BADANIA DOŚWIADCZALNE WPŁYWU DRGAŃ KONTAKTOWYCH STYCZNYCH WZDŁUśNYCH NA SIŁĘ TARCIA
P
AWEŁG
UTOWSKI*, M
ARIUSZL
EUS*, A
RKADIUSZP
ARUS**
*Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn, **Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Szczecińska
e-mail: pawel.gutowski@ps.pl, mariusz.leus@ ps.pl, arkadiusz.parus@ps.pl
Streszczenie. W pracy przedstawiono oryginalne stanowisko badawcze do badania wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym. Zamieszczono i opisano wybrane wyniki badań doświadczalnych przeprowadzonych na tym stanowisku ukazujące zarówno jego moŜliwości, jak i dwa najistotniejsze z poruszonych problemów, tj. zakres i skalę wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych na siłę tarcia. Wykazano, Ŝe zjawisko obniŜenia siły tarcia pod wpływem tych drgań zachodzi juŜ przy częstotliwościach znacznie mniejszych niŜ drgania ultradźwiękowe, a warunkiem jego wystąpienia jest, aby amplituda prędkości drgań była większa od prędkości ruchu ślizgowego.
1. WSTĘP
Tarcie moŜe spełniać w układach mechanicznych rolę zarówno pozytywną, jak i negatywną. W aspekcie pozytywnym wykorzystuje się je do przenoszenia sił w połączeniach spoczynkowych (połączenia wciskowe, nitowe, itp.) oraz między elementami znajdującymi się w ruchu (sprzęgła, napędy cierne, hamulce, koła jezdne i in.). W drugim aspekcie tarcie jest zjawiskiem wywołującym skutki niepoŜądane, np. wzrost obciąŜenia, zuŜywanie się współpracujących powierzchni, wzrost temperatury, zmiany geometrii elementów, itp.
Prace prowadzone w róŜnych ośrodkach naukowo–badawczych na świecie wykazały, Ŝe siła tarcia moŜe zostać w znaczący sposób obniŜona w wyniku wzbudzenia drgań kontakto- wych między współpracującymi powierzchniami. Zjawisko to obserwuje się zarówno w przypadku drgań normalnych [1], jak i stycznych do powierzchni styku [2-9]. Wykorzystuje się je w praktyce przemysłowej, między innymi w obróbce plastycznej [8,9] i w obróbce skrawaniem [5], w celu obniŜenia siły tarcia między narzędziem a przedmiotem obrabianym.
W literaturze z zakresu badania wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym główna uwaga skupiona jest na drganiach ultradźwiękowych (20 i 60kHz) [2,5-9]. Brak jest natomiast prac, w których analizowane by było oddziaływanie drgań o częstotliwościach niŜszych, a takŜe prac, w których przeprowadzono by kompleksową analizę czynników determinujących obniŜenie siły tarcia w obecności drgań kontaktowych stycznych. Stąd teŜ autorzy niniejszej pracy zbudowali własne, oryginalne stanowisko badawcze dające moŜliwość przeprowadzenia badań doświadczalnych umoŜliwiających wielokryterialną analizę wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym. W pracy zamieszczono i omówiono niektóre z uzyskanych wyników.
1 – próbka górna 2 – próbka dolna 3 – podstawa 4 – silnik napędowy 5 – wzbudnik drgań 6 – siłomierz
7-9 – czujniki przyspieszeń 10 – obciąŜenie zewnętrzne
Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego wraz z układem pomiarowo-rejestrującym
2.1. Układ ślizgowy
Główną część stanowiska stanowi specjalnie zaprojektowana para ślizgowa utworzona przez próbkę górną przesuwaną ze stałą prędkością po drgającej, w kierunku stycznym do powierzchni styku, próbce dolnej. Para ta (rys. 2) została tak zamodelowana w metodzie elementów skończonych (pakiet MES ADINA), aby uzyskać jak najbardziej równomierny rozkład nacisków powierzchniowych na współpracujących powierzchniach (rys. 3).
Rys. 2. Układ ślizgowy: a) para ślizgowa, b) model dyskretny pary ślizgowej
Powierzchnia styku próbki dolnej i górnej składa się z dwóch jednakowych, symetrycznie połoŜonych względem osi przesuwu, prostokątnych części o wymiarach 12 x 50 mm kaŜda.
Próbka górna została wykonana ze stali 45, jej masa wynosi m = 0.685 kg. Zmiana własności pary ślizgowej (rodzaj materiału, chropowatość powierzchni) realizowana jest poprzez wymianę nakładek mocowanych na próbce dolnej.
Rys. 3. Próbka górna: a) realizacja obciąŜenia zewnętrznego, b) rozkład nacisków na powierzchni styku z próbką dolną
2.2. Układ napędowy
Do napędu umoŜliwiającego przesuwanie próbki górnej ze stałą prędkością zastosowano układ składający się z prowadnicy liniowej EPX40 wyposaŜonej w śrubę pociągową, silnika krokowego z przekładnią, zabieraka oraz układu zasilającego i sterującego pracą silnika.
Układ napędowy jest odizolowany od pozostałych elementów stanowiska poprzez umieszczenie go na osobnym stole. Sterowanie jego pracą odbywa się za pomocą komputera i sterownika MONOPACT LT. Aktualnie na stanowisku moŜliwa jest do uzyskania stała prędkość przesuwu próbki górnej po próbce dolnej w zakresie vc = 0.01 ÷ 4 mm/s.
2.3. Układ generujący drgania
Próbka dolna wprawiana jest w ruch drgający za pomocą wzbudnika piezoelektrycznego PSt 1000/16/150 VS25. Sygnał sterujący tym wzbudnikiem generowany jest przez kartę kontrolno-pomiarową DS1104 komputera pomiarowego, a następnie jest wzmacniany poprzez wzmacniacz PIEZOMECHANIC RCV 1000/3. W obecnej konfiguracji na stanowisku moŜli- we jest wygenerowanie drgań o częstotliwości f = 0 ÷ 7000 Hz i amplitudzie a = 0 ÷ 150 µm.
2.4. Układ obciąŜający
ObciąŜenie styku w kierunku normalnym do jego powierzchni jest wypadkową cięŜaru własnego próbki górnej oraz siły S przykładanej centralnie do tej próbki za pomocą cięgna obciąŜanego dźwignią z przesuwanymi obciąŜnikami. Taki układ pozwala na uzyskanie nacisków normalnych na powierzchni styku począwszy od pmin = 0.0056 N/mm2 (obciąŜenie cięŜarem własnym próbki górnej) do pmax = 0.089 N/mm2 przy sile zewnętrznej S = 100 N.
2.5. Układ pomiarowo–rejestrujący
Schemat blokowy układu pomiarowo–rejestrującego przedstawiono na rys. 1. Pomiar siły napędu odbywa się za pomocą specjalnego siłomierza pierścieniowego. Sygnał z siłomierza trafia do wzmacniacza pomiarowego prądu stałego (HBM ME10) współpracującego z czujni- kami tensometrycznymi w układzie pełnego mostka. Następnie sygnał ten przekazywany jest do układu rejestrującego komputera pomiarowego, który wyposaŜony jest w kartę kontrolno- pomiarową DS1104 i oprogramowanie ControlDesk firmy dSPACE do przetwarzania danych doświadczalnych. Układ ten umoŜliwia dokonywanie ciągłej kontroli i rejestracji wartości i przebiegu zmian siły napędu.
Pomiar przyspieszeń próbki górnej i próbki dolnej realizowany jest za pomocą czujników przyspieszeń firmy Kistler. Sygnały z tych czujników przekazywane są do wzmacniacza ładunku (Kistler 5128A), a następnie do komputera pomiarowego.
Zdjęcie części mechanicznej przygotowanego do badań stanowiska badawczego wraz z układem pomiarowo–rejestrującym przedstawiono na rys. 4. Docelowo planuje się
Rys. 4. Stanowisko badawcze do badania wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym: a) widok ogólny części
mechanicznej, b) układ pomiarowo–rejestrujący
Z wykonanych badań przedstawiono w niniejszej pracy tylko wybrane wyniki ukazujące moŜliwości stanowiska badawczego oraz ilustrujące najistotniejsze z poruszonych proble- mów, tj. zakres i skalę wpływu drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych na siłę tarcia.
3. BADANIA DOŚWIADCZALNE I ICH WYNIKI
Prezentowane badania przeprowadzono dla styku suchego. Powierzchnie tworzące styk wykonane były w róŜnych klasach chropowatości. Dla próbki górnej (próbki odniesienia) parametr Ra wynosił 0.26 µm, zaś dla próbki dolnej (wymiennej) Ra = 1,56 µm. Twardość obydwu próbek była zbliŜona: próbka górna – 254 HV10, dolna – 258 HV10.
Badania przeprowadzono przy wymuszeniu harmonicznym o stałej częstotliwości równej f = 2600 Hz. Wymuszenie to zadawane było na próbkę dolną. Prędkość przesuwu próbki górnej była stała i wynosiła vc = 0.31 mm/s. Badania przeprowadzono dla dwóch wartości nacisków normalnych p1 = 0.0301 N/mm2 i p2 = 0.0792 N/mm2. Parametrem zmiennym była amplituda va prędkości drgań wymuszonych. Zmieniano ją w trakcie pomiarów w granicach od va = 0.18 mm/s do va = 10 mm/s.
Jak juŜ zaznaczono, prędkość przesuwu próbki górnej była stała (vc = const.), stąd teŜ moŜna przyjąć, Ŝe siła tarcia FT między próbką górną i dolną jest równa spręŜystej sile napędu, mierzonej za pomocą siłomierza pierścieniowego umieszczonego między próbką górną a zabierakiem (rys. 1).
Na rys. 5 przedstawiono przykładowo przebiegi siły tarcia (siły napędu) przed i po włącze- niu wzbudnika drgań dla czterech wybranych wariantów wartości amplitudy prędkości drgań wymuszonych va równych: 0.19, 0.49, 1.3 i 3.6 mm/s. Z przebiegów tych widać, Ŝe w trzech przypadkach (rys. 5b-d) wzbudzenie drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych spowodo- wało obniŜenie siły tarcia, natomiast w przypadku pierwszym (rys. 5a) efektu takiego nie było.
Widać przy tym, Ŝe skala redukcji siły tarcia wyraźnie zaleŜy od amplitudy prędkości drgań wymuszonych. Im większa jest amplituda prędkości drgań va próbki dolnej w stosunku do prędkości przesuwu vc próbki górnej, tym większe zachodzi obniŜenie siły tarcia.
Rys. 5. Przebiegi siły tarcia dla róŜnych amplitud prędkości drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych dla vc = 0.31 mm/s, f = 2600 Hz, p = 0.03 N/mm2. Styk suchy, stal-stal
Zbiory takich wykresów dla róŜnych wartości amplitud prędkości drgań (va), róŜnych prędkości przesuwu (vc), róŜnych wartości nacisków normalnych (p) oraz róŜnych rodzajów styku (styk suchy, styk smarowany) i róŜnego rodzaju kojarzonych par materiałów posłuŜyły do sporządzenia wykresów zbiorczych przedstawiających wpływ amplitudy prędkości drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych na siłę tarcia. Na rys. 6 przedstawiono przykładowo taki wykres otrzymany dla pary stal–stal, dla wyŜej podanych warunków.
Rys. 6. Wpływ amplitudy prędkości drgań kontaktowych stycznych wzdłuŜnych na siłę tarcia: FT – siła tarcia przy wymuszonych drganiach, FC – siła tarcia Coulomba
drgań moŜe zostać w sposób istotny obniŜona (niemalŜe do zera). Stopień wpływu drgań kontaktowych wzdłuŜnych na siłę tarcia zaleŜy od amplitudy prędkości tych drgań.
W przypadku, gdy amplituda ta jest mniejsza od prędkości ruchu ślizgowego (va < vc) nie obserwuje się istotnego wpływu drgań na siłę tarcia.
LITERATURA
1. Hess D.P., Soom A.: Normal vibrations and friction under harmonic loads: Part I - hertzian contacts. “Journal of Tribology” 1991, 113, s. 80-86.
2. Kumar V.C., Hutchings I.M.: Reduction of the sliding friction of metals by the application of longitudinal or transverse ultrasonic vibration. “Tribology International” 2004, 37, s. 833-840.
3. Leus M., Gutowski P.: Analysis of longitudinal tangential contact vibration effect on friction force using Coulomb and Dahl models. Journal of Theoretical and Applied Mechanics” 2008, 46, 1, s. 171-184.
4. Leus M., Gutowski P.: Badania symulacyjne wpływu drgań kontaktowych stycznych na siłę tarcia w ruchu ślizgowym. „Modelowanie InŜynierskie” 2007, 3, 34, s. 85–92.
5. Littmann W., Storck H., Wallaschek J.: Sliding friction in the presence of ultrasonic oscillations:
superposition of longitudinal oscillations. “Archive of Applied Mechanics” 2001, 71, s. 549-554.
6. Sase N., Chandy M., Suzuki K., Kumagai T., Fujii H.: Reduction of friction without lubrication.
Proceedings of the International Conference AMPT’95, III, 1995, s. 1298-1304.
7. Sase N., Kurahashi T., Fujii M., Kutomi H., Fujii H.: Control of friction coefficient between metal surfaces. Proceedings of the International Conference AMPT’97, II, 1997, s. 609-615.
8. Siegert K., Ulmer J.: Reduction of sliding friction by ultrasonic waves. “Production Engineering”
1998, 5, s. 9-12.
9. Siegert K., Ulmer J.: Superimposing ultrasonic waves on the dies in tube and wire drawing.
“Journal of Engineering Materials and Technology” 2001, 123, s. 517-523.
EXPERIMENTAL TESTS OF THE INFLUENCE OF THE LONGITUDINAL TANGENTIAL CONTACT VIBRATIONS ON THE FRICTION FORCE
Summary. The original test stand for examination of the influence of longitu- dinal tangential contact vibrations on friction force in sliding motion is presented.
Some chosen results of carried out experimental tests are given. They showed both the power of elaborated stand and the two most essential tested problems, i.e. the range and the scale of the influence of the longitudinal tangential contact vibrations on the friction force. It was proved that the reduction of this force as a result of these vibrations takes place at frequencies much less than ultrasonic, and that the necessary condition to observe this effect is that the amplitude of velocity of these vibrations must be greater than the velocity of sliding motion.
