3 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ

Transcript

1 3.1 3 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΤΡΙΒΗΣ 3.1. Θεωρίες περί τριβής Οι θεωρίες για τη φύση της τριβής έχουν μεταβάλλονται, καθώς η γνώση του ανθρώπου για τη φύση των στερεών σωμάτων συμπληρώνεται και προχωρά σε μεγαλύτερο βάθος. Διατυπώθηκαν, λοιπόν, ποικίλες θεωρητικές προσεγγίσεις, προκειμένου να περιγραφούν τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την επαφή στερεών σωμάτων και τα οποία συντελούν στην παρεμπόδιση της σχετικής τους κίνησης Η πρώτη (μηχανική) εξηγεί την τριβή δύο επιφανειών, βασιζόμενη στην μηχανική ανύψωση των επιφανειακών ανωμαλιών της μιας πάνω στην άλλη. Η δεύτερη (μοριακή) προσπαθεί να εξηγήσει την τριβή ως αποτέλεσμα της υπερνίκησης των δυνάμεων μοριακής έλξης μεταξύ δύο στερεών. Η τρίτη (διείσδυσης) αντιμετωπίζει την τριβή ως προερχόμενη από την παραμόρφωση ενός ορισμένου όγκου του υλικού, το οποίο υφίσταται διείσδυση από τις ανωμαλίες της επιφάνειας ενός άλλου στερεού (διαδικασία άροσης). Η τέταρτη αντιμετωπίζει το θέμα ως υπέρθεση ταυτόχρονων γεγονότων που οφείλονται σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό σε όλους τους μηχανισμούς που περιέγραψαν οι προαναφερθείσες θεωρίες. Σ αυτές τις σύνθετες θεωρίες πρέπει να περιληφθούν αυτή των Ernst και Merchant (1940), η μοριομηχανική θεωρία της τριβής (1946) και η θεωρία της τριβής των υφάνσιμων υλών που προτάθηκε από τους Howell, Mieszkis και Tabor (1959). Καθώς οι επιστημονικές προσεγγίσεις για τα υλικά εξελισσόταν, ανάλογα τροποποιήθηκαν και σχετικές θεωρίες για τη φύση της τριβής και το μέγεθος του συντελεστή τριβής (μ). Στις αρχές του 16ου αιώνα, διατυπώθηκε η άποψη ότι είναι ίδιος για όλα τα στερεά. Στα μέσα του 18ου αιώνα, παρατηρήθηκε πειραματικά ότι υπάρχει διαφοροποίηση των συντελεστών τριβής για διαφορετικούς συνδυασμούς υλικών κατασκευής των εφαπτόμενων στερεών. Αργότερα, ο Coulomb προσδιόρισε την

2 3.2 επίδραση της πίεσης στο συντελεστή τριβής και την σχέση του με την ταχύτητα ολίσθησης. Τον 20ο αιώνα, Σοβιετικοί επιστήμονες απέδειξαν την επίδραση της τραχύτητας των επιφανειών στην τριβή μη λιπαινόμενων συστημάτων και εξέφρασαν το συντελεστή τριβής ως συνάρτηση της τραχύτητας, της πίεσης και της ταχύτητας ολίσθησης. Στις μέρες μας, προκειμένου να εξασφαλισθεί η ορθή και ασφαλής λειτουργία μηχανολογικών κατασκευών, θα πρέπει στη φάση του σχεδιασμού/ υπολογισμού τους να ληφθεί υπ όψιν ότι ο συντελεστής τριβής (μ) εξαρτάται από τρεις (3) παράγοντες: το συνδυασμό των υλικών τις σχετικές διαστάσεις των τριβομένων σωμάτων (τριβικό σύστημα) τις συνθήκες λειτουργίας του συστήματος. Η ορθή επιλογή υλικών για τριβικές εφαρμογές, χωρίς να ληφθούν υπ όψιν οι παράμετροι λειτουργίας είναι αδύνατη, γι αυτό και πίνακες συντελεστών τριβής που εμφανίζονται σε παλαιότερα εγχειρίδια δεν είναι πλέον σε ισχύ Βασικές έννοιες και ορισμοί Tριβή (friction) λέγεται το φυσικό φαινόμενο κατά το οποίο σε δύο εφαπτόμενα σώματα, το ένα ανθίσταται στην κίνηση ή την τάση να κινηθεί, του άλλου. Η τριβή των στερεών είναι πολύπλοκο φαινόμενο που εξαρτάται από διάφορες παραμέτρους που δρουν επί του τριβικού συστήματος και μάλιστα στην πραγματική επιφάνεια επαφής και στα στρώματα του υλικού κάτω από αυτή, σε μικρό σχετικά βάθος. Σχήμα 3.1.Το τριβικό σύστημα.

3 3.3 Δs = s t - s o (3.1) uσχ α,β Δs = (3.2) Δt T F (3.3) Όταν δύο σώματα (α) και (β) κινούνται με σχετική ταχύτητα u σχαβ, λόγω του φαινομένου της τριβής αναπτύσσεται η εφαπτομενική δύναμης τριβής Τ που ανθίσταται στη σχετική κίνηση των σωμάτων (σχήμα 3.1.) και κατά συνέπεια έχει διεύθυνση (περίπου) αντίθετη προς τη διεύθυνση της σχετικής ταχύτητας. Συντελεστής τριβής μ ονομάζεται ο λόγος της τριβής προς την κάθετη, προς την διεύθυνση της κίνησης, συνιστώσα των εξωτερικών δυνάμεων που δρουν επί των τριβόμενων επιφανειών (φορτίο): Τ μ = (3.4) Ν Ανάλογα με το είδος της σχετικής κίνησης των δύο εφαπτόμενων σωμάτων, η τριβή διακρίνεται σε τριβή ολίσθησης και τριβή κύλισης. Στην δεύτερη, το ένα από τα δύο στοιχεία του τριβικού συστήματος περιστρέφεται γύρω από ένα στιγμιαίο κέντρο περιστροφής που ταυτόχρονα αποτελεί και την επιφάνεια επαφής, η οποία συνεχώς μεταβάλλεται. Όταν δεν υπάρχει σχετική κίνηση των δύο σωμάτων του τριβικού συστήματος και επί πλέον η έλκουσα δύναμη F είναι μηδενική (u σχαβ =0, F=0) τότε θα είναι T=F=0 ενώ Ν 0. Είναι τότε: Τ μ = = 0 (3.5) Ν Το σύστημα αυτό είναι ουσιαστικά σύστημα ακίνητων σωμάτων σε επαφή υπό δράση μόνον του φορτίου. Εάν εφαρμόζεται στο σύστημα αυτό μια μικρή εφαπτομενική

4 3.4 (έλκουσα) δύναμη F, τα πειράματα δείχνουν ότι δεν μπορεί να υπάρξει ολίσθηση. Βαθμιαία αύξηση της έλκουσας δύναμης F θα προκαλέσει σχετική κίνηση όταν η F φθάσει σε κάποια F ορ. Στατικός συντελεστής τριβής (μ σ ) ονομάζεται ο λόγος: F μ = ορ σ Ν Τ Ν (3.6) Όταν u σαβ 0 υπάρχει σχετική κίνηση και τότε ο συντελεστής τριβής ονομάζεται κινητικός ή κινηματικός (μ κ ). Έχει βρεθεί ότι όταν υπάρχει σχετική κίνηση είναι εν γένει F<F ορ (3.7) και F T μ κ = (3.8) Ν Ν Δηλαδή γενικά απαιτείται μικρότερη έλκουσα δύναμη F για να διατηρηθεί η κίνηση από την F ορ που απαιτείται για να αρχίσει (δηλαδή γενικά είναι μ σ >μ κ ) Παράμετροι λειτουργίας τριβικών συστημάτων Βασικές παράμετροι που επηρεάζουν την λειτουργία του τριβικού συστήματος είναι: α) τα υλικά των τριβομένων επιφανειών β) η παρουσία επιφανειακού στρώματος (λιπαντικού, ρύπου, οξειδίων) γ) η τραχύτητα των επιφανειών δ) η σχετική ταχύτητα ολίσθησης ε) το εφαρμοζόμενο κάθετο φορτίο στ) η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των επιφανειών.

5 Επίδραση τραχύτητας στην τριβή Στο διάγραμμα που ακολουθεί (σχήμα 3.2.) φαίνεται η συνάρτηση του συντελεστή τριβής και της επιφανειακής τραχύτητας (RMS), για το εύρος της επιφανειακής τραχύτητας που εμφανίζουν συνήθεις μηχανολογικές επιφάνειες. Σχήμα 3.2. Μεταβολή συντελεστή τριβής (μ) συναρτήσει τραχύτητας Για πολύ λείες επιφάνειες, η τριβή τείνει να είναι υψηλή επειδή η πραγματική επιφάνεια επαφής αυξάνεται υπερβολικά, με αντίστοιχη αύξηση των μοριακών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ των εφαπτόμενων σωμάτων, ενώ στις πολύ τραχείες επιφάνειες η τριβή είναι και πάλι υψηλή εξαιτίας της αυξημένης απαίτησης «ύψωσης» της μιας επιφάνειας επί των προεξοχών της άλλης. Για ενδιάμεσες τιμές τραχύτητας, που είναι και η συνηθέστερη περίπτωση, η τριβή είναι σχεδόν ανεξάρτητη της τραχύτητας.

6 Πειραματική διαδικασία Περιγραφή συσκευής Η εργαστηριακή συσκευή τριβής-φθοράς (σχήμα 3.3) που χρησιμοποιείται είναι συσκευή τύπου στυλίσκου-δίσκου (σχήμα 3.4). 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 3.3. 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 3.4 φαίνεται η αρχή λειτουργίας της συσκευής στυλίσκουδίσκου.

7 3.7 Σχήμα 3.4. 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 (3.9) όπου : R, η απόσταση των δοκιμίων από τον άξονα του δίσκου (R = 40 mm) n, η ταχύτητα περιστροφής Δt, η διάρκεια της δοκιμής Το φορτίο, δηλαδή η κάθετη δύναμη (N) είναι: N = 53,09. p (3.10) όπου : N, η κάθετη δύναμη (σε Nt) p, η ασκούμενη πίεση (σε bar) Ο μέσος συντελεστής τριβής μ (των στυλίσκων Α και Β) δίνεται από τον τύπο: T μ = (3.11) 2N Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, οι τιμές της δύναμης τριβής Τ (σε Ν) μετρώνται σε πραγματικό χρόνο, μέσω κατάλληλων μετρητικών διατάξεων, και καταγράφονται με τη χρήση αλγορίθμου καταγραφή σήματος.

9 3.9 Σχήμα 3.5. Μετρήσεις (ανάκτηση δεδομένων) δύναμης τριβής Τ και χρόνου t. Με την βοήθεια των σχέσεων που προαναφέρθηκαν, υπολογίστε το συντελεστή τριβής (μ) και η απόσταση (ή μήκος) ολίσθησης (L, σε m) για κάθε δοκιμή, σχεδιάζοντας και σχολιάζοντας τα διαγράμματα μ = μ(l) για τα ακόλουθα συστήματα: 1) μ = μ(l) για το ζεύγος Χάλυβας Ορείχαλκος σε κοινό γράφημα και για τα τρία φορτία 2) μ = μ(l) για το ζεύγος Χάλυβας Αλουμίνιο σε κοινό γράφημα και για τα τρία φορτία 3) μ = μ(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

10 3.10 ΥΠΟΔΕΙΞΗ Για την κατασκευή των ζητούμενων διαγραμμάτων λάβετε υπ όψιν σας τα ακόλουθα Σχήμα 3.6. Ποιοτικό παράδειγμα μεταβολής του συντελεστή τριβής (μ) συναρτήσει της απόστασης ολίσθησης (L).