7 η 8 η ΕργαστηριακήΆσκηση ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΓΡΗΣ ΛΙΠΑΝΣΗΣ ΣΕ Ε ΡΑΝΑ

Transcript

1 7 η 8 η ΕργαστηριακήΆσκηση ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΓΡΗΣ ΛΙΠΑΝΣΗΣ ΣΕ Ε ΡΑΝΑ ΠΕΡΙ ΛΙΠΑΝΣΗΣ ΚΑΙ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΑΚΤΙΝΙΚΑ Ε ΡΑΝΑ ΟΛΙΣΘΗΣΗΣ ΩΣΤΙΚΑ Ε ΡΑΝΑ ΟΛΙΣΘΗΣΗΣ Εργαστήριο Τριβολογίας Ιούνιος 2011 Αθανάσιος Μουρλάς

2 Λίπανση Ο όρος λίπανση αναφέρεται στην προσπάθεια µείωσης των δυνάµεων τριβής και, συνήθως, την ταυτόχρονη ελάττωση της φθοράς που αναπτύσσονται κατά τη λειτουργία ενός τριβοσυστήµατος. Ανάλογα µε τη φυσική κατάσταση του λιπαντικού που χρησιµοποιείται, η λίπανση διακρίνεται σε: Στερεή Υγρή Αέρια

3 Στερεή λίπανση Μεταξύ των τριβοµένων επιφανειών παρεµβάλλονται στερεές κόνεις, -συνηθέστερα γραφίτης ή θειούχοµολυβδένιο (MoS 2 ),-οιοποίεςδιευκολύνουν τη σχετική κίνηση των εφαπτόµενων σωµάτων, µειώνονταςτιςαναπτυσσόµενεςδυνάµειςτριβής. Λιπαντική µεµβράνη θειούχου µολυβδενίου

4 Υγρή λίπανση ΥΓΡΗ ΛΙΠΑΝΣΗ Τα υγρά λιπαντικά αποτελούν το κύριο µέσο λίπανσης για µηχανολογικές εφαρµογές ΟΡΙΑΚΗ ΛΙΠΑΝΣΗ Υ ΡΟΣΤΑΤΙΚΗ ΛΙΠΑΝΣΗ ΕΛΑΣΤΟ- Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΛΙΠΑΝΣΗ Υ ΡΟ ΥΝΑΜΙΚΗ ΛΙΠΑΝΣΗ

5 Οριακή λίπανση Ολες οι µηχανές, σε µεταβατικά στάδια της λειτουργίας τους, «εργάζονται» στη περιοχή της οριακής λίπανσης.

6 Οριακή λίπανση Σε χαµηλές ταχύτητες περιστροφής, π.χ. κατά το ξεκίνηµα ή το σταµάτηµα µιας µηχανής, η λιπαντική µεµβράνη γίνεται λεπτή (µικρό πάχος) και δεν επιτρέπει το µόνιµο διαχωρισµό των εφαπτόµενων επιφανειών.

7 Υδροστατική λίπανση Η λιπαντική µεµβράνη µεταξύ των εφαπτόµενων σωµάτων δηµιουργείται µε χρήση αντλίας υψηλής πίεσης, ώστε να µην απαιτείται σχετική κίνησή τους για τη διατήρηση της λίπανσης. Η υδροστατική λίπανση εξασφαλίζει σηµαντική αντιτριβική προστασία κατά την εκκίνηση υπό υψηλά φορτία και χαµηλές ταχύτητες περιστροφής.

8 Ελαστοϋδροδυναµική λίπανση Βασική προϋπόθεση για την εµφάνισή της αποτελεί η άσκηση υψηλής πίεσης µεταξύ συνεργαζόµενων οδόντων, ώστε να δηµιουργηθεί ζώνη επαφής. Η σφήνα του λιπαντικού που δηµιουργείται µεταξύ των οδόντων τροφοδοτεί τη ζώνη επαφής µε λιπαντικό, το ιξώδες του οποίου αυξάνεται λόγω της υψηλής πίεσης. Αύξηση του ιξώδους οδηγεί σε αύξηση της πίεσης του λιπαντικού, έως του σηµείου αποκόλλησης των συνεργαζόµενων επιφανειών.

9 Υδροδυναµική λίπανση

12 Καµπύλη Stribeck

13 Τα έδρανα Τα έδρανα χρησιµεύουν για τη στήριξη και την οδήγηση κινούµενα τεµάχων στοιχείων µηχανών, όπως: Αξονες που καταπονούνται σε κάµψη και δεν µεταφέρουν ροπή στρέψης και Ατρακτοι που µεταφέρουν ροπή στρέψης και καταπονούνται σε κάµψη και στρέψη Τα έδρανα παραλαµβάνουν τις δυνάµεις που αναπτύσσονται και να τις µεταφέρουν στα σταθερά µέρη των κατασκευών, όπως θεµέλια, κιβώτια µειωτήρων κλπ.

14 Τα έδρανα Ανάλογα µε το είδος κίνησης του κινούµενου µέρους επί του εδράνου, αυτά διακρίνονται σε: Εδρανα κύλισης Εδρανα ολίσθησης

15 Τα έδρανα Έδρανα κύλισης Έδρανα ολίσθησης

16 7 η Εργαστηριακή Ασκηση: Ακτινικό έδρανο ολίσθησης

17 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης ΣταΈδρανα Ολίσθησης η περιστρεφόµενη άτρακτος ή στροφέας ολισθαίνει επί των επιφανειώντουσταθεροποιηµένουεδράνου, όπως για παράδειγµα στο κιβώτιο µειωτήρων.

18 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Τα έδρανα ολίσθησης αποτελούνται από δύο κύρια τµήµατα: Το σταθερό ή στάτης κυλινδρικής γεωµετρίας και Το κινούµενο ή στροφείο ή ρότορας, κυλινδρικής επίσης γεωµετρίας, που ολισθαίνει επί της επιφάνειας επαφής του στάτη

19 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης

21 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Η επιλογή του υλικού, -ως προς τη χηµική σύσταση και τις ιδιότητες,- κατασκευής ενός ακτινικού εδράνου ολίσθησης εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας του: Είδος φόρτισης Υψος φόρτισης Θερµοκρασία λειτουργίας Περιοχή υγρής λίπανσης

22 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Τα συνηθέστερα υλικά κατασκευής απλών ακτινικών εδράνων ολίσθησης είναι: Κράµατα χύτευσης χαλκού-κασσιτέρου, γνωστά µε τον εµπειρικό όρο κόκκινα µέταλλα, Κράµατα χαλκού κασσιτέρου - µολύβδου, Κράµατα µολύβδου κασσιτέρου, γνωστά µε τον εµπειρικό όρο λευκά µέταλλα, τα οποία εµφανίζουν εξαιρετικές αντιτριβικές ιδιότητες

24 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Υπό συνθήκες κανονικής λίπανσης, τα δύο τµήµατα διαχωρίζονται από στρώµα λιπαντικού (κυρτωµένη σφήνα λιπαντικού) µέσω του οποίου οι δυνάµεις µεταβιβάζονται από το κινούµενο µέρος προς το σταθερό, για τιµές φορτίου χαµηλότερες µιας οριακής που καλείται ΦορτοϊκανότηταΕδράνου. Προϋπόθεση για τη µεταβίβαση πιέσεων, µέσω του στρώµατος λιπαντικού που διαχωρίζει τις δύο ολισθαίνουσες επιφάνειες, αποτελεί η µη παραλληλία των επιφανειών αυτών.

25 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Σε ακτινικά έδρανα ολίσθησης, οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα, η µη παραλληλία των επιφανειών επιτυγχάνεται κατασκευάζοντας το κινούµενο τµήµα (άτρακτο) µε µικρότερη διάµετρο από το σταθερό (έδρανο), γεγονός που κατά τη λειτουργία επιτρέπει τη δηµιουργία στρώµατος λιπαντικού µειούµενου ύψους, κατά τη φορά εισαγωγής του λιπαντικού (Ακτινικό έδρανο µε διαµετρική χάρη).

28 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Η µαθηµατική σχέση που περιγράφει την υδροδυναµική λίπανση στην περίπτωση του ακτινικού εδράνου ολίσθησηςείναι της µορφής: p x Όπου: v, το δυναµικό ιξώδες του λιπαντικού r, ηακτίνατηςατράκτου 6vru( h h u, η σχετική ταχύτητα των επιφανειών = H, το πάχος του λιπαντικού στην διατοµή όπου αναπτύσσεται η µέγιστη πίεση h, το πάχος του λιπαντικού σε τυχαία διατοµή. 3 H )

29 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Κατά τη λειτουγία ακτινικών εδράνων, επιτυγχάνεται η µεταφορά υψηλών πιέσεων στο λιπαντικό και µέσω αυτού στο στάτη, µε πολύ χαµηλόσυντελεστήτριβής.

30 Ακτινικό έδρανο Ο συντελεστής τριβής συναρτήσει της ταχύτητας και της µέσης πίεσης

31 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Η πειραµατική συσκευή, µε την οποία θα γίνουν οι µετρήσεις στο εργαστήριο, αποτελεί ακτινικό έδρανο ολίσθησης, του οποίου η άτρακτος περιστρέφεται από ηλεκτροκινητήρα µεταβλητής ταχύτητας, ενώτοσταθερότουµέροςεδράζεταιεπίτης ατράκτου, µε τρόπο ώστε να είναι δυνατά: Η άµεση µέτρηση της ροπής στρέψης και Ο έµµεσος υπολογισµός της δύναµης τριβής

33 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης 1. Άτρακτος 2. Στάτης 3. Κινητήρας 4. Ρυθµιστής στροφών 5. Βραχίονας φόρτισης, 6. Βραχίονας µέτρησης ροπής αντίστασης 7. Θερµόµετρο 8. Λιπαντήρας Η πειραµατική συσκευή

35 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Το ασκούµενο στο έδρανο φορτίο (W) δίνεται από τη σχέση: W = k + λm Όπου: k,τοµονίµωςασκούµενοστοέδρανοφορτίο (54 Ν) λ, ο λόγος των µοχλοβραχιόνων του συστήµατος φόρτισης του εδράνου (4) M, το εφαρµοζόµενο φορτίο (σε Ν)

36 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Ο συντελεστής τριβής (µ) υπολογίζεται από την κλασσική έκφρασή του και λαµβάνοντας υπόψη την ισορροπία των αναπτυσσόµενων ροπών Tr = T 'r' Όπου, για τη γεωµετρία της εργαστηριακής συσκευής: r, η ακτίνα της ατράκτου (20mm) r, ο µοχλοβραχίονας εξισορρόπησης (300mm)

37 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Πραγµατοποιούνται δύο σειρές πειραµάτων, προκειµένου να: Προσδιορισθεί η µεταβολή του συντελεστή τριβής (µ), συναρτήσει του ασκούµενου φορτίου (W), υπό σταθερή ταχύτητα περιστροφής (n) (Α σειρά πειραµάτων) Προσδιορισθεί η µεταβολή του συντελεστή τριβής (µ), συναρτήσει της ταχύτητας περιστροφής, για διάφορες τιµές ασκούµενου φορτίου (Β σειρά πειραµάτων)

38 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Α ΣΕΙΡΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Αποσυναρµολόγηση του εδράνου και επιµελής καθαρισµός των επιφανειών του. Συναρµολόγηση του εδράνου. Επιλογή, µέσω του διακόπτη ρύθµισης στροφών, της ταχύτητας περιστροφής του άξονα στις n=1000 rpm. Φόρτιση του εδράνου µε φορτία έως ~100 Ν, αρχίζοντας από το µεγαλύτερο φορτίο και µειώνοντας σταδιακά (ανά 20 Ν). Μετράται η ροπή τριβής για κάθε φορτίο, εξισορροπώντας την µε την τοποθέτηση φορτίων στον βραχίονα µέτρησης της ροπής. Υπολογισµός του συντελεστή τριβής µ. Χάραξητηςκαµπύληςµ= µ(w).

39 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Υπόδειγµα συλλογής/ παρουσίασης πειραµατικών/ υπολογιζόµενων τιµών n = 1000 rpm A/A M W T T µ (σεν) (σεν) (σεν) (σεν)

40 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Β ΣΕΙΡΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ Επιλογή της ταχύτητας περιστροφής στα n=1000 rpm Φόρτιση του εδράνου µε φορτίο M, (πχ M=100Ν) Μέτρηση της ροπής τριβής. Σταδιακήµείωσητουφορτίου (πχανά 20 Ν) καιµέτρηση της ροπής τριβής για κάθε περίπτωση, µε διατήρηση σταθερής ταχύτητας περιστροφής Επανάληψη των µετρήσεων για διάφορες τιµές ταχύτητας περιστροφής (πχ 800, 600, 400, 200 rpm). Χάραξητωνκαµπυλώνµ=µ(n), γιαόλαταασκούµενα φορτία.

41 Ακτινικό έδρανο ολίσθησης Υπόδειγµα συλλογής/ παρουσίασης πειραµατικών/ υπολογιζόµενων τιµών Μ = (Α1 -Α5) Ν A/A n W T T µ (σε rpm) (σε N) (σε N) (σε N) 1 Β1 2 Β2 3 Β3 4 Β4 5 Β5

42 8 η Εργαστηριακή Ασκηση: Ωστικό έδρανο ολίσθησης

43 Ωστικό έδρανο ολίσθησης

45 Ωστικό έδρανο ολίσθησης Ατέρµονας ελαστικός ιµάντας περιστρέφεται µε το κάτω κλάδο του βυθισµένο µέσα σε δεξαµενή λιπαντικού ελαίου SAE 20 (κινηµατικό ιξώδες: cst, στη θερµοκρασία εκτέλεσης της άσκησης). Ο άνω κλάδος του ιµάντα ολισθαίνει µεταξύ δύο µεταλλικών πλακών, εκ των οποίων η άνω είναι κεκλιµένη και φέρει υάλινους σωληνίσκους, στερεωµένους κατακόρυφα, σε γνωστά σηµεία της κεκλιµένηςπλάκας.

48 Ωστικό έδρανο ολίσθησης Με την περιστροφή του ιµάντα, ποσότητα λιπαντικού συµπαρασύρεται, δηµιουργώντας Σφήνα λιπαντικού µεταξύ των δύο πλακών. Η κατανοµή των τιµών πίεσης του λιπαντικού στα διάφορα σηµεία της σφήνας, υπολογίζεται από τη µέτρηση της εξαναγκασµένης ανύψωσης του λιπαντικού ελαίου στους υάλινους σωληνίσκους.

53 Ωστικό έδρανο ολίσθησης Η γωνία της σφήνας µεταβάλλεται µε την βοήθεια των δύο έκεντρων, τα οποία αλλάζουν την κλίση της µεταλλικής πλάκας. Το πάχος του λιπαντικού h o στην είσοδο της σφήναςκαιτοπάχος h 1 στηνέξοδο, µετρούνται µε µικρότερα ή για µεγαλύτερη ακρίβεια µε fillers.

55 Ωστικό έδρανο ολίσθησης Μεταβάλλεται ο λόγος στρώµατος λιπαντικού (k), καταγράφονται οι τιµές των υψών του λιπαντικού (Η) και υπολογίζονται η αδιάστατη πίεση (Ρ) και το αδιάστατο φορτίο (W)

57 Ωστικό έδρανο ολίσθησης Χαράσσεται η διαµήκης κατανοµή των αδιαστάτων πιέσεων Ρ και συγκρίνεται µε τη θεωρητική

58 Ωστικό έδρανο ολίσθησης Χαράσσεται η µεταβολή του αδιάστατου φορτίου (W), συναρτήσει του λόγου (k) και συγκρίνεται µε τη θεωρητική