możliwości sterowania siłą tarcia za pomocą prądu elektrycznego
Transkrypt
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.