoryjne, wykorzystujące modelowe systemy tribologiczne, przy różnym stopniu spełnienia kryteriów
podobieństwa modelowego. Aczkolwiek do chwili obecnej opracowano kilkaset różnych
aparatów i metod służących badaniu tarcia; z których część została znormalizowana, nadal
poszukuje się nowych sposobów badania tarcia [4].
Rozpatrując systemy tribologiczne występujące w tłokowych silnikach spalinowych,
zauważyć należy znaczący udział skojarzeń o styku rozłożonym, pracujących w warunkach
tarcia ślizgowego, w ruchu posuwisto-zwrotnym. Te systemy, to np.: tłok (oraz pierścienie
tłokowe) i tuleja cylindrowa, trzonek zaworu i tuleja prowadnicy zaworowej, popychacz
szklankowy i powierzchnia prowadzącego go otworu w głowicy albo w bloku cylindrowym
silnika, podzespoły wtryskiwaczy, pomp wtryskowych itp. Również w innych urządzeniach
często spotyka się skojarzenia tarciowe o podobnej geometrii i kinematyce, wystarczy przywołać
jako przykład prowadnice obrabiarek i manipulatorów, tłoki i tłoczyska siłowników hydraulicznych albo pneumatycznych, podzespoły niektórych maszyn włókienniczych itp.
Dążenie do zapewnienia podobieństwa modelowego w badaniach tarcia ślizgowego,
spowodowało zatem wyodrębnienie wśród urządzeń badawczych dość licznej grupy aparatów
charakteryzujących się prostoliniowym, w szczególności posuwisto-zwrotnym, ruchem
względnym skojarzonych powierzchni ciał stałych [5, 6, 7]. W Katedrze Konstrukcji i
Eksploatacji Maszyn Politechniki Gdańskiej również podjęto prace nad skonstruowaniem
aparatu do badań tarcia ślizgowego w ruchu posuwisto-zwrotnym, nazwanego tribometrem TPZ,
kierując się między innymi potrzebami badawczymi związanymi z koniecznością oceny substancji smarowych oraz materiałów ciał stałych stosowanych w silnikach spalinowych [1, 2, 3].
Analizując wielkość i postacie uszkodzeń występujących na powierzchni zużytych
elementów skojarzonych w ruchu posuwisto-zwrotnym, zauważa się zwykle decydujące
znaczenie skutków tarcia w okolicy punktów zwrotnych, czego najlepszym przykładem jest
rozkład wielkości zużycia wzdłuż tworzących tulei cylindrowych silników spalinowych. Zatem z
praktycznego punktu widzenia istotne jest stworzenie w badaniach tarcia warunków zbliżonych
do tych, które występują w obszarze punktów zwrotnych skojarzenia. Intensywne zużycie
73
występuje zwykle także w czasie rozruchu, wybiegu oraz przy pracy mechanizmu w warunkach
przeciążenia. Stąd celowe jest prowadzenie badań przy małych prędkościach ruchu względnego,
przy których nie występuje tarcie płynne (smarowanie hydrodynamiczne), a dodatkowo możliwe
jest generowanie się samowzbudnych drgań mechanicznych (np. przestankowych – „stick-slip”).
Ostatecznie, dla stanowiska TPZ przyjęto następujące założenia:
- stanowisko ma służyć do badania tarcia ślizgowego w posuwisto-zwrotnym ruchu prostoliniowym,
- styk próbek rozłożony płaski albo skoncentrowany liniowy (walec / płaszczyzna) bądź
punktowy (kula / płaszczyzna, przecinające się walce, a w szczególności stożek o małym
promieniu krzywizny wierzchołka / płaszczyzna),
- styk technicznie suchy lub smarowany,
- w przypadku styku rozłożonego mała (ok. 10 mm2) nominalna powierzchnia styku,
- regulowany poziom wymuszeń – prędkości ślizgania, obciążenia i temperatury,
- prędkości ślizgania stała prawie na całej drodze tarcia,
- zmienna częstość drgań własnych układu prowadzącego próbkę bierną oraz układu
zadającego obciążenie,
- bieżący pomiar sumarycznego zużycia liniowego próbek,
- komputerowe sterowanie stanowiskiem, rejestracja poziomu wymuszeń, wyników badań oraz
ich akwizycja.
2. KONSTRUKCJA STANOWISKA BADAWCZEGO TPZ
Schemat ilustrujący ogólną zasadę działania tribometru TPZ przedstawiony jest na rysunku 1,
zaś ogólny widok stanowiska na zdjęciach będących przedmiotem rysunków 2, 3 i 4. Próbka
górna – bierna, oznaczona na rys .1 numerem 1 osadzona jest w dolnej części pionowego
popychacza 3, który z kolei prowadzony jest tocznie w oprawie 5, połączonej sprężyście z
korpusem stanowiska 6. Elementy sprężyste 9, są wykonane w postaci prostokątnych ramek
(widocznych na zdjęciu stanowiącym rysunek 4). Charakteryzują się one podatnością w
kierunku poziomym, zgodnym z kierunkiem ruchu względnego, natomiast w kierunku
pionowym ich sztywność jest o kilka rzędów wielkości większa.
74
Rys 1. Schemat tribometru posuwisto-zwrotnego TPZ wraz z układem: sterująco-pomiarowym: 1-próbka górna
(bierna), 2-próbka dolna, 3-popychacz, 4-suwak, 5-oprawa popychacza, 6-korpus stanowiska, 7-mechanizm
korbowy napędu suwaka, 8-potencjometr liniowy, 9-ramka sprężysta, 10-sprężyna obciążająca, 11-układ
pomiarowy zużycia liniowego próbek, 12-półprzewodnikowy element grzejąco-chłodzący, 13-termopara
Fig. 1. Schematic of reciprocating tribometer TPZ mechanical set – up and control system: 1-upper (passive)
specimen, 2-lower specimen (active), 3-push rod, 4-slider, 5-housing (push rod holder), 6-machine frame , 7-cranktype slider drive, 8-linear adjustable resistor, 9-frame spring, 10-loading spring, 11-linear wear measurement
system, 12-semiconductor heating/cooling element, 13-thermocouple
Stosując ramki o różnej grubości ich części odkształcalnej, można łatwo zmieniać częstość drgań
własnych układu prowadzącego próbkę bierną. Pewnym ograniczeniem jest tu konieczność
stosowania stosunkowo sztywnego podparcia w przypadku styku rozłożonego płaskiego próbek,
dla ograniczenia efektu krawędziowania próbki górnej. Siła osiowa jest wywierana na próbkę
górną poprzez napinanie sprężyny 10, podpartej o korpus stanowiska. Wymieniając sprężynę
można łatwo zmieniać częstość drgań własnych układu w kierunku normalnym do kierunku
ruchu względnego. W praktyce siła od sprężyny nie jest przykładana do popychacza 3
bezpośrednio, a poprzez sprężystą dźwignię, widoczną na rys. 2, 3 i 4. Napięcie sprężyny
regulowane jest śrubą wkręcaną w otwór w korpusie stanowiska. Obecność dźwigni umożliwia
również zadawanie siły docisku próbek poprzez zawieszenie obciążników na końcu dźwigni.
Próbka dolna 2 osadzona jest na suwaku 4, wykonującym ruch posuwisto-zwrotny. Suwak
osadzony jest w korpusie 6 na prowadnicach tocznych, a jego ruch wymuszany jest
mechanizmem korbowym 7, napędzanym poprzez układ przekładni pasowych silnikiem indukcyjnym asynchronicznym klatkowym, zasilanym z falownika (przekształtnika częstotliwości
prądu przemiennego). Zapewniona jest zatem regulacja prędkości ruchu suwaka, a dzięki
zastosowaniu układu komputerowego, można programować pożądane przebiegi zmian
prędkości. Przy nawrotnej pracy silnika możliwe jest prowadzenie badań przy skoku suwaka
mniejszym niż wynikający z promienia korby mechanizmu napędowego.
75
Rys. 2. Ogólny widok tribometru TPZ
Fig. 2. General view of TPZ tribometer
76
Rys. 3. Głowica badawcza tribometru TPZ
Fig. 3. TPZ tribometer test head
Rys. 4. Głowica badawcza tribometru TPZ – widok z góry
Fig .4. Top view of the TPZ tribometer test head
77
W suwak, pod komorą mieszczącą dolną próbkę wbudowany jest układ półprzewodnikowych elementów grzejąco – chłodzących 12, działających w oparciu o odwrotne zjawisko
termoelektryczne (efekt Peltiera). Komora próbki, w razie potrzeby wypełniana smarem, jest
zaizolowana termicznie, zaś ciepło jest pobierane z otaczającego powietrza lub do otoczenia
przekazywane poprzez użebrowany wymiennik ciepła integralnie związany z suwakiem 4 (rys. 3
i 4). Zwiększoną intensywność opływu powietrza względem wymiennika ciepła zapewnia
wentylator osadzony w korpusie stanowiska (rys. 3). Podobnie, jak w przypadku zadawania
prędkości, komputer sterujący stanowiskiem umożliwia uzyskiwanie programowanych
przebiegów temperatury.
3. UKŁADY POMIAROWE I STERUJĄCE TRIBOMETRU TPZ
Podstawą oceny właściwości modelowego systemu tribologicznego (co jest celem eksperymentu), są zwykle: siła (lub moment sił) tarcia, intensywność zużycia, stany graniczne, a także
charakterystyka ruchowa skojarzenia (drgania cierne) [4]. Dlatego też za kluczowe uznano
pomiary oporów ruchu i zużycia.
Schemat torów sygnałów z układów pomiarowych oraz sygnałów sterujących przedstawiony
jest na rysunku 1.
Opór ruchu określany jest pośrednio przez pomiar odkształcenia sprężystych ramek 9
mocujących oprawę popychacza – wyznaczane jest zatem równocześnie przemieszczenie próbki
biernej. Pomiar dokonywany jest za pomocą układu czujników tensometrycznych naklejonych
na odkształcane części ramek.
Sumaryczne liniowe próbek określane jest przez pomiar przemieszczenia popychacza 3,
w którym osadzona jest próbka górna względem korpusu stanowiska 6 (rys. 1 – pozycja 11).
Pomiaru dokonuje się czujnikiem fotoelektrycznym.
Zadawane obciążenie określane jest pośrednio poprzez pomiar odkształcenia dźwigni
zastosowanej w mechanizmie obciążającym. Zastosowano w tym celu układ czujników
tensometrycznych naklejonych na dźwigni obciążającej.
Położenie suwaka 4 określane jest przy pomocy czujnika – potencjometru liniowego 8;
prędkość suwaka można określić pośrednio poprzez zróżniczkowanie sygnału przemieszczenia
w funkcji czasu.
Temperatura próbek (substancji smarowej) mierzona jest za pośrednictwem termopar 13,
z których jedna osadzona jest w gnieździe próbki górnej 1 w popychaczu 3, druga zaś w dnie
komory mieszczącej próbkę dolną 2 na suwaku 4 (albo zanurzona jest w substancji smarowej
wypełniającej komorę).
Analogowe sygnały zmierzonych wielkości fizycznych są przetwarzane na sygnały cyfrowe
i rejestrowane na twardym dysku komputera, dla ich dalszego przetwarzania. Stanowisko TPZ
umożliwia prowadzenie badań przy programowanym komputerowo zadawaniu wymuszeń –
prędkości suwaka i temperatury. W algorytm sterowania stanowiskiem wbudowane są
odpowiednie sprzężenia zwrotne. Jako sygnał sprzężenia zwrotnego przy sterowaniu prędkością
wykorzystany jest sygnał z czujnika położenia suwaka 8, zaś przy sterowaniu temperaturą sygnał
z termopary 13 umieszczonej przy próbce dolnej 2.
W przypadku zadawania prędkości ruchu względnego próbek zwrócono szczególną uwagę
na uzyskanie ruchu jednostajnego na jak najdłuższym odcinku skoku suwaka. W praktyce
jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie punktów zwrotnych ruchu suwaka ten warunek nie jest
spełniony; przebieg prędkości jest wtedy sinusoidalny (co jest naturalne w przypadku
mechanizmu napędzanego korbą wirującą ze stałą prędkością kątową).
Zastosowanie płytek termoelektrycznych 12 w układzie zadawania temperatury pozwoliło
sterować temperaturą w zakresie około ± 50°C względem temperatury otoczenia. Istotna jest tu
zwłaszcza chłodząca funkcja elementów termoelektrycznych, pozwalająca skutecznie stabilizować temperaturę, pomimo wydzielania się ciepła w procesie tarcia.
78
4. PODSUMOWANIE
Przedstawione stanowisko badawcze zostało zweryfikowane doświadczalnie z pozytywnym
rezultatem. Wyniki przeprowadzonych wstępnych badań tarcia ślizgowego (skojarzenia
materiałowe: stop glinu / stal, stal / brąz) wskazują na spełnienie założeń przyjętych przy jego
konstruowaniu.
Poniżej przedstawiono zestawienie głównych parametrów roboczych tribometru TPZ:
- maksymalny skok ruchu posuwisto-zwrotnego
- średnia prędkość ślizgania
- maksymalna siła docisku próbek
- temperatura układu badawczego
40 mm
0,01....0,5 m/s
1000 N
± 50°C (względem temperatury otoczenia)
Biorąc pod uwagę aktualne zainteresowania badawcze autorów referatu, które obejmują
między innymi dynamikę tarcia, a nie tylko badania różnych nowych materiałów,
perspektywicznych z punktu widzenia zastosowania w silnikach spalinowych, istotna jest
możliwość prowadzenia eksperymentów przy zmiennych wymuszeniach oraz przy różnych
charakterystykach dynamicznych stanowiska. W badaniach dynamiki tarcia ważna jest też
możliwość uzyskiwania małych prędkości ślizgania – niektóre postacie drgań mechanicznych
wzbudzanych w procesie tarcia występują przy małych prędkościach nominalnych ruchu
względnego próbek.
LITERATURA
[1] DRUET K., KRÓL M.: Tribometr TPZ. III Międzynarodowe Sympozjum INSYCONT. Materiały.
Wydawnictwo AGH, Kraków 1990, s. 617-621.
[2] DRUET K.: Urządzenie do badania tarcia ślizgowego w ruchu prostoliniowym. XXIII Jesienna
Szkoła Tribologiczna – Kształtowanie tribologicznych właściwości węzłów tarcia. Teoria i praktyka.
Zielona Góra – Lubiatów, 1999, s. 29-34.
[3] DRUET K., ŁUBIŃSKI T., ŁUBIŃSKI J. I.: Reciprocating motion tribometer. Abstracts of papers
from 2nd World Tribology Congress. Vienna, Austria, 3-7 September 2001, s. 663.
[4] ŁUBIŃSKI T.: Problemy rozwoju eksperymentu tribologicznego. Problemy eksploatacji, 1998, 2,
s. 167-206.
[5] MIYOSHI K.: Fundamental considerations in adhesion, fricion and wear of ceramic -metals
contacts. Wear, 1990, 141, s. 35-44
[6] ZOZULJA V. D., SVEDKOV F. L., ROVINSKIJ D. JA.: Slovar-spravocnik po treniju, iznosu i
smazke detalej masin. Kiev 1990.
[7] Friction and wear testing. Source book of selected references from ASTM standarts and ASM
handbooks. ASTM, ASM 1997.
79