badania wpływu dodania preparatu

2-2012
TRIBOLOGIA
97
Andrzej WIECZOREK*
BADANIA WPŁYWU DODANIA PREPARATU
EKSPLOATACYJNEGO NA ZUŻYCIE WĘZŁÓW
TARCIOWYCH
THE EFFECT OF ADDING AN EXPLOITATION
SUPPLEMENT ON THE WEAR OF FRICTION PAIRS
Słiowa kluczowe:
zużycie, tarcie, smarowanie, badany preparat
Key words:
lubrication, wear, friction, exploitation supplement
Streszczenie
W opracowaniu przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań doświadczalnych z zakresu modyfikowania warunków pracy węzłów tarcia preparatem eksploatacyjnym. W ramach pracy przeprowadzono doświadczalne badania ubytku
masy na stanowisku AMSLER próbek smarowanych czystym i zanieczyszczonym olejem przekładniowym, do którego dodano rozpatrywany preparat eksploatacyjny. Oprócz wyznaczenia ubytku masy, przeprowadzono pomiary chropowatości i badania mikroskopowe powierzchni współpracujących próbek.
Wykazano istotną poprawę właściwości tribologicznych węzłów tarcia związaną z zastosowaniem rozpatrywanego preparatu eksploatacyjnego.
*
Politechnika Śląska, Instytut Mechanizacji Górnictwa, ul. Akademicka 2, 44-100 Gliwice,
e-mail: [email protected]
98
TRIBOLOGIA
2-2012
WPROWADZENIE
W procesie budowy i eksploatacji maszyn szczególnie ważne staje się zagadnienie prawidłowego smarowania węzłów tarcia, a w szczególności przekładni
zębatych będących głównymi elementami napędowymi maszyn i urządzeń. Jest
to problem coraz bardziej istotny, zważywszy na fakt, że współczesne tendencje
rozwojowe wielu maszyn roboczych, a w tym górniczych, wykazują ciągły
wzrost przenoszonej mocy. Z tego względu stawiane są im zwiększone wymagania konstrukcyjno-materiałowe. Dotyczy to także płynów eksploatacyjnych,
wśród których znaczącą część stanowią oleje smarne [L. 10]. Odpowiednia
jakość i ilość środka smarnego jest niezbędnym warunkiem uzyskania wysokiej
trwałości i niezawodności działania maszyn i urządzeń. Tradycyjny kierunek
badań polepszenia właściwości użytkowych środków smarnych dotyczy stosowania lepszych jakościowo dodatków uszlachetniających, będących ich integralną częścią [L. 9, 11].
Alternatywnym rozwiązaniem jest wprowadzanie do węzłów tarcia za pośrednictwem olejów nowych substancji, które w wyniku adsorpcji fizycznej
i chemisorpcji modyfikują warstwę przypowierzchniową, tworząc na powierzchniach trących zmodyfikowaną, bardziej odporną na działania obciążeń
dynamicznych i temperaturowych warstwę graniczną [L. 7]. Według S. Laber
[L. 7] preparaty eksploatacyjne (PE) są to związki chemiczne lub mieszaniny
związków chemicznych przygotowane do jakiegoś określonego celu. np. do
polepszenia warunków pracy węzłów tarcia poprzez zwiększenie trwałości
warstwy granicznej. W chwili obecnej preparaty eksploatacyjne są przedmiotem licznych prac naukowych (np. [L. 1–4, 6, 8]), ale z uwagi na stosowanie
ich w praktyce, np. przez czołowe przedsiębiorstwa branży maszyn górniczych,
problem wymaga dalszych badań uwzględniających warunki eksploatacyjne.
CEL, PRZEDMIOT I METODA BADAŃ
Celem badań opisanych w niniejszej pracy było określenie właściwości zużyciowych próbek stalowych po dodaniu rozpatrywanego preparatu eksploatacyjnego
w skojarzeniu z przekładniowym olejem mineralnym typu TRANSOL VG 220.
Przedmiotem badań zużyciowych był preparat eksploatacyjny (występujący pod nazwą handlową Motor Life Professional), który składa się ze związków
[L. 5]: grupy ditiofosforanów cynku, alkilowych, pierwszo- i drugorzędowych
oraz arylowych, alkilofenolowych, aromatycznych amin, siarczków organicznych, nadzasadowych sulfonianów magnezu, kwasów alkenobursztynowych,
siarkowanych kwasów tłuszczowych, polimetylosiloksanów, alkilometakrylanów, kopolimerów etylenowo-propylenowych, mieszaniny syntetycznych estrów poliolowych wywodzących się z alkoholi wielowodorotlenowych, inhibitorów korozji, inhibitorów utlenienia.
2-2012
TRIBOLOGIA
99
Charakteryzuje się dużym ciężarem cząsteczkowym, wysoką stabilnością
chemiczną i termiczną o lepkości kinematycznej 5,63 mm2/s w 100oC.
Eksperyment pozwalający na ilościowe określenie zużycia współpracujących ze sobą elementów przeprowadzono na stanowisku badawczym do badań
własności olejowych typu AMSLER. Węzeł badawczy stanowiły 2 pierścienie
walcowe stykające się ze sobą powierzchniami walcowymi, obciążone stałą siłą
promieniową i obracające się w taki sposób, że wywołany został ruch przeciwbieżny próbek.
Do badań zużyciowych zostały wykorzystane szlifowane próbki walcowe,
których postać konstrukcyjną przedstawiono na Rys. 1, natomiast profilogram
powierzchni tych próbek zilustrowano na Rys. 2. Do określenia parametrów
chropowatości zgodnie z Normami PN-EN ISO 4287 i PN-ISO 4288 wykorzystano urządzenie Taylor Hobson FORM TALYSURF 120.
Rysunek 3 przedstawia widok w powiększeniu 100-krotnym stanu powierzchni wyjściowej próbek do badań zużyciowych uzyskany w mikroskopie
metalograficznym OLYMPUS CK40M.
Rys. 1. Postać konstrukcyjna próbek do badań zużyciowych
Fig. 1. The design form of samples for wear tests
Rys. 2. Profilogram stanu wyjściowego powierzchni próbek do badań zużyciowych
Fig. 2. Profilogram of the initial state of the surface of samples for wear tests
100
TRIBOLOGIA
2-2012
Rys. 3. Widok stanu powierzchni wyjściowej próbek do badań zużyciowych; powiększenie x100
Fig. 3. View of the initial state of the surface of samples for wear tests - magnification
SPOSÓB PRZEPROWADZENIA BADAŃ ZUŻYCIOWYCH
Badania na maszynie tarciowej przeprowadzono w następujących warunkach:
– rodzaj tarcia – toczne z poślizgiem,
– obciążenie – stała siła promieniowa F1 = 496 N, F2 = 696 N , F3 = 981 N,
F4 = 1390 N,
– szerokość styku próbek – b = 10 mm,
– prędkość obrotowa – n1 = 200 min-1,
– prędkość obwodowa próbki – vp = 0,8 m·s-1 ,
– ruch przeciwbieżny próbek,
– smarowanie – kroplowe (60 kropel/min),
– temperatura początkowa próbek i oleju smarującego – równa 20°C±1°C,
Pomiary ubytku masy przeprowadzano po: 5, 20, 50 i 80 minutach współpracy badanych próbek. Przed rozpoczęciem próby zużyciowej i po każdym
cyklu drogi tarcia (po starannym oczyszczeniu i osuszeniu) dokonywano określenia pięciokrotnego masy próbki z użyciem wagi analitycznej o dokładności
pomiaru ±0,5 mg. Do wyznaczenia niepewności pomiaru próbki zastosowano
metodę t-Studenta.
Wyznaczanym parametrem badawczym który przyjęto za miarę zużycia był
ubytek masy obu próbek.
Do jego obliczenia zastosowano zależność:
u = (mp,0 – mp,t) + (mpp,0 – mpp,t)
gdzie: mp,0
mp,0
mpp,0
mp,0
(1)
– masa początkowa próbki,
– masa próbki po czasie zużycia t,
– masa początkowa przeciwpróbki,
– masa przeciwpróbki po czasie zużycia t.
Do wyznaczenia niepewności złożonej ubytku masy zastosowano znaną
metodę różniczki zupełnej.
2-2012
TRIBOLOGIA
101
Przed przystąpieniem do prób zużyciowych sporządzano mieszaninę oleju
i preparatu eksploatacyjnego, która potem była wykorzystywana w cyklu badawczym. Mieszanina ta była sporządzana w fabrycznie nowym pojemniku
plastikowym pojemności 5 litrów. W tym celu odmierzano przyjętą ilość oleju,
czyli 2 litry, za pomocą menzurki laboratoryjnej o pojemności 0,5 dm3. Dokładność wyznaczenia pojemności wynosiła ±1 mm3.
WYNIKI BADAŃ
Na podstawie uzyskanych wyników sporządzono przebiegi zmian ubytku masy
w funkcji czasu. Przykładowe przebiegi ubytku masy w funkcji czasu przedstawia
Rys. 4, na którym przedstawiono wyniki uzyskane przy obciążeniu siłą 490 N.
Na Rys. 4 można łatwo zauważyć ilościową różnicę między przebiegami
ubytku masy uzyskanymi dla przypadku smarowanego olejem z obecnością
preparatu eksploatacyjnego i bez niego. Wyraźna korzyść występuje po stronie
wariantu smarowania z zastosowaniem preparatu eksploatacyjnego. Identyczną
zależność obserwowano w przypadku pozostałych kombinacji obciążenia
i obecności zanieczyszczenia.
Na Rys. 5 przedstawiono zbiorczo wyniki badań zużyciowych w formie
przebiegów ubytku masy próbek w funkcji obciążenia smarowanych przekładniowym
Rys. 4 Przebiegi ubytku masy próbek smarowanych przekładniowym olejem mineralnym
TRANSOL VG 220 i ubytku masy próbek smarowanych olejem mineralnym
TRANSOL VG 220 z dodatkiem 5% preparatu eksploatacyjnego uzyskane dla
obciążenia siłą promieniową F = 980 N
Fig. 4. Courses of the mass loss in the samples lubricated with the TRANSOL VG 220 mineral
gear oil and courses of the mass loss in the samples lubricated with the TRANSOL VG 220
mineral gear oil with 5% addition of the exploitation supplement - obtained for the radial
force loading: F = 490 N
102
TRIBOLOGIA
2-2012
olejem mineralnym TRANSOL VG 220 i ubytku masy próbek smarowanych
olejem mineralnym TRANSOL VG 220 z dodatkiem 5% preparatu. Łatwo na
nim zauważyć, że zmiana wartości obciążenia nie wpływa na zależność
zauważoną już na Rys. 4, czyli na korzystniejsze właściwości smarowania
olejami zawierającymi preparat eksploatacyjny.
Rys. 5. Przebiegi ubytku masy próbek w funkcji obciążenia smarowanych przekładniowym
olejem mineralnym TRANSOL VG 220 i ubytku masy próbek smarowanych olejem
mineralnym TRANSOL VG 220 z dodatkiem 5% preparatu eksploatacyjnego
Fig. 5. Courses of the mass loss in the samples lubricated with the TRANSOL VG 220 mineral
gear oil and courses of the mass loss in the samples lubricated with the TRANSOL VG 220
mineral gear oil with 5% addition of the exploitation supplement - in the function of the
loading courses obtained for clean oils
W tym miejscu warto raz jeszcze odnieść się do przebiegów zużycia przedstawionych na rysunku. Oprócz istotnej zmiany ilościowej pomiędzy oboma
wariantami smarowania, w czasie badań zauważono istotne różnice jakościowe.
Pierwsza z tych różnic dotyczyła fazy początkowej przebiegu zużycia, w czasie
której obserwowano zwiększone zużycie. W większości wariantów ubytek masy określony w tej fazie stanowił ponad 95% wartości ubytku masy po przeprowadzeniu całego cyklu pomiarów.
Na podstawie tylko pomiaru ilościowego można by przyjąć twierdzenie, że
tylko sposób docierania ma wpływ na wartość zużycia. Ale po zakończeniu
pierwszego pomiaru po 5 minutach współpracy pod obciążeniem powierzchni
próbek zauważano znaczącą różnicę w wyglądzie tych powierzchni. W przypadku
smarowania olejem z dodatkiem preparatu eksploatacyjnego powierzchnia była
błyszcząca, nie posiadała wgłębień i miała wygląd typowy dla próbki poprawnie
dotartej. W drugim przypadku zauważono liczne wgłębienia o charakterze
długich, wąskich i stosunkowo głębokich wgłębień.
2-2012
TRIBOLOGIA
103
Spostrzeżenia te zostały potwierdzone obserwacjami pod mikroskopem.
Powierzchnia próbki smarowanej olejem z preparatem eksploatacyjnym
(Rys. 6A i 6C) jest typowa dla przypadku wystąpienia tylko zużycia ściernego,
Rys. 6 Widoki powierzchni współpracujących próbek; A) smarowanie olejem TRANSOL
VG 220 z dodatkiem preparatu przy obciążeniu F=490 N, B) smarowanie olejem
TRANSOL VG 220 przy obciążeniu F=490 N, C) smarowanie olejem TRANSOL VG
220 z dodatkiem preparatu przy obciążeniu F=981 N, D) smarowanie olejem TRANSOL VG 220 przy obciążeniu F=981 N; powiększenie x100
Fig. 6. Views of surfaces of the mating samples: A) lubricated with the TRANSOL VG 220 mineral gear oil with the addition of the exploitation supplement at the load F = 490 N; B) lubricated with the TRANSOL VG 220 mineral gear oil at the load F=490 N; C) lubricated
with the TRANSOL VG 220 mineral gear oil with the addition of the exploitation supplement at the load F = 981 N; D) lubricated with the TRANSOL VG 220 mineral gear oil at
the load F= 981 N; magnification x100
104
TRIBOLOGIA
2-2012
w wielu miejscach pozostały ślady uprzedniego szlifowania. Na powierzchni
próbek smarowanych tylko olejem (Rys. 6 B i 6D), oprócz zużycia ściernego,
obserwuje się strefy odkształcenia powierzchni, typowe w przypadku występowania poślizgu współpracujących elementów, które w wielu przypadkach przechodziły w formę bardziej ostrą – w głębokie wykruszenia. Kształt tych wykruszeń ma charakterystyczna łuskową formę, co sugeruje wystąpienie zużycia
zmęczeniowego (pittingu).
W sposób ilościowy różnice między oboma wariantami smarowania ukazują wyniki pomiarów chropowatości powierzchni. Wyraźnie zauważa się
zmniejszenie chropowatości powierzchni przy smarowaniu olejem z dodatkiem
preparatu (Rys. 7).
Rys. 7. Wyniki pomiarów chropowatości powierzchni
Fig. 7. Results of measurements of the roughness of surfaces lubricated with the oil without contamination
2-2012
TRIBOLOGIA
105
PODSUMOWANIE
W pracy rozpatrzono wpływ preparatu eksploatacyjnego powszechnie stosowanego w przemyśle górniczym przez czołowe firmy tej branży. Był on także
przedmiotem badań przedstawionych w pracach [L. 5, 7]. Uzyskane informacje
od użytkowników świadczą o celowości stosowania preparatów eksploatacyjnych w węzłach tarciowych wysoko obciążonych maszyn i urządzeń, szczególnie pracujących w warunkach dużego zapylenia. Należy także dodać, że przesłanką skłaniającą autora pracy do rozpoczęcia badań właściwości użytkowych
preparatów eksploatacyjnych była chęć poznania tych właściwości przez faktycznych użytkowników, którymi są najczęściej kierownicy działów energomechanicznych kopalń węgla kamiennego i rud miedzi.
Na podstawie przeprowadzonych badań zużycia próbek stalowych smarowanych olejem przekładniowym mineralnym można sformułować następujące
wnioski:
– dodanie preparatu eksploatacyjnego w ilości 5% objętości mineralnego oleju
przekładniowego istotnie zmniejsza ubytek masy badanych próbek; w ujęciu
ilościowym dla rozpatrywanych przypadków próbek smarowanych olejem
przekładniowym mineralnym typu TRANSOL VG 220 stwierdzono większe
ubytki masy o 258÷297% w porównaniu z olejem przekładniowym mineralnym typu TRANSOL VG 220 zawierającym preparat;
– w ujęciu jakościowym dodanie preparatu eksploatacyjnego w ilości 5%
objętości mineralnego oleju przekładniowego powoduje zmniejszenie chropowatości powierzchni i występowania zużycia zmęczeniowego.
LITERATURA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Białka Z., Kędzierski K.: Ocena wybranych korektorów zastosowanych do olejów
smarowych. Konferencja POLTRIB’90. Białobrzegi 1997.
Białka Z.: Badania dodatków eksploatacyjnych. Paliwa, Oleje i Smary w Eksploatacji, nr 69/2000.
Kłopocki J., Sikora J., Majewski W.: Wpływ dodatków uzupełniających na właściwości tribologiczne wybranych olejów smarowych. Journal of KONES, Internal
Combustion Engines Vol.2, Warsaw – Poznań, 5–8 September 1995.
Laber A.: Badania wpływu dodatkow niskotarciowych na głośność pracy maszyn
i pojazdów. Materiały z Zebrania Plenarnego Sekcji Podstaw Eksploatacji Komitetu
Budowy Maszyn PAN. Zielona Góra 1998, s. 85–94, 105.
Laber S., Laber A., Niedziela A.: Ocena zmian w procesie eksploatacji wybranych
własności oleju silnikowego CE/SF SAE 15W/40 modyfikowanego dodatkiem niskotarciowym MOTOR-LIFE. TRIBOLOGIA nr 6/1999, s. 901–910).
Laber S., Laber A.: Badania wpływu niekonwencjonalnych dodatków niskotarciowych na trwałość warstwy granicznej oleju silnikowego CE/SF SAE 15W/40. Materiały konferencji nt. Problemy niekonwencjonalnych układów łożyskowych. Sekcja
106
TRIBOLOGIA
2-2012
Podstaw Eksploatacji KBM PAN, Polskie Towarzystwo Tribologiczne, Politechnika Łodzka, Łodź – 1997.
7. Laber S.: Badania własności eksploatacyjnych i smarnych uszlachetniacza metalu
MOTOR-LIFE PROFESSIONAL. Uniwersytet Zielonogórski, Zielona Góra 2003.
8. Łuksa A., Witkoś A.: Dodatki uszlachetniające do olejów smarowych. Paliwa, Oleje
i Smary w Eksploatacji, nr 19/1995, 107.
9. Pytko S.: Problemy smarowania w procesach obróbki skrawaniem. Mechanik
nr 9/1989.
10. Skoć A., Spałek J., Markusik S.: Podstawy konstrukcji maszyn. Tom 2, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008.
11. Spałek J.: Problemy inżynierii smarowania maszyn w górnictwie. Monografia 57.
Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003.
Summary
The study presents the results of experimental research in the scope of
modifying the operating conditions of friction pairs with the use of an
exploitation supplement. Within the study, experimental research at
AMSLER test rig was carried out in order to examine the mass loss of
samples lubricated with clean and contaminated gear oil to which the
exploitation supplement was added. Apart from the determination of the
mass loss, measurements of roughness and microscopic examinations of
mating samples were performed. A significant improvement in the
tribological properties of friction pairs was demonstrated, which was
associated with the use of the examined refiner.
2-2012
TRIBOLOGIA
107
Jan ZWOLAK*
BADANIA CHARAKTERYSTYKI PRZEKŁADNI
ZĘBATEJ TYPU „POWER SHIFT”
OBCIĄŻONEJ MASĄ BEZWŁADNOŚCIOWĄ
INVESTIGATIONS OF A “POWER SHIFT” TOOTHED GEAR
LOADED WITH AN INERTIAL MASS
Słowa kluczowe:
przekładnia zębata power shift, badania eksperymentalne, masa bezwładnościowa, przełączanie biegów
Key words:
gearing power shift, experimental investigations, inertial mass, gear change
Streszczenie
Przekładnie zębate stosowane w układzie napędowym maszyn roboczych,
a szczególnie ładowarek kołowych narażone są na wysokie i zmieniające się
w dużym zakresie obciążenia eksploatacyjne. Prowadzenie badań eksploatacyjnych wymaga odpowiedniego środowiska w sensie możliwości urabiania ziemi
lub przeładunku materiałów sypkich, jak również łączy się z dużymi kosztami
finansowymi.
*
Uniwersytet Rolniczy im. H. Kołłątaja, ul. Balicka 122, 30-149 Kraków, tel. 12 662 47 62,
fax 12 662 47 50, e-mail: [email protected]
108
TRIBOLOGIA
2-2012
Stosuje się zatem badania stanowiskowe z masami bezwładnościowymi
umocowanymi na wale wyjściowym przekładni do mostu przedniego i mostu
tylnego ładowarki kołowej. Odpowiednio obliczone masy uzyskujące odpowiednie prędkości obrotowe w czasie badań wywołują obciążenia przekładni
zębatej odpowiadające obciążeniom eksploatacyjnym podczas rzeczywistej
pracy ładowarki. Niejednokrotnie obciążenia w badaniach stanowiskowych
w umownej jednostce czasu przewyższają liczbę wartości szczytowych obciążeń mierzonych w warunkach eksploatacji ładowarki.
Określenie charakterystyki badanej przekładni zębatej wymaga wykonania
badań, na podstawie których określa się wartości przekładni hydrokinetycznej,
momentu obrotowego na wyjściu przekładni zębatej oraz prędkości obrotowej.
Do przełączania biegów niezbędne jest określone ciśnienie oleju, które mierzono we wszystkich sprzęgłach występujących w przekładni.
Wyniki badań ilustrowane wykresami wskazują na spadek prędkości obrotowej na wale wejściowym przekładni podczas przełączania biegów oraz na
wzrost ciśnienia oleju w poszczególnych sprzęgłach w funkcji czasu.
WSTĘP
Aktualnie w większości maszyn roboczych, a także ciągników rolniczych stosowane są przekładnie zębate typu power shift [L. 1, 2, 3]. Znamienną cechą
tych przekładni jest to, że występujące w niej koła zębate są w ciągłym zazębieniu, a przełączanie biegów odbywa się pod pełnym obciążeniem [L. 4]. Podczas przełączania występuje wzrost momentu obciążającego koła zębate oraz
sprzęgła, a ściślej tarcze sprzęgłowe (cierne i stalowe), których powierzchnie
czołowe w początkowej fazie sprzęgania współpracują kontaktowo ze sobą
z pewnym poślizgiem. Najbardziej narażonymi elementami na działanie destrukcyjne podczas przełączania biegów są koła zębate oraz sprzęgłowe tarcze
cierne i stalowe. Stąd też zachodzi potrzeba prowadzenia badań stanowiskowych, umożliwiających wytworzenie warunków obciążeniowych podobnych do
tych, jakie występują w rzeczywistej eksploatacji maszyny roboczej. Wytwarzane przez firmy krajowe i zagraniczne [L. 5, 6, 7] maszyny robocze charakteryzują się dużą rozpiętością mocy silnika mieszczącą się w zakresie od 50 do
400 kW. Tak duża rozpiętość mocy uwarunkowana jest zróżnicowaniem masy
własnej maszyny, jej wymiarów zewnętrznych, osprzętu roboczego, a przede
wszystkim warunków, w jakich dana maszyna ma być eksploatowana.
Z mocą silnika wiąże się ściśle cały układ napędowy maszyny roboczej,
w skład którego wchodzi rozważana przekładnia typu „power shift”. W przypadku ładowarki kołowej w kompletnym układzie napędowym wyróżnia się:
silnik spalinowy, przekładnię hydrokinetyczną, przekładnię zębatą typu „power
shift”, mosty napędowe (przedni i tylny). A zatem badania stanowiskowe powinny się odbywać w takiej konfiguracji urządzeń mechanicznych, hydraulicz-