4 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ

Transcript

1 4.1 4 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΦΘΟΡΑΣ 4.1. Φθορά επιφανειών Οι επιφανειακές ανωμαλίες στερεών σωμάτων που έρχονται σε επαφή «καταστρέφονται», υπό την επίδραση των δυνάμεων τριβής, με διάφορους μηχανισμούς. Το είδος και το μέγεθος της «καταστροφής» εξαρτάται αφενός από τις ιδιότητες των τριβόμενων υλικών και αφετέρου από τις τιμές των παραμέτρων λειτουργίας του τριβοσυστήματος (φορτίο, ταχύτητα, κλπ). Για παράδειγμα, αύξηση του επιβαλλόμενου φορτίου οδηγεί σε αύξηση του πλήθους των επιφανειακών δεσμών που καταστρέφονται, ενώ ενδέχεται να αυξηθεί, κατά την ολίσθηση, και η θερμοκρασία επιφανειακών στρωμάτων των στερεών, με αποτέλεσμα τη μεταβολή των ιδιοτήτων τους. Το αποτέλεσμα της φθοράς, η οποία οδηγεί σε απομάκρυνση υλικού από τις στερεές επιφάνειες λόγω μηχανικής δράσης, είναι μεγάλης οικονομικής σημασίας, καθώς είναι ο κύριος παράγοντας που καθορίζει τη διάρκεια ζωής και ασφαλούς λειτουργίας των περισσότερων μηχανολογικών κατασκευών. Σε ορθά σχεδιασμένες κατασκευές που λειτουργούν εντός των προβλεπόμενων ορίων ασφαλείας, η απομάκρυνση του υλικού πραγματοποιείται με πολύ αργό ρυθμό. Ωστόσο και παρόλη την τεχνολογική σημαντικότητα του θέματος, το φαινόμενο της φθοράς δεν είναι κατανοητό στο σύνολό του Μηχανισμοί φθοράς Στην προσπάθεια για συστηματική ανάλυση και μελέτη των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία ενός τριβοσυστήματος και οδηγούν σε απομάκρυνση υλικού από επιφανειακή στρώματα, περιγράφησαν πέντε αλληλοεπηρεαζόμενοι μηχανισμοί φθοράς, καθένας από τους οποίους εμφανίζει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά.

2 Φθορά πρόσφυσης (adhesive wear) είναι η μορφή της φθοράς που επέρχεται όταν δύο λείες επιφάνειες ολισθαίνουν η μια πάνω στην άλλη και σχηματίζονται δεσμοί πρόσφυσης (μοριακοί) στα σημεία επαφής. Το αποτέλεσμα είναι τμήματα από την μια επιφάνεια να προσφύονται πάνω στην άλλη και να αποκολλούνται από την αρχική τους επιφάνεια. Σχήμα 4.1. Ψήγματα χαλκού προσκολλημένα σε χαλύβδινη επιφάνεια λόγω φθοράς πρόσφυσης. 2. Η φθορά λείανσης (abrasive wear) προκαλείται είτε όταν μια τραχεία και σκληρή επιφάνεια ολισθαίνει επί μαλακότερης και δημιουργεί μια σειρά από αύλακες/ αμυχές πάνω σ αυτήν, είτε όταν χαλαρά τραχεία ψήγματα παγιδεύονται μεταξύ των επιφανειών κατά τη διάρκεια της κίνησης. Σχήμα 4.2. Λειαντική φθορά χαλύβδινης επιφάνειας με λειαντικό χαρτί.

3 Η φθορά επιφανειακής κόπωσης (surface fatigue wear) υφίσταται ιδιαίτερα στην τριβή κύλισης. Είναι η τυπική μορφή φθοράς των ένσφαιρων τριβέων και επέρχεται λόγω της επαναλαμβανόμενης φόρτισης. Όταν τριβείς, υπερβούν τον προκαθορισμένο χρόνο λειτουργίας εμφανίζουν σημάδια «κόπωσης» με τη δημιουργία ρωγμών, οι οποίες συνενώνονται και οδηγούν στην απομάκρυνση επιφανειακών στρωμάτων υλικού, σχετικά μεγάλων διαστάσεων (αποφλοίωση). Αποφλοίωση λόγω επιφανειακής κόπωσης Σχήμα 4.3. Φθορά επιφανειακής κόπωσης οδοντωτών τροχών. 4. Η μηχανική διάβρωση (erosion wear) υφίσταται όταν στερεά ή ρευστά σωματίδια προσκρούουν πάνω σε στερεή επιφάνεια, όπως για παράδειγμα όταν σταγονίδια νερού προσκρούουν πάνω στα πτερύγια στη χαμηλή βαθμίδα πίεσης ενός ατμοστροβίλου. Σχήμα 4.4. Μηχανική διάβρωση στο πτερύγιο ατμοστροβίλου.

4 Η χημική διάβρωση (corrosive wear), δηλαδή τριβοχημική καταστροφή της επιφάνειας, επέρχεται όταν στο περιβάλλον λειτουργίας του τριβοσυστήματος υπάρχει χημικά δραστικό (οξειδωτικό/ διαβρωτικό) μέσο. Ανάλογα με τη χημική δράση του μέσου, οι φθειρόμενες επιφάνειες εμφανίζουν χαρακτηριστικές μορφολογίες. Ενδείξεις διάβρωσης με βελονισμούς (α) (β) Σχήμα 4.5. Μορφολογία επιφανειών τριβοχημικής διάβρωσης: (α) Διάβρωση με βελονισμούς σφαιρών στοιχείου κύλισης (β) Χημική διάβρωση σωλήνα από χαλκό 4.3. Μέτρηση της φθοράς Το μέγεθος της φθοράς των στερεών του τριβοσυστήματος γίνεται (α) με ζύγιση, (β) με μέτρηση της μεταβολής των διαστάσεων των αντικειμένων, (γ) με μέτρηση του όγκου του αποβαλλόμενου υλικού.

5 Ζύγιση φθειρόμενων μερών Αποτελεί τον απλούστερο τρόπο ελέγχου φθοράς ενός αντικειμένου, χωρίς ωστόσο να δίνει πληροφορίες ειδικού ενδιαφέροντος, όπως για παράδειγμα ποια είναι η κατανομή φθοράς στην επιφάνεια επαφής. Για να γίνει η μέτρηση απαιτείται εξάρμωση του μετρούμενου στοιχείου, προσεκτικός καθαρισμός του με διαλύτες (τριχλωροαιθυλένιο ή ακετόνη ) και η ζύγισή του με ζυγού ακριβείας, ο οποίος έχει διακριτική ικανότητα της τάξεως των 10-4 g. Τα σφάλματα που εισάγονται, πολλές φορές, στον υπολογισμό της φθοράς οφείλονται στην αδυναμία απόλυτου καθαρισμού του σώματος και στη διακριτική ικανότητα του ζυγού Μέτρηση γεωμετρικών διαστάσεων φθειρόμενων μερών Τυπικά χρησιμοποιείται το μικρόμετρο με ακρίβεια 0,1 μm. Για χαλύβδινα αντικείμενα με φαινόμενη επιφάνεια 10-2 cm 2, η μέθοδος αυτή επιτρέπει τον προσδιορισμό φθοράς της τάξεως των 10-5 gr. Συνήθως, χρησιμοποιείται για τον έλεγχο ογκωδών στοιχείων (π.χ. κυλίνδρων Μ.Ε.Κ.), γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την περαιτέρω μείωση της ευαισθησίας της μεθόδου Μέτρηση του αποβαλλόμενου όγκου υλικού Με τη χρήση κατατομομέτρου μπορεί να υπολογισθεί, εμμέσως, ο όγκος υλικού που απομακρύνεται από τη γεωμετρία της αύλακας φθοράς. Για χαλύβδινα σώματα και τραχύμετρα συνήθους ακρίβειας, η μέθοδος αυτή εμφανίζει ευαισθησία της τάξεως των gr (υψηλότερη των δυο άλλων). Σχήμα 4.6. Χρήση κατατομομέτρου (εμβαδομέτρηση) για τον προσδιορισμό του αποβαλλόμενου όγκου υλικού.

6 Πειραματική διαδικασία Περιγραφή συσκευής Η εργαστηριακή συσκευή τριβής-φθοράς (σχήμα 4.8) που χρησιμοποιείται είναι συσκευή τύπου στυλίσκου-δίσκου (σχήμα 4.9). Αποτελείται από τροποποιημένο σώμα τόρνου, ο οποίος φέρει δίσκο, στις επιφάνειες του οποίου πιέζονται κυλινδρικοί στυλίσκοι με τη βοήθεια υδραυλικών κυλίνδρων. Η επιφάνεια του ενός άκρου του στυλίσκου μπορεί να είναι επίπεδη, κωνική ή ημισφαιρική. Σχήμα 4.8. Εργαστηριακή συσκευή ελέγχου τριβής και φθοράς. Το πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι οι εφαπτομενικές δυνάμεις τριβής (F) μετρούνται ανεξάρτητα από το φορτίο (L) των άκρων, επιτρέποντας έτσι ακριβείς μετρήσεις του συντελεστή τριβής. Στη διάταξη αυτή μπορούν να δοκιμασθούν μεταλλικά ή μη υλικά, υπό καθεστώς ξηρής ή λιπαινόμενης ολίσθησης. Η συσκευή παίρνει κίνηση με ιμάντες από ένα τριφασικό κινητήρα 750 W και μπορεί να λειτουργεί σε 14 διαφορετικές περιστροφικές ταχύτητες από 25 rpm έως 2150 rpm. Ο δίσκος που δοκιμάζεται στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση μπορεί να είναι (α) από μαλακό ή βαμμένο χάλυβα, (β) διφασικό ορείχαλκο περιεκτικότητας 58% Cu, 3% Pb και υπόλοιπο Zn ή (γ) κράμα αλουμινίου με 4% Cu. Από τα ίδια κράματα είναι και οι στυλίσκοι. Ο δίσκος προσαρμόζεται και προσδένεται σε περιστρεφόμενο άξονα σκληρυμένου. Στο σχήμα 4.9 φαίνεται η αρχή λειτουργίας της συσκευής στυλίσκουδίσκου.

7 4.7 Σχήμα 4.9. Αρχή λειτουργίας της συσκευής στυλίσκου-δίσκου. Τα δοκίμια έχουν διάμετρο 8 mm και είναι τοποθετημένα μέσα σε ειδικές «φωλιές», καθεμιά από τις οποίες είναι κοχλιωμένη στο έμβολο υδραυλικού κυλίνδρου, μέσω του οποίου επιβάλλεται η φόρτιση. Η μεταβολή του μήκους του στυλίσκου, ως αποτέλεσμα της φθοράς του, καταγράφεται από αισθητήρα γραμμικής μετατόπισης. Οι υδραυλικού κύλινδροι και οι αισθητήρες μετατόπισης είναι κατασκευασμένοι από αλουμινιούχο μπρούντζο, ενώ η πίεση εφαρμόζεται με διοχέτευση ελαίου μέσω εύκαμπτων ελαστικών σωλήνων. Οι κύλινδροι είναι προσαρμοσμένοι σε φορείο που κινείται κάθετα προς τον άξονα του τόρνου. Τα δοκίμια πιέζονται και ολισθαίνουν επί του δίσκου, σε ακτίνα 40 mm από το κέντρο του άξονα περιστροφής και σε επίπεδο κάτω απ αυτόν. Όταν τα δοκίμια έρθουν σε επαφή με το δίσκο καθώς αυτός περιστρέφεται, μεταξύ των στυλίσκων και του δίσκου θα ασκηθεί πάνω στο φορείο μια εφαπτομενική δύναμη τριβής. Το υδραυλικό φορτίο των άκρων εφαρμόζεται από μια πρότυπη διάταξη πίεσης (υδραυλικό πιεστήριο Budenberg) με ισορροπούν βάρος. Οι επιτρεπόμενες πιέσεις είναι μέχρι 15 bar (1500 KN/m 2 ) σε βαθμίδες των 0,05 bar.

8 Εξεταζόμενα υλικά και πειραματικές συνθήκες Κατά τη διεξαγωγή του πειράματος τριβής φθοράς μελετάται η συμπεριφορά των εξής ζευγών υλικών: α) Χάλυβας (δίσκος) Ορείχαλκος (στυλίσκος) β) Χάλυβας (δίσκος) Αλουμίνιο (στυλίσκος) Τα δοκίμια (στυλίσκοι) έχουν σχήμα κυλινδρικό με διαστάσεις διάμετρο D = 8 mm και αρχικό μήκος lαρχ 50 mm Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, η ταχύτητα περιστροφής του δίσκου παραμένει σταθερή και ίση με n = 340 rpm Η πειραματική διαδικασία επαναλαμβάνεται τρεις φορές για κάθε ζεύγος υλικών και για φορτία 1, 2 και 3 bar. Η διάρκεια κάθε δοκιμής καθορίζεται στα t = 5 min Επεξεργασία δεδομένων Η απόσταση (ή μήκος) ολίσθησης L δίνεται από την σχέση: L = 2. π. R. n. Δt (4.1) όπου : R, η απόσταση των δοκιμίων από τον άξονα του δίσκου (R = 40 mm) n, η ταχύτητα περιστροφής Δt, η διάρκεια της δοκιμής Ο όγκος της φθοράς V, υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση, αφού έχει μετρηθεί η γραμμική φθορά l του στυλίσκου. πd 2 V = l (4.2) 4 όπου : V, ο όγκος φθοράς (σε mm 3 ) D, η διάμετρος του στυλίσκου (σε mm) l, η γραμμική φθορά (σε mm) Για κάθε δοκιμή, με τη βοήθεια των ανωτέρω σχέσεων, υπολογίστε τον όγκο φθοράς V και το μήκος ολίσθησης L (σε m), σχεδιάζοντας και σχολιάζοντας τα διαγράμματα V = V(L) για τα ακόλουθα συστήματα:

9 4.9 1) V = V(L) για το ζεύγος Χάλυβας Ορείχαλκος σε κοινό γράφημα και για τα τρία φορτία. 2) V = V(L) για το ζεύγος Χάλυβας Αλουμίνιο σε κοινό γράφημα και για τα τρία φορτία. 3) V = V(L) για τα ζεύγη Χάλυβας Ορείχαλκος και Χάλυβας Αλουμίνιο σε κοινό γράφημα για : α) p = 1 bar β) p = 2 bar γ) p = 3 bar Υπενθυμίζεται ότι οι επιφάνειες των στυλίσκων αλλά και του δίσκου πριν και μετά την διεξαγωγή κάθε δοκιμής παρατηρήθηκαν οπτικά, προκειμένου να προσδιορισθούν οι μηχανισμοί φθοράς, ανάλογα με το εξεταζόμενο κάθε φορά τριβοσύστημα. Τις παρατηρήσεις αυτές θα πρέπει να τις λάβετε υπ όψιν σας κατά το σχολιασμό των διαγραμμάτων. ΥΠΟΔΕΙΞΗ Για την κατασκευή των ζητούμενων διαγραμμάτων λάβετε υπ όψιν σας τα ακόλουθα Σχήμα Ποιοτικό παράδειγμα μεταβολής του όγκου φθοράς (V), συναρτήσει της απόστασης ολίσθησης (L).