Streszczenie
W opracowaniu przedstawiono wyniki bada diagnostycznych, dotyczcych ana-lizy wpływu temperatury wybranego oleju silnikowego, na funkcjonowanie wzła łoyskowego. Obiekt bada stanowi olej silnikowy 15W-40 SHDP. Badania przeprow-adzono w trzech rónych temperaturach własnych oleju: -20 C, 25 C i 100 C. Porównane zostały momenty tarcia w wzłach łoyskowych oraz fizyczne zuycie kulek łoyskowych z trzech przebiegów testu. Przedmiotem bada jest ocena zmiany para-metrów smarnych oleju, w zalenoci od temperatury pracy. Analiza wyników bada umoliwia podjcie racjonalnych decyzji w celu doboru właciwego rodka smarnego, z punktu widzenia optymalizacji warunków funkcjonowania danych układów mechanicznych. Właciwy jego dobór ma znaczcy wpływ na sprawno, trwało i niezawodno okrelonego układu oraz efektywno realizowanego procesu eksploatacji.
Słowa kluczowe: warstwa graniczna, smarowanie, współczynnik tarcia, optymalizacja
Wprowadzenie
Głównym celem, dla którego stosuje si smarowanie jest zminimalizowani wartoci współczyn-nika tarcia i usunicie lub maksymalne zmniejszenie zuycia elementów wzła łoyskowego. Kolejn korzyci wynikajc ze smarowania jest odprowadzanie zanieczyszcze, czyli głównych produktów zuycia, a take odprowadzenie ciepła z powierzchni styku. Definicje smarowana mona opisa jako wprowadzenie pomidzy współpracujce powierzchnie elementów danego wzła łoy-skowego substancji smarnych i wyeliminowaniu zewntrznego tarcia suchego, wewntrznym tarciem wystpujcym w rodku smarnym. Zmniejszenie w znacznym stopniu wartoci współczyn-nika tarcia lizgowego, a take zuycia wewntrz wzła łoyskowego jest moliwe do osignicia tylko w przypadku tarcia płynnego. Które jest w stanie zapewni brak styku pomidzy powierzch-niami elementów wzła, dziki czemu mona wyeliminowa procesy zuycia adhezyjnego jak i cieplnego. Podczas tarcia płynnego, gdy w uytym rodku smarnym wystpuj twarde czstki, mona zaobserwowa zuycie cierne [3,7].
Niewłaciwy dobór cech konstrukcyjnych oraz zmiany wartoci parametrów współpracy poni-ej wartoci dopuszczalnych, pomidzy wybranymi elementami wzła łoyskowego, zapobiegaj powstaniu lub przyczyniaj si do zaburze istniejcego tarcia płynnego w obranym wle łoysko-wym. Skutkiem tego s niecigłoci przepływu substancji smarnej w warstwie nonej, co skutkuje zanikiem tarcia płynnego i utworzeniem tarcia mieszanego, które przyczynia si do wzmoonego zuycia wszystkich elementów wzła. W danym przypadku wyłczn warstw, która rozdziela po-wierzchnie ze sob współpracujce, jest bardzo mocno zwizana z ni warstwa substancji smarujcej, któr nazwano warstw graniczn. Taki rodzaj smarowania nazwa mona smarowa-niem granicznym [2]. Odprowadzanie ciepła znajdujcego si w strefach tarcia odbywa si przy pomocy rodka smarnego. Efektywno chłodzenia uzaleniona jest od czynników takich jak ciepło właciwe, gsto i natenia przepływu umieszczonego w wle łoyskowym rodka smarnego.
Optymalizacja doboru rodka smarnego dla danego układu ma znaczcy wpływ na sprawno ukła-dów mechanicznych, ale równie na ich trwało i niezawodno [3,5].
1. Ogólna charakterystyka warstwy granicznej
Czsteczki rodka smarnego znajdujcego si w zasigu działania sił powierzchniowych ciała stałego znacznie zmniejszaj swoja ruchliwo. Odziaływanie pola elektrostatycznego przyczynia si do polaryzacji oraz równoległe ustawienie czsteczek do linii działania sił. Orientacja czsteczek zwizana z polaryzacj przyczynia si do zwikszenia przestrzennego ich uporzdkowania oraz ich zagszczenie w jednostce objtoci. Wywołuje to zwikszenie gstoci i lepkoci cieczy smarujcej w strefie przypowierzchniowej. Podwyszony stopie uporzdkowania przyczynia si do zwiksze-nia oddziaływa midzyczsteczkowych oraz wytworzenie si ciała quasi-krystalicznego.
Czsteczki cieczy smarujcej bdce w pobliu powierzchni ciała stałego posiadaj inne wła-ciwoci ni te znajdujce si w pozostałej objtoci cieczy. Tworz one zupełnie inn faz przypowierzchniow któr nazywamy warstw graniczn. W literaturze mona odnale nastpu-jc definicj warstwy granicznej: „ Warstw graniczn nazywa si przypowierzchniow, uporzdkowan, kilku- do kilkudziesicioczsteczkow warstewk cieczy o gruboci około 0,25µm, znajdujc si w zasigu pola sił powierzchniowych ciała stałego” [2].
Tarcie, które mona zaobserwowa w tej warstwie, nazywane jest tarciem granicznym. Celowe wytworzenie warstwy granicznej w zasigu pola sił powierzchniowych współpracujcych elemen-tów ma na celu obnienie współczynnika tarcia, co zapobiega zuyciu i zacieraniu. Proces ten nazywamy tarciem granicznym [2,9].
1.1. Modele i własnoci warstwy granicznej
Wybrany model warstwy granicznej, przedstawia warstwy wierzchnie stykajcych si po-wierzchni elementów maszyn, które rozdzielone s warstw oleju, a take usytuowanie warstwy granicznej. Jeeli wystpuj odpowiednie warunki pracy wzła łoyskowego, które daj moliwo rozdzielenia powierzchni lizgowych klinem smarnym, to wystpujcy film oleju powinien zawie-ra nastpujce warstwy [4]:
– warstwy granicznej oleju na powierzchni pierwszego elementu, – warstwy granicznej na powierzchni drugiego elementu,
– warstwy poredniej pomidzy warstwami granicznymi, która stanowi obszar wystpowania zjawisk hydrodynamicznych.
Warstwa graniczna powinna mie jak najwiksz trwało i odporno na przerwanie. Badajc tworzenie si warstwy granicznej naley uwzgldni [7]:
– rodzaj i budow czsteczek substancji smarujcej,
– rodzaj i własnoci powierzchni elementów wzła łoyskowego, – warunki sorpcji (temperatura, cinienie, czas kontaktu, itd.). W procesie sorpcji wyróni moemy podstawowe etapy [7]: – przyciganie czsteczek do ciała stałego,
– rozlokowanie ich na powierzchni, – zwizanie czsteczek z podłoem.
Rysunek 1. Model warstwy wierzchniej elementów wzła lizgowego oraz warstwy granicznej smaru
ródło: [7].
Zasadnicz rol podczas powstawania warstwy granicznej, we wszystkich jego etapach, odgry-waj wzajemne oddziaływania midzy absorbujcymi czsteczkami a powierzchni ciała stałego.
Właciwoci warstwy granicznej zmieniaj si wraz z odległoci przylegania. Wysoki stopie uporzdkowania, powizanie z podłoem oraz orientacja czsteczek nadaj cieczy cechy ciała quasi-krystalicznego. Trwało warstwy granicznej uzaleniona jest od jej gruboci, sposobu zwizania czsteczek z podłoem, a take pomidzy sob. Zwizanie z podłoem ma znaczenie podczas odzia-ływania sił cinajcych. Midzyczsteczkowe powizania boczne spełniaj rol w przypadku działania sił normalnych do powierzchni elementu łoyska, niezalenie od tego czy dana warstwa składa si z czsteczek pałeczkowych (łacuchowych), czy z płytkowych znajdujcy si głównie w oleju.
Warstwa graniczna opiera si ciskaniu i rozrywaniu. W przypadku gdy czsteczki nie s ju zwizane z podłoem, to przy wystpowaniu sił ciskajcych zauway mona tendencj do „wyci-nicia” ich z pomidzy smarowanych elementów.
W czsteczkach, które zwizane s bezporednio z podłoem siły ciskajce powoduj głównie zmiany w samych czsteczkach, polegaj one głównie na zmianie któw oraz wzajemnego ich uło-enia. Zauway mona równie rozsuwanie si czsteczek uporzdkowanych i wsuwanie si pomidzy nie czsteczki usytułowane w dalszych czciach warstwy granicznej, wynikiem tego na-stpuje wzrost „upakowania”.
Odporno na ciskanie warstwy granicznej na oddziaływaniu odpychajcym, które mona za-uway w przypadku zblienia czsteczek i przy skłonnoci do zachowania tych samych któw pomidzy elementami budowy czsteczki.
Odporno na rozciganie warstwy granicznej jest uzaleniona głównie od wielkoci sił mi-dzyczsteczkowych. Integralno zostaje naruszona w miejscach, gdzie siły wzajemnego oddziaływania midzyczsteczkowego maj najwiksz warto. Utrata spójnoci midzy war-stwami czsteczek wystpuje, poniewa atomy pierwiastków składajcych si na czsteczk s zwizane ze sob bardzo silnymi wizaniami kowalencyjnymi, a czsteczki znacznie słabszymi wi-zaniami midzyczsteczkowymi. W przypadku gdy zaabsorbowane czsteczki zwizane s z podłoem wizaniem chemicznym, a wizanie to jest znacznie silniejsze od sił spójnoci, które znajduj si w podłou, to w czasie działania sił rozcigajcych na warstw graniczn moe nastpi wyrywanie czsteczek podłoa [5,7,9].
2. Obiekt bada
Obiektem bada jest olej silnikowy 15W-40 SHPD – wielosezonowy olej silnikowy typu SHPD (Super High Performance Diesel), zapewniajcy doskonałe smarowanie wysokoobrotowych, czte-rosuwowych silników wysokoprnych.
Przedmiotem bada jest zbadanie momentu tarcia w trzech zakresach temperatury właciwej badanego rodka smarnego wynoszcej odpowiednio: -200C, 250C i 1000C oraz porównanie rednic
skaz powstałych na kulkach łoyskowych badanego układu.
Celem badania jest porównanie wpływu temperatury na właciwoci badanego rodka smar-nego.
3. Opis stanowiska i metodyki bada
Aparat czterokulowy zbudowany został w celu badania oceny właciwoci smarów i olejów. Dziki niemu moliwe jest wyznaczenie m.in. granicznego obcienia zuycia, obcienia zespa-wania, granicznego obcienia zatarcia lub odpornoci na działanie pittingu. Na jego budow składaj si dwa podstawowe zespoły [1,7,8]:
– maszyna badawcza,
– system sterujco-pomiarowy.
Na rysunku 2, przedstawiono schemat budowy aparatu czterokulowego T-02u oraz elementów mocujcych kulki. Z rysunku wynika, e silnik 2, jest połczony z wałem, który przenosi ruch ob-rotowy na uchwyt 9 mocujcy kulk górn 11. Obcienie wzła tarcia regulowane elektrycznie za pomoc przycisków 6, bd manualnie przy pomocy pokrtła 8. Elementy, które s poddawane ba-daniu, to trzy kulki dolne 12 umieszczone w uchwycie dolnym, który napełnia si badanym rodkiem smarnym oraz unieruchomione za pomoc dociskajcego przy uyciu nakrtki 14 pier-cienia 13. Prdko z jak porusza si kulka górna to 1450±50 obr./min., a obcienie wzła tarcia moe by stałe, gdzie wynosi od 0 do 7848N (czyli 800kG) lub moe narasta w sposób cigły z prdkoci 408,8 N/s [1,7].
W celu okrelenia oraz zobrazowania procesów zachodzcych w trakcie badania rodków smar-nych, aparat czterokulowy wyposaony został w system sterujco-pomiarowy. W jego skład wchodz [5]:
– czujniki zamontowane na maszynie badawczej, – układ pomiarowo-kontrolny BT-02u,
– wzmacniacz pomiarowy Spider8,
– komputer PC z oprogramowaniem do obsługi aparatu T-02u.
System ten pełni bardzo wan rol w trakcie przebiegu bada. Dziki niemu moliwe jest ste-rowanie prdkoci obrotow z jak porusza si wrzeciono, jak równie prdkoci, z jak wzrasta obcienie działajce na wzeł tarcia. Jednoczenie mierzy on wartoci poszczególnych parametrów takich jak [1,6]:
– obcienia działajce na wzeł tarcia,
– temperatura, jak posiada badany rodek smarny, – opory ruchu,
– czas wykonywanego badania,
– zakres drga wystpujcych w wle tarcia.
Rysunek 2. Elementy stanowiska laboratoryjnego oraz elementów mocujcych kulki gdzie: 1.korpus, 2. zespół napdowy, 3. zespół obciajcy wzeł tarcia, 4. zespół mocujcy kulki, 5. podstawa, 6. przyciski do ustawiania obcienia, 7. stopnie, 8. pokrtło do regulacji obcienia,
9. uchwyt kulki górnej, 10. uchwyt kulek dolnych, 11. ruchoma kulka górna, 12. nieruchome kulki dolne, 13. piercie dociskowy, 14. nakrtka dociskajca piercie [1,6]
Badanie polega na przeprowadzeniu biegu zespołu czterech kulek stalowych w obecnoci ba-danego produktu smarowego, pod stałym obcieniem zadanym 1350N przez czas 10s. Zbadany i oznaczony na wykresach zostanie moment tarcia [Nm]. Badanie przeprowadzone zostanie na oleju silnikowym 15W-40 SHPD, dla temperatury właciwej rodka smarnego wynoszcej -200C, 250C
i 1000C.
4. Realizacja i wyniki bada
Badaniom poddano trzy próbki oleju silnikowego w trzech zakresach temperatury. Na rysun-kach (3–5) przedstawiono otrzymane wartoci momentu tarcia dla kadej z analizowanych próbek. Natomiast rysunki (6–8) przedstawiaj rednice skaz powstałych na kulkach łoyskowych.
Rysunek 5. Wykres momentu tarcia dla oleju 15W-40 SHPD w temperaturze -200C
Dla oleju 15W-40 SHPD zmiany temperatury znaczco wpłynły zarówno na osigan warto maksymalnego momentu tarcia, jak i na czas do tego potrzebny. Praca w temperaturze 25 C istotnie róniła si od pozostałych zakresów temperatury.
Rysunek 6. rednica skazy kulki łoyskowej po wykonanej próbie dla oleju 15W-40 SHPD w temperaturze 25 C
Rysunek 7. rednica skazy kulki łoyskowej po wykonanej próbie dla oleju 15W-40 SHPD w temperaturze 100 C
Rysunek 8. rednica skazy kulki łoyskowej po wykonanej próbie dla oleju 15W-40 SHPD w temperaturze -20 C
Dla oleju 15W-40 SHPD zmiany temperatury w znaczcy sposób wpłynły na warto rednic skaz powstałych podczas badania. Powstałe zuycie kulki łoyskowej, podczas pracy w temperatu-rze 25 C, istotnie róniło si od pozostałych zakresów temperatury.
5. Podsumowanie
Zrealizowanie badania eksploatacyjne dotyczyły wpływy temperatury na warto momentu tar-cia w danym wle łoyskowym. Badaniom poddano olej silnikowy SHDP – olej do silników wysokoprnych.
Jak wynika z przeprowadzonych bada, temperatura w jakiej znajdował si badany rodek smarny, miała wpływ zarówno na maksymaln warto momentu tarcia, czas potrzebny do jego osignicia oraz fizyczne zuycie badanych kulek łoyskowych. rednia rednica skaz, z próby przeprowadzonej z uyciem oleju o temperaturze 25 C, wynosiła 2,16mm, natomiast rednia skaz z prób przeprowadzonych z uyciem oleju o temperaturze -20 C i 100 C wyniosła 1,83 i 1,88mm.
Na podstawie zrealizowanych bada wnioskowa mona o znaczcym wpływie doboru odpo-wiedniego rodka smarnego, dla optymalizacji działania układów mechanicznych. Stwierdzono, e praca układu mechanicznego z danym rodkiem smarnym, moe by róna w zalenoci od czynni-ków zewntrznych, w tym od temperatury. Właciwe dobranie rodka smarnego dla rozpatrywanego układu, ma istotny wpływ na jego sprawno, ale równie na trwało i niezawodno analizowa-nego – daanalizowa-nego układu mechaniczanalizowa-nego.
Bibliografia
[1] Bojar P.; Musiał J.; Migawa K.; Mulewski Ł, Lewalski M., Ocena trwałoci warstwy granicz-nej wybranych olejów silnikowych; Logistyka 2014.
[2] Hebda M., Wachal A., Trybologia, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1980. [3] Lewalski M., Gniot M., Mulewski Ł., Landowski B.; Badanie wpływu temperatury na
wy-brane właciwoci olejów silnikowych. Konferencji Naukowej pt.: Rozwój, eksploatacja, przechowywanie i ochrona balistyczna rodków transportu. Serock 2016.
[4] Mróz W., Właciwoci warstw granicznych smaru, a energia powierzchniowa warstw wierzch-nich. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn 3–4 (63–64), 1985.
[5] Nadolny K., Podstawy modelowania niezawodnoci materiałów eksploatacyjnych. Wyd. ITE, Radom 1999.
[6] T-02U Aparat czterokulowy. Instrukcja obsługi, Instytut Technologii Eksploatacji, Radom, 2012.
[7] Woropay M., Budzyski A., Migawa K., Podstawy bada eksploatacyjnych wybranych ele-mentów maszyn. Wydawnictwa uczelniane Akademii Techniczno-Rolniczej, Bydgoszcz, 2001.
[8] Woropay M., Podstawy racjonalnej eksploatacji maszyn. Instytut Technologii Eksploatacji, Radom 1996.
[9] Zwierzycki W., Oleje, paliwa, motoryzacyjne płyny eksploatacyjne. Wyd. ITE w Radomiu i RN "Glimar" S.A. Gorlice, 1998.
OPTIMIZATION OF LUBRICATION FLUID PERFORMANCE ON THE BASIS OF DIAGNOSIS OF A SELECTED MECHANICAL SYSTEM
Summary
The study presents results of diagnostic tests performed in order to analyze the influence of temperature of a selected engine lubricant on functioning of the bearing node. The research object is an engine lubricant 15W-40 SHDP. The tests were per-formed for three different internal temperatures of the lubricant: -200C, 200C and
1000C. Moments of friction in bearing nodes and physical wear of bearing balls
ob-tained from three different tests have been compared. The aim of the research is to analyze the oil lubricating properties depending on the operation temperature. The analysis of tests results makes it possible to undertake rational decisions in order to select the right lubricant in terms of optimization of the operation conditions for me-chanical systems. The right selection of a lubricant is crucial for efficiency, life, and reliability of a given system and for efficiency of the maintenance and operation pro-cess.
Keywords: boundary layer, lubrication, friction coefficient, optimization
Michał Lewalski Łukasz Mulewski Bogdan Landowski Maciej Gniot
Zakład Transportu i Eksploatacji
Instytut Eksploatacji Maszyn i Transportu Wydział Inynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy e-mail: michal.lewalski@utp.edu.pl
l.muslewski@wp.pl bl-sluzbowy@wp.pl maciej.gniot@utp.edu.pl
