Biuletyn_3-2011

wojskowej Akademii Technicznej

BIU LE TYNk wA r T A lni k

lipiecsierpiewrzesie VOL. LX WARSZAWA 3 (663) 2011

RADA PROGRAMOWAPRZEWODNICZCY gen. bryg. prof. dr hab. in. Zygmunt mieRcZyk, Rektorkomendant WAT

CZONKOWIE dr hab. in. Ryszard AnTkieWicZ, prof. nadzw. WAT (Wydzia cybernetyki) dr hab. in. Zdzisaw bOgdAnOWicZ (Wydzia mechaniczny) prof. dr hab. in. krzysztof cZupRySki (Wydzia nowych Technologii i chemii) pk dr in. krzysztof kOpcZySki (instytut Optoelektroniki) prof. dr hab. in. Radosaw TRbiSki (Wydzia mechatroniki) prof. dr hab. in. ireneusz Winnicki (Wydzia inynierii Ldowej i geodezji) prof. dr hab. in. marian Wnuk (Wydzia elektroniki)

KOLEGIUM REDAKCYJNEPRZEWODNICZCY CZONKOWIE dr hab. in. Andrzej nAJgebAueR, prof. nadzw. WAT informatyka, symulacja komputerowa, systemy wspomagania decyzji dr hab. in. mariusz figuRSki, prof. nadzw. WAT geodezja i kartografia, budownictwo prof. dr hab. in. Zdzisaw JAnkieWicZ optoelektronika, elektronika, elektronika kwantowa, metrologia prof. dr hab. dorota kOcAdA wytrzymao zmczeniowa materiaw i konstrukcji, mechanika pkania prof. dr hab. in. Ryszard pekA elektronika, informatyka, metrologia odcinkw czasu, ukady programowalne, cyfrowe przetwarzanie sygnaw, systemy mikroprocesorowe prof. dr hab. in. Andrzej WALcZAk inynieria materiaowa, inynieria ciekych krysztaw, optoelektronika prof. dr hab. in. edward WOdARcZyk zagadnienia dynamiczne teorii orodkw niesprystych, fale uderzeniowe i detonacyjne, fizyka wybuchu, kumulacja, balistyka kocowa dr hab. in. Jerzy ZieLiSki, prof. nadzw. WAT inynieria materiaowa, inynieria materiaw ciekokrystalicznych dr Ryszard RAdZieJeWSki kierownik Redakcji Wydawnictw WAT mgr beata mALARZ redaktor naczelna REDAKTOR NAUKOWY NUMERU dr hab. in. mariusz figuRSki, prof. nadzw. WAT

Wymagania wydawnicze w zakresie przygotowania materiaw do wydania w Biuletynie Wojskowej Akademii Technicznej (wskazwki dla autorw)biuletyn WAT jest czasopismem naukowym ukazujcym si od 1952 roku jako miesicznik, a od 2006 roku jako kwartalnik. Zamieszczane s w nim prace z zakresu nauk technicznych, matematycznych oraz fizycznych, w tym z: elektroniki, telekomunikacji, optoelektroniki, mechaniki, fizyki technicznej, matematyki i bada operacyjnych, chemii, budowy i eksploatacji maszyn, logistyki. Artykuy s publikowane w jzyku polskim i angielskim. W celu uatwienia wsppracy pomidzy autorami a redakcj zamieszczamy wskazwki dotyczce przygotowania metriaw. prosimy o ich uwzgldnienie. do redakcji biuletynu WAT naley przekaza wersj elektroniczn pracy w programie mS Word oraz jej wydruk. Objto pracy nie moe przekracza 2 arkuszy wydawniczych (co stanowi ok. 24 stron biuletynowych). praca powinna zawiera m.in.: tytuniezawierajcyskrtw(chybaestoskrtypowszechnieznane), imiinazwiskoautora/autorw(pierwszyznichjestuwaanyprzezredakcjzaosob,zktr monasikontaktowa),nazwreprezentowanejprzezniego/nichinstytucjiiichadresy, streszczeniewjzykupolskimtworzcesamodzielnytekst,opisujcyproblemyporuszane w artykule oraz akcentujcy istot pracy z naukowego punktu widzenia, sowakluczowe(min.3),przyczympierwszejestnazwdyscyplinynaukowej,wobrbiektrej mieci si praca, tekstgwnywrazzrysunkami,fotografiami,tabelami, wykazpowoywanejliteratury, tytuisowakluczowewjzykuangielskim, streszczeniewjzykuangielskim. Wydruk komputerowy (maszynopis wydawniczy) powinien by: sporzdzonynapapierzeformatuA4,drukjednostronny, zoonyczcionk12-punktow(TimesNewRoman), zinterlini1,5wiersza, zmarginesemprawym3,5cm, zujednoliconicignumeracj. Tekst Artyku, poprzedzony wstpem i zakoczony wnioskami (lub podsumowaniem), powinien by podzielony na logiczne, kolejno ponumerowane rozdziay (zaopatrzone w tytuy). podany jest dziesitny podzia tekstu na rozdziay (i podrozdziay) z nagwkami ponumerowanymi odpowiednio jednym numerem (1.) dwoma numerami (1.1.) lub trzema (1.1.1.). We wstpie prosimy o zwize wprowadzenie w zagadnienie, z odniesieniem do literatury w zakresie poruszanego problemu, a w podsumowaniu o zasadnicze wnioski wynikajce z pracy. Wzory Wzory matematyczne (pisane w edytorze rwna najlepiej mathType) umieszczane w publikacjach technicznych podlegaj okrelonym reguom wyrniania. Reguy te znalazy odzwierciedlenie w normach midzynarodowych, a take polskich. preferowane s jednostki Si. midzy innymi naley: oznaczaczcionkpochy(kursyw)zmienneorazjedno-idwuliteroweindeksy, czcionkprostoznaczacyfry,jednostkifizyczne(jakm,s,kg),staefizyczneimatematyczne (np. liczba e, jednostka urojona i), nazwy funkcji (sin, cos, tg, log, ln itp.), trzy- i wieloliterowe skrty wyrazw umieszczane w indeksach (const, kryt), wzory i symbole chemiczne. praktyczne wskazwki dotyczce zapisu oznacze naleyzwracauwag,gdziewindeksiemasiznalecyfra0,agdzieliteraO, naleyuwaanazapiszmiennejI, ktra pisana prosto (i) jest bardzo podobna do cyfry 1, co moe prowadzi do pomyek,

literaaciskav () i grecka v ()powinnybywyranierozrnionenawydruku, numerywzorwnaleywpisywapoprawejstroniewnawiasachokrgych, naleywystrzegasipisaniagreckichliterpismempogrubionym(bold). Wane jest, aby w caym tekcie oznaczenia byy konsekwentnie pisane czcionk prost lub kursyw. Rysunki Zaleca si wykonywanie rysunkw w programach tworzcych grafik wektorow, najlepiej w coreldraw 11 (lub niszej wersji). Rysunki i tabele naley umieszcza w tekcie podstawowym, blisko miejsca powoania, ewentualnie dodatkowo jako osobne pliki z nazw (w oryginalnym programie). Tabele powinny by konsekwentnie ponumerowane (niezalenie od ilustracji), mie krtkie tytuy i nagwki kolumn. fotografie fotografie powinny by dostarczone w postaci plikw Jpg lub Tiff w rozdzielczoci nie mniejszej ni 150 dpi (najlepiej 300 dpi). Literatura pimiennictwo, na ktre powoano si w artykule, powinno by zamieszczone po gwnym tekcie, przed angielskim streszczeniem. po numerach w nawiasach kwadratowych naley umieszcza inicjay imion i nazwiska autorw, tytu pracy lub ksiki (kursyw), skrt nazwy czasopisma, tom (volumen), numer w danym roku, wydawc i miejscowo (dla ksiek), rok wydania oraz zakres stron. W sytuacji, gdy publikacja ukazaa si jednoczenie w kilku miejscach, naley podawa tylko pierwsze miejsce wydania. Kwalifikowanie prac do druku 1. 2. 3. 4. materiay autorskie kierowane do druku w biuletynie WAT podlegaj ocenie merytorycznej przez czonkw kolegium Redakcyjnego i przez niezalenych recenzentw. Recenzentw proponuj odpowiedzialni za dany dzia czonkowie kolegium Redakcyjnego. do publikacji kwalifikowane s prace, ktre uzyskay pozytywn opini kocow. Redaktor naczelny, po konsultacji z odpowiedzialnym za dany dzia czonkiem kolegium Redakcyjnego, moe zakwalifikowa do opublikowania komunikat autorski bez recenzji. komunikat ten musi spenia nastpujce wymagania: niemoeprzekraczaobjtocidwchstronbiuletynu, powinienprzedstawiawanyrezultatetapubadawczegolubpracybadawczej, w ustalonym przez redakcj miejscu na pierwszej stronie publikacji musi znale si sowo komunikat. Redakcja czasopisma moe otrzymany materia przeredagowa, skrci lub uzupeni (po uzgodnieniu z autorem) lub nie zakwalifikowa go do publikacji. Redaktor naczelny odmawia opublikowania materiaw autorskich w przypadku, gdy: trecizawartewmateriaachnaruszajprawo(zasadyochronytajemnicy,prawoprasowe, prawo autorskie itp.), pracanieuzyskaapozytywnejopiniikocowej(zwyjtkiempracimateriaw,ktrezgodnie z punktem 4 nie musz by recenzowane). Redaktor naczelny moe odmwi opublikowania materiaw autorskich bez podania przyczyny, a w szczeglnoci w nastpujcych przypadkach: tematykapracyniejestzgodnazpodstawowymzakresemtematycznymBiuletynuWAT, artykuprzekraczadwaarkuszewydawnicze,aautorniezgadzasinawprowadzenie koniecznych skrtw, autorniezgadzasinawprowadzeniewszystkichkoniecznychpoprawekzaproponowanych przez recenzenta lub redakcj, tekstlubmateriailustracyjnyzoonyprzezautoraniespeniawymagatechnicznychpodanych przez redakcj.

5. 6.

7.

SpiS treciE. Wodarczyk, M. Zielenkiewicz Plastyczno-sprysta fala obcienia w ciance grubociennego kulistego zbiornika wymuszona wewntrznym wybuchem ....... T. Kadoski, P. P. Wojdyna Ciecze smarujce dla techniki kosmicznej i metody ich badania ............................................................................................................................ M. Jagoda, M. Rutkowska Badanie parametrw sprystoci Ziemi na podstawie satelitarnych pomiarw laserowych ............................................................................ M. Jagoda, M. Rutkowska Wyznaczanie parametrw sprystoci Ziemi liczb Lovea i Shida dla wybranych miejsc na kuli ziemskiej na podstawie satelitarnych obserwacji laserowych .................................................................................................. M. Szala, L. Szymaczyk Wysokoenergetyczne sole azotetrazolu otrzymywanie i waciwoci ...................................................................................................................

7 27 61

79 97

Z. gowski Zastosowanie sekwencyjnego modelu natychmiastowej detonacji do opisu wybuchu kulistego adunku materiau wybuchowego w powietrzu atmosferycznym ....................................................................................................................... 107 T. Goliski, D. Brudnicki Zastosowanie fluorowanych porfirynoidw w technice i wojskowoci ................................................................................................................. 125 Z. gowski Sekwencyjny model natychmiastowej detonacji adunku materiau wybuchowego o skoczonej objtoci ........................................................................ 147 T. J. Kadoski, . Gryglewicz, M. Staczyk, T. Kadoski Badanie waciwoci powierzchniowych i smarnociowych wybranych olejw perfluoropolieterowych ..... 165 J. Jasiski, K. Kroszczyski, S. Pietrek, I. Winnicki Pozyskiwanie i wstpna analiza wielospektralnych danych satelitarnych do celw rozpoznawania hydrometeorw ................................................................................................................................ 185 R. Dbrowski, M. Kdzierski, M. Wiliska Opracowanie cyfrowej ortofotomapy terenw niedostpnych z wysokorozdzielczych danych satelitarnych ................... 197 W. Maleika, M. Paczyski Opracowanie symulatora echosondy wielowizkowej ... 215 M. Borawski Kompresja JPG obrazu sonarowego z uwzgldnieniem zaoonego poziomu bdu ............................................................................................................... 227 J. ubczonek Wykorzystanie analiz przestrzennych w wyznaczaniu pooenia anten GPS stacji referencyjnej w Dziwnowie ....................................................................... 247 A. Frykowska Analiza moliwoci wykorzystania danych z lotniczego skaningu laserowego do opracowywania trjwymiarowych modeli miast ............................ 261 B. Kraszewski Okrelanie zakresu wykorzystania modeli stereoskopowych naziemnych zdj cyfrowych do odtwarzania wntrz pomieszcze ................................... 277

6

Spis treci

J. Duda Zastosowanie techniki HDR do obrazw pozyskiwanych z sektorowego sonaru skanujcego ....................................................................................................... 291 A. Stateczny, N. Wawrzyniak Wykorzystanie wysokorozdzielczych danych batymetrycznych w analizie obrazw sonaru skanujcego ............................................. 307 A. Orych Metodyka prowadzenia analizy wizualnej zobrazowa cyfrowych w celu wyznaczania dopuszczalnej wysokoci lotu dla misji Open Skies .......................... 321 M. Wiliska, M. Kdzierski, R. Dbrowski Analiza wpywu korekcji biasu na dokadno produktw fotogrametrycznych z wysokorozdzielczych danych satelitarnych ........ 335 K. Pyka Wykorzystanie transformacji falkowej do oceny spadku jakoci radiometrycznej w procesie mozaikowania ortofotomapy .................................................... 353 M. Grdzki Implementacja i rwnolega kryptoanaliza funkcji skrtu z rodziny MASH (ang.) .................................................................................................................. 365 A. Gsecki, M. Misztal Zastosowanie technik algebraicznych w kryptoanalizie rnicowej na przykadzie szyfru blokowego DES ................................................... 379 K. Kaczyski Implementacja algorytmu SOSEMANUK w strukturze FPGA ........ 391 Z. Jelonek Nowy kryptosystem symetryczny (ang.) .................................................... 415

CONTENTSE. Wodarczyk, M. Zielenkiewicz Plastic-elastic stress wave in the wall of a thick-walled spherical reservoir forced with an internal explosion ............................................................. T. Kadoski, P. P. Wojdyna Liquid lubricants for space engineering and methods for their testing .............................................................................................................................................. M. Jagoda, M. Rutkowska Investigation of the elastic Earth parameters using the satellite laser ranging data .......................................................................................................................... M. Jagoda, M. Rutkowska Estimation of the elastic Earth parameters Love and Shida numbers for chosen Earth places using satellite laser ranging data ....................................................... M. Szala, L. Szymaczyk Synthesis and properties of high energetic azotetrazolate salts .... Z. gowski Application of the sequential type of an instantaneous detonation for describing the explosion of a spherical charge in the atmosphere ............................................................ T. Goliski, D. Brudnicki Technical and military applications of fluorinated porphyrinoids .................................................................................................................................................... Z. gowski Sequential type of an instantaneous detonation to the finite volume explosive charge ............................................................................................................................................. T. J. Kadoski, . Gryglewicz, M. Staczyk, T. Kadoski Investigations on lubricity and surface properties of selected perfluoropoliether oils .............................................................. J. Jasiski, K. Kroszczyski, S. Pietrek, I. Winnicki Acquisition and initial analysis of multispectral satellite data for recognition of hydrometeors ........................................................... R. Dbrowski, M. Kdzierski, M. Wiliska The use of high resolution satellite data in generating a digital ortoimage of an inaccessible area ..................................................................... W. Maleika, M. Paczyski Development of a simulator of multibeam echosounder ........... M. Borawski JPG compression of sonar image with taking into account an assumed level of error ................................................................................................................................................ J. ubczonek Application of spatial analysis for determination of GPS antennas placement in Dziwnw reference station ..................................................................................................... A. Frykowska Analysis of using aerial laser scanning data in 3D city models generation ....... B. Kraszewski Estimation of the utilization range of the stereo model of terrestial digital images for interiors modelling ................................................................................................................. J. Duda Application of HDR image method for sector scanning sonar images ..................... A. Stateczny, N. Wawrzyniak Application of high resolution bathymetric data in the analysis of scanning sonar images ............................................................................................................. A. Orych The methodology of conducting visual analysis of digital imagery when determining the minimal height above ground level for Open Skies missions .......................................... M. Wiliska, M. Kdzierski, R. Dbrowski The analysis of the effect of bias correction on the accuracy of photogrammetric products derived from high resolution satellite data ..........

7 27 61 79 97 107 125 147 165 185 197 215 227 247 261 277 291 307 321 335

422

Contents

K. Pyka The use of wavelets for evaluation of loss in radiometric quality in the orthophoto mosaicking process ....................................................................................................................... M. Grdzki Implementation and parallel cryptanalysis of MASH hash function family ..... A. Gsecki, M. Misztal Application of algebraic techniques in differential cryptanalysis against block cipher DES .......................................................................................................................... K. Kaczyski Hardware implementation of SOSEMANUK stream cipher ............................ Z. Jelonek New symmetric cryptosystem .....................................................................................

353 365 379 391 415

Biuletyn WAt Vol. lX, nr 3, 2011

Plastyczno-sprysta fala obcienia w ciance grubociennego kulistego zbiornika wymuszona wewntrznym wybuchemEdward wodarczyk, Mariusz ziElEnkiEwicz1wojskowa akademia Techniczna, wydzia Mechatroniki, 00-908 warszawa, ul. s. kaliskiego 2, [email protected] 1 wojskowy instytut Techniczny uzbrojenia, zakad uzbrojenia artyleryjskiego, 05-220 zielonka, ul. Prymasa stefana wyszyskiego 7, [email protected] Streszczenie. rozwizano analitycznie zagadnienie propagacji sprysto-plastycznej fali obcienia w ciance grubociennego zbiornika kulistego. Fala generowana jest przez jednorodne cinienie wytworzone w sposb nagy (wybuch) wewntrz zbiornika. Materia zbiornika aproksymowano nieciliwym orodkiem sprysto-idealnie plastycznym. uzyskano analityczne wyraenia okrelajce prdko propagacji frontu fali plastycznej i ksztat jego trajektorii przemieszczania si na paszczynie (r, t). wsprzdna pooenia frontu fali rp(t) jednoznacznie determinuje w postaci zamknitych wyrae wszystkie parametry problemu. z wyprowadzonych zalenoci mona okreli eksplicite rozmiary strefy cianki zbiornika odksztaconej plastycznie. okrelono rwnie minimaln warto cinienia pm, przy ktrej caa cianka zbiornika objta jest stref odksztacenia plastycznego. udowodniono, e przy cinieniu p > 20 ln zbiornik jest niszczony. Praca ma walory poznawcze i aplikacyjne. Sowa kluczowe: wytrzymao dynamiczna zbiornikw grubociennych, obcienia wybuchowe, sprysto-plastyczne fale naprenia

1. WprowadzenieJednowymiarowe zagadnienia pocztkowo-brzegowe, zwizane z wybuchowym obcianiem rnych orodkw oraz konstrukcji o symetriach cylindrycznej i kulistej, byy i s analizowane przez wielu badaczy [1-14]. do tej grupy zagadnie nale midzy innymi dynamiczne obcianie wewntrznym cinieniem grubociennych cylindrycznych lub kulistych zbiornikw oraz oson balistycznych o takich

8

E. Wodarczyk, M. Zielenkiewicz

symetriach. w produkcji luf armatnich i wysokocinieniowych zbiornikw stosuje si tak zwany autofrettage. Jest to samowzmocnienie wymienionych obiektw za pomoc wysokiego cinienia (wybuchu mieszaniny gazowej), powodujcego plastyczne odksztacenie ich wewntrznych warstw. Po takim przepreniu obiektw robocze obcienie powoduje w nich tylko odksztacenia spryste. z przytoczonych przykadw wybranych zagadnie technicznych wynika wniosek, e jednowymiarowa dynamika zbiornikw i oson balistycznych obcionych wybuchowo jest wanym problemem zasugujcym na szczegowe teoretyczne badania z rnych punktw widzenia. w ujciu oglnym s to skomplikowane pod wzgldem matematycznym zagadnienia pocztkowo-brzegowe. opisuje si je zwykle ukadem nieliniowych lub quasi-liniowych rwna rniczkowych z pochodnymi czstkowymi. z kolei rozwizuje si je metodami numerycznymi za pomoc skomplikowanych kodw numerycznych [13]. wad metod komputerowych jest duy koszt programw. Poza tym, bardzo czsto wymagaj one pokanych iloci czasu do ich realizacji. dla pokonania trudnoci matematycznych stosuje si czsto rozsdny kompromis z fizyk danego zjawiska, ktry pozwala zlinearyzowa problem i uzyska analityczne jego rozwizanie. Takie uproszczone teorie daj badaczom wgld we wzajemne oddziaywanie fizycznych parametrw i ich reakcj na wynik danego zdarzenia. Te oddziaywania s najczciej trudne do stwierdzenia na podstawie zawiych, skomplikowanych wydrukw komputerowych. w rezultacie, proste inynierskie teorie czsto dostarczaj podstawy do projektowania eksperymentw i wytyczaj kierunek oraz zakres oblicze numerycznych, a take uatwiaj interpretacj wynikw bada eksperymentalnych. dane literaturowe z zakresu problemw jednowymiarowych w wikszoci przypadkw dotycz propagacji fal sprystych i sprysto-plastycznych w orodkach nieskoczonych [6, 7]. obszerny detaliczny przegld literatury zwizanej z tymi problemami przedstawiono w pracy [3]. ciekawe zamknite rozwizania i analiz wpywu waciwoci materiau sprystego oraz warunkw brzegowych na parametry ekspandujcej kulistej fali naprenia przedstawiono w pracach [10-12, 14]. w dostpnej literaturze technicznej brak jest analitycznych rozwiza, okrelajcych w zamknitej postaci stany napre z uwzgldnieniem odksztace plastycznych w grubociennych zbiornikach obcionych wewntrznie w sposb wybuchowy. zagadnienie takie w zakresie odksztace sprystych rozwizano w pracy [9]. w niniejszej pracy podjto prb analitycznego rozwizania zagadnienia pocztkowo-brzegowego z uwzgldnieniem odksztace plastycznych dla grubociennego zbiornika kulistego obcionego wewntrznie w sposb wybuchowy. rozwizanie to, razem z wynikami pracy [9], umoliwi inynierom konstruktorom szacowanie za pomoc prostych wzorw kresu grnego dynamicznych parametrw mechanicznych w ciance zbiornika spowodowanych, na przykad, wewntrznym wybuchem mieszaniny gazowej.

Plastyczno-sprysta fala obcienia w ciance grubociennego kulistego zbiornika...

9

2. Sformuowanie problemurozpatrzmy zagadnienie propagacji plastyczno-sprystej fali obcienia w ciance grubociennego zbiornika kulistego. Fala generowana jest przez jednorodne cinienie wytworzone w sposb nagy (wybuch) wewntrz zbiornika. oznaczymy literami a i b promienie, odpowiednio: wewntrzny i zewntrzny cianki zbiornika. Materia zbiornika jest jednorodny, izotropowy, sprysto-idealnie plastyczny oraz nieciliwy w zakresie odksztace sprystych i plastycznych. Problem jest przestrzennie jednowymiarowy. w matematycznym opisie zagadnienia stosujemy wsprzdne lagrangea r, t. w zwizku ze sferyczn symetri ukadu, stany napre i odksztace w ciance zbiornika reprezentowane s przez nastpujce skadowe gwne tensorw naprenia i odksztacenia: r naprenie promieniowe (radialne), = naprenia obwodowe (styczne), r odksztacenie promieniowe (radialne), = odksztacenia obwodowe (styczne). Pozostae skadowe tensorw naprenia i odksztacenia w tym ukadzie wsprzdnych s rwne zeru. intensywnoci naprenia i odksztacenia w badanym ukadzie okrelone s wyraeniami [15, 16]: i = r > 0, i = r > 0. (2.1) (2.2)

na granicy odksztace plastycznych, zgodnie z warunkiem plastycznoci Hubera-Misesa-Henckyego, a w przypadku symetrii kulistej, rwnie Treski, mamy [16]: i = r = 0 , (2.3) gdzie 0 jest wartoci granicy plastycznoci uzyskanej z dynamicznej prby rozcigania. zagadnienie jest rozwizywane w ramach teorii maych odksztace sprystoplastycznych, zgodnie z ktr mamy nastpujce zwizki geometryczne [4, 7]: r (r , t ) = u (r , t ) u (r , t ) , (r , t ) = (r , t ) = . r r (2.4)

dalej z prawa Hookea wynika, e: (r , t ) r (r , t ) = 2 (r , t ) r (r , t ) , (2.5)

10


gdzie u jest przemieszczeniem radialnym punktu cianki zbiornika, a oznacza modu kirchhoffa: E = . (2.6) 2 (1 + ) z kolei symbole E i oznaczaj odpowiednio modu younga i liczb Poissona. z nieciliwoci materiau zbiornika wynika, e jednostkowy przyrost objtoci rwna si zeru, tj.: r + 2 = 0. kombinacja wyrae (2.4) i (2.7) daje: u u + 2 = 0. r r caka oglna rwnania (2.8) ma posta: u (r , t ) = C (t ) r2 (2.9) (2.8) (2.7)

i obowizuje zarwno dla strefy sprystej rp (t ) r b jak i plastycznej a r rp (t ), gdzie r = rp (t ) (2.10) jest rwnaniem ruchomej powierzchni granicznej (fali plastycznej) midzy strefami. wielko C(t) jest dwa razy rniczkowaln funkcj czasu, ktr okrela si przez realizacj warunkw granicznych. rwnanie ruchu dla maych odksztace w obydwch strefach ma posta: r r 2u +2 = 0 2 . r r t (2.11)

Tak sformuowane zagadnienie bdziemy rozwizywa dla nastpujcych warunkw granicznych: r (a, t ) = p (t ) dla r (b, t ) 0 dla r = a, r = b, (2.12) (2.13)


11

u (r ,0) 0 i

(r ,0) =

u t

0.t =0

(2.14)

obecnie przejdziemy do konstrukcji analitycznego rozwizania sformuowanego wyej zagadnienia pocztkowo-brzegowego.

3. Analityczne rozwizanie problemuz analizy rozwizania (2.9) i wyrae (2.3)-(2.5) oraz fizycznego modelu badanego ukadu wynika, e odksztacenia plastyczne cianki zbiornika zaczn si na jej wewntrznej powierzchni, r = a, i bd propagowa si w kierunku powierzchni zewntrznej, r = b (rys. 1). rozmiar strefy odksztace plastycznych zdeterminowany jest przez warto cinienia p i grubo cianki zbiornika. rozwaania zaczniemy od rozwizania problemu w strefie sprystej, rp (t ) r b.

rys. 1. schemat badanego ukadu

3.1.

Rozwizania w strefie sprystej

zgodnie z prawem Hookea (2.5) i rozwizaniem (2.9) w strefie sprystej mamy: C (t ) u u r = 2 r = 2 = 6 3 . r r r

(

)

(3.1)

12


Po podstawieniu wyrae (2.9) i (3.1) do rwnania (2.11), scakowaniu oraz wykorzystaniu warunku brzegowego (2.13) otrzymuje si: r (r , t ) = 0 r b r 3 b3 C (t ) + 4 3 3 C (t ); br br 2 d C (t ) . C (t ) = dt 2 C (t ) < 0 , a3

(3.2)

Jeli speniony jest warunek r = 6 (3.3)

to w ciance zbiornika nie wystpuj odksztacenia plastyczne. w tym przypadku, po podstawieniu wyraenia (3.2)1 do warunku brzegowego (2.12) i przeksztaceniach, mamy: b 2 + ab + a 2 ab C (t ) + 4 C (t ) = p (t ). 2 2 0 ab 0 (b a ) wprowadzimy nastpujce oznaczenia: c= , 02 b b 2 + ab + a 2 c + +1 2 = , 0 = 4 = 4 , a a 0 a 2b 2 2 2

(3.4)

(3.5)

gdzie c oznacza prdko propagacji fali poprzecznej w materiale zbiornika (osony), a 0 jest koow czstoci jego drga wasnych. okazuje si, e podobnie jak rura nieciliwa [9], grubocienna sprysta osona kulista charakteryzuje si jedn czstoci drga wasnych i zachowuje si podobnie jak ukad mechaniczny o jednym stopniu swobody. Funkcja C(t), po uwzgldnieniu (3.5) i (2.14), okrelona jest nastpujcym rwnaniem: a 2 C (t ) + 0 C (t ) = p (t ), 0 1 z jednorodnymi warunkami pocztkowymi: dC (t ) C (0) = 0 i C (0) = = 0. dt t = 0 (3.7) (3.6)


13

rozwizanie rwnania (3.6) z warunkami pocztkowymi (3.7) ma posta [7]: C (t ) = a p ( )sin0 (t )d . 0 0 1 0t

(3.8)

z kolei, z rwnania (3.6) wynika, e: a 2 C (t ) = p (t ) 0 C (t ). 0 1 (3.9)

Jak wida, dla zadanego cinienia p(t), za pomoc caki (3.8) jednoznacznie okrela si funkcj C(t), ktra determinuje wszystkie parametry problemu, a mianowicie: C (t ) , r2 C (t ) u r (r , t ) = = 2 3 , r r u (r , t ) = (r , t ) = (r , t ) = r (r , t ) =3

(3.10) (3.11) (3.12)

u C (t ) = 3 , r r

1 b b b 2 + ab + a 2 b 1 p (t ) + 4 3 1 1 C (t ), (3.13) r 1 r b r a2 (r , t ) = 1 b 1 p (t ) + 1 r 3 b 2 + ab + a 2 b 2+ 2 r a2

+2 3 b

b 1 C (t ). r

(3.14)

dla staego cinienia p(t) = p = const, po obliczeniu caki (3.8), mamy: C (t ) = a 3 p b3 (1 cos 0t ). 4 b3 a 3 (3.15)

Jeli wewntrz zbiornika wytworzone jest cinienie w sposb statyczny, tj.: p(t) = ps = const, to funkcja C(t) = Cs = const. wwczas C (t) = 0 i z relacji (3.2) otrzymuje si: r (r , t ) = rs (r ) = 4 b3 r 3 Cs . b3 r 3 (3.16)

14


z kolei, z warunku brzegowego rs (a ) = ps i wzoru (3.16) wynika, e: Cs = 1 ps a 3 b 3 1 ps 3 3 = a. 4 b3 a 3 4 3 1 (3.17)

dalej, po podstawieniu do wzorw (3.10)-(3.14) w miejsce funkcji C(t) wielkoci Cs, otrzymuje si wartoci parametrw problemu dla obcienia statycznego. z analizy zamieszczonych wyej wzorw wynika oglny wniosek, e kulisty zbiornik obciony w sposb nagy wewntrznym cinieniem p = const, w zakresie sprystym zachowuje si jak ukad mechaniczny o jednym stopniu swobody. Jego cianka drga radialnie z czstotliwoci koow okrelon wzorem: 2 + + 1 0 0 = =2 . (c a ) (3.18)

dynamiczny stan parametrw mechanicznych zbiornika zmienia si w funkcji czasu cyklicznie wok wartoci statycznych, uzyskanych przy cinieniu wytworzonym statycznie o tej samej wartoci, tj. p = ps = const. obszerna detaliczna analiza mechanicznych parametrw zbiornika w zakresie sprystym prezentowana jest we wczeniejszej pracy autorw [9]. 3.2. Rozwizanie w strefie plastycznej

w pierwszej kolejnoci okrelimy prdko przemieszczania si granicy midzy strefami odksztace plastycznych i sprystych, tj. drp (t ) dt = rp (t ). z relacji (3.1) i (3.15) oraz warunku plastycznoci (2.3) wynika, e stan plastyczny zaczyna si na wewntrznej powierzchni zbiornika, tj. dla r = a, po upywie pewnego czasu tp. okrelimy ten czas dla przypadku p = const. w tym celu podstawimy funkcj C(t) okrelon wzorem (3.15) do wyraenia (3.1). Po przeksztaceniach mamy: 3 3 r = p 3 1 cos 0t p , 2 1

(

)

a po wykorzystaniu warunku plastycznoci (2.3) jest: 1 cos 0t p = 2sin 2 lub sin 0 t p 2 = 0 t p 2 = 2 3 1 0 3 3 p

3 1 0 , 3 3 p


15

zatem tp =

2 arc sin 0

3 1 0 , 3 3 p

p

3 1 0. 3 3

(3.19)

obecnie podstawimy rozwizanie (2.9) i warunek plastycznoci (2.3) do rwnania dynamicznej rwnowagi (2.11). nastpnie, po scakowaniu otrzymanej relacji i wykorzystaniu warunku brzegowego (2.12), dostajemy: r (r , t ) = 2 0 ln r 1 1 + 0 C (t ) p (t ). a r a (3.20)

na granicy midzy obszarami, sprystym i plastycznym, tj. dla r = rp(t), wartoci napre radialnych, okrelone wzorami (3.2) i (3.20), powinny by takie same, mamy zatem: 1 1 + 0 C (t ) p (t ) = a a rp (t ) 3 rp (t ) b rp (t ) b3 C (t ) + 4 3 3 C (t ) , = 0 brp (t ) b rp (t ) 2 0 ln a po przeksztaceniu jest3 3 3 rp3 (t ) 0 1 4 rp (t ) a 2 C (t ) 3 3 3 3 C (t ) + 0 ln 3 = p (t ). a a rp (t ) a a 3

rp (t )

(3.21)

Poza tym, z warunku plastycznoci (2.3) i wyraenia (3.1) wynika, e na powierzchni granicznej speniona jest dodatkowa relacja: 0 = 6 C (t ) 6 = 3 C (t ) rp3 (t ) a 3 . 3 rp (t ) a (3.22)

dla uoglnienia rozwaa, wprowadzimy nastpujce wielkoci bezwymiarowe: rp3 () t r b u = , = , p () = 3 , = , U= , tp a a a a Sr = = r , 0 S = 0 , Si = r 0 , P= p , 02

(3.23)

-1 a 2 0 3 -1 = 3 arc sin 2 tp

(

3

1)/ 3 3 P .

16


wwczas z wyrae (3.22) i (3.23) otrzymuje si: C (t ) = a3 0 p (), 6 dC a 3 0 p (), = dt 6t p d 2C a 3 0 p (), = 2 dt 2 6t p

d , p () = d

2 () = d . p d 2

(3.24)

ostatecznie po uwzgldnieniu relacji (3.23) i (3.24) oraz zaoeniu staego cinienia p(t) p = const, rwnanie (3.21) redukuje si do postaci: gdzie f p = () = f , p p

( )

(3.25) (3.26)

( )

2 2 2ln p + 3 p + 3P 2 .

dalej, rwnanie (3.25) mona zapisa w nastpujcym ksztacie: d 2 p d = 2 p p = 2 p f p ,

( )

a std, po scakowaniu, otrzymuje si: 2 () = 2 (1) + 2 f (y )dy, p p1 p

(3.27)

gdzie p (1) jest wartoci prdkoci propagacji granicy odksztace plastycznych w chwili t = tp. Jest to czas startu fali plastycznej z wewntrznej powierzchni zbiornika p t p = 1 . z kolei, po podstawieniu wyraenia (3.26) do rwnania (3.27) i wykonaniu cakowania w zaznaczonych granicach, otrzymuje si:

()

dp

2 2 4 1 2 = p (1) + 3 p 1 + 3P p 1 2 p ln p , d

(

)

(

)

1

(3.28)

a po rozdzieleniu zmiennych i scakowaniu mamy: 4 1 = 1 + 2 (1) + 3 (y 2 1)+ 3P (y 1) 2 y ln y p 1 p 1 2

dy.

(3.29)

Jak wida, do penej identyfikacji frontu plastyczno-sprystej fali obcienia potrzebna jest jeszcze warto pocztkowej jej prdkoci, tj. p (1).


17

z zalenoci (3.15) od strony strefy odksztace sprystych mamy: dC (t ) a 3 b3 p = 0 sin 0t , dt 4 b3 a 3 a z relacji (3.24) jest: dC (t ) a 3 0 = p (). dt 6t p z powyszych wyrae dla t = tp ( = 1) otrzymuje si 3 3 p (1) = P 0t p sin 0t p . 2 3 1 (3.30)

w ten sposb uzyskalimy rwnanie okrelajce na paszczynie (, ) [a po uwzgldnieniu (3.23) rwnie na paszczynie (r, t)] w odwrotnej postaci ksztat frontu plastyczno-sprystej fali obcienia propagujcej si w ciance zbiornika, ktra dzieli j na strefy odksztace sprystych i plastycznych (rys. 1). z zalenoci (3.24) i analizy wyprowadzonych dotychczas wzorw wynika, e funkcja p() jednoznacznie determinuje wszystkie parametry problemu. na przy kad, eliminujc z rwna (3.2) i (3.20) funkcj C(t) i jej pochodn C (t) za pomoc P = 2ln , relacji (3.24), w strefie odksztace sprystych, tj. w przedziale dla naprenia radialnego otrzymuje si: S r (, ) = + 2 2 1 ln p () + 2 1 + 2 p () + 3 ( 1) 3

3P 2 . + 3 ( 1)

(3.31)

natomiast w strefie odksztace plastycznych, tj. w przedziale 1 3 p , mamy: S r (, ) = 2ln + 1 2 2ln p () + 3 p () + 3P 2 P. (3.32) 3 ( 1)

intensywno naprenia w wymienionych strefach okrelona jest odpowiednio wzorami: Si (, ) = S (, ) S r (, ) = p () 3 ; S z (, ) = 1. (3.33)

18


radialne przemieszczenie punktw cianki zbiornika w obydwch strefach okrelone jest tym samym wzorem, a mianowicie: U (, ) = 0 p () . 6 2 (3.34)

w analogiczny sposb mona uzyska rozwizanie rozpatrywanego problemu dla kulistej kawerny obcionej wewntrznym cinieniem w nieskoczonym izotropowym orodku nieciliwym. w tym celu naley dokona przejcia granicznego, zwikszajc grubo cianki zbiornika do nieskoczonoci ( ). Takie rozwizanie prezentujemy w nastpnej czci pracy.

4. Rozwizanie problemu dla kulistej kawerny w orodku nieskoczonymdla odrnienia parametrw problemu dla takiego wariantu rozwizania oznaczamy je dolnym indeksem, . dokonujc przej granicznych z wartoci parametru do nieskoczonoci w wyprowadzonych dotychczas wzorach, otrzymuje si: lim 0 = lim 2

c a

2 + + 1 c = 2 = 0 , 2 a 3 1 0 a 1 = arc sin = t p , 3 3 p c 3P 1 = arc sin 3P -2

(4.1)

lim t p = lim

2 arc sin 0

(4.2) = , (4.3)

1 2 + + 1 lim = lim 3 arc sin (3 1) 3 3 P lim f p = lim

2

( )

2 2 2ln p + 3 p + 2 P 2 =

2 = 2ln p + 3P 2 = f p ,

(

)

( )

(4.4)

lim p (1) = lim

3 3 P 0t p sin 0t p = 2 3 1

1 = 3P arc sin sin 0 t p = p (1), 3P

(4.5)


19

4 3P p 1 2 p ln p lim p () = 2 (1) + p

(

)

1

2

= p (),

(4.6) (4.7) (4.8)

4 lim = 1 + 2 (1) + p 3P (y 1) 2 y ln y dy = , 1 lim S r (, ) =

p

1 2

2 2 3P 2 ln p () 3 ln p () = Sr , 3 3 33

w strefie odksztace sprystych, tj. dla lim S r (, ) = 2ln +

p oraz (4.9)

1 2ln p () + 3P 2 P, 3

w strefie odksztace plastycznych, tj. dla 1 3 p .

5. Analiza parametrw plastyczno-sprystej fali obcieniaJako pierwsze w kolejnoci okrelimy przedziay wartoci zmiennych i , w ktrych ma miejsce proces obcienia orodka. Jak wiadomo [15, 16], w strefie obcienia intensywno odksztacenia i (r , t ) = (r , t ) r (r , t ) = u (r , t ) u (r , t ) C (t ) =3 3 r r r (5.1)

w danym punkcie orodka jest rosnc funkcj czasu, tj. C (t ) d i = 3 3 0. dt r z zalenoci (3.24)2 i (5.2) wynika, e w strefie obcienia mamy: p () 0. zatem intensywno odksztacenia osiga maksymaln warto dla p (e ) = 0. (5.4) (5.3) (5.2)

20


zgodnie z rwnaniem (3.28), warunek (5.4) jest speniony jeli: 1 2 p (e ) 1 + 3P p (e ) 1 2 p (e )ln p (e ) = 3 9 = 2 (1) = P 2 sin 2arc sin p 3 4 4 1 3

1 1 . 3 3 P 3

2

(5.5)

z tego rwnania przestpnego, dla danych wartoci parametrw P i , wyznaczamy wielko p(e). z kolei, zgodnie z relacj (3.29), warto e okrela wyraenie: p (e )

e = 1 +

1

2 2 4 1 p (1) + 3 (y 2 + 1)+ 3P (y 1) 2 y ln y dy.

1

(5.6)

w ten sposb okrelono granice obszaru na paszczynie (, ), w ktrym ma miejsce pocztkowa faza procesu obcienia, a mianowicie: 1 3 p (e ), 0 e . (5.7)

Prezentowane w niniejszej pracy rozwizanie obowizuje w tych przedziaach wartoci zmiennych i . Jak ju stwierdzono wczeniej, za pomoc funkcji p() mona jednoznacznie okreli wszystkie parametry problemu. Przede wszystkim determinuje ona pooenie frontu fali plastycznej na paszczynie (, ), a mianowicie: = 3 p (). (5.8)

Jej ksztat opisany jest w odwrotnej postaci rwnaniem (3.29), uzupenionym wyraeniem (3.30). z analizy tego rwnania wynika, e ksztat funkcji p() zaley od dwch parametrw P i , tj. od wartoci cinienia p i dynamicznej granicy plastycznoci 0 (P = p/0) oraz od gruboci cianki zbiornika ( = b/a). Przykadowe ksztaty trajektorii przemieszczania si frontu fali plastycznej dla kilku wartoci parametru P i = 2 pokazane s na rysunku 2. Jak wida, po przekroczeniu pewnej wartoci parametru P, a mianowicie dla P Pm, odksztacenie plastyczne obejmuje ca grubo cianki zbiornika. obecnie okrelimy minimaln warto parametru P = Pm, przy ktrej caa cianka zbiornika ulega plastycznemu odksztaceniu. w tym celu w rwnaniu (5.5) naley podstawi p = 3. wwczas, po przeksztaceniach, otrzymuje si rwnanie przestpne w postaci:


21

3 1 Pm + 3 3 6 1 +3 (3 1)Pm = 2 3 ln 3 , 3 z ktrego okrela si warto parametru Pm dla danego . charakter zmiany wielkoci Pm w funkcji pokazany jest na rysunku 3.

9 3 2 Pm sin 2arc sin 3 4 1

2

(5.9)

rys. 2. Przykadowe trajektorie propagacji frontu fali plastycznej na paszczynie (, )

rys. 3. zmiana wielkoci Pm w funkcji

22


z kolei na rysunku 4 prezentowana jest zmiana wsprzdnej frontu fali plastycznej w funkcji zmiennej przestrzennej dla kilku wartoci parametru P i = 2. zgodnie z przewidywaniem, wraz ze wzrostem obcienia P = p/0 powiksza si strefa odksztacenia plastycznego i przy P = Pm obejmuje ona ca grubo cianki.

rys. 4. ksztaty funkcji p() dla kilku wartoci parametru P i = 2

w przypadku, gdy parametr P > Pm, wwczas ruch cianki zbiornika, zgodnie z rwnaniem (3.20) i warunkiem brzegowym (2.13), zdeterminowany jest nastpujc pochodn funkcji C(t): ab 1 b Cb (t ) = p 2 0 ln . b a 0 a z rwnania tego wynika, e dla wartoci cinienia speniajcej nierwno: p > 2 0 ln (b a ), (5.11) (5.10)

przyspieszenie ruchu cianki zbiornika jest dodatnie (2u / t 2 )= C (t ) / r 2 > 0. oznacza to, e jej przemieszczenie radialne ronie w sposb nieograniczony i zbiornik obciony wewntrznie cinieniem o wartoci (5.11) ulega zniszczeniu. Majc to na uwadze, zakadamy w dalszym cigu rozwaa, e cinienie p spenia nastpujcy warunek: b p < 2 0 ln . (5.12) a


23

z (5.10) po kolejnych cakowaniach otrzymuje si: ab 1 b Cb (t ) = p 2 0 ln t + A, b a 0 a Cb (t ) = ab 1 b 2 p 2 0 ln t + At + B. 2 (b a ) a (5.13) (5.14)

stae a i B okrelamy z nastpujcych warunkw: a3 0 a3 0 a3 3 0 , Cb (tb ) = C (tb ) = p (b ), Cb (tb ) = p (b ) = 6 tp 6 6 (5.15)

gdzie tb oznacza czas wyjcia frontu fali plastycznej na swobodn powierzchni. okrelamy go z rwnania p (tb ) = 3 . dalej z wyrae (5.13), (5.14) i (5.15) wynika, e A= a3 0 ab 1 b p (b ) p 2 0 ln tb 6 tp b a 0 a (5.16)

a3 3 0 ab 1 b 2 B= p 2 0 ln tb Atb . 6 a b a 0

(5.17)

Jak ju stwierdzono wczeniej, proces obcienia cianki zbiornika w tej fazie ruchu trwa do chwili t0, w ktrej pochodna Cb (t0 ) = 0. zatem z wyraenia (5.13) otrzymuje si: t0 = A ab 1 b p 2 0 ln . b a 0 a (5.18)

Po fazie obcienia w ciance zbiornika nastpuje spryste odcienie. zagadnieniem tym zajmiemy si w oddzielnym opracowaniu. wreszcie na rysunku 5 pokazujemy zmian wzgldnego naprenia radialnego Sr = r/0 wzdu gruboci cianki dla trzech wartoci zmiennej czasowej (1,5; 2,5; 4,5). Jak wida, bezwzgldna warto wielkoci Sr maleje od wartoci Pm w przyblieniu liniowo w strefie plastycznej, a w strefie sprystej w przyblieniu hiperbolicznie do 0.

24


rys. 5. zmiana wielkoci Sr w funkcji dla trzech wartoci zmiennej czasowej (1,5; 2,5; 4,5)

6. Wnioski kocowez uzyskanego analitycznego rozwizania problemu wynikaj nastpujce wnioski: 1. wartoci cinienia wybuchu p determinuj stan odksztacenia plastycznego w ciance zbiornika, a mianowicie: jeli p 3 1 P= < , 0 3 3 cianka nie odksztaca si plastycznie; jeli cinienie zawarte jest w przedziale 3 1 P < Pm , 3 3 wewntrzna cz cianki a r rp odksztacona jest plastycznie; dla Pm P < 2ln , caa grubo cianki jest odksztacona plastycznie; przy cinieniu P = 2ln , zbiornik jest niszczony.


25

2. analityczna posta frontu fali plastycznej p() pozwala okreli analitycznie wszystkie parametry badanego problemu. 3. Praca oprcz elementw poznawczych posiada istotne walory praktyczne przydatne konstruktorom grubociennych zbiornikw wysokocinieniowych.Artyku wpyn do redakcji 7.07.2010 r. Zweryfikowan wersj po recenzji otrzymano w lipcu 2010 r.

liTEraTura [1] r. H. cole, Underwater explosions, Princeton university Press, Princeton, new Jersey, 1948. [2] J. s. rinehart, J. Pearson , Explosive working of metals, a Pergamon Press Book the Macmillan company, new york, 1963. [3] H. G. Hopkins, Dynamic expansion of spherical cavities in metals, [in:] Progress in solid Mechanics, 1, 1960, 84-164. [4] J. d. achenbach, Wave propagation in elastic solids, north-Holland Publishing company, amsterdam-oxford, 1975. [5] F. . Baum, l. P. orlenko, k. P. stanjukovic, B. J. szexter, Physics of explosion [in russian], nauka, Moskow, 1975. [6] w. P. korobeiinikow, Problems of the spherical explosion theory [in russian], nauka, Moscow, 1985. [7] s. kaliski, cz. rymarz, k. sobczyk, E. wodarczyk, Waves, Elsevier, amsterdamoxford new yorkTokyo, 1992. [8] E. wodarczyk, Introduction into mechanics of explosion [in Polish], Pwn, warszawa, 1994. [9] E. wodarczyk, M. zielenkiewicz, Dynamics of a thick walled spherical casing loaded with a time depending internal pressure, Journal of Theoretical and applied Mechanics, 46, 1, 2008, 21-40. [10] E. wodarczyk, M. zielenkiewicz, Influence of elastic material compressibility on parameters of an expanding spherical stress wave, shock waves, 18, 2009, 465-473. [11] E. wodarczyk, M. zielenkiewicz, Analysis of the parameters of a spherical stress wave expanding in linear isotropic elastic medium, Journal of Theoretical and applied Mechanics, 47, 4, 2009, 761-778. [12] E. wodarczyk, M. zielenkiewicz, Wpyw ruchu powierzchni przyoenia warunkw brzegowych na dynamik kulistej osony balistycznej obcionej wewntrznie cinieniem produktw detonacji mieszaniny wybuchowej, Biul. waT, 57, 2, 2009, 313-335. [13] k. Jach, et al., Computer modeling of the dynamic reactions bodies by means of method free points [in Polish], Pwn, warsaw, 2001. [14] P. chadwick, Propagation of spherical plastic-elastic disturbances from an expanded cavity, JMaM, 15, 3, 1962. [15] w. Prager, P. G. Hodgs, Theory of perfectly plastic solids, wiley, new york, 1951. [16] w. olszak, r. Perzyna, a. sawczuk, Teoria plastycznoci, Pwn, warszawa, 1965.

26


E. wodarczyk, M. ziElEnkiEwiczPlastic-elastic stress wave in the wall of a thick-walled spherical reservoir forced with an internal explosionAbstract. The problem of elastic-plastic stress wave propagation in the thick-walled spherical reservoir was solved analytically. The wave was generated by the homogeneous surge pressure (explosion) inside the reservoir. The reservoir material was approximated with the elastic-ideally plastic incompressible medium. The analytical expressions determining the velocity of wave front propagation and the shape of its trajectory on (r, t) plane were obtained. The coordinate of wave front location rp(t) uniquely determines, in the form of closed formulae, all parameters of the problem. From the derived relations, the size of plastically deformed zone of reservoir wall can be explicitly determined. The minimum pressure value pm, by which the plastic zone contains the whole reservoir wall, was also determined. it was proved, that by the pressure p > 20 ln the reservoir is destroyed. The paper has the scientific and practical values. Keywords: thick-walled reservoir dynamic strength, explosive load, elastic-plastic stress waves

Biuletyn WAt Vol. lX, nr 3, 2011

Ciecze smarujce dla techniki kosmicznej i metody ich badaniaTadeusz KadosKi, PioTr Pawe wojdynawojskowa akademia Techniczna, wydzia Mechaniczny, instytut Pojazdw Mechanicznych i Transportu, 00-908 warszawa, ul. s. Kaliskiego 2, [email protected] Streszczenie. w pracy przedstawiono analiz wiatowej literatury rdowej [1-60] dotyczcej cieczy smarujcych stosowanych do smarowania wzw tribologicznych techniki kosmicznej, scharakteryzowano wymagania stawiane cieczom smarujcym w zastosowaniach kosmicznych oraz ich metody bada, opisano trendy rozwojowe cieczy smarujcych przeznaczonych do stosowania w kosmosie. Sowa kluczowe: tribologia, technika kosmiczna, ciecze smarujce

1. WstpKosmos od wiekw jest obiektem zainteresowania czowieka. razem z rozwojem nauki, czowiek moe coraz dokadniej bada obiekty kosmiczne. w XX wieku moliwe stay si loty w kosmos. w 1957 roku radziecki satelita sputnik 1 zosta wyniesiony na orbit ziemi. Pierwsze ldowanie czowieka na Ksiycu nastpio w 1969 roku podczas misji apollo 11. amerykanin neil armstrong, jako pierwszy czowiek, stan na Ksiycu [57]. dziki udanym prbom podboju kosmosu zaczto realizowa coraz trudniejsze i dusze misje. Podany okres poprawnej pracy urzdze zwikszy si i dzisiaj czsto wynosi do 20, a nawet 30 lat [55]. Polska coraz czciej bierze udzia w realizacji takich midzynarodowych programw kosmicznych, prowadzc rnego rodzaju badania za pomoc wasnych urzdze wysyanych w kosmos. Czsto ruchome elementy tych urzdze musz by smarowane odpowiednio dobranymi substancjami smarujcymi. dobr takiej substancji nie jest atwy, tym bardziej, e

28

T. Kadoski, P. P. Wojdyna

warunki pracy smaru w przestrzeni kosmicznej s odmienne od tych panujcych na ziemi. Przede wszystkim s to: brak pola grawitacyjnego, bardzo niskie cinienie otoczenia (1013-1016 Tr), ekstremalne i zmienne temperatury (60-200C), brak tlenu i azotu czsteczkowego (wystpuje nietrway, jednoatomowy). dla potrzeb techniki kosmicznej wykonano badania wielu rodkw smarujcych. oto najbardziej popularne ciecze smarujce, jakie znalazy zastosowanie w technice kosmicznej: silikony, oleje mineralne, perfluoropolietery (PFPe), polialfaolefiny (Pao), wielokrotnie alkilowane cyklopentany (MaCs1). Ponadto prowadzone s badania nad innymi cieczami smarujcymi, takimi jak wglowodory krzemowe (siHC2), a take ciecze jonowe. dziki swoim waciwociom ciecze jonowe mog okaza si idealnymi cieczami smarujcymi w cikich warunkach pracy, w prni, w ekstremalnych temperaturach. dlatego istnieje potrzeba cigych bada waciwoci smarnych cieczy jonowych. Badania takie s prowadzone m.in. w zakadzie Tribologii, inynierii Powierzchni i Logistyki Pynw eksploatacyjnych iPMiT waT [34, 35]. naley pamita o tym, e wszystkie rodki smarne maj swoje zalety i wady. substancja, ktra jest idealna dla jednego mechanizmu, niekoniecznie musi by odpowiednia dla innego. w niektrych przypadkach wystarczy, e nieznacznie zmieni si materia lub rodzaj obrbki wsppracujcych elementw i rodek smarny stosowany wczeniej ju nie bdzie spenia swoich funkcji [2]. na pocztku XXi w. planowany jest powrt czowieka na Ksiyc, w dalszej perspektywie podr czowieka na Marsa, a wic loty zaogowe w miejsca znacznie bardziej odlege od ziemi [8]. zaogowy lot na Marsa bdzie ogromnym wyzwaniem, z ktrym dzisiejsze technologie mog sobie nie poradzi.

2. Ciecze smarujce stosowane obecnie w technice kosmicznej2.1. Silikony

silikony to polimery3 skadajce si gwnie z wielkoczsteczkowych zwizkw krzemoorganicznych polisiloksanw, ktrych gwny acuch zbudowany jest z naprzemiennie uoonych atomw tlenu i krzemu (...siosio...), poczonego rwnie z atomem wgla. Lepko kinematyczna olejw silikonowych ronie wraz ze wzrostem stopnia polimeryzacji (czyli wraz ze wzrostem masy molowej polimerw). Poprzez polimeryzacj zakoczon na kilku-kilkunastu czsteczkach mona otrzyma oleiste ciecze [1].1 2 3

MaCs z ang. Multiply-Alkylated Cyclopentanes. siHC z ang. Silahydrocarbons. Polimery to zwizki o bardzo duych czsteczkach o budowie acuchowej. ich masy czsteczkowe przekraczaj na og 10 000 u.

Ciecze smarujce dla techniki kosmicznej i metody ich badania

29

silikony, ze wzgldu na nisk prno par i temperatur krzepnicia, byy czsto wykorzystywane jako ciecze smarujce w pierwszych misjach kosmicznych. dzisiaj nie uywa si olejw silikonowych do smarowania w technice kosmicznej ze wzgldu na tendencj do rozrywania si filmu oleju silikonowego lub wyciskania z obszaru tarcia pod wpywem obcienia [13]. dziki swojej ciliwoci i maym zmianom lepkoci w szerokim zakresie temperatur silikony s dzisiaj jeszcze wykorzystywane w niektrych ukadach hydraulicznych techniki kosmicznej. ciliwo olejw silikonowych jest znacznie wiksza ni olejw mineralnych. Przy zmianie temperatury od 40C do 70C sia tumienia amortyzatorw cieczowych wykorzystujcych oleje silikonowe zmniejsza si tylko trzy razy, w przypadku hydraulicznych olejw mineralnych okoo 2000 razy. w sprynach hydraulicznych ng ldownika pojazdu kosmicznego surveyor Vi wykorzystano olej fluorosilikonowy, dziki czemu moliwe byo rozcignicie spryn w ekstremalnych warunkach termicznych panujcych na Ksiycu podczas bezzaogowej misji [3, 13]. 2.2. Oleje mineralne

oleje mineralne to mieszanina ciekych wglowodorw otrzymywana z pozostaoci po destylacji atmosferycznej ropy naftowej zawierajca dodatki. najlepsze, ze wzgldu na dobre waciwoci smarne, dobre charakterystyki lepkociowo-temperaturowe, nisk temperatur krzepnicia, s oleje mineralne, ktre zawieraj wglowodory cieke z dugimi bocznymi acuchami parafinowymi [1]. w porwnaniu do innych rozpatrywanych cieczy smarujcych dla techniki kosmicznej oleje mineralne posiadaj najwysz prno par. s to ciecze smarujce, ktre dobrze pracuj w warunkach smarowania granicznego i elastohydrodynamicznego. jednak bardzo szybko staj si niezdatne i zmniejsza si ich ilo w smarowanym skojarzeniu. ze wzgldu na pojawienie si olejw syntetycznych i innych cieczy smarujcych, ktre posiadaj znacznie lepsze waciwoci, oleje mineralne przestay by powszechnie stosowane. do dzisiaj jeszcze mona spotka oleje mineralne w cakowicie uszczelnionych mechanizmach, takich jak oyska stabilizatora yroskopu, czy te mechanizmy przeciwwirowe [27 za 10]. 2.3. Perfluoropolietery (PFPE)

Perfluoropolietery to cieke zwizki chemiczne, pochodne polieterw, otrzymywane poprzez polimeryzacj perfluorowanych monomerw, w reakcji pochodnych fluorowych tlenkw alkilowych ze zwizkami zawierajcymi aktywny wodr (np. z wod), pochodnymi fluorowymi alkoholi lub kwasw organicznych [58]. jednymi z pierwszych perfluoropolieterw byy ciecze o oznaczeniu K wytworzone przez polimeryzacj tlenku heksafluoropropenu w obecnoci katalizatora

30


(CsF fluorku cezu) [30 za 19]. w technice kosmicznej zastosowanie znalazy perfluoropolietery o oznaczeniach K i z, a take w niewielkim stopniu d [30].Tabela 2.1 wzory sumaryczne czterech perfluoropolieterw, gdzie X wynosi od 10 do 60, a stosunek X/y wynosi od 0,6 do 0,7 [30] oznaczenie perfluoropolieteru d K y z wzr sumaryczny C3F7o(CF2CF2CF2o)XC2F5 C3F7o[CF(CF3)CF2o]XC2F5 C3F7o[CF(CF3)CF2o]X(CF2o)yC2F5 CF3o(CF2CF2o)X(CF2o)yCF3 Tabela 2.2

wybrane waciwoci fizyczne czterech perfluoropolieterw [30] Ciecz smarujca z (z-25) K(143aB) K(143aC) d (s-200) Lepko rednia masa kinematyczna czsteczkowa w 200C [cst] 9500 3700 6250 8400 255 230 800 500 wskanik lepkoci 355 113 134 210 Temperatura krzepnicia [C] 66 40 35 53

Prno par [Pa] przy 20C 3,9 1010 2,0 104 2,7 106 1,3 108 przy 100C 1,3 106 4,0 102 1,1 103 1,3 105

niska temperatura krzepnicia i znikoma prno pary perfluoropolieterw (w szczeglnoci o oznaczeniu z) umoliwiaj stosowanie ich w aplikacjach pracujcych przez wiele lat (od 7 do 30 lat) [30 za 22]. niskie napicie powierzchniowe (od 18 do 24 dyna/cm przy 20C) gwarantuje, e perfluoropolieter dotrze do najmniejszych luk w mechanizmach, ktre smaruje, oraz zapewnia due powinowactwo cieczy smarujcej ze smarowan powierzchni [56]. wysoka warto wskanika lepkoci, w porwnaniu do innych cieczy smarujcych, sprawia, e perfluoropolietery s jednymi z najbardziej odpowiednich cieczy smarujcych do urzdze wymagajcych jak najmniejszych zmian lepkoci w szerokim zakresie temperatur [56]. na wykresie (rys. 2.1) przedstawiono zaleno lepkoci kinematycznej od temperatury dla rnych rodzajw cieczy smarujcych. Perfluoropolietery s dobrymi cieczami smarujcymi w warunkach smarowania hydrodynamicznego i elastohydrodynamicznego.


31

rys. 2.1. zmiana lepkoci w zalenoci od temperatury dla rnych rodzajw cieczy smarujcych [13 za 49]

Podczas smarowania granicznego perfluoropolietery reaguj ze smarowanymi powierzchniami, wtedy powstaj korozyjne gazy, a w rezultacie fluorki metali. w ten sposb dochodzi do degradacji perfluoropolieterw. zatem stosowanie czystych perfluoropolieterw w warunkach smarowania granicznego wydaje si niewskazane. rwnie pod wpywem promieniowania rentgenowskiego perfluoropolietery s podatne na degradacj. Przebieg degradacji perfluoropolieterw jest cile zaleny od warunkw pracy, jakie wystpuj w okrelonym skojarzeniu. wstpne badania przeprowadzone w warunkach tarcia granicznego na trzech perfluoropolieterach (o oznaczeniach K (Krytox), z (Fomblin), d (demnum)) na prniowym aparacie czterokulowym (w powietrzu i pod cinieniem od 104 do 106 Pa, przy obcieniu 600 n, prdkoci obrotowej 100 obr/min, w temperaturze okoo 23C) pokazay, e [44]: wiksze zuycie wystpuje w prni ni w powietrzu, stosujc Krytox uzyskano najnisze zuycie w powietrzu, stosujc Krytox i demnum uzyskano najnisze zuycie w prni, jedynie podczas zastosowania Krytoxu nie wykazano zuycia podobnego do scuffingu. dodatki, jakie mona zastosowa do perfluoropolieterw, to -diketon, fosforan trikrezylu (TCP4), fosforowodr, fosforan triazyny, kwas karboksylowy. Pewn popraw mona otrzyma, stosujc take syntetyczne wglowodory, a take poprzez zmian materiaw, z jakich jest wykonane okrelone skojarzenie [32 za 50].4

TCP z ang. tricresyl phosphate.

32


Perfluoropolietery bez dodatkw s cigle odpowiednie dla mniej wymagajcych aplikacji. dla aplikacji pracujcych w trudnych warunkach wskazane jest stosowanie perfluoropolieterw z dodatkami. 2.4. Syntetyczne wglowodory

obecnie powszechnie dostpne s dwie grupy syntetycznych wglowodorw: polialfaolefiny (Pao) oraz wielokrotnie alkilowane cyklopentany (MaCs). Polialfaolefiny (Pao) powstaj w procesie oligomeryzacji5 liniowych -olefin posiadajcych sze lub wicej atomw wgla w czsteczce, a nastpnie uwodornienia otrzymanego oligomeru6 do oligomeru, ktry nie posiada podwjnych wiza [58]. w ten sposb powstaje mieszanina monomerw, dimerw i polimerw, ktr rozdestylowuje si na frakcje o podanej lepkoci kinematycznej.

rys. 2.2. Budowa czsteczki polialfaolefin, gdzie n 7, x wynosi od 1 do 4 [58]

Polialfaolefiny posiadaj nisk temperatur krzepnicia. ich prno par jest mniejsza ni olejw mineralnych. Charakteryzuj si wysokim wskanikiem lepkoci. w tabeli 2.3 zostay podane wybrane waciwoci cieczy smarujcej nye 179 nalecej do grupy polialfaolefin.wybrane waciwoci nye 179 [13] nazwa nye 179 Lepko kinematyczna w 40C [cst] 30 wskanik lepkoci139

Tabele 2.3

Temperatura krzepnicia [C]< 60

Prno par przy 20C [Pa]9,0 107

Polialfaolefiny (Pao) posuyy take jako materia do produkcji nowych syntezowanych wglowodorw wielokrotnie alkilowanych cyklopentanw (MaCs).5 6

oligomeryzacja to proces przemiany monomeru w oligomer. oligomery podobnie jak polimery s utworzone z fragmentw (merw), ale skadaj si z niewielkiej liczby merw.


33

do wytworzenia MaCs mog posuy dicyklopentadieny i alkohole alifatyczne. Bardzo istotne jest to, e waciwoci MaCs mog by regulowane poprzez zmian alkoholu uytego podczas syntezy. Powstaj w reakcji cyklopenta-1,3-dienu, ktry wczeniej zosta wyprodukowany poprzez rozkad dicyklopentadienu, z rnymi alkoholami w obecnoci mocnej zasady. nastpnie produkt tej reakcji zostaje uwodorniony do produktu finalnego, ktrym jest mieszanina di-, tri-, tetra-, pentaalkilowanych cyklopentanw. Poprzez dobr warunkw, w jakich reakcja jest przeprowadzana, mona okreli, ktry z cyklopentanw bdzie dominowa w mieszaninie [52].

rys. 2.3. schemat powstawania wielokrotnie alkilowanych cyklopentanw (MaCs), gdzie m wynosi od 2 do 5 [52]

Lepko kinematyczna MaCs w 100C zaley gwnie od ich redniej masy czsteczkowej. Moe by regulowana poprzez: zmian liczby atomw wgla w kadej grupie alkilowej oznaczonej r na rysunku 2.3 oraz przez zmian liczby grup alkilowych r przyczonych do kadego cyklopentanu. dla przykadu w tabeli 2.4 podano wartoci lepkoci kinematycznej kilku wybranych MaCs.Tabela 2.4 waciwoci wielokrotnie alkilowanych cyklopentanw (MaCs) w zalenoci od grupy alkilowej zawartej w czsteczce MaCs [52] Grupa alkilowa r octyl dodecyl izotridecyl 2-octyldodecyl Liczba grup oznaczona m 2 4,5 3,4,5 2,3 Lepko kinematyczna w 100C [mm2/s] 2,18 11,91 20,09 14,56 wskanik lepkoci 135 153 71 137 Temperatura krzepnicia [C] 24 9 27 57

dla MaCs wskanik lepkoci zmienia si w przewidywalny na podstawie budowy czsteczki sposb. wskanik lepkoci MaCs najsilniej zaley od grup alkilowych r. im wiksza rednia masa czsteczkowa i mniejsza liczba grup m w czsteczce, tym wikszy jest wskanik lepkoci. Poprzez zmieszanie ze sob rnych MaCs mona

34


otrzyma ciecz smarujc o podanym wskaniku lepkoci, a take innych wymaganych waciwociach [52]. Temperatura krzepnicia wielokrotnie alkilowanych cyklopentanw (MaCs) zaley od budowy czsteczki, a dokadniej od [52]: liczby atomw wgla dla okrelonej grupy alkilowej, im jest ona wysza, tym nisza jest temperatura krzepnicia, liczby podstawnikw, im jest ich wicej, tym mniejsza jest temperatura krzepnicia, wystpowania rozgazionych grup alkilowych, ktre obniaj warto temperatury krzepnicia, w przeciwiestwie do liniowych grup alkilowych. wglowodory syntetyczne daj moliwo dobierania waciwoci fizycznych w bardzo szerokim zakresie. Poprzez odpowiedni wybr podstawnikw mona otrzyma podane parametry. w przypadku MaCs wskanik lepkoci i temperatura krzepnicia rosn wraz ze wzrostem dugoci acucha czsteczki. Polialfaolefiny (Pao) oraz MaCs s cieczami o bardzo niskich temperaturach krzepnicia. Take niska lotno i testy tribologiczne przeprowadzane na prniowym aparacie czterokulowym oraz na aparacie soT (p. 4) udowadniaj, e wielokrotnie alkilowane cyklopentany (MaCs) speniaj wymagania stawiane cieczom smarujcym przeznaczonym do dugoletnich misji kosmicznych [11, 25, 29]. 2.5. Ciecze jonowe

sole, ktrych temperatura topnienia jest nisza ni 100C, zostay nazwane cieczami jonowymi. Ciecze jonowe czsto okrelane s poprzez skrt iLs7 [4]. sole, ktre topi si poniej temperatury 25C, nazwane zostay niskotemperaturowymi cieczami jonowymi (rTiLs8). niskotemperaturowe ciecze jonowe pocztkowo byy wykorzystywane jako elektrolit do baterii [20]. obecnie to najnowsza grupa substancji rozpatrywanych jako smary w aplikacjach kosmicznych. Ciecze jonowe zazwyczaj skadaj si z organicznego kationu, ktry zawiera azot lub fosfor, oraz z anionu. najpowszechniej spotykanymi kationami s: fosfonowy, imidazolowy, pirydynowy, amonowy, a najczciej wykorzystywanymi anionami s te o duej liczbie atomw fluoru (BF, PF, CF3so, n(CF3so2)). Poprzez zmian kombinacji kationw i anionw moliwe jest tworzenie cieczy jonowych o podanych waciwociach, tzw. Task Specific Ionic Liquids (TsiLs) [4]. Ciecze jonowe powstaj w reakcji syntezy. Podczas wymiany jonowej, wprowadzony zostaje odpowiedni anion. reakcj t naley kontrolowa, niewskazane jest pozostawienie wolnych jonw. wolne jony mog negatywnie wpyn na waciwoci cieczy jonowych i przeprowadzenie reakcji syntezy.7 8

iLs z ang. Ionic Liquids. rTiLs z ang. Room-Temperature Ionic Liquids.


35

na przykadzie syntezy chlorku 1-butylo-3-metyloimidazolowego zostanie opisane powstawanie cieczy jonowych. Ciecze jonowe w tym przypadku powstaj w reakcji n-alkiloimidazolu z sol alkilow w obecnoci rozpuszczalnika. Chlorobutan i 1-metyloimidazol w rwnych ilociach wprowadza si do kolby i miesza w staej temperaturze 70C przez 24 do 72 godzin, a do otrzymania dwch faz. nastpnie grn faz, skadajc si z nieprzereagowanych substratw, naley zdekantowa9. reszt naley przepuka octanem etylu, a do usunicia wszystkich nieprzereagowanych skadnikw, pozostao rozpuszczalnika (tzn. octanu etylu) odparowa w wyparce prniowej w temperaturze 70C. w ten sposb otrzymuje si ciecz jonow o barwie jasnotej i temperaturze topnienia okoo 70C [23].

rys. 2.4. Budowa czsteczki cieczy jonowych, gdzie r1 i r2 to rne grupy alkilowe [54]

Ciecze jonowe, z punktu widzenia aplikacji kosmicznych, posiadaj wiele podanych waciwoci, m.in.: bardzo nisk lotno, wysok termostabilno, nisk temperatur topnienia, niektre z nich dobrze mieszaj si ze zwizkami organicznymi [53]. Maj potencja, aby zastpi uywane do dzisiaj ciecze smarujce w technice kosmicznej, ktre wykazuj pewne wady (np. perfluoropolietery mog ulega rozkadowi w warunkach tarcia granicznego). za pomoc aparatu srV (oscylacyjny tribotester produkcji niemieckiej) zostay zbadane wspczynnik tarcia i zuycie w obecnoci kilku cieczy jonowych, w atmosferze powietrza i w prni, dla rnych materiaw [7]. na rysunku 2.5 przedstawiono zasad dziaania tego aparatu.

rys. 2.5. schemat aparatu srV [7]9

dekantacja to zlewanie cieczy znad osadu, ktry zalega na dnie.

36


Kulka o rednicy 10 mm lizgaa si po dysku z amplitud 1 mm pod obcieniem 50 n. Test zosta przeprowadzony przy czstotliwoci 25 Hz i trwa 30 min. dwie krople cieczy smarujcej zostay podane do miejsca kontaktu kulki i dysku. Badania zostay przeprowadzone dla rnych materiaw, z ktrych wykonano kulk i dysk. dla porwnania takie same testy zrobiono dla perfluoropolieteru i fosfazenu (X-1P), a wic cieczy smarujcych powszechnie uywanych w technice kosmicznej [39]. w tabeli 2.5 zostay zamieszczone wybrane waciwoci badanych cieczy.wybrane waciwoci cieczy smarujcych wykorzystanych do badania [39] Ciecz smarujca X-1P PFPe L106 L206 L208 rednia masa czsteczkowa 1002 5000 254 268 296 Gsto [kg/m3] 1500 1900 1150 1128 1088 Temperatura krzepnicia [C] 15 50 50 50 35 Tabela 2.5

Lepko kinematyczna [mm2/s] przy 40C 224,0 176,2 82,5 88,0 138,1 przy 100C 11,2 19,7 10,9 11,8 15,5

Ciecz jonowa oznaczona L106 to tetrafluoroboran 1-metylo-3-heksyloimidazolowy, L206 to tetrafluoroboran 1-etylo-3-heksyloimidazolowy, L208 to tetrafluoroboran 1-etylo-3-oktyloimidazolowy. w tabeli 2.6 widoczne s wybrane rezultaty badania przeprowadzonego w powietrzu dla rnych materiaw, z jakich wykonano kulk i dysk. Mona zauway, e badana ciecz jonowa wykazuje dobre waciwoci w trzech opisanych poniej skojarzeniach materiaw (stali sae-52100, aluminium al2024 i miedzi), wspczynnik tarcia dla L106, w porwnaniu do X-1P i PFPe, jest mniejszy.Tabela 2.6 wspczynnik tarcia otrzymany w badaniach przeprowadzonych testerem srV [54] Ciecz smarujca X-1P PFPe L106 wspczynnik tarcia (dla pary kulka/dysk) w powietrzu stal/stal 0,098 0,145 0,065 stal/aluminium 0,128 0,040 stal/mied 0,117 0,145 0,025

za pomoc prniowego testera CzM [7] typu ball-on-disk okrelono warto wspczynnika tarcia dla badanych cieczy jonowych (L106 i L206) w odniesieniu do


37

wspczynnika tarcia okrelonego dla perfluoropolieteru (PFPe). Badanie odbyo si pod cinieniem 103 Pa i obcieniem 9,0 n, kulka i dysk zostay wykonane ze stali sae52100, dysk obraca si z prdkoci 500 obr/min. obie ciecze jonowe wykazay ponad dwa razy mniejszy wspczynnik tarcia ni PFPe (tab. 2.7).Tabela 2.7 wspczynnik tarcia wybranych cieczy smarujcych okrelony na testerze CzM [39] Ciecz smarujca wspczynnik tarcia L106 0,070 L206 0,067 PFPe 0,142

analiza termograwimetryczna (TGa10) na aparacie Perkin-elmer 7 zostaa przeprowadzona, aby oceni lotno cieczy jonowych. ubytek procentowy masy by oznaczany ze skokiem co 10C. wynika z niej, e ciecz jonowa L106 nie wykazuje ubytkw masowych przy temperaturze poniej 320C, podczas gdy X-1P i PFPe wykazuj ubytki masy kolejno 65,9% i 13,2%. To badanie potwierdza bardzo nisk prno par badanej cieczy jonowej (rys. 2.6).

rys. 2.6. wykres ubytku masy w zalenoci od temperatury dla wybranych cieczy smarujcych [39]

spektroskopia fotoelektronw wzbudzanych promieniami rentgenowskimi (XPs11) posuya do oceny skadu chemicznego powierzchni podczas procesw tarcia. Badanie zostao przeprowadzone na spektroskopie PHi-5702. wyniki tego badania potwierdziy tez mwic o tym, e aniony podczas tarcia rozpadaj si na fluorki, tlenki azotu,10 11

TGa z ang. thermogravimetric analysis. analiza ta pozwala na ocen przemiany termicznej i temperatury, w jakiej zachodzi. XPs z ang. X-Ray Photoelectron Spectrometry.

38


tlenek boru B2o3, azotek boru Bn i FePo4 [53]. To zjawisko zachodzi w powietrzu, a take w prni, co jest waniejsze z punktu widzenia misji kosmicznych. s to substancje chronice powierzchnie przed zuyciem i obniajce wspczynnik tarcia. Co ciekawe, niektre ciecze jonowe uyte jako dodatek do cieczy smarujcej mog by bardzo skuteczne w obnianiu zuycia i wspczynnika tarcia, poniewa ju 1% dobranej cieczy jonowej w rodku smarnym wystarczy do wytworzenia wyej wymienionych zwizkw tworzcych warstw chronic powierzchnie [4]. dodatek benzotriazolu do cieczy jonowej poprawia waciwoci smarne, a take peni funkcj inhibitora korozji. dodatek fosforanu trikrezylu (TCP) i dwusiarczku dwubenzylu polepsza waciwoci przeciwzuyciowe [4]. Ciecze jonowe posiadaj doskonae waciwoci przeciwzuyciowe, redukuj wspczynnik tarcia, mog przenosi due obcienia, lotno i prno par cieczy jonowych jest bardzo niska. Te waciwoci s zachowane zarwno w powietrzu jak i w prni. To czyni je doskonaym rodkiem smarnym do zastosowania w aplikacjach kosmicznych. jednak zanim zostan wykorzystane w praktyce, potrzebne s dokadniejsze badania dotyczce wsppracy wzw tribologicznych i cieczy jonowych. 2.6. Wglowodory krzemowe

wglowodory krzemowe (siHC) to ciecze smarujce, ktrych czsteczki zawieraj jedynie atomy krzemu, wgla i wodoru. jest to wzgldnie nowa grupa cieczy smarujcych, ktra w przyszoci moe znale szerokie zastosowanie w technice kosmicznej. nie wykazuj sabych waciwoci podczas tarcia granicznego, tak jak silikony. wglowodory krzemowe posiadaj nisk lotno i bardzo szeroki zakres lepkoci. w tabeli 2.8 przedstawiono dokadne wartoci lepkoci dla przebadanych cieczy i struktur wybranych wglowodorw krzemowych [26, 27].Tabela 2.8 wartoci lepkoci kinematycznej dla wybranych cieczy smarujcych i struktura wybranych wglowodorw krzemowych [26, 27] oznaczenie 2-94-96 Mjd990405 Mjd991029 siHC-3 siHC-2 siHC-1 6-88-134 Pennzane 2001a Lepko kinematyczna [cst] w 40C 133 206 77 57 71 94 105 108 w 100C 20 31 13 10 12 15 18 15 wzr sumaryczny (n-C12H25)2si[C8H16si(n-C12H25)3]2 si[C3H6si(n-C12H25)3]4 si[C3H6si(n-C6H13)3]4 CH3si[CH2CH2si-(C6H13)3]3 CH3si[CH2CH2si-(C8H17)3]3 CH3si[CH2CH2si-(C10H21)3]3 n-C8H17si[C3H6si(n-C12H25)3]3 Typ Tri Penta Penta Tetra Tetra Tetra Tetra


39

rys. 2.7. wykres lotnoci, gdzie T oznacza temperatur, przy ktrej poowa masy kadej z cieczy poddanych badaniu zostaa utracona [26 za 18]

Pomiar lotnoci za pomoc analizy termograwimetrycznej przy cinieniu 33 Pa wykaza, e ubytek badanej cieczy siHC-1 jest mniejszy ni ubytek P2001a i niewiele wikszy od ubytku Fomblin z25. Poprzez T oznaczono na wykresie (rys. 2.7) temperatur, w ktrej ubytek stanowi poow pocztkowej masy badanej cieczy [26 za 18]. aby okreli trwao tribologiczn badanych cieczy smarujcych, wykorzystano aparat soT (patrz p. 4.1). Przed testem zostao naniesione (wycznie na kulk) okoo 50badanej substancji. Test by prowadzony a do wyczerpania si substancji smarujcej lub do gwatownego wzrostu wspczynnika tarcia (do wartoci 0,28). Trwao jest okrelona przez liczb obrotw do uszkodzenia podzielon przez ilo cieczy smarujcej na kulce. Test przeprowadzono przy obcieniu 1,5 GPa, w temperaturze okoo 23C, pod cinieniem niszym ni 1,3 Pa i prdkoci obrotowej 200 obr/min. Test wykaza (rys. 2.8), e wglowodory krzemowe maj duo wikszy okres trwaoci od stosowanych w technice kosmicznej perfluoropolieterw [26].

rys. 2.8. okres ycia wybranych cieczy smarujcych badanych na aparacie soT [26]

40


na rysunku 2.9 pokazano stopniow ewolucj w dziedzinie wytwarzania i wykorzystywania cieczy smarujcych dla techniki kosmicznej. niektre z podanych cieczy smarujcych obecnie odgrywaj niewielk rol w aplikacjach kosmicznych, inne s czsto wykorzystywane, a jeszcze inne prawdopodobnie bd szeroko stosowane w przyszoci.

rys. 2.9. zarys historyczny prowadzonych bada i prb wdroenia do techniki kosmicznej kolejnych cieczy smarujcych [3, 13, 27, 55, 59, 60]

3. Wymagania stawiane cieczom smarujcym dla techniki kosmicznej3.1. Lepko

Lepko jest jednym z najwaniejszych parametrw cieczy smarujcych. zasadniczo odnosi si j do masy czsteczkowej cieczy. znaczco wpywa na wartoci innych parametrw. jedn z waniejszych zalenoci jest zmiana lepkoci wraz ze zmian temperatury. wraz ze wzrostem temperatury maleje lepko cieczy smarujcej. Ta zaleno opisywana jest take za pomoc wskanika lepkoci. im wyszy jest wskanik lepkoci, tym lepko mniej zaley od temperatury, a prosta na wykresie logarytmicznym przedstawiajcym zaleno lepkoci od temperatury jest mniej pochylona (rys. 2.1). nastpn wan charakterystyk jest zaleno lepkoci od cinienia. Generalnie lepko wzrasta wraz ze wzrostem cinienia. do wartoci 25 MPa przyrost ten jest niewielki. Powyej tej wartoci lepko zaczyna znacznie wzrasta. Lepko jest wic wypadkow zalen od wartoci temperatury i cinienia. w wielu aplikacjach kosmicznych prdko obrotowa rnych mechanizmw jest bardzo maa, co wynika z tego, e urzdzenia te musz dziaa z bardzo du precyzj. w takich warunkach wystpuje zazwyczaj smarowanie graniczne. naley to mie na uwadze podczas dobierania cieczy smarujcych [36]. Chodzi gwnie o optymalizacj waciwoci lepkociowo-temperaturowych i smarnociowo-powierzchniowych. 3.2. Lotno

Lotno to waciwo cieczy smarujcych zalena od budowy czsteczki i rodzaju rodka smarnego. w okrelonym szeregu homologicznym im wysza masa


41

czsteczkowa, tym nisza lotno. wraz ze wzrostem temperatury wzrasta lotno. Lotno mieszaniny przyjmuje warto najbardziej lotnego skadnika [47]. w prni pojawia si problem z utraconymi na skutek parowania czsteczkami, poniewa w atmosferze powietrza czsteczki, ktre odparoway, poprzez odbijanie od innych czsteczek bdcych w powietrzu, czciowo powracaj do powierzchni, ktr opuciy. natomiast w prni czsteczki, ktre odparoway, nie s odbijane i zostaj na stae utracone. dlatego naley wybiera ciecz smarujc o jak najniszej wartoci prnoci par, poniewa poprzez odpowiedni dobr mona ograniczy ubytki cieczy smarujcej [13].

rys. 3.1. ubytek na skutek odparowania wybranych cieczy smarujcych [9]

3.3.

Skraplanie oparw cieczy smarujcej

Ciecz smarujca, ktra zostaa odparowana, ma tendencj do tworzenia chmury dookoa satelity. na chodniejszych powierzchniach utworzone opary skraplaj si. niektre bardzo wane urzdzenia (np. soczewki, lusterka, okna) mog zosta zanieczyszczone i w rezultacie stan si bezuyteczne. dla urzdze, od ktrych wymagana jest niezawodno przez wiele lat, konieczne jest zminimalizowanie powolnego parowania cieczy smarujcych [13]. 3.4. Termostabilno

Termostabilno jest to odporno na ubytek masowy substancji poprzez ogrzewanie. To podstawowy parametr czystych rodkw smarnych. Przy ocenie termostabilnoci okrelonego zwizku naley zwrci uwag na to, czy ciecz smarujca jest w uszczelnionej przestrzeni, czy w prni, obecne s gazy (tlen, powietrze lub inne) mogce wywoa reakcj, zapewniona jest obecno obojtnego gazu.

42


Generalnie prostoacuchowe wglowodory o krtkim acuchu alkilowym s najbardziej termostabilne. im duszy jest acuch, tym termostabilno jest mniejsza. dla wglowodorw syntetycznych nie mona atwo okreli parametrw jakie decyduj o termostabilnoci. Mona jedynie powiza termostabilno z si wiza pomidzy atomami [47]. 3.5. Przewodno cieplna

w miejscach, gdzie wystpuje stan niewakoci, niemoliwe jest chodzenie poprzez przekazywanie ciepa w materii. wpywa to negatywnie na prac stykajcych si powierzchni, poniewa generowane jest ciepo, ktrego odprowadzenie jest utrudnione. zjawisko to jest bardziej grone jeeli rodkami smarnymi s ciaa stae. Co nie zmienia faktu, e ciecz smarujca powinna bardzo dobrze odprowadza ciepo [13, 24]. 3.6. Odporno na utlenianie

jednym z waniejszych czynnikw, ktry powoduje, e rodki smarujce przestaj spenia swoje podstawowe funkcje, jest zwykle ich utlenianie. zanim rodek smarny bdzie peni swoj podstawow funkcj podczas misji, jest on magazynowany na ziemi, gdzie moe mie kontakt z tlenem czsteczkowym. wpyw na utlenianie moe mie wiele czynnikw, jednym z nich jest na przykad zmiana temperatury. Kiedy zaczynaj pojawia si rozpuszczalne lub nierozpuszczalne zwizki, takie jak osady, szlamy, zwizki kwasowe, to znaczy, e rodek smarny przestaje spenia swoje funkcje i jest to spowodowane przez utlenianie. To zjawisko mona gwnie pozna po: stopniowym wzrocie wartoci lepkoci cieczy smarujcej, wzrocie liczby kwasowej, oglnym zabrudzeniu, pojawieniu si nierozpuszczalnych zwizkw. Ciecze, ktre posiadaj w swoich czsteczkach atomy tlenu, s bardziej podatne na utlenianie. wglowodory z pojedynczymi wizaniami o prostych acuchach s bardziej odporne na utlenianie ni te z podwjnymi i potrjnymi wizaniami. im bardziej wglowodr jest reaktywny, tym jego odporno na utlenianie jest mniejsza [47]. 3.7. Stan niewakoci

w przestrzeni kosmicznej nie wystpuje grawitacja. zjawisko grawitacji wystpuje na planetach, ksiycach i innych ciaach niebieskich. Przyspieszenie ziemskie wynosi okoo 9,81 m/s2, dla porwnania na Ksiycu jest sze razy mniejsze, a na Marsie okoo trzy razy mniejsze. Takie rnice powoduj, e ldowanie na Marsie i Ksiycu jest trudniejsze ni na ziemi. wszystkie systemy hydrauliczne,


43

smarowania, ktre na ziemi wykorzystuj podczas swojej pracy zjawisko grawitacji, nie speniaj swoich funkcji w stanie niewakoci, poniewa nie istnieje sia, ktra przycigaaby ciecz do miejsca przeznaczenia (np. wlotu pompy lub zbiornika, do ktrego spywa ciecz smarujca). jedynie poprzez dobr cieczy smarujcej o odpowiednim napiciu powierzchniowym mona kontrolowa ciecz smarujc w stanie niewakoci [13]. 3.8. Absencja reaktywnych substancji w przestrzeni kosmicznej

w kosmosie nie wystpuj reaktywne gazy, brakuje przede wszystkim tlenu w postaci czsteczkowej. dlatego w kontakcie z powierzchniami metalicznymi nie tworz si warstewki tlenkw, co znacznie podwysza wspczynnik tarcia. w momencie gdy z powierzchni metalu zostanie starta warstewka wytworzona jeszcze na ziemi, wspczynnik tarcia powiksza si i moe doj do awarii. Brak warstewki tlenkw chronicych powierzchni jest szczeglnie odczuwalny, gdy dojdzie do ograniczenia iloci cieczy smarujcej. wany jest nie tylko brak reakcji ze smarowan powierzchni. rwnie naley rozway wpyw braku tlenu na ciecz smarujc i zawarte w niej zwizki, dodatki. nie zostao to jeszcze dokadnie zbadane. 3.9. Oddziaywanie odamkw, pyu, wikszych cia niebieskich

nie powinno doj do jakiegokolwiek zanieczyszczania cieczy smarujcej, systemu smarujcego pyami, popioami z zewntrz. naley wic zadba o odpowiednie zaprojektowanie uszczelnie i pocze. uszczelnienia powinny by odporne na oddziaywanie pyw i popiow. rwnie nie powinno doj do uszkodze wywoanych wikszymi odamkami, meteroidami. silne uderzenie ciaa obcego w zbiornik cieczy smarujcej moe spowodowa wyciek i awari smarowanego mechanizmu [13]. 3.10. Migracja cieczy smarujcej zasadniczy wpyw na migracj cieczy smarujcej ma jej lepko. Ciecz o duej lepkoci migruje znacznie wolniej ni ciecz o maej lepkoci. na migracj cieczy ma rwnie wpyw rnica temperatur. olej przemieszcza si od cieplejszych do chodniejszych obszarw. skonno do migracji cieczy smarujcych po powierzchniach oyska jest wiksza dla cieczy o niszym napiciu powierzchniowym [13, 30, 49]. 3.11. Obecno tlenu atomowego na wysokoci od okoo 200 km do 650 km nad powierzchni ziemi wystpuje gwnie tlen atomowy. Tlen atomowy jest rodnikiem tlenowym, posiada jeden

44


niesparowany elektron, dziki czemu bardzo szybko wchodzi w reakcje z rnymi czsteczkami. jednoczenie wzbudzony elektron nie pozwala na utworzenie trwaego zwizku, uwalnia si i jest gotowy do wejcia w nastpn reakcj. wystawienie rodkw smarnych na dziaanie tlenu atomowego moe prowadzi do ich degradacji. w poczeniu z wysokimi ekstremami temperatur moliwe jest wywoanie reakcji utleniania [37]. 3.12. Promieniowanie dziaanie promieniowania ultrafioletowego (uV) i rentgenowskiego (X) moe uszkodzi tworzywa sztuczne, elastomery. uszkodzenia wywoane s przede wszystkim poprzez jonizacj i wzbudzanie elektronw. Te zmiany s nieodwracalne, dochodzi do tworzenia wolnych rodnikw, polimeryzacji, degradacji, wydzielania gazw. Te same uszkodzenia zachodz, gdy mamy do czynienia z promieniowaniem gamma. Promieniowanie podczerwone moe wywoa degradacj termiczn rodka smarnego, a degradacja moe zosta przyspieszona poprzez poczenie oddziaywa promieniowania ultrafioletowego i podczerwonego. Poprzez nadmierne promieniowanie moe doj do spadku, a potem do wzrostu lepkoci olejw, co moe spowodowa, e olej bdzie gumowaty lub stwardnieje. smary znacznie szybciej ulegaj degradacji pod wpywem promieniowania, staj si gstsze, a do przemiany w ciao stae. Pod wpywem promieniowania wzrasta lotno, kwasowo i korozyjno cieczy smarujcych, a maleje odporno na utlenianie. Te ciecze smarujce, ktre s najbardziej odporne na promieniowanie, s take najbardziej termostabilne [6]. 3.13. Prnia Cinienie bezwzgldne w przestrzeni kosmicznej wynosi od okoo 1013 Tr powyej atmosfery ziemi do okoo 1016 Tr w przestrzeni midzygwiezdnej [6]. stopie odparowania zaley wykadniczo od temperatury. w prni zmiana temperatury spowodowana wycznie promieniowaniem moe mie istotny wpyw na ubytek substancji smarujcych. Ponadto, przy podcinieniu, jakie panuje w kosmosie i zwizanym z tym brakiem tlenu, nie dochodzi do odnawiania cienkiej warstewki tlenkw, ktra ochrania powierzchnie wza tribologicznego. std moliwy jest wzrost wspczynnika tarcia [6]. w ostatnich latach powstay nowe ciecze smarujce, ktre wykazuj dobre wyniki w badaniach przeprowadzonych pod bardzo niskim cinieniem. Takimi cieczami s wglowodory krzemowe (siHC), wielokrotnie alkilowane cyklopentany (MaCs) i ciecze jonowe (iLs).


45

4. Metody bada cieczy smarujcych dla techniki kosmicznejBadania tribologiczne cieczy smarujcych mona podzieli na dwie grupy. do pierwszej grupy nale badania przeprowadzane w penym zakresie dziaania rodka smarnego, przez cay podany okres pracy, w warunkach otoczenia, jakie wystpuj dla danego systemu smarowania. s to badania bardzo wiarygodne, bardzo dobrze odtwarzajce warunki wystpujce w kosmosie. ich podstawowymi wadami s wysokie koszty i czas trwania. drug grup stanowi badania akcelerowane, opierajce si na zwikszaniu prdkoci, obcienia, temperatury tak, aby zasymulowa przyspieszon prac w krtszym czasie. s tasze i mniej czasochonne ni badania w penym zakresie. Posiadaj jednak dwie gwne wady. Pierwsz z nich jest ich zawio, poniewa nie zawsze mona atwo stwierdzi, jakie czynniki zostaj zmodyfikowane pod wpywem zmian warunkw pracy. drug wad jest moliwo niezamierzonej zmiany rodzaju smarowania, dla ktrego zaprojektowano mechanizm. jest to moliwe, poniewa np. prdko i obcienie s zmieniane w tak duym zakresie, e czsto znacznie wykraczaj poza rzeczywiste wartoci wystpujce podczas zwykej pracy, do jakiej badany mechanizm jest przeznaczony [33]. w badaniach akcelerowanych naley na to zwraca szczegln uwag, aby uchroni si przed wyciganiem bdnych wnioskw. 4.1. Aparat SOT

aparat soT wiernie odwzorowuje warunki pracy wstpnie obcionego oyska kulkowego poprzeczno-wzdunego (skonego) podczas smarowania granicznego. do przeprowadzenia testu potrzeba jedynie od 50 do 100 g cieczy smarujcej. Taka ilo jest bardzo szybko zuywana i jest to jedyny czynnik, ktry akceleruje badania przeprowadzane tym aparatem. inne parametry utrzymywane s na takim samym poziomie jak podczas zwykej pracy oyska, a wic niezmienione pozostaj wartoci: obcienia, prdkoci i temperatury [28, 48]. obudowa aparatu soT jest w ksztacie szecianu i zostaa wykonana z nierdzewnej stali. w tak skonstruowanym przyrzdzie moliwe jest osignicie cinienia poniej 1,3 Pa. do uzyskania takiego podcinienia wykorzystano pomp turbomolekularn. Cinienie mierzone jest za pomoc czujnika z zimn katod. oprcz testw w prni, aparat soT pozwala na badania przy cinieniu atmosferycznym przeprowadzone w powietrzu lub w otoczeniu innych gazw. na rysunku 4.1 widoczne s szczegy konstrukcji i zasada dziaania aparatu soT. Moliwe jest wykorzystanie standardowych kulek oyskowych o rednicy 12,7 mm, ktre s umieszczone pomidzy dwoma paskimi talerzami o rednicy 50,8 mm. Talerz dolny jest zamocowany nieruchomo i izolowany od podoa. opr elektryczny jest mierzony w dwch miejscach styku kulki z talerzem dolnym i w miejscu styku kulki z talerzem grnym. na podstawie pomiaru rezystancji, mierzonej

46


w miejscach styku kulki z talerzem dolnym i styku kulki z talerzem grnym, mona okreli stopie odizolowania kulki od talerza osigany przy pomocy rodka smarujcego [28]. Grny talerz prowadzi kulk po spiralnej orbicie o promieniu okoo 21 mm i moe obraca si z maksymaln prdkoci obrotow 200 obr/min. Kulka w wyniku toczenia si po spiralnej orbicie wychodzi po spirali ze swojej pierwotnej orbity w kierunku kraca talerza ze rednim skokiem 0,5 mm na obrt. jeeli ruch po spirali przebiegaby bez ogranicze, to kulka wypadaby z przestrzeni pomidzy grnym i dolnym talerzem. dlatego kulka kierowana jest przez pionowo zamocowany talerz prowadzcy. Kontakt pomidzy kulk a talerzem prowadzcym trwa krtko i wystarcza na przywrcenie kulki na jej pierwotn orbit. Przetwornik si zamocowany w tym samym uchwycie co talerz prowadzcy pozwala na pomiar siy potrzebnej do przesunicia kulki z powrotem na jej pierwotn orbit. dziki temu pomiarowi mona okreli warto wspczynnika tarcia.

rys. 4.1. schemat budowy i dziaania aparatu soT [15]

substancja smarujca jest umieszczana na kulce poprzez zanurzanie kulki w rozpuszczonej substancji smarujcej. Po wycigniciu kulki z cieczy naley odczeka a wyparuje rozpuszczalnik i pozostanie na powierzchni kulki cienki film smarujcy. ilo smaru jest okrelana przez pomiar masy kulki przed osadzeniem i po osadzeniu substancji smarujcej. zazwyczaj na kulce pozostaje okoo 50 mg smaru. Talerze nie s smarowane. za pomoc aparatu soT moliwe jest take badanie powok naniesionych na kulki. Cay proces badania sterowany jest przy pomocy komputera. naley umieci talerze w aparacie, kulk zainstalowa pomidzy talerzami. wane jest, aby kulka


47

dotykaa dolnego i grnego talerza, dziki czemu mona unikn docierania lub innych zjawisk, ktre spowoduj, e kulka nie dojdzie do talerza prowadzcego. nastpnie skojarzenie jest obciane do podanej wartoci napre. Test rozpoczyna si, gdy osignite zostanie podcinienie 1,3 106 Pa, a trwa a do momentu, w ktrym przekroczona zostanie wczeniej zaoona warto wspczynnika tarcia, ktra zazwyczaj wynosi trzykrotno wspczynnika tarcia na pocztku testu. okres poprawnej pracy smaru jest definiowany jako liczba obrotw kulki podzielona przez pocztkow ilo rodka smarnego na kulce. aby uzyska dobre wyniki, kady test naley powtrzy przynajmniej cztery razy [28]. aparat soT pozwala na atwe okrelenie i ocen czasu poprawnego dziaania skojarze tribologicznych, wartoci wspczynnika tarcia, warunkw pracy oyska, degradacji rodka smarnego, zmian na powierzchni kulki, analizy cinienia i skadu gazowego rodowiska panujcego w komorze podczas przeprowadzania testu [48]. 4.2. Prniowy aparat czterokulowy

Prniowy aparat czterokulowy wykonano na podstawie typowego aparatu czterokulowego. suy gwnie do badania waciwoci smarnych cieczy smarujcych, zuycia powierzchni oysk zanurzonych w cieczy smarujcej, moliwe jest take okrelenie rodzaju smarowania. obciona grna kulka lizga si i obraca po trzech unieruchomionych kulkach zanurzonych w cieczy smarujcej. zaletami tego urzdzenia s: atwo obsugi, moliwo testw przeprowadzanych pod wysokimi obcieniami i wykorzystywanie do testw zwykych kulek oyskowych, ktre s atwo dostpne [45]. na rysunku 4.2 widoczna jest budowa prniowego aparatu czterokulowego. Gwne elementy suce do przeprowadzenia bada s podobne jak w zwykym aparacie czterokulowym. jednak w szczegach wystpuj pewne rnice. dziki umieszczeniu aparatu w komorze prniowej badania mona wykonywa w wysokiej prni. Prnia wytwarzana jest przez turbomolekularn pomp o wydajnoci 140 l/s i mechaniczn pomp, ktra jest stosowana do wstpnego oprniania komory. dziki takiemu rozwizaniu moliwe jest uzyskanie podcinienia o wartoci od 104 Pa do 106 Pa. oprcz bada przeprowadzanych pod cinieniem istnieje moliwo przeprowadzenia bada w powietrzu lub azocie. Komora prniowa wyposaona jest w prniomierz jonizacyjny do pomiaru cinienia i analizator gazu resztkowego (rGa) [45]. obracajca si grna kulka zamocowana jest na trzpieniu obrotowym, trzy dolne kulki umieszczone s niej w spodku na ciecz smarujc. spodek zamocowany jest na podstawce. Podstawka moe zosta podniesiona do gry za pomoc pneumatycznego systemu obcienia [45]. Moment obrotowy mierzony jest poprzez pomiar przemieszczenia ktowego spodka na ciecz smarujc z trzema kulkami [45].

48


rys. 4.2. schemat prniowego aparatu czterokulowego [27 za 31]

Badania mona przeprowadza przy prdkociach obrotowych od 10 obr/min do 500 obr/min w temperaturze, jaka panuje w otoczeniu aparatu. Przed wykonaniem testu naley wyczyci kulki, spodek na ciecz smarujc i trzpie obrotowy, na ktrym zamocowana jest grna kulka. Kulki wykonane ze stali nierdzewnej aisi 440C naley przechowywa w pudeku w atmosferze suchego azotu. aby wykona test, naley napeni spodek badan ciecz smarujc, a nastpnie umieci w nim trzy kulki. Tak przygotowany spodek z ciecz smarujc i kulkami naley na godzin umieci w szklanym soju i przy pomocy mechanicznej pompy osign podcinienie o wartoci okoo 1 Pa. zabieg ten jest wykonywany w celu pozbycia si rozpuszczonego powietrza z cieczy smarujcej. nastpnie spodek umieszcza si na podstawce wewntrz komory prniowej i wcza si pomp prniow. Podcinienie otrzymane po 10 minutach powinno wynosi okoo 10 Pa. jeeli ten warunek jest speniony, mona wczy turbomolekularn pomp. Po osigniciu podcinienia o wartoci 105 Pa lub mniejszego zaczyna si badanie. Moment tarcia jest zapisywany przez cay czas trwania dowiadczenia. zuycie jest oceniane na podstawie pomiaru rednicy ladu zuycia trzech kulek umieszczonych na spodku z ciecz smarujc. do tego celu wykorzystywany jest


49

mikroskop optyczny zaprojektowany tak, aby nie byo konieczne wyjmowanie kulek ze spodka. dziki temu, po przeprowadzeniu pomiarw na mikroskopie optycznym, mona dalej kontynuowa badania tych samych kulek [45]. 4.3. Maszyna tarciowa typu pin-on-disk do bada w prni

opracowano co najmniej kilka modeli tribometrw typu pin-on-disk. niektre z nich zostay przeznaczone do bada staych rodkw smarnych, inne do cieczy smarujcych. wraz z biegiem czasu i wzrostem wiedzy na temat rodowiska panujcego w przestrzeni kosmicznej pojawia si potrzeba stworzenia ap

Documents

Biuletyn_3-2011