70
KONSTRUKCJE W BUDOWIE MASZYN ORAZ ICH WPŁYW NA ROZWÓJ BUDOWY MASZYN W POLSCE Stanisław Pytko Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademia Górniczo-Hutnicza e-mail: [email protected] 1. Wprowadzenie XX wiek, był wiekiem początku podboju kosmosu oraz szybkiego rozwoju lotnictwa i pojazdów silnikowych. Z tych to powodów postawiono przed naukowcami i inżynierami bardzo ważne wezwania dotyczące: niezawodności i trwałości elementów maszyn i urządzeń. Zaraz po II wojnie światowej rozpoczęto, początkowo bez rozgłaszania, badania związane z podbijaniem kosmosu a z tym się wiązało pytanie: jak będą zachowywać się współpracujące elementy w urządzeniach kosmicznych, tam gdzie panuje próżnia i nie ma atmosfery ziemskiej? Dwa kraje, to jest Stany Zjednoczone i Związek Socjalistycznych Republik Radzieckich, już w latach pięćdziesiątych XX wieku na te badania przydzieliły bardzo duże kwoty. W oparciu o te wstępne badania stwierdzono, że istotną rolę we współpracy elementów maszyn i urządzeń statków kosmicznych będą odgrywały ich warstwy wierzchnie oraz nakładane specjalne powłoki - co oczywiście spowodowało szybki rozwój nauki nazwanej obecnie inżynierią powierzchni. Prawie równolegle z badaniami dla kosmosu, przy rozwijającej się technice związanej z rozwojem samolotów i pojazdów silnikowych a tym samym urządzeń dla ich produkcji, w drugiej połowy XX wieku, w oparciu o analizy uszkodzeń elementów maszyn i wzrostu zużycia energii dla pokonania oporów w wyniku tarcia, zajęto się problemami dotyczącymi zjawiska tarcia. Od czasu Leonarda da Vinci wiadome było, że tarcie, które występuje we współpracujących elementach będących w ruchu, nie tylko powoduje straty energetyczne, ale jest przyczyną zużycia warstw wierzchnich tych elementów podczas współpracy w maszynach i

Rozdział 4

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Rozdział 4

KONSTRUKCJE W BUDOWIE MASZYN ORAZ ICH WPŁYW NA ROZWÓJ BUDOWY MASZYN W POLSCE Stanisław Pytko Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademia Górniczo-Hutnicza e-mail: [email protected]

1. Wprowadzenie

XX wiek, był wiekiem początku podboju kosmosu oraz szybkiego rozwoju lotnictwa i pojazdów silnikowych. Z tych to powodów postawiono przed naukowcami i inżynierami bardzo ważne wezwania dotyczące: niezawodności i trwałości elementów maszyn i urządzeń. Zaraz po II wojnie światowej rozpoczęto, początkowo bez rozgłaszania, badania związane z podbijaniem kosmosu a z tym się wiązało pytanie: jak będą zachowywać się współpracujące elementy w urządzeniach kosmicznych, tam gdzie panuje próżnia i nie ma atmosfery ziemskiej? Dwa kraje, to jest Stany Zjednoczone i Związek Socjalistycznych Republik Radzieckich, już w latach pięćdziesiątych XX wieku na te badania przydzieliły bardzo duże kwoty.

W oparciu o te wstępne badania stwierdzono, że istotną rolę we współpracy elementów maszyn i urządzeń statków kosmicznych będą odgrywały ich warstwy wierzchnie oraz nakładane specjalne powłoki - co oczywiście spowodowało szybki rozwój nauki nazwanej obecnie inżynierią powierzchni.

Prawie równolegle z badaniami dla kosmosu, przy rozwijającej się technice związanej z rozwojem samolotów i pojazdów silnikowych a tym samym urządzeń dla ich produkcji, w drugiej połowy XX wieku, w oparciu o analizy uszkodzeń elementów maszyn i wzrostu zużycia energii dla pokonania oporów w wyniku tarcia, zajęto się problemami dotyczącymi zjawiska tarcia. Od czasu Leonarda da Vinci wiadome było, że tarcie, które występuje we współpracujących elementach będących w ruchu, nie tylko powoduje straty energetyczne, ale jest przyczyną zużycia warstw wierzchnich tych elementów podczas współpracy w maszynach i

Page 2: Rozdział 4

124 Stanisław Pytko

urządzeniach, a to ogranicza ich trwałość. Z tego to powodu w Wielkiej Brytanii powołano Zespół Rządowy dla opracowania „Raportu” o stanie trwałości maszyn i urządzeń. Raport ten ukazał się w pierwszej połowie lat 60-tych XX w. i został opracowany pod kierunkiem prof. P. Josta. W nim podano, że na trwałość maszyn ma wpływ tarcie i temu zjawisku należy poświęcić szerokie podstawowe badania. Oprócz tego po raz pierwszy w świecie, w 1966 roku naukę o tarciu, zużyciu i smarowaniu elementów maszyn nazwano tribologią od greckiego słowa tribos - co znaczy tarcie. W tym Raporcie też podano, że 80 procent uszkodzeń elementów maszyn, które eliminują je z eksploatacji, a tym samym przyczyniają się do zatrzymania maszyny czy też urządzenia, nie jest wynikiem ich złamań, zerwań, ale w wyniku różnych form zużycia od procesu tarcia, co w konsekwencji powoduje na przykład zmianę luzu w łożysku ślizgowym i nieprawidłową pracę urządzenia.

W takiej sytuacji w połowie XX wieku, kiedy rozwijać się zaczęła tribologia w świecie w krajach rozwiniętych i tych, które zamierzały podbijać kosmos, stanęła też nauka polska a jej kierującym był prof. Stefan Ziemba – członek Polskiej Akademii Nauk. Pod jego kierunkiem powstała przy Polskiej Akademii Nauk prawie 100 osobowa grupa młodych naukowców rozpoczynająca badania związane z tribologią, w której był też autor.

W okresie rozpatrywanym to jest po II wojnie światowej, nastąpiła eksplozja rozwoju maszyn i urządzeń a szczególnie pojazdów silnikowych, która trwa do dziś. W związku z tym rozwojem stawia się wszystkim wyprodukowanym maszynom następujące wymagania: niezawodność, trwałość to znaczy, ażeby okres ich eksploatacji był możliwie długi, nieenergochłonność, czyli nie powinny pobierać w czasie eksploatacji dużo

energii, łatwość diagnozowania w czasie eksploatacji, taniość i estetyczność.

Jako przykład tych wymagań możemy podać, że niezawodne maszyny i urządzenia wszyscy chcemy mieć, ale nigdy nie znając dokładnie procesów, jakie zachodzą w metalach i jakie są faktyczne obciążenia części maszyn, nie jesteśmy w stanie w wielu przypadkach zapewnić 100 procentową niezawodność. Ażeby ona

Page 3: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 125

była wysoka, stosuje się dziś w wielu urządzeniach diagnozowanie bieżącej prawidłowej pracy. Dla ilustracji podane będą cztery przykłady takiego diagnozowania. 1. Obecnie dla bezpieczeństwa jazdy pociągów osobowych, znając awarię łożysk

osi wagonów i lokomotyw, stosuje się pomiar temperatury łożysk tocznych specjalnymi układami diagnostycznymi. Krytyczne wartości tych temperatur przekazywane są drogą radiową na pulpit maszynisty lokomotywy. Zatem maszynista w przypadkach przed awaryjnych łożyska, na przykład przed katastroficznym uszkodzeniem w wyniku powstałego pittingu (będzie dalej opisane to zużycie), ma szansę zatrzymania pociągu bez awarii.

2. W niektórych samolotach wojskowych są stosowane w układach hydraulicznych, urządzenia rejestrujące cząstki metaliczne powstałe w wyniku zużywania się elementów i w oparciu o ich automatyczną analizę, jaką otrzymuje pilot, może przewidzieć dalszy stan pracy układów. Znajomość stanu awaryjnego, bardzo ważna przy wykonywaniu różnych akrobacji w powietrzu, daje mu możliwość przerwania niebezpiecznego lotu.

3. W górnictwie są urządzenia diagnostyczne, zainstalowane dla określenia położenia osi kół linowych znajdujących się na wieżach maszyn wyciągowych. Wiadomo, że przy ruchach górotworu mogą zmienić się położenia osi, a to zagraża bezpieczeństwu pracy maszyny wyciągowej i urządzeń szybu.

4. W górnictwie i we wszystkich urządzeniach transportu linowego, jest okresowe diagnozowanie lin stalowych, specjalnymi urządzeniami magnetycznymi, dla zbadania czy nie ma wewnątrz liny urwanych drutów. Urządzenia diagnostyczne lin opracowane zostały i są produkowane oraz udoskonalane w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

1.1. Niektóre konstrukcje maszyn w Polsce mające wpływ na rozwój maszyn

W Polsce duża produkcja maszyn i urządzeń, które produkowaliśmy w XX w. i dalej produkujemy oraz przedstawialiśmy i przedstawiamy na krajowych i zagranicznych wystawach, dotyczy przemysłów: górniczego, stoczniowego, elektromaszynowego i obrabiarkowego. Mieliśmy też szeroki asortyment maszyn

Page 4: Rozdział 4

126 Stanisław Pytko

ziemnych i tak zwanego transportu bliskiego (suwnice i dźwigi) oraz kolejowego np. wagony i lokomotywy. A. Maszyny i urządzenia górnicze. Jeżeli będziemy rozpatrywać maszyny i urządzenia górnicze, to wszystkie nowoczesne konstrukcje przy przedstawianiu do sprzedaży staraliśmy się przedstawiać, jako maszyny bardzo trwałe i wysokiej wydajności. Dalej w tekście przedstawione będą takie technologie, które pozwalają na oryginalne rozwiązania produkcji np. cylindrów obudów górniczych. Inne rozwiązania w tych maszynach, o których należy wspomnieć są związane ze sprzęgłami hydrokinetycznymi i typowaniem odpowiednich materiałów na elementy cierne sprzęgieł.

Dla przedstawienia tendencji w rozwiązaniach maszyn i urządzeń górniczych, poruszone będą niektóre ciekawsze rozwiązania dotyczące: a) doboru materiałów z tworzyw niemetalicznych na elementy wykładzin kół

maszyn wyciągowych, mających dobrą przyczepność do liny oraz nie uszkadzających samej liny. Są to opracowania patentowe Katedry Transportu Linowego AGH;

b) dobrania i opracowania elastomeru, jako wykładziny kół ciągnących (rys. 1) kolejek podwieszonych w chodnikach górniczych dla transportu ciężkich elementów czy też całych zestawów kombajnów, obudów i transporterów zgrzebłowych. Zastosowane poliuretany, z odpowiednimi wypełniaczami na wykładziny tych kół, muszą mieć odpowiednią przyczepność koła kolejki podwieszonej z szyną oraz muszą też mieć odpowiednią trwałość. Na torach poziomych kolejka taka przemieszcza się dzięki przyczepności kół ciągnących z szyną jezdną, natomiast na pochyłościach jest przemieszczana przez koło zębate sprzężone z zębatką. Dobrze się stało, biorąc pod uwagę coraz szersze zastosowanie tworzyw niemetalicznych (nazywanych często tworzywami sztucznymi), że zostało założone w Poznaniu Centrum, które ma się szeroko zająć wdrażaniem tworzyw na elementy maszyn i urządzeń;

Page 5: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 127

Rys. 1. Układ koła napędowego górniczych kolejek podwieszonych z napędem cierno-zębatkowym wg systemu AGH

c) nowych rozwiązań uszczelnień łożysk tocznych transporterów taśmowych kopalni odkrywkowych. Jak wiemy w Polsce transporterów tego typu, o szerokości taśmy ponad 150 cm mamy ponad 100 kilometrów. Rozwiązań tych uszczelnień zastosowanych i opatentowanych jest kilkadziesiąt, ale prawie wszystkie nie dają w warunkach polowych dobrej trwałości. Na rys. 2 przedstawiono jedno z rozwiązań patentowych zgłoszonych w AGH;

d) doboru materiałów na elementy transporterów zgrzebłowych górnictwa podziemnego to jest na blachy denne i profile transportera. W praktyce przesuwający się łańcuch zgarniaczy powoduje ścieranie blach dennych, gdy jest jeden, a gdy są dwa ścianki prowadnic transportera, które są zarazem torami kombajnu ścianowego. Nie zawsze dobranie materiału typu stal Hadfielda jest szczęśliwym dobraniem. Najlepiej, jeżeli te materiały dobrane są, przy znajomości obciążenia, przez tribologów.

Page 6: Rozdział 4

128 Stanisław Pytko

Rys. 2. Rozwiązanie patentowe uszczelnienia osi rolki transportera taśmowego dla kopalni węgla brunatnego.1) osłona łożyska 2) ośka rolki, 3) łożysko toczne 4) różne uszczelnienia

B. Maszyny ziemne. W maszynach ziemnych np. produkcji huty „Stalowa Wola” dla zwiększenia trwałości przekładni zębatych istotną sprawą była obróbka wykańczająca zębów kół zębatych. Chodziło o to, ażeby w warstwach wierzchnich zębów kół zębatych były odpowiednie naprężenia własne, decydujące o ich trwałości. Trwałe przekładnie zębate to trwałe maszyny, gdyż przekładnie w czasie pracy np. ładowarki są obciążone cały czas.

W przypadkach, kiedy mamy maszyny ziemne przemieszczające się na gąsienicach, istotne jest uszczelnienie sworzni łączących poszczególne elementy gąsienic, które nie może dopuszczać piasku i ziemi do powierzchni trących. Rozwiązania te były przez wiele lat badane przez tribologów Ośrodka Badawczo- Rozwojowego huty Stalowa Wola.

Drugim ważnym elementem zużywającym się w tych maszynach to końcówki czerpaków, które muszą pracować w ośrodkach ściernych i często z udarem. Dobranie materiału na te końcówki powinno być ze stali lub staliw typu Hadfielda .

Z tego krótkiego przedstawienia wynika jeden podstawowy wniosek, że oprócz znajomości obciążeń elementów maszyn i urządzeń istotną sprawą jest przy konstruowaniu i produkcji takie dobranie materiałów na elementy trące, uszczelnienia i substancje smarujące, ażeby ich trwałość była duża. Dlatego autor

Page 7: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 129

w tym opracowaniu pokaże, jak nauka polska przyczyniła się do tego, ażebyśmy mieli możliwości pozwalające określić charakterystyki tribologiczne proponowanych materiałów na węzły ślizgowe.

W poniżej zestawionych rozważaniach ustosunkowano się do dwóch wymienionych ważnych cech stawianym maszynom, które mają wpływ na ich rozwój i będzie podane, co w tym zakresie zrobili polscy naukowcy i inżynierowie. Opisane będą ich działania w tak zwanej tribologii, która jak podano wyżej rozwinęła się w świecie i Polsce w połowie XX wieku. Polacy w swoich początkach badań w tej dziedzinie, uczyli się na osiągnięciach uczonych radzieckich, angielskich a także amerykańskich. Pisząc o tych pierwszych krokach naszych badań w tribologii, pokazany dalej będzie wkład polskich naukowców w tę naukę i jak z ucznia zostaliśmy twórcami pewnych osiągnięć w tej dziedzinie.

2. Osiągnięcia polskich tribologów

2.1. Opis zjawiska tarcia

Dla zrozumienia dokonań polskich tribologów przedstawione zostaną podstawowe zależności dla zrozumienia zjawiska, z którego wynikać będą nasze osiągnięcia.

Nie wiele osób zdaje sobie sprawę z tego, że dwa elementy wykonane z metalu i bardzo starannie obrobione po zetknięciu, czyli po położeniu jednego na drugim, stykają się tylko w nielicznych obszarach. Rzeczywista powierzchnia styku w stosunku do powierzchni nominalnej elementów nie przekracza paru procent. Popularnie można powiedzieć, podobny efekt (tylko w innej skali) dostalibyśmy, gdyby Alpy nałożono na Tatry i podpatrzono, gdzie spotykają się wierzchołki szczytów tych gór. Na rys. 3. przedstawiono przestrzenny obraz nierówności powierzchni w odpowiedniej skali, w stosunku do innych wymiarów elementu, na którym robiono pomiary.

Page 8: Rozdział 4

130 Stanisław Pytko

Rys. 3. Widok nierówności powierzchni po nagniataniu oscylacyjnym wg H. Czarneckiego a), po zużyciu na drodze tarcia 10 000 m b), i po zużyciu na drodze tarcia 20 000 m c)

Na rys. 4 przedstawiono stan chropowatości powierzchni elementu z metalu, wyznaczony typowym chropowatościomierzem, w różnych skalach dla dwóch zabiegów technologicznych, to jest strugania i szlifowania.

Page 9: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 131

a)

b) Rys. 4. Dwa obrazy nierówności powierzchni dla struganego elementu a), i szlifowania b)

Rys. 5. Model procesu tarcia

W miarę zmniejszenia wysokości nierówności powierzchni elementów, co widać na rys. 4, wartość rzeczywistej powierzchni styku będzie rosnąć, ale ten fakt nie musi zmniejszać wartość współczynnika tarcia podczas przesuwania tych

Page 10: Rozdział 4

132 Stanisław Pytko

elementów względem siebie. Oprócz tego rzeczywista wartość powierzchni styku będzie rosnąć w miarę wzrostu obciążenia. Na rys. 5, przedstawiono modelowo taką sytuację. Na rys. 5a, jest zetknięcie tych elementów a na rys. 5b, zetknięcie tych elementów pod obciążeniem i wtedy możemy napisać:

N= N1 + N2 + N3 +…… Nn (1)

Na rys. 5c przedstawiono sytuację, kiedy te elementy przesuwane są względem siebie. Jak widać na tym rysunku, powstaje w styku siła tarcia T wywołana między innymi skrawaniem miększego materiału przez występ nierówności twardszego materiału.

Osoby eksploatujące samochody, mogą takie cząstki metalu z zużycia tulei cylindrów silnika odszukać na namagnesowanych korkach otworów spustowych mis olejowych silników. Są tam zużyte cząstki trących pierścieni tłoka o tuleję cylindra, elementy zużytej panewki wału wykorbionego i innych elementów silnika. W rzeczywistych warunkach nie wszystkie występy jednego elementu tak są usytuowane, ażeby skrawać, inne tylko partnera odkształcają sprężyście lub plastycznie.

Wierzchołki występów nierówności w literaturze z zakresu tribologii, są modelowane, jako półkule a sytuacje, w jakich one mogą być w styku, przedstawiono na rys. 6. Na rys. 6d, przedstawiono najgorszą sytuację z tribologicznego punktu widzenia. W takiej sytuacji następuje zgrzewanie się występu nierówności z przeciw usytuowanym elementem i wyrywanie pewnych obszarów metalu z warstwy wierzchniej partnera, którego materiał jest mniej wytrzymały na zerwanie. Następuje wtedy zacieranie elementów, czyli na zimno zgrzewanie. Takie zużycie jest katastroficznym zużyciem i jeżeli nastąpi w łożysku silnika samochodowego wówczas przestaje on dalej pracować. Oczywiście przed zatarciem musi być wcześniej przerwane smarowanie.

W tych rozważaniach o tarciu musimy jeszcze zwrócić uwagę na to, że w stosunku do próżni, w powietrzu zaraz na odkrytych powierzchniach metali, w wyniku ze skrawania, bądź starcia, następuje utlenienie metalu warstwy wierzchniej elementu, co stanowi pewną zaporę przed łatwym zgrzewaniem w czasie tarcia. W próżni taka zapora nie powstaje i w przypadku braku powłok – a ze smarowaniem są bardzo duże problemy, bardzo łatwo może wystąpić zgrzewanie.

Page 11: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 133

Rys. 6. Modele współpracy wierzchołków nierówności powierzchni z współpartnerem

Rys. 7. Budowa warstwy wierzchniej elementów maszyn

Jak zatem należy dobierać materiały na elementy współpracujące, ażeby takie zatarcie nie występowało, nawet wtedy kiedy chwilowo przerwane jest

Page 12: Rozdział 4

134 Stanisław Pytko

smarowanie. Jak się dalej przekonamy, takiej sytuacji możemy zapobiec stosując odpowiednie materiały lub możemy różnymi technologiami tworzyć takie warstwy wierzchnie elementów, czy też powłoki na elementach maszyn utrudniające zgrzewanie.

Obecnie w Polsce i na świecie stosuje się pokrywanie elementów bardzo odpornymi powłokami między innymi azotkiem tytanu, węglikiem tytanu lub wprowadzając w warstwy wierzchnie takie pierwiastki jak azot, bor itp. W XX wieku zostało opracowane dziesiątki nowych technologii w inżynierii powierzchni. Dla przykładu podam, że kiedy projektowano największy samolot świata „ANTONOW” biorący na pokład ponad 200 ton materiału, w Uniwersytecie Lotniczym w Kijowie opracowano ponad 100 nowych technologii obróbki warstw wierzchnich elementów.

Jak zatem należy dobrać materiały elementów współpracujących, aby nie dopuścić do zatarcia w czasie współpracy?

Najprostszy wzór na współczynnik tarcia ma następującą postać:

μ = T/ N (2)

Gdzie; T - siła tarcia, N- siła normalna. Wzór ten możemy przekształcić, jeżeli wstawimy: T= F τ , gdzie τ naprężenia styczne stawiające opór przemieszczaniu elementów, N= FσH, gdzie σH naprężenia normalne wyliczone wg zależności podanych przez Hertza dla półkuli stykającej się z elementem o płaskiej powierzchni, zaś F- powierzchnia styku. Po podstawieniu tak zapisanych wartości do wzoru (1) ma on teraz postać:

μ = τ / σH (3)

Analizując ten wzór możemy stwierdzić, że aby współczynnik tarcia był najmniejszy powinien materiał charakteryzować się małą wartością τ, innymi słowy ażeby łatwe było małymi siłami ścinanie nierówności a równocześnie ażeby był bardzo twardy, czyli duża była wartość σH. Trudno sobie taki materiał wyobrazić, który miałby dwie przeciwstawne cechy. Taki materiał na panewki,

Page 13: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 135

opracował amerykański technolog J. Babbit a w jego skład (stopu) wprowadził cynę z antymonem i miedź. Materiał ten nazywany został „białym metalem” i jest jednym z najlepszych stopów łożyskowych. W tym stopie, bardzo obecnie drogim, ze względu na cynę w jego składzie (są braki cyny na świecie) i miedź, struktura jego jest taka, że w miękkiej osnowie cyny znajdują się twarde kryształy miedzi, te, które dają duże wartości σH.

Jak obecnie, przy braku cyny poradzono sobie w świecie z tym problemem, kiedy dla samochodów produkuje się miliony egzemplarzy łożysk. Wykonuje się dziś panewki łożysk wielowarstwowe. Panewka na przykład wału korbowego silnika samochodowego ma stalowy podkład o dużej wartości σH a na nim wylewkę ze stopu łożyskowego a na niej cieniutką warstewkę nałożoną np. elektrolitycznie o grubości kilku mikrometrów z bardzo miękkiego materiału, Rys.8. A więc dla celów technicznych podpatrzono budowę stawu człowieka.

Rys. 8. Półpanewka łożyska ślizgowego a): S-olej, A-cieniutka warstwa wierzchnia panewki o małym τ, C-stop łożyskowy, D-łuska stalowa, E- warstwa ochronna

W stawie człowieka jest podobnie, na twardej kości pokrytej chrząstką znajduje się ochrzęstna, łatwo wypełniająca się cieczą synowialną, czyli substancją smarną stawu, dzięki czemu mamy małe siły styczne, wpływające na współczynnik tarcia w stawie, rys. 9.

Page 14: Rozdział 4

136 Stanisław Pytko

Rys. 9. Rysunek stawu biodrowego: S- maź synowialna, A- ochrzęstna, B- kość miednicy, C- chrząstka, D- kość biodra

Rozpatrując tarcie ślizgowe można w zależności od warunków, w jakich elementy ze sobą współpracują, to jest czy są smarowane czy nie podzielić na grupy, jak przedstawiono na Rys.10. 1. Najwyższe współczynniki μ tarcia będziemy mieli, jeżeli te elementy będą

pracować w próżni, czyli wtedy, kiedy nie mamy stref tlenków, a model tego tarcia przedstawiono na Rys.10a.

2. Mniejszy współczynnik tarcia μ będzie wtedy, kiedy elementy będą współpracować w warunkach ziemskich, to jest kiedy będą pokryte tlenkami i z zaabsorbowaną parą wodną, Rys.10b.

3. Najmniejszy współczynnik tarcia μ będziemy mieli, kiedy elementy będą smarowane i wówczas tarcie pomiędzy elementami nie wystąpi a pomiędzy warstwami czynnika smarnego. Takie tarcie nazywamy tarciem płynnym, rys. 10d.

Oczywiście opisane wyżej tarcie oprócz łożysk ślizgowych, może też wystąpić pomiędzy dwoma współpracującymi elementami o innych kształtach przedstawionych modelowo na rys. 11. Rodzaje styku od rys. 11a do rys. 11d można uznać za przypadki, kiedy występuje tarcie ślizgowe. W przypadku, jak na rys. 11e mamy tarcie toczne a na rys. 11f i rys. 12 tarcie toczne ze ślizgowym. Jak zatem będzie się przedstawiała współpraca w elementów, gdzie będzie występować styk elementów, jak na rys. 11e i 11f. oraz na rys. 12.

Page 15: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 137

.

Rys. 10. Rodzaje tarcia

Rys. 11. Rodzaje styku elementów współpracujących

Dwa współpracujące zęby kół zębatych można zastąpić dwoma współpracującymi walcami toczącymi się z pewnym poślizgiem. Dla zrozumienia obciążenia tych zębów w czasie zazębienia to jest w czasie współpracy musimy przeanalizować stan naprężeń, jaki występuje w obszarze styku tych zastępczo dwóch walców.

Page 16: Rozdział 4

138 Stanisław Pytko

Rys. 12. Fragment współpracy dwóch zębów, gdzie może wystąpić tarcie płynne

W czasie styku dwóch walców rys. 13, kiedy będzie tylko ich obciążenie siłą docisku czyli normalną (rys. 13b) stan naprężeń stycznych wyznaczony metodą elastooptyczną będzie, jak przedstawiono na fotografii rys. 13a. Na fotografii przedstawione są linie w miejscach o jednakowych wartościach naprężeń stycznych - czyli izochromy. W teorii sprężystości przyjmuje się, że w miejscach gdzie takie maksymalne naprężenia styczne występują mogą pojawić się pierwsze pęknięcia materiału. Zatem tam, gdzie wartość izochromy jest największa dla walców dociskanych, autor nazwał ten obszar punktem Bielajewa, na rys. 13a, punkt B. Nazywając ten punkt nazwiskiem rosyjskiego profesora wytrzymałości materiałów brał pod uwagę fakt, że ten uczony pierwszy raz w świecie na początku XX wieku wykazał, gdzie te naprężenia styczne w styku walców się znajdują, biorąc pod uwagę styk walców obciążonych siłą tylko normalną.

Autor ten fakt potwierdził teoretycznie i elastooptyczne (rys. 13a) pod koniec lat 50-tych XX w. Ta nazwa punkt Bielajewa przyjął się w polskiej literaturze naukowej i technicznej.

A jaki stan naprężeń będzie, jeśli w styku wystąpią siły styczne od momentu przyłożonego, jak to pokazano na rys. 14b.? Wtedy obraz izochrom będzie, jak na

Page 17: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 139

rys. 14a. i miejsce maksymalnych naprężeń zmieni swoje położenie i będzie blisko powierzchni walca.

a) b)

Rys. 13. Izochromy w obszarze styku dwóch walców dociskanych a), stan nacisków w takim styku, przedstawiony wg wzorów Hertza

Takie stwierdzenie jest bardzo istotne przy rozważaniach niszczenia elementów tocznych. Bowiem blisko powierzchni styku mamy zawsze nierówności, które wpływają na powstawanie pęknięć zmęczeniowych. Na przykład w przypadku współpracy dwóch zębów kół zębatych, czy też współpracy koła lokomotywy z szyną w warstwach wierzchnich pojawia się pęknięcie zmęczeniowe, jak pokazane na rys. 15.

a) b)

Rys. 14. Przebieg izochrom; a) w styku walców przy obciążeniu, jak na rys. 14b czyli przy obciążeniu normalnym p i stycznym t, wynikającym z przyłożonego momentu

Page 18: Rozdział 4

140 Stanisław Pytko

Rys. 15. Pierwsze pęknięcia w wyniku zmęczenia materiału w miejscu max naprężeń stycznych

Istotne jest jeszcze to, że w wyniku odkształceń sprężystych a często plastycznych powstają w styku koła z szyną mikropoślizgi, które są wynikiem odkształceń elementów dociskanych do siebie. Dla opisania zmian, jakie wtedy występują i tych odkształceń przyjęto odpowiednią obrazową chropowatość koła i szyny, rys. 16 i pokazano, jak przemieszcza się w trzech miejscach warstwa przypowierzchniowa w przypadku obciążenia normalnego i stycznego powstałego przy toczeniu z przyczepnością koła do szyny, czyli w warunkach ciągnienia.

100 μm

Page 19: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 141

Rys. 16. Modelowane mikroprzemieszczenia Rys. 17. Odkształcenia warstw powierzchniowych a) poślizg 0,0, b) 0,2, c) 0,5 %

Z modelowego przemieszczenia rys. 16 widać, że w styku w wyniku odkształcenia, wzajemne przemieszczenie elementów względem siebie jest największe w punkcie styku oznaczonym literą „A”. Jak się odkształcają warstwy wierzchnie rolek przy toczeniu z poślizgiem przedstawiono na rys. 17, po badaniach na tribotesterze z dociskanymi rolkami z poślizgiem.

Oprócz tego w warstwach wierzchnich powstają pęknięcia zmęczeniowe, początkujące wykruszanie zmęczeniowe zwane w słownictwie międzynarodowym w tribologii „pittingiem”, od słowa angielskiego pit-co znaczy dziura, wyrwa. Powstawanie takiego pęknięcia powodującego następnie pitting przedstawiono na rys. 18. W przypadku, gdy elementy są smarowane, na przykład zęby kół zębatych,

Page 20: Rozdział 4

142 Stanisław Pytko

wykruszenia na powierzchniach zębów może po pęknięciu, intensyfikować wciskany w nie olej, jak to przedstawiono na rys. 18.

Oczywiście w przypadku współpracy dwóch zębów kół zębatych, gdzie mamy styk toczno-ślizgowy, dla zapobiegnięciu ścierania zębów stosujemy smarowanie olejem z specjalnymi dodatkami.

Oprócz wielu różnych dodatków dla olejów przekładniowych dodajemy dodatki specjalne, które zostały z norm amerykańskich nazwane EP (Extremum Press)- czyli na duże naciski (ekstremalne). Zadaniem tych dodatków jest nie dopuścić do zatarcia zębów w przypadkach przeciążeń. W wyniku wzrostu temperatury przed zatarciem, dodatki EP znajdujące się w oleju wchodzą w reakcje z metalem tworząc warstwy dające łatwość poślizgu, co wynika ze wzoru (3). Innymi słowy małe τ daje małe wartości μ zapobiegając zatarciu. A zatem olej stosowany z tymi dodatkami zapobiega zatarciu, ale kiedy pojawi się pęknięcie jest cieczą, która penetrując w szczelinę powoduje jej rozsadzanie, co łatwo zrozumieć analizując model na rys.18.

Rys. 18. Model pęknięć w styku dwóch zębów (zastępczo walca z walcem) powodujących

pitting w wyniku pęknięć zmęczeniowych i ciśnienia w styku oleju smarującego

Jest jeszcze drugi ważny problem, jak pod wpływem tych dodatków zmienia się wartość swobodnej energii powierzchniowej. Autor w latach 60 XX w. badał

Page 21: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 143

ten problem i stwierdził, że niektóre dodatki niekorzystnie wpływają na tak zwany pitting. Ostatnio to stwierdzenie autora, potwierdzono w Instytucie Technologii Eksploatacji -PIB w Radomiu.

Własnościami olejów z dodatkami aktywnymi zajmował się fizyko-chemik rosyjski Rebinder i jego stwierdzenia nazwano efektem Rebindera. Tak zwany „efekt Rebindera” polega na adsorpcyjnym obniżeniu wytrzymałości, czyli ułatwieniu odkształcenia i pękania ciał metalicznych w wyniku obniżenia energii powierzchniowej ciała. Istota adsorpcyjnego oddziaływania ma znaczenie, jeżeli zachodzi jednocześnie z rozrywaniem wiązań w samej chwili powstania, czyli „in statu nascendi”. Istotne znaczenie ma przenikanie aktywnych atomów lub cząstek do strefy pękania a właściwie do wierzchołków pęknięć.

Przeprowadzone w Polsce pierwsze badania przez autora, wpływu różnych olejów (o różnym składzie) na powierzchniową trwałość zmęczeniową (pitting) elementów łożysk tocznych, były wykonywane na aparacie czterokulowym podobnym do Tribotestera T-02 (produkcji ITE-PIB, rys. 20) z toczącymi się kulkami w specjalnej miseczce imitującej bieżnię łożyska tocznego wzdłużnego (rys. 21). W przypadku smarowania kulek olejami z dodatkami typu EP (dodawanymi dla zwiększenia smarności oleju) stwierdzono, że czas do wykruszeń – czyli czas do powstania „pittingu” na kulkach był krótszy, niż wtedy kiedy kulki były smarowane olejem bez tych dodatków zwiększających smarność. Okazuje się, że takie wyniki można przypuszczalnie wytłumaczyć „efektem Rebindera”, a to dlatego, że aktywne dodatki mają duży wpływ na obniżenie energii powierzchniowej w szczelinach nierówności. Powyższe stwierdzenia są ilustrowane wynikami przedstawionymi na rys. 19.

Analizując wyniki przedstawione na rys. 19, można stwierdzić, że najlepszym z przebadanych olejów, biorąc pod uwagę „pitting”, jako efekt uszkodzeń, był olej 4 - bez dodatków EP. Trwałość 90% populacji przebadanych kulek, oznaczona symbolem L10 wyrażona w minutach, czyli czas do chwili pojawienia się pierwszego wykruszenia na kulce górnej wynosił odpowiednio dla środków smarowych: 1- 5,7 min., 2 – 31,0 min., 3 – 67,7 min., 4 - 87.0 min.

Page 22: Rozdział 4

144 Stanisław Pytko

Praw

dopo

dobi

eńst

wo

odpa

dani

a ku

lek

w %

(wg

skal

i Wer

bulla

)

99

9590

80

70

60

50

40

30

20

5

10

5 6 7 8 9 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 200 300 400 500czas [min]

12

3

4

Rys.19. Krzywe zmęczenia dla czterech środków smarnych: 1- olej z glikolem, 2- smar

półpłynny, 3- olej dla przekładni hipoidalnych, 4 - olej dla silników dwusuwowych.

Rys. 20. Widok aparatu czterokulowego, T-02

Zmodyfikowany aparat czterokulowy T-02 (rys. 20) przeznaczony jest do badania wpływu środków smarowych oraz materiałów konstrukcyjnych na powierzchniowe zużycie zmęczeniowe (pitting) elementów pracujących w wysoko

Page 23: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 145

obciążonym styku smarowanym a więc badania, które pozwoliły na uzyskanie wyników, jak na rys. 19.

a) b) c)

Rys. 21. Węzeł badawczy aparatu T-02 do badania pittingu a), układ czterech kul w misce, gdy górnym elementem jest kulka b), układ, gdy górnym elementem jest metalowy stożek c)

W przypadku badania wpływu materiałów konstrukcyjnych na pitting zamiast górnej kulki (1) (rys. 21b) we wrzecionie montuje się próbkę w postaci stożka wykonanego z badanego materiału lub z naniesioną badaną powłoką rys. 21c. W czasie biegu badawczego mierzone są następujące wielkości: poziom drgań węzła tarcia, temperatura badanego środka smarowego, czas badania.

woda z glikolem (Nr1)olej (Nr2)olej (Nr3)olej (Nr4)

60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 300 400 500 600 700 800

Obciążenie [dN]

4,0

3,0

2,01,8

1,6

1,4

1,2

1,00,9

0,8

0,6

0,5

0,4

Śred

nia

śred

nica

ska

zy [m

m]

Rys. 22. Zależności wymiarów średnicy skazy od obciążenia przy wyznaczaniu obciążenia zespawania za pomocą aparatu czterokulowego T-02

Page 24: Rozdział 4

146 Stanisław Pytko

Autor wykonał również badania olejów, jak podano na rys. 19, dla określenia wartości obciążenia zespawania a wyniki dla nich są na wykresach rys. 22. Zgodnie z normą PN, dla tych olejów oznaczono średnie średnice skazy powstałej podczas testów zużycia na aparacie też czterokulowym, ale z nie toczącymi się kulkami, lecz unieruchomionymi, jak na rys. 26. Olej oznaczony cyfrą 3, a więc olej o najlepszych własnościach przeciwzatarciowych był olejem z dodatkami typu EP z przeznaczeniem smarowania przekładni hipoidalnych.

3. Wpływ wyżej wymienionych dokonań na rozwój dyscypliny naukowej

3.1. Przykład wykorzystania zjawisk powstałych w wyniku tarcia

Jednym z ważniejszych urządzeń w kopalniach górnictwa podziemnego są obudowy górnicze. W tych obudowach najważniejszymi elementami są siłowniki hydrauliczne podtrzymujące strop i przesuwające transportery zgrzebłowe, które zarazem stanowią tor przesuwającego się kombajnu do urabiania węgla. Substancjami hydraulicznymi obudów muszą być takie ciecze, które spełniają przepisy górnicze a więc nie mogą być palne ze względów na bezpieczeństwo w kopalni. Ciecze hydrauliczne stosowane na przykład w podnośnikach samochodowych są olejami hydraulicznymi wykonanymi na bazie olejów mineralnych, a więc są palne. Z tego to powodu w przeważających obudowach stosuje się emulsje olejowe to jest roztwory wodne. Mogą być inne stosowane ciecze np. woda, kiedy cylindry siłowników są z powłokami wyłożonymi z tworzyw niemetalicznych, jak to opisane jest w niektórych patentach.

W tym rozdziale przedstawiona będzie nowa technologia kształtowania warstw wierzchnich elementów maszyn ze stali i żeliw, metodą toczenia wykańczającego, w której zastosowano specjalne ciecze chłodząco-smarujące. W składzie tych cieczy, których składnikiem w 90% jest woda, znajdują się specjalne dodatki a między innymi kompleksy metali, np. miedzi lub miedzi z cynkiem i innych metali oraz inne specjalne dodatki np. antykorozyjne. Zastosowanie tych cieczy podczas toczenia wykańczającego, nie tylko pozwala

Page 25: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 147

osiągnąć wszystkie wymagania, jakie żąda się od cieczy chłodząco-smarujących przy skrawaniu metali, ale co jest istotne na powierzchni obrabianego elementu powstaje równocześnie powłoka (warstewka) z metalu, którego kompleksy były w cieczy użytej przy toczeniu. Ta technologia pozwala konstytuować na powierzchniach elementów obrabianych powłoki z miedzi lub mosiądzu o grubości ok. 1 m. Powłoki otrzymane tą metodą na powierzchniach elementów maszyn mogą stanowić warstwę podkładową np. pod elektrolityczne chromowanie. Mogą także spełniać funkcję antykorozyjną lub dekoracyjną. Mogą również służyć, jako powłoki barierowe przed nawęglaniem powierzchni elementów maszyn wykonanych ze stali w przypadkach, kiedy tylko chcemy nawęglać niektóre powierzchnie elementu. Dalej będzie opisany ten system przy toczeniu wałka, gdzie wykorzystano wiedzę tribologiczną.

Wodne ciecze chłodząco-smarujące, o których mowa nie są rozpowszechnione tak jak emulsje, pomimo, że są trwalsze i stabilniejsze fizycznie i chemicznie niż emulsje. Rozpatrując systemy tribologiczny, jak na rys. 23, proces skrawania metali znajduje się w obszarze, w którym występuje największy współczynnik tarcia. Z rys. 24. wynika, że w procesach skrawania blisko krawędzi ostrza noża skrawającego zachodzić powinno tarcie fizycznie suche w strefie A- rys. 24. Dobierając odpowiednie parametry skrawania możemy wytworzyć takie warunki na ostrzu noża, że nastąpi wcześniejsze pękanie materiału przed nadejściem ostrza a wtedy do powstałej szczeliny (chwilowej próżni) może łatwo dostawać się ciecz chłodząco-smarująca podawana z zewnątrz.

Tak więc bardzo czysta powierzchnia obrabianego elementu i wysoka temperatura stwarzają warunki do adhezji metalu na powierzchni obrabianej z cieczy chłodząco-smarującej.

Innym ważnym procesem wpływającym na powstawanie powłok z metali znajdujących się w cieczach chłodząco-smarujących jest gradient temperatury wióra i metalu skrawanego stykających się bezpośrednio z powierzchniami noża. Z dotychczasowych badań wynika, że w obszarze skrawania gradient temperatury w okolicy ostrza noża skrawającego może mieć wartość przy skrawaniu stali od 500 do 1100 K a często i większą.

Page 26: Rozdział 4

148 Stanisław Pytko

Rys. 23. Systemy tribologiczne

Rys. 24. Strefy tarcia na powierzchni noża

Page 27: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 149

Na rys. 25 przedstawiono ten stan w czasie skrawania i wykresy wartości temperatury i naprężeń na ostrzu noża.

Rys. 25. Schemat rozkładu sił P na ostrze noża skrawającego a), rozkład naprężeń stycznych i normalnych na ostrzu b), rozkład temperatury na ostrzu w czasie toczenia stali c), ww- warstwa wierzchnia. 1,2,3, obszary rodzajów tarcia, K-obszar deformacji wióra, T –siły tarcia na powierzchni wióra i metalu skrawanego

W celu zmniejszenia zużycia narzędzi skrawających, oprócz dobierania parametrów skrawania, należy zmniejszać współczynnik tarcia na powierzchni styku narzędzia i wióra oraz narzędzia i materiału skrawającego. Można to zrobić różnymi metodami, między innymi przez nakładanie powłok specjalnych na ostrzach noży np. z TiN lub stosować odpowiednie ciecze chłodzące, chłodząco-smarujące lub smarujące.

Page 28: Rozdział 4

150 Stanisław Pytko

3.2. Wykorzystanie w procesie skrawania cieczy opartych na kompleksach metali

Większość metali, a szczególnie takie metale jak Cu, Zn, Cr, wykazują zdolność do tworzenia kompleksów z wieloma substancjami organicznymi i nieorganicznymi. Jako substancje komplekso- twórcze mogą być: 1) sól dwusodowa kwasu etylenodiaminotetraoctowego zwanego kwasem

wersenowym - EDTA, 2) sól Seignetta, czyli winian sodowo-potasowy.

Dla przykładu przedstawiono wyniki badań 1%-owego wersenianowego kompleksu opartego na związkach miedzi. Próbowano również wykazać, jaki wpływ na siłę zgrzewania określoną na Tribotesterze T-02, mają dodatki uszlachetniające wprowadzone do badanych roztworów w układzie pojedynczym lub łącznym i wartości te podano w tabeli 1.

Modyfikacja roztworów etylenodiaminą w ilości dającej wartość pH około 9,0 nie powoduje zmiany wartości siły zgrzewania. Wyniki są takie same, jak dla czystych kompleksów. Zastosowane jako dodatek szkło wodne oprócz poprawy wartości pH zmienia siłę zgrzewania. Dodatek do 1%-owych roztworów miedzi, szkła wodnego w ilości 2,5% objętościowych podnosi wartość siły zespawania dla kompleksów opartych na: CuSO4 - z 200 do 250 [dN], natomiast CuCl2 - z 400 do

500 [dN].

Tabela 1

Siła zgrzewania [Pz], określona na aparacie tribotesterze T-02 z węzłem, jak na rys. 26, dla cieczy chłodząco-smarujących opartych na kompleksach miedzi bez

modyfikatorów i z modyfikatorami.

Tribotester T-02 (rys. 20) z węzłem przedstawionym na rys. 26. umożliwia prowadzenie badań według metod opisanych w następujących normach: PN-76/C-

PZ [dN] bez modyfikacji 200 200 250 400Pz [dN] z modyfikowany

Na2HPO4315 315 315 620

Dodatki w wodzie Siła zgrzewania Pz Cu(CH3COO)2 CuSO4 Cu(NO3)2 CuCl2

Page 29: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 151

04147, ASTM D 2783, ASTM D 2596, ASTM D 4172, ASTM D 2266, IP 239, DIN 51350, Fiat 50500, IP 300.

Skojarzenie badawcze składa się z trzech unieruchomionych w uchwycie (4) kulek (2), dociskanych z żądaną siłą P do górnej kulki (1). Kulka (1) zamocowana jest we wrzecionie (3) obracającym się z zadaną prędkością n.

Rys. 26. Węzeł badawczy aparatu T-02 do badań podstawowych - schemat układu czterech kul w misce a), układ kul po teście i zgrzaniu górnej kulki z dolnymi b)

W czasie biegu badawczego mierzone są następujące wielkości: moment tarcia, obciążenie, temperatura badanego środka smarowego, prędkość obrotowa, czas badania. Tribotester T-02 pozwala na liniowy wzrost obciążenia węzła tarcia w czasie biegu badawczego poprzez przesuw obciążnika po dźwigni obciążającej (patrz rys. 20). Rozwiązanie to umożliwia realizację badań zacierania w warunkach ciągłego (automatycznego) wzrostu obciążenia, według oryginalnej metody opracowanej w ITE-PIB w Radomiu.

3.3. Mechanizm konstytuowania powłok z Cu w trakcie toczenia stali

W bezprądowej, chemicznej metodzie metalizowania można wyróżnić trzy, zupełnie odmienne, sposoby osadzania warstw metalowych.

Page 30: Rozdział 4

152 Stanisław Pytko

1. Przy osadzaniu powłoki metodą redukcji, na powierzchni podłoża muszą występować działające katalitycznie centra, umożliwiające bezzakłóceniowy przebieg procesu. Metalami katalizującymi proces osadzania się są: Fe, Ni, Co, Pd, Rh, Au, Al, Mg i inne metale. Większość z tych metali to składniki stali.

2. Osadzanie metodą redukcji pozwala również uzyskiwać warstwę bimetaliczną, np. z roztworów kompleksów miedzi i cynku można uzyskać warstwę mosiądzu. Metoda redukcji znalazła najszersze zastosowanie wśród bezprądowych metod osadzania warstwy wierzchniej.

3. Osadzanie warstwy wierzchniej metodą wymiany jonowej polega na reakcji i redukcji jonów metalu o wyższym normalnym potencjale przez atomy metali o niższym normalnym potencjale.

W procesie tworzenia warstw (powłok) w czasie opisaną metodą, należy rozróżnić dwa, przebiegające równolegle zjawiska: powstawanie zarodków, a następnie wzrost kryształów, co przedstawiono na rys. 27. Początkowo osadzany metal nie wydziela się na całej powierzchni podłoża, lecz tylko w pewnych jego punktach, w których warunki energetyczne są najbardziej sprzyjające i do osadzania się atomów potrzebna jest najmniejsza energia aktywacji.

Rys. 27. Fazy powstawania pokrycia z Cu: a) powierzchnia, b) i c) powierzchnia z zarodkami

Cu, d) mikro- nierówności, e) warstwa z powłoką z Cu, 1) zarodki Cu, 2) zarodki z Cu, A, B metale (nóż i materiał obrabiany), C- ciecz chłodząco-smarująca

Page 31: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 153

Ośrodkami takimi są naroża i krawędzie kryształów podłoża. W miarę upływu czasu ilość wytworzonych zarodków wzrasta, w rezultacie czego cała powierzchnia podłoża pokrywa się warstwą osadzanego metalu. Na strukturę warstwy wierzchniej wpływ mają następujące czynniki: 1) temperatura (wzrost temperatury sprzyja tworzeniu warstw grubokrystalicznych), 2) stężenie kationu osadzanego metalu (zmniejszenie stężenia roztworu sprzyja

tworzeniu się drobnokrystalicznych warstw), 3) pH roztworu (przy niskich wartościach pH, może nastąpić wydzielanie się

wodoru cząsteczkowego, który częściowo ulatnia się do atmosfery, a częściowo dyfunduje do metalu podłoża lub w postaci pęcherzyków osadza się na powierzchni podłoża. Warstwa wierzchnia zawierająca duże ilości wodoru jest krucha, ma mniejszą gęstość i może rozwarstwiać się.

Skuteczność działania cieczy opartych na wersenianowych i winianowych kompleksach miedzi sprawdzono podczas toczenia stali węglowych tj. stali 04J, 10 i 55 na tokarce typu TUG-40. Stale te toczono przy następujących parametrach skrawania: prędkość skrawania vs = 90 - 120 [m/min] , posuw p = 0,05 [mm/obr], głębokość skrawania g = 0,5 [mm] ,

Wybór tych parametrów podyktowany został warunkami procesu technologicznego tj. obróbką wykańczającą, stosowaną w praktyce i wybranymi warunkami, aby było wcześniejsze pęknięcie materiału przed ostrzem. Konieczne jest więc wcześniejsze dobranie prędkości skrawania dla danego materiału. Zatem w odpowiednich warunkach, powstałymi kapilarami dzięki chropowatości materiału dostaje się do wierzchołka noża, w miejsce powstałej próżni, ciecz z metalami i osadza się bardzo szybko na super czystej powierzchni, czemu sprzyja też temperatura (patrz rys. 28).

Page 32: Rozdział 4

154 Stanisław Pytko

Rys. 28. Charakterystyczny styk ostrza noża z materiałem skrawanym a), styk ostrza z wiórem i metalem b), miejsca z cieczą w styku ostrza z wiórem i metalem c), stan (b) w powiększeniu, d) fotografia powierzchni metalu obrabianego x 5000

Na rys. 29, jest fotografia pręta obrobiona według opisanej metody z nałożoną powłoką z Cu.

Rys. 29. Fotografia pręta po obróbce z udziałem cieczy chłodząco-smarującej z kompleksami Cu

Page 33: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 155

4. Wpływ dokonań tribologów na kształtowanie warunków życia współczesnego społeczeństwa

Oprócz spraw związanych z wyżywieniem ludności świata, ważnym problemem społecznym jest zdrowie człowieka. Dużo prac tribologicznych poświęconych jest problemowi związanemu ze zdrowiem człowieka, to jest poprawą funkcjonowania jego organów a szczególnie układu kostnego.

Organami człowieka, którymi zajmują się tribolodzy na świecie to: stawy człowieka – najdoskonalsze łożyska, sztuczne zastawki układu krwionośnego, sztuczne serce. Tribolodzy polscy zajmują się też tymi problemami, a szczególnie endoprotezami stawu kolanowego i biodrowego. W kilku Politechnikach opracowano kilkanaście tribotesterów do badania materiałów na elementy tych endoprotez.

Takie urządzenia badawcze według własnych pomysłów znajdują się w Politechnikach: Częstochowskiej, Warszawskiej, Krakowskiej i Białostockiej. Na Politechnice Warszawskiej wykonywano elementy endoprotezy dla danej osoby na obrabiarce sterowanej numerycznie, aby dobrze pasowała do kości osoby, której miano założyć tę endoprotezę.

Natomiast w ITE PIB, wykonuje się nie tylko badania, ale i produkuje się tribotester, którego schemat i charakterystykę przedstawiono poniżej. Niezależnie od tego prowadzone są początkowe prace badawcze ( nieliczne w świecie), ze współpracy z Politechniką Krakowska i Akademią Nauk Ukrainy nad zastosowaniem sztucznych szafirów na kule endoprotez stawów biodrowych.

Page 34: Rozdział 4

156 Stanisław Pytko

a) b) Rys. 30. Staw biodrowy człowieka a), endoproteza stawu biodrowego b)

Na rys. 30 przedstawiono fotografie stawu biodrowego człowieka w przekroju i typową endoprotezę tego stawu. Zespół: M. Gierzyńska, A. Kowal i S. Pytko, opracował konstrukcje nowych typów endoprotez stawu biodrowego i przedstawił je, jako rozwiązania patentowe, które dla wprowadzenia w medycynie wymagają dalszych badań rys. 31b. Natomiast na rys. 32 przedstawiono stanowisko dla badań wkładki stawów człowieka.

a) b)

Rys. 31. Typowa endoproteza stawu biodrowego a), wkładka zamiast endoprotezy b) 3 i 4 chrząstki, 1 wkładka, 2 płyn wypełniający w wkładce.

Page 35: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 157

Rys. 32. Stanowisko do badania wkładki stawu biodrowego

W czasie wstępnych długotrwałych badań uzyskano dość wysoką trwałość takiej wkładki a także bardzo mały współczynnik tarcia, to co autorzy patentu chcieli wstępnie osiągnąć.

Dla badania materiałów na endoprotezy stawów człowieka, jak też wkładki zaprojektowano i wykonano w ITE-PIB Symulator T-24 (rys. 33). Symulator ten może być też użyty do badań złożonych, sferycznych układów kinematycznych i do badania charakterystyk tribologicznych materiałów stosowanych na przeguby kuliste. Kinematyka urządzenia umożliwia uzyskanie warunków symulujących pracę złożonych, sferycznych układów kinematycznych o trzech stopniach swobody. Docisk panewki do poruszającej się kuli realizowany jest za pomocą siłownika pneumatycznego sterowanego poprzez zawór proporcjonalny ciśnienia i umożliwia odtwarzanie zadanej charakterystyki obciążenia symulującego np. chód człowieka.

a) b) Rys. 33. Układ sił i kierunki obrotów w Symulatorze T-24 a), widok głowicy badawczej b)

Page 36: Rozdział 4

158 Stanisław Pytko

Parametry techniczne tribotestera T-24 Zakresy obciążenia i warunki badań, zawarte są w przedziałach: Obciążenie: 0,5 ÷ 3,2 kN, Zakres ruchu rotacyjno-rewersyjnego -65 ÷ +65º, Zakres ruchu wahadłowego-25 ÷ +25º, Częstotliwość rotacji do 2 Hz, Stabilizowana temperatura medium smarującego 40ºC Ciągły pomiar i rejestracja na dysku komputera: siły obciążającej, oporów ruchu, temperatury medium smarującego, całkowitej liczby cykli.

5. Inne osiągnięcia wpływające na rozwój budowy maszyn w Polsce

W Instytucie Technologii Eksploatacji-Państwowym Instytucie Badawczym (ITE-BIP) w Zakładzie Tribologii wyprodukowano 26 typów tribotesterów, które mają przeznaczenie badawcze, przed typowaniem materiałów oraz opracowanych nowych technologii powłok i warstw wierzchnich elementów maszyn, dla zwiększenia ich trwałości.

Wszystkie są wyposażone w system pomiarowo-sterujący, w skład którego wchodzą: zestaw przetworników pomiarowych, sterownik, cyfrowy wzmacniacz

pomiarowy, komputer z zainstalowanym specjalnym programem pomiarowo-rejestrującym.

W czasie badań na wszystkich tribotesterach mierzone są następujące wielkości: siła tarcia, sumaryczne zużycie liniowe elementów węzła tarcia, temperatura otoczenia węzła tarcia, prędkość ślizgania lub obrotowa, czas i liczba obrotów tarczy (droga tarcia).

5.1. Typy tribotesterów

Tribotester T-01M, ze skojarzeniem trzpień-tarcza (lub kula-tarcza) rys. 34 przeznaczony jest do oceny właściwości tribologicznych materiałów używanych na

Page 37: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 159

ślizgowe elementy maszyn. Można na nim badać odporność na zużycie i współczynnik tarcia dowolnego skojarzenia materiałowego pracującego w ruchu ślizgowym, w zależności od prędkości poślizgu i nacisków powierzchniowych. Tribotester ten umożliwia prowadzenie badań zgodnie z wymogami norm ASTM G 99 oraz DIN 50324. Skojarzenie badawcze składa się z nieruchomego trzpienia (lub kuli) dociskanego siłą P do obracającej się z zadaną prędkością n tarczy.

a) b) Rys. 34. Układ próbki i przeciwpróbki z kierunkiem siły i kierunkiem obrotów a), obrazy

próbek i przeciwpróbek b)

Tribotester T-02 i jego odmiana T-03 opisany jest wyżej. Tribotester T-04, rys. 35, przeznaczony jest do oceny odporności na zużycie

materiałów używanych na ślizgowe elementy maszyn w zależności od obciążenia, prędkości poślizgu i innych czynników. T-04 umożliwia prowadzenie badań zgodnie z wymogami normy PN-83/H-04302.

Skojarzenie testowe składa się z trzech nieruchomych wałeczków (próbek), wykonanych z badanego materiału, rozmieszczonych co 120º, dociskanych siłą P do obracającej się z zadaną prędkością n stożkowej przeciwpróbki. Węzeł tarcia może pracować w warunkach tarcia technicznie suchego, może też być smarowany jednorazowo nałożoną porcją smaru plastycznego lub też smarowany metodą zanurzeniową w cieczy umieszczonej w gnieździe mocującym próbki.

n

P

Page 38: Rozdział 4

160 Stanisław Pytko

Rys. 35. Układ sił i kierunki obrotów w tribotesterze a), widok głowicy badawczej b)

Tribotester T-05. rys. 36, przeznaczony jest do badania właściwości tribologicznych środków smarowych takich jak; smary stałe, oleje, smary plastyczne, a także odporności na zużycie materiałów używanych na ślizgowe elementy maszyn. T-05 umożliwia prowadzenie badań zgodnie z wymogami następujących norm: ASTM D 2981, ASTM D 3704, ASTM G 77 oraz ASTM D 2714.

a) b) c)

P

Rys. 36. Układ sił i kierunki obrotów w tribotesterze T-05 a), widok próbek badawczych b),c)

Skojarzenie badawcze składa się z nieruchomej próbki (klocka), wykonanej z badanego materiału, dociskanej zadaną siłą P do rolki obracającej się z zadaną prędkością w jednym kierunku lub wykonującej ruch oscylacyjny (rewersyjny) z odpowiednią częstotliwością i amplitudą. Badany styk może być skoncentrowany (liniowy) b) lub rozłożony c). Para trąca umieszczona jest wewnątrz zbiornika

n

P

120°

Page 39: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 161

wyposażonego w element grzejny, co umożliwia podgrzanie badanego oleju do zadanej temperatury przed biegiem. Temperatura klocka jest mierzona za pomocą termopary, której końcówka pomiarowa umieszczona jest w specjalnym otworze. Tribotester T-07. rys. 37, przeznaczony jest oceny odporności na zużycie materiałów konstrukcyjnych podczas tarcia o luźne, suche ścierniwo, zgodnie z wymogami normy rosyjskiej GOST 23.208-79. Skojarzenie testowe składa się z próbki (płytki) wykonanej z badanego materiału oraz przeciwpróbki (rolki) posiadającej gumowy pierścień, obracającej się z zadaną prędkością n. Cząstki ścierne podawane są grawitacyjnie do strefy styku. Badanie polega na tym, że w jednakowych warunkach pracy (prędkość n i obciążenie P) dokonuje się tarcia próbek, wykonywanych z badanego i wzorcowego materiału, o cząstki ścierne podawane do strefy styku oraz wykonuje pomiar i porównanie zużycia masowego próbek - wzorcowej i z badanego materiału.

a) b)

Rys. 37. Układ sił i kierunki obrotów w tribotesterze a), widok głowicy badawczej b)

Przed badaniami próbka jest docierana pod wymaganym obciążeniem. Tribotester T-07 wyposażony jest w sterownik pozwalający na automatyczne zatrzymywanie silnika napędowego po osiągnięciu zadanej drogi tarcia (liczby obrotów rolki).

Tribotester T-10, rys. 38, przeznaczony jest do oceny właściwości tribologicznych nowoczesnych materiałów używanych na ślizgowe elementy maszyn, przede wszystkim cienkich powłok.

P

n.

.

.. .. ..

.. .. . .. ... ...

..... . ... . . ...

........... .. . . .

....

. .....

... .. .

..

..

.

..

..........

. .. ... .....

.. . .

.

. .. . .... . . . .

.

. .. .. .

.

. ..

...

.

.

.. ....... ..

.

.

Page 40: Rozdział 4

162 Stanisław Pytko

Za pomocą T-10 można precyzyjnie zbadać odporność na zużycie i współczynnik tarcia dowolnego skojarzenia materiałowego pracującego w ruchu ślizgowym, w zależności od prędkości poślizgu, nacisków powierzchniowych i innych czynników. Badania są prowadzone głównie w warunkach tarcia suchego. Tribotester T-10 umożliwia prowadzenie badań zgodnie z wymogami norm ASTM G 99 i DIN 50324.

a) b) c)

Rys. 38. Układ sił i kierunki obrotów w tribotesterze a) i b), widok próbki i przeciwpróbki badawczej c)

Skojarzenie badawcze składa się z nieruchomej kuli dociskanej siłą P do obracającej się z zadaną prędkością n tarczy. Tarcza wykonana jest z badanego materiału. W przypadku badań powłok, są one nanoszone na tarczę. Możliwe są dwie konfiguracje styku testowego - z pionową osią obrotów tarczy oraz z osią poziomą, które można uzyskiwać po prostej wymianie układu obciążającego węzeł tarcia. Dodatkowo można stosować komorę KS-10 do stabilizacji warunków otoczenia (wilgotność, temperatura), montowaną bezpośrednio na urządzeniu T-10.

W wyniku realizacji projektu w ramach programu COST 516 Tribology Action wykazano, że wskazane jest usuwanie w czasie biegu cząstek zużycia ze strefy kontaktu ciernego, np. za pomocą przedmuchu suchym argonem. Poprawia to stabilność i powtarzalność uzyskiwanych charakterystyk tribologicznych. Wyposażenie do przedmuchu argonem dostarczane jest, jako odmiana T-10.

Tribotester T-11, rys. 39, ze skojarzeniem trzpień-tarcza (lub kula-tarcza) przeznaczone jest do oceny właściwości tribologicznych środków smarowych oraz materiałów używanych na ślizgowe elementy maszyn pracujące w podwyższonej temperaturze. Można na nim zbadać odporność na zużycie i współczynnik tarcia dowolnego skojarzenia materiałowego pracującego w ruchu ślizgowym, w zależności od obecności i rodzaju środka smarowego, temperatury otoczenia węzła tarcia,

n

P P

n

Page 41: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 163

prędkości poślizgu, nacisków powierzchniowych, rodzaju gazu w komorze testowej i innych czynników.

Urządzenie jest w szczególności przeznaczone do badań tribochemicznych w warunkach smarowania granicznego. Skojarzenie badawcze składa się z nieruchomego trzpienia (lub kuli) dociskanego siłą P do obracającej się z zadaną prędkością n tarczy.

Węzeł tarcia umieszczony jest w izolowanej komorze zaopatrzonej w element grzejny H, pozwalający na podgrzewanie i utrzymywanie stałej temperatury we wnętrzu komory badawczej.

Istnieje możliwość badań w atmosferze kontrolowanej poprzez wprowadzanie gazu do komory.

a) b) c)

Rys. 39. Układ sił i kierunki obrotów w tribotesterze a), widok próbki i przeciwpróbki badawczej b) c)

Tribotester T-12, rys. 40, przeznaczony jest do wyznaczania właściwości przeciwzatarciowych środków smarowych takich jak oleje smarowe, głównie przekładniowe czy smary plastyczne. Właściwości te określa stopień obciążenia, pod którym stwierdza się zatarcie przekładni badawczej smarowanej badanym środkiem smarowym. Wystąpienie zacierania może być oceniane wizualnie lub wagowo. Za pomocą T-12 można wykonywać badania według trzech metod opracowanych przez FZG. Pierwsza metoda, znana jako A/8.3/90, przeznaczona jest do badania olejów smarowych zgodnie z wymogami następujących norm: PN-78/C-04169, ISO 14635-1, CEC L-07-A-95, DIN 51354, IP 334, ASTM D 5182. Metoda druga, A10/16.6R/120, jest przeznaczona do badania olejów smarowych o wysokich właściwościach

Page 42: Rozdział 4

164 Stanisław Pytko

przeciwzatarciowych według ISO 14635-2 oraz CEC L-84-02. Trzecia metoda, A/2.8/50, jest przeznaczona do smarów plastycznych i jest oparta na normie ISO 14635-3.

Skojarzenie testowe składa się z pary specjalnych kół zębatych, znanych jako koła FZG typu A, obciążanych odpowiednim momentem i obracających się z zadaną prędkością. Koła testowe są nawęglane i szlifowane krzyżowo metodą Maaga. Szerokość zębów mniejszego koła (zębnika) wynosi 20 mm (koła typu A) lub 10 mm (typ A10). Duże koło obraca się w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (R – reverse) w zależności od metody badań. Przekładnia testowa umieszczona jest w komorze zaopatrzonej w element grzejny, pozwalający na podgrzewanie badanego oleju przed biegiem.

a) b)

Rys. 40. Układ kierunki obrotów w tribotesterze a), widok próbki i przeciwpróbki b)

Mierzone wartości wyświetlane są na bieżąco na wyświetlaczach sterownika. Silnik urządzenia jest automatycznie zatrzymywany po upłynięciu zadanego czasu. Istnieje możliwość zmiany prędkości obrotowej oraz odwrócenia kierunku obrotów silnika w celu umożliwienia wykonywania badań według metody A10/16.6R/120.

Tribotester T-13m, rys. 41, przeznaczony jest do wyznaczania właściwości przeciwzużyciowych środków smarowych. Właściwości te charakteryzowane są tzw. naciskiem Bruggera. Zaletą testu jest krótki czas (30 s) oraz niski koszt urządzenia. Można go zatem wykorzystywać np. w celach demonstracyjnych dla szybkiego pokazania efektywności działania środków smarowych. Tribotester T-13m umożliwia prowadzenie badań zgodnie z wymogami normy DIN 51347. Skojarzenie testowe składa się z dwóch cylindrów o osiach skrzyżowanych pod

R

Page 43: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 165

kątem 90. Nieruchomy, górny cylinder (rolka) dociskany jest zadaną siłą P do dolnego cylindra (pierścienia) obracającego się z prędkością n.

a) b)

Rys. 41. Układ sił i kierunki obrotów w tribotesterze a), widok próbki i przeciwpróbki b)

Po wykonaniu badania oblicza się tzw. nacisk Bruggera dzieląc obciążenie przez pole śladu zużycia powstałego na rolce.Tester T-13m wyposażony jest w sterownik pozwalający na automatyczne zatrzymywanie silnika napędowego po osiągnięciu zadanego czasu lub zadanej drogi tarcia (liczby obrotów rolki). Dodatkowo urządzenie może być wyposażone w sterownik silnika do bezstopniowej zmiany prędkości obrotowej (opcja).

Tribotester T-14m, rys. 42, przeznaczony jest do wyznaczania odporności na zarysowanie materiałów konstrukcyjnych i powłok takich jak np. farby i lakiery, w zależności od obciążenia, prędkości poślizgu i innych czynników. Rysa wykonywana jest wgłębnikiem z kulistym zakończeniem. Po zakończeniu testu szerokość rysy mierzy się za pomocą mikroskopu.

a) b)

Rys. 42. Układ sił i kierunek przesuwu w tribotesterze a), widok wgłębnika i próbki

P n

Page 44: Rozdział 4

166 Stanisław Pytko

Można też użyć profilografometru w celu pomiaru głębokości zarysowania. Urządzenie T-14m umożliwia prowadzenie badań zgodnie z wymogami norm PN-EN ISO 1518 oraz ISO 1518. Skojarzenie testowe składa się z nieruchomego wgłębnika dociskanego zadaną siłą P do płytki przesuwającej się z zadaną prędkością v. Płytka jest wykonana z badanego materiału. W przypadku badań powłok, są one nanoszone na płytkę.

Wgłębnik może być pochylany w celu zmiany jego kąta natarcia w stosunku do płytki. Poprzez poprzeczny przesuw płytki można wykonać kilka równoległych rys na jednej płytce. Tester T-14m wyposażony jest w odpowiedni sterownik. W czasie badania mierzone są następujące wielkości: prędkość poślizgu, liczba obrotów śruby napędzającej mechanizm przesuwu płytki (droga tarcia).

Tribotester T-15, rys. 43, przeznaczony jest do oceny właściwości tribologicznych materiałów używanych na ślizgowe elementy maszyn oraz środków smarowych, ze szczególnym uwzględnieniem materiałów przeznaczonych na uszczelnienia czołowe, a także skojarzeń metalowo-polimerowych. Tribotester T-15 umożliwia prowadzenie badań zgodnie z wymogami normy GOST 23.210-80. Skojarzenie badawcze składa się z nieruchomego pierścienia dociskanego siłą P do obracającej się z zadaną prędkością n tarczy. Węzeł tarcia umieszczony jest w izolowanej komorze zaopatrzonej w element grzejny H, pozwalający na podgrzewanie i utrzymywanie stałej temperatury we wnętrzu komory badawczej.

Istnieje możliwość badań w atmosferze kontrolowanej poprzez wprowadzanie gazu do komory badawczej. T-15.

a) b)

Rys. 43. Układ sił i kierunek obrotów w tribotesterze a), widok próbki i przeciwpróbki b)

Page 45: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 167

Tribotester T-17, rys. 44, przeznaczony jest do badania charakterystyk tribologicznych skojarzeń materiałowych współpracujących ślizgowo w ruchu posuwisto-zwrotnym, ze szczególnym uwzględnieniem materiałów przeznaczonych na elementy protez stawów człowieka, np. polimerów. Tribotester T-17 umożliwia prowadzenie badań zgodnie z wymogami normy ASTM F 732.

Skojarzenie badawcze składa się z nieruchomego trzpienia dociskanego siłą P do płytki wykonującej ruch posuwisto-zwrotny z zadaną częstotliwością i amplitudą. Środek smarowy może być podawany do strefy styku w układzie obiegowym, wyposażonym w pompkę perystaltyczną, układ podgrzewania i filtr (wyposażenie dodatkowe).

a) b)

Rys. 44. Układ sił i kierunek przesuwu w tribotesterze a), widok i próbki i przeciwpróbki b)

Tribotester T-20 ze skojarzeniem kula-płytka, rys. 45, przeznaczony jest do badania odporności na zużycie ścierne oraz współczynnika tarcia powłok i materiałów konstrukcyjnych. Zużycie liniowe mierzone jest w czasie biegu w sposób ciągły za pomocą przetwornika przemieszczeń. Można też wyznaczyć zużycie objętościowe na podstawie zmierzonej (np. profilografometrem) głębokości „krateru” powstałego na płytce w wyniku tarcia. Węzeł tarcia składa się z nieruchomej płytki wykonanej z badanego materiału, z ewentualnie naniesioną na nią badaną powłoką oraz ze stalowej kulki obracającej się z zadaną prędkością n. Płytka dociskana jest do kulki zadaną siłą P. Unikatową cechą urządzenia jest możliwość badania w otoczeniu zawiesiny ściernej, co eliminuje wpływ wilgotności i temperatury otoczenia na uzyskane wyniki. Zawiesina ścierna jest mieszana w czasie biegu mieszadłem i podawana do strefy kontaktu ciernego. Sztywne zamocowanie kulki we wrzecionie umożliwia precyzyjny pomiar jej prędkości obrotowej, a co za tym idzie - także drogi tarcia mierzonej liczbą obrotów kulki.

P

Page 46: Rozdział 4

168 Stanisław Pytko

a) b)

Rys. 45. Układ sił i kierunek obrotów tribotesterze a), widok próbki i przeciwpróbki b).

Tribotester T-21, rys. 46, przeznaczony jest do oceny właściwości tribologicznych materiałów przeznaczonych na elementy trące pracujące w wysokiej temperaturze. Nim można zbadać odporność na zużycie i współczynnik tarcia dowolnego skojarzenia materiałowego pracującego w ruchu ślizgowym, w zależności od temperatury otoczenia węzła tarcia, prędkości poślizgu, nacisków powierzchniowych i innych czynników.

Skojarzenie badawcze składa się z nieruchomej kuli dociskanej siłą P do obracającej się z zadaną prędkością n tarczy. Tarcza wykonana jest z badanego materiału. W przypadku badania powłoki nanosi się ją na powierzchnię tarczy. Węzeł tarcia umieszczony jest w izolowanej komorze zaopatrzonej w element grzejny H, pozwalający na podgrzewanie i utrzymywanie stałej temperatury we wnętrzu komory badawczej.

a) b)

Rys. 46. Układ sił i kierunek obrotów tribotesterze a), widok próbki i przeciwpróbki b)

Page 47: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 169

Tribotester T-25, przeznaczony jest do wyznaczania charakterystyk tarciowych i zużyciowych w niskich temperaturach: elementów wykonanych z metali, tworzyw sztucznych, ceramiki oraz gumy, elementów poddanych cieplnochemicznej obróbce powierzchniowej, elementów z powłokami przeciwtarciowymi i przeciwzużyciowymi, olejów, smarów i past przeznaczonych do pracy w niskich temperaturach.

Skojarzenie badawcze składa się z nieruchomego trzpienia (lub kuli) dociskanego określoną siłą do obracającej się z zadaną prędkością tarczy. Węzeł tarcia umieszczony jest w izolowanej komorze chłodniczej, pozwalającej na oziębianie i utrzymywanie stałej temperatury w jej wnętrzu.

Tribotester T-26, rys. 47, ze skojarzeniem kula-tarcza (lub trzpień-tarcza) przeznaczone jest do oceny właściwości tarciowych i zużyciowych skojarzeń materiałowych przeznaczonych na ślizgowe elementy maszyn pracujące w próżni. Nim może być zbadana odporność na zużycie i współczynnik tarcia dowolnego skojarzenia materiałowego pracującego w ruchu ślizgowym, w zależności od prędkości poślizgu i obciążenia styku tarciowego.

Zasada metody polega na wykonaniu biegu badawczego pary trącej, składającej się z nieruchomej kuli (trzpienia) i wykonującej ruch obrotowy tarczy, współpracujących w warunkach zadanej próżni, przy określonym obciążeniu na określonej drodze tarcia, ciągłym pomiarze siły tarcia i siły obciążającej, sumarycznym pomiarze zużycia liniowego elementów trących oraz wyznaczeniu intensywności zużycia i średniego współczynnika tarcia.

a) b)

Rys. 47. Widok tribotestera T-26 a), widok próbki i przeciwpróbki - różne odmiany b)

Page 48: Rozdział 4

170 Stanisław Pytko

Tribotester T-26 umożliwia prowadzenie badań zgodnie z zaleceniami norm ASTM G 99 oraz DIN 50324.

5.2. Zestawienie dotychczas wyprodukowanych Tribotesterów w Polsce

W Załączniku 1, zestawiona jest lista tribotesterów wyprodukowanych w Instytucie Technologii Eksploatacji - Państwowym Instytucie Badawczym w Zakładzie Tribologii i sprzedanych do 11 krajów świata. Od roku 1992 do dziś sprzedano prawie 150 różnego typu tribotesterów do Instytutów w Polsce oraz do 10 krajów to jest: Korei, Chin, Rosji, Wietnamu, Czech, Niemiec, Węgier, Izraela, Meksyku oraz Stanów Zjednoczonych.

Jak z tego zestawienia wynika, wyeksportowaliśmy tribotestery do Rosji i Stanów Zjednoczonych, do tych krajów z których w latach 60-tych XX wieku Polacy czerpali wiedzę z podstaw tribologii. Okazało się, że przy dużym zaangażowaniu naukowym Polacy potrafili przekazywać swą wiedzę innym narodom, czego dowodem jest między innymi, w zakresie tribologii, eksport tribotesterów. Tym osiągnięciem możemy się szczycić. Badania wykonywane na naszych Tribotesterach ułatwiają dobór materiałów przy projektowaniu i wykonywaniu maszyn. Lepsze rozpoznanie właściwości tribologicznych materiałów i technologii warstw wierzchnich elementów maszyn wpływa na trwałość produkowanych maszyn i urządzeń.

Wyposażenie laboratoriów w tribotestery pozwala lepiej dobierać materiały na elementy maszyn ulegające w eksploatacji zużyciu oraz sprawdzać skuteczność nowych technologii w nowych warunkach eksploatacji. A zatem przy dobraniu dobrze materiałów i opracowaniu technologii warstw wierzchnich elementów, należy się spodziewać wzrostu trwałości maszyn i urządzeń a przy dobrze dobranej diagnostyce ich niezawodności.

Aparatura ta oraz realizowane za jej pomocą metody, rozwijane są, w wielu przypadkach, w ramach międzynarodowych inicjatyw badawczych poświęconych zagadnieniom badań tribologicznych, między innymi w ramach Programu krajów G-7, do których włączono Polskę poprzez udział ITeE-PIB, VAMAS – Versailles Programme on Advanced Materials and Standards. Umożliwia to opracowywanie rozwiązań zgodnych z najnowszymi osiągnięciami nauki oraz najbardziej

Page 49: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 171

aktualnymi trendami rozwoju metod i urządzeń badawczych. Są one dyskutowane w ramach spotkań IRG-OECD – International Group on Wear of Materials krajów OECD, w której Prof. M. Szczerek z ITE-PIB jest reprezentantem Polski.

Metody i urządzenia są opracowywane w Laboratorium Tribologii, które posiada akredytację Polskiego Centrum Akredytacji (PCA) wg międzynarodowego systemu jakości serii EN-PN 17 000, natomiast wytwarzane są w Zakładzie Doświadczalnym, który ma wdrożony system jakości ISO 9001, certyfikowany przez RW TUV.

Jakość ta jest potwierdzona około 20 złotymi medalami na większości najważniejszych światowych wystawach wynalazków (Londyn, Genewa, Pittsburgh, Bruksela, Norymberga, Pekin, Seul, Casablanka, Budapeszt, Moskwa, Poznań).

Aparatura tribologiczna, w skrócie nazywana tribotesterami, oznaczona kodami T-01 do T-28, stanowiła podstawę wielu opracowań naukowych, tysięcy publikacji, ponad stu prac kwalifikacyjnych (doktoraty, habilitacje), a także wielu ekspertyz technicznych. Oznaczające poszczególne typy kody stały się rozpoznawalną marką; jednoznacznie identyfikują wytwórcę (ITeE-PIB) i najczęściej podawane są w opracowaniach bez jego wymieniania, traktując to jako sprawę oczywistą.

Umożliwiliśmy także w Polsce publikowanie wyników prac badawczych uzyskanych przy pomocy tej aparatury, jak też innej wchodzącej w pomiary technologiczne, w dwumiesięczniku TRIBOLOGIA i kwartalniku EKSPLOATACJA MASZYN Komitetu Budowy Maszyn PAN. Organizowane są też w Polsce z udziałem naukowców z ponad 20-tu krajów cyklicznie Międzynarodowe Tribologiczne Sympozja ”INSYCONT”

5.3. Podsumowanie

Powyżej przedstawiono wkład Polaków w naukę tribologii, która ma bardo duży wpływ na budowę maszyn w Polsce i niektóre problemy rozwijane w świecie, pozwalając poznać zjawiska tarcia i jego konsekwencje. W opracowaniu przedstawiono, jakie występują formy niszczenia warstw wierzchnich elementów maszyn, które powodują wycofanie ich z eksploatacji. Ażeby jeszcze bardziej uwypuklić znaczenie tej nauki przedstawiony będzie przykład na popularnie

Page 50: Rozdział 4

172 Stanisław Pytko

używanym obecnie przez człowieka samochodzie i wskazanie, gdzie te miejsca o których są podane formy niszczenie występują.

Kiedy wchodzimy do samochodu to istotną sprawą są koła a właściwie opony. Chcemy mieć opony nie tylko o odpowiednim bieżniku, ale z gumy o dużej przyczepności do jezdni konkretnie asfaltu oraz o małym zużyciu wynikającym z tarcia gumy o jezdnię a to jest zakres badań tribologów. Możemy dla badań gumy użyć Tribotestera T-07

Kiedy rozpoczynamy rozrusznikiem (starterem) uruchamiać silnik, wówczas musimy zdawać sobie sprawę z tego, że w łożyskach wałkach rozrusznika mamy tulejki łożyska tak zwane samosmarze (łożyska z proszków-spiekane), które kiedyś były badane przez tribologów. Dobranie twardości szczotek kolektora do kolektora silnika musiało też być przebadane na zużycie i zbadany musiał być współczynnik tarcia. Można dla przetestowania materiałów na te elementy użyć Tribotestera T-05.

Jak zaczął silnik pracować to zaczęło się smarowanie elementów trących silnika to jest łożysk głównych wału korbowego, wałka rozrządu, zaworów, łańcucha rozrządu (jeżeli taki jest a nie pasek zębaty). Musiano w laboratoriach ten olej przebadać na silnikach, ale wcześniej na tribotesterach np. T-02. Olej musi mieć właściwą lepkość i wskaźnik lepkości oraz odpowiednią klasę, o której decydują dodatki w nim zawarte. Musimy wiedzieć, że olej w silniku nie tylko ma go smarować, ale chłodzić oraz zapobiegać tworzeniu się nagarów na tłoku itd. Te badania wchodzą w zakres tribologów i pewne testy możemy wykonać na Tribotesterze T-02 i innych wyżej wymienionych.

Cały szereg innych elementów samochodu, jakimi są na przykład elementy zamków, układu wycieraczek i innych urządzeń muszą być badane pod względem tribologicznym. Dlatego rozpoczęta produkcja coraz to doskonalszych testerów, opisanych powyżej znalazła takie zapotrzebowanie nie tylko w Polsce, ale i w innych krajach o rozwiniętej technice wytwarzania, co wynika z Załącznika 1.

Page 51: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 173

6. Niektóre osiągnięcia polskich technologów, wpływające na postęp w budowie maszyn w Polsce

6.1. Technologie z zakresu spawania i napawania

W technologiach spajania, które w wielu przypadkach decydują o postępie produkcji maszyn, jak chociażby w produkcji karoserii samochodowych zgrzewaniem jest też spawanie, które w wielu przypadkach decyduje o postępie w technice wytwarzania, także w Polsce. W opracowaniu podane będą informacje zakresu: spawania laserowego, które nie tak dawno stało się ważną technologią łączenia

elementów maszyn, jak też kształtowania elementów ze stali specjalnych, napawania warstw na elementach zużytych, które w przeciwnym przypadku

byłyby przetopione, skutkiem czego stracilibyśmy duży wkład pracy do ich wyprodukowania dla ponownego zastosowania.

Spawanie laserowe. Nie we wszystkich przypadkach łączenia elementów maszyn stosujemy spawanie laserowe, ale są takie, kiedy ta technologia jest nam bardzo pomocna w ich wykonaniu.

W oparciu o prowadzone badania w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach (IS) przedstawione będą pewne osiągnięcia ważne dla postępu w budowie maszyn. Doskonale wyposażonym ośrodkiem zajmującym się technikami laserowymi jest centrum technik laserowych w IS. Jest to wiodący ośrodek w dziedzinie szeroko rozumianych badań i opracowań technologicznych. Centrum technik laserowych IS prowadzi szerokie badania podstawowe, a oprócz tego zajmuje się badaniami stosowanymi, świadcząc usługi dla wielu zakładów produkcyjnych, zwłaszcza tych, które należą do grupy małych i średnich przedsiębiorstw. Zapotrzebowanie na te usługi ciągle wzrasta, ponieważ przejście od metod łukowych do technik laserowych wymaga dużej wiedzy i doświadczenia.

Spawanie laserowe z głębokim wtopieniem (rys. 48) jest możliwe po uzyskaniu gęstości mocy w ognisku wiązki około 106 W/cm2. W Polsce w IS prowadzone były badania procesu spawania z głębokim wtopieniem zarówno blach cienkich (0,8-2 mm), jak i elementów o większej grubości (do ok. 8 mm) ze stali o podwyższonej

Page 52: Rozdział 4

174 Stanisław Pytko

hartowności, stali głęboko tłocznych z pokryciami galwanicznymi, stali typu Cr-Ni i typu DP oraz stopów niklu, których spawanie innymi metodami jest bardzo trudne a często niemożliwe. Badano między innymi, wpływ intensywności promieniowania na przebieg procesu spawania laserowego. Określono zakres zmian głębokości wtopienia oraz szerokości lica i grani w zależności od podstawowych parametrów spawania dla różnych gatunków materiałów.

Rys. 48. System spawania laserowego z tak zwanym głębokim wtopieniem

Prowadzono również badania nad możliwością zwiększenia zakresu stosowania technologii laserowych w przemyśle poprzez modyfikację procesu spawania laserowego z głębokim przetopieniem. Między innymi badano specjalne techniki spawania laserowego: spawanie laserowe wiązką ogniskowaną w dwóch punktach, spawanie hybrydowe, spawanie z materiałem dodatkowym, lutospawanie laserowe.

Spawanie laserowe z ogniskowaniem wiązki w dwóch punktach wpływa na przebieg procesu i kształtowanie się złącza. W zależności od usytuowania dwóch

Page 53: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 175

ognisk wiązki laserowej w stosunku do kierunku spawania uzyskuje się różny kształt spoiny, szerokość oraz rozkład twardości na przekroju poprzecznym złącza, co w wielu przypadkach konstrukcji jest bardzo ważne a nawet istotne dla prawidłowego wykonania elementu.

Spawanie hybrydowe łączy dwa źródła ciepła – laser i źródło łukowe, które oddziałują na materiał spawany w tym samym miejscu i czasie. Jednoczesne oddziaływanie dwóch metod spawania zapewnia znaczny wzrost wydajności (wzrost prędkości procesu) w stosunku do metod łukowych. Umożliwia też wykonywanie złączy doczołowych z elementów złożonych do spawania z określoną szczeliną.

Spawanie laserowe z materiałem dodatkowym w postaci drutu (rys. 49) pozwala na łączenie nieukosowanych elementów bez precyzyjnego przygotowania ich krawędzi styku oraz pozwala na modyfikację materiału spoiny. Ponadto, może być wykorzystane do spawania wielowarstwowego, w tych przypadkach technologicznych, gdzie korzystniej jest prowadzić proces spawania przy użyciu lasera o mniejszej mocy i wykonać kilka warstw, niż wykonać spoinę techniką głębokiego wtopienia, jednym przejściem na całą grubość złącza.

a) b)

Rys. 49. System laserowego spawania z dodatkowym drutem, schemat a), fotografia b)

Page 54: Rozdział 4

176 Stanisław Pytko

Poniżej zostały przedstawione sytuacje, kiedy technika laserowego spawania została z powodzeniem w prowadzona w Polsce w oparciu o doświadczenie IS.

Przykład 1. Konstrukcja uchwytu hydraulicznego narzędzi do obróbki drewna (rys. 50) wymaga współosiowego połączenia kilku elementów o niewielkiej grubości typu tuleja w taki sposób, aby pomiędzy wewnętrznymi ściankami tych elementów powstały wolne obszary, w które wtłaczane jest płynne medium pod bardzo wysokim ciśnieniem. Zadanie technologiczne polega zatem na wytworzeniu szczelnego połączenia o wysokiej wytrzymałości między elementami o symetrii obrotowej przenoszącymi wysokie obciążenia mechaniczne. Konstrukcja uchwytu narzuca wykonanie spoiny o dużej głębokości na stosunkowo niewielkiej powierzchni materiału przy zachowaniu wysokich tolerancji wymiarowych elementów łączonych.

Rys. 50. Fotografia elementów spawanych laserowo

Wymagania takie może spełnić praktycznie tylko spawalnicze źródło ciepła o bardzo wysokiej gęstości mocy – wiązka elektronów lub promieniowanie laserowe.

Przykład 2. Elementy sondy pomiarowej do pomiaru natężenia przepływu cieczy i gazów (rys. 51) to dwie rurki połączone spoiną ciągłą lub przerywaną biegnącą wzdłuż linii styku rurek. Połączone spawem rurki wykorzystywane są w sondach do pomiaru przepływu gazów lotnych oraz cieczy czystych w rurociągach zamkniętych oraz systemach odprowadzania spalin. Wykonanie spoiny nie może

Page 55: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 177

spowodować przetopienia ścianek rurek i zniekształcenia ich wewnętrznych średnic. Rurki na swej długości powinny zachować prostoliniowość. Wykonanie poprawnego połączenia wymaga doboru odpowiedniego kąta naprowadzenia wiązki laserowej na styk, parametrów spawania oraz kolejności układania ściegów. Przeprowadzone badania pozwoliły opracować odpowiednią technologię spawania, a czujniki spawane wg tej technologii pracują obecnie w wielu rurociągach przesyłowych o różnej średnicy (od kilkuset do 1700 mm).

a) b)

Rys. 51. Widok rurek pospawanych a), układ spoiny w połączeniu rurek b)

Spawalnicze technologie laserowe są często stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. Są wykorzystywane między innymi do łączenia różnego rodzaju elementów podwozi i nadwozi samochodów.

6.2. Regeneracja elementów przez napawanie

W wyniku tarcia w czasie pracy elementów maszyn, występuje zużycie ich warstw wierzchnich nie tylko przy tarciu suchym ale i kiedy je smarujemy. W wyniku tego zmieniają się ich wymiary i tracone są prawidłowe luzy, co powoduje drgania układu maszyny. Często przy wykonywaniu takich elementów ponieśliśmy duże koszty związane z technologiami wykonania. Regeneracja w niektórych przypadkach może nie tylko przywrócić właściwe wymiary elementowi maszyny, ale przez jej ponowne zabudowanie w maszynie obniżyć przez to znacznie koszty eksploatacji.

Oczywiście dobranie składu drutu czy też proszku do napawania czy natrysku, przygotowanie odpowiednie powierzchni, na której będziemy taką warstwę

Page 56: Rozdział 4

178 Stanisław Pytko

nakładać, nie jest procesem łatwym i w niektórych przypadkach, wymagane są wcześniejsze badania. Są obecnie też nakładane warstwy regeneracyjne z tworzyw niemetalicznych na powierzchniach takich elementów, których nie możemy wymontować z układu maszyny, jak np. łoża obrabiarek. Duże doświadczenie w tej dziedzinie mają pracownicy naukowi Politechniki Radomskiej.

Dla regeneracji zużytych elementów hutniczych maszyn, które pracują w temperaturach powyżej 400oC, prowadzone były w AGH badania a następnie wdrożenie. Na fotografii rys. 52. przedstawiono wyniki właściwości tribologicznych natryskanych plazmowo warstw elementów w jednej z polskich hut. Badania zużycia prowadzone były na tribotesterze T-07. Warstwy regeneracyjne natryskane plazmowo były na częściach urządzeń zainstalowanych na oddziałach „Wielkich Pieców” i „Aglomerowni”.

Jak wynika z wykresów rys. 52 najmniejsze zużycie uzyskano kiedy badano warstwę natryskaną plazmowo z proszku TiN.

Rys. 52. Liniowe zużycie I warstw natryskanych plazmowo proszkami o różnym składzie,

na drodze L w metrach. Badania na tribotesterze T-07 stali 3X13 (1), natryskanych plazmowo z proszków: (2) Al 2 O3 , (3) FeCr, (4) WC, (5) TiN.

Page 57: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 179

6.3. Technologie odlewnicze

Odlewnictwo jest najbardziej rozpowszechnioną techniką wytwarzania części maszyn i urządzeń. Obecnie na świecie odlewa się rocznie około 95 milionów ton odlewów i co jest ważne, że surowiec jest w znacznej części ze złomu.

W odlewnictwie oprócz składu metalu, który musi spełniać pewne warunki istotną sprawą jest masa formierska, która musi mieć właściwą charakterystykę, ażeby odlewy nie były porowate i miały dobrą chropowatość powierzchni. Jak wiemy z praktyki inżynierskiej, typowe żeliwa szare nie tylko mają odpowiednie właściwości tribologiczne ze względu na budowę; pewne obszary odlewu wypełnione są grafitem, ale mają też dobrą charakterystykę tłumienia drgań, jeżeli w jakiś warunkach obciążenia one się pojawią. Z tego też względu żeliwa takie stosuje się na kadłuby różnych maszyn np. obudowy przekładni zębatych, obudowy turbin parowych, łoża obrabiarek itp.. Produkowane obecnie odlewy z żeliwa sferoidalnego, mając w swej strukturze grafit w postaci kulek, z pewnymi dodatkami stopowymi po zahartowaniu może mieć wytrzymałość Rm do 1600 MPa. W Instytucie Odlewnictwa (IO) można wykonywać dla przemysłu takie odlewy i o takich właściwościach.

Biorąc pod uwagę dobre właściwości tribologiczne żeliw, niektóre odmiany żeliwa stopowego stosuje się na tuleje cylindrowe silników spalinowych. W IO w Krakowie opracowano metody odlewania tych tulei, co spowodowało, że przez wiele lat z fabryki w Krotoszynie tuleje te były odbierane między innymi przez takie firmy samochodów jak: Volvo, Mercedes czy też Volkswagen. Oczywiście składy tych odlewów i obróbka powierzchni np. przez honowanie w wielu przypadkach nie są ujawniane i są podawane przez firmy.

Polacy przez kilkanaście lat po II wojnie światowej wybudowali kilka odlewni w Polsce, jak też w krajach arabskich Bliskiego Wschodu oraz w Indiach. Przyczyną tego było to, że produkowaliśmy wiele maszyn potrzebnych do budowania linii technologicznych odlewni. Autor brał udział w tych przedsięwzięciach w latach 50-tych XX wieku, biorąc udział w projektowaniu odlewni w Centralnym Biurze Maszyn i Urządzeń Odlewniczych w Krakowie.

Page 58: Rozdział 4

180 Stanisław Pytko

W odlewnictwie jest cały szereg maszyn wykonujących poszczególne zadania w procesie technologicznym, są to: dla przygotowania wsadu a między innymi urządzenia transportowe

załadowcze, wagi , dla sporządzenia mas formierskich sita, zasobniki, przenośniki, mieszarki,

suszarki i inne, dla przygotowania modeli, dla formowania narzucarki, formierki, dla zalewania formy, transportery, kadzie, dla wybijania odlewów i czyszczenia, kraty wstrząsowe, oczyszczarki.

W nowoczesnym odlewnictwie ważne jest to, że oprócz maszyn dla prowadzenia procesu, od formierek do krat wstrząsowych i odpowiednich pieców dla topienia metalu są nowe zadania, związane z wytapianiem metali o dużej reaktywności z tlenem , jak Ti, Zr, Nb, Ta i inne, wymagające przy odlewaniu atmosfer ochronnych, tak przy topieniu tych metali jak i przy odlewaniu. Stopy tytanu znalazły zastosowanie w odlewnictwie, natomiast pozostałe wymienione metale są obecnie dodatkami stopowymi. Wiele wymagań żąda od odlewnictwa, obecnie rozbudowany przemysł lotniczy a szczególnie przemysł wykonujący elementy dla statków kosmicznych. Z tego też względu istnieje potrzeba opanowania odlewów tych metali, które są wymienione wyżej.

Oprócz tego, w ostatnim trzydziestoleciu w praktyce budowy maszyn zastosowano żeliwo z grafitem krętkowym będące pośrednim żeliwem pomiędzy szarym z grafitem płatkowym a sferoidalnym z grafitem kulkowym, które nie tylko dobrze tłumi drgania ale dobrze wytrzymuje szoki cieplne.

Należy tu też podać pewne osiągnięcia związane z produkcją kompozytów metalowych, które podobnie jak kompozyty z niemetali to jest z polimerów, elastomerów znajdują szerokie zastosowanie. Kompozyty metalowe to materiały wzmocnione włóknami węglowymi, stalowymi, z Al2O3 i innymi. Z kompozytów tych wykonuje się dziś tłoki silników spalinowych, tarcze hamulcowe, łożyska ślizgowe, części rowerowe, kije golfowe itp. Badania na te tematy prowadzone są w AGH oraz na Politechnikach Śląskiej, Częstochowskiej, Wrocławskiej, Poznańskiej oraz w Instytucie Odlewnictwa

Page 59: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 181

Ażeby można było topić takie metale jak Ti, Zr, Nb, które mają wysokie temperatury topienia należało opracować nowe typy niekonwencjonalnych pieców. Będą to piece: plazmowe lub indukcyjno-plazmowe, elektronowe, gdzie źródłem ciepła jest strumień elektronów, próżniowo-łukowe, próżniowo-indukcyjne, próżniowo-oporowe, i inne np. do topienia w polu magnetycznym.

W przemyśle odlewniczym bardzo ważnymi są masy formierskie oraz systemy odlewania. Instytut Odlewnictwa w Krakowie opracował szereg aparatów testowych mas formierskich, gdyż od dobrze spreparowanej masy są zależne efekty wykonania odlewu.

Obecnie dla otrzymania prawidłowego kształtu dużych odlewów (należy pamiętać, że niektóre odlewy mogą mieć nawet do 50 ton wagi) oprócz piasku i lepiszcza dla sporządzenia formy stosujemy piaski pozakwarcowe: chromowe, cyrkonowe, fosforytowe, korundowe, magnezytowe, sylimanitowe, szamotowe i inne. W Polsce dla przemysłu opracowano technologie ze spoiwem bentonitowym, z żywic syntetycznych lub szkła wodnego. Na marginesie podam, że w Polsce bentonit uzyskuje się ze skały płonnej kopalń węgla kamiennego, a więc z odpadów.

Dla oceny jakości mas formierskich, między innymi wytrzymałości, twardości powierzchniowej, przepuszczalności gazów, higroskopijności, wybijalności i innych własności w IO opracowano i sprzedaje się z dużym udziałem eksportu aparaty dla tych określeń.

Ważną sprawą wymagającą dużego doświadczenia jest sposób odlewania, czyli wypełnienia metalem formy: Mamy metody odlewania metali: grawitacyjne, ciśnieniowe i próżniowe, odśrodkowe, w polu o zrównoważonym działaniu pola ciążenia. Są tu metody

bezgrawitacyjne i lewitacyjne to jest przy zrównoważeniu pola grawitacyjnego polem elektromagnetycznym.

Page 60: Rozdział 4

182 Stanisław Pytko

Bardzo istotne informacje powinniśmy też znać o własnościach płynnego, metalu przed wlaniem go do formy. W IO opracowano zestaw aparatury do kompleksowego badania właściwości ciekłych metali i stopów będących wysokich temperaturach powyżej 1000oC. Chodzi o poznanie takich właściwości jak: gęstość, napięcie powierzchniowe, lepkość, skurcz krzepnięcia, kinetyka zwilżania itp..

Należy też wymienić tu prace badawcze z wdrożeniami przez Instytut Metali Nieżelaznych w Gliwicach i Skawinie, gdzie prowadzi się badania wytrzymałych stopów Al-Si czyli siluminów, stosowanych w przemyśle lotniczym i obronnym.

6.4. Technologie obróbki skrawaniem

W wieku XX i dalej w wieku XXI postawiono przed technologami obróbki skrawaniem wiele wymagań. Oprócz oprzyrządowania pomiarowego dla dokładności wymiarowej i chropowatości powierzchni, opracowano narzędzia o dobrych parametrach skrawania z powłokami otrzymanymi metodami napylania próżniowego azotkami tytanu, czy też tlenkami aluminium.

Dużego naukowego zaangażowania wymagało opracowanie oprzyrządowania przy obróbce materiałów trudno obrabialnych. Jest to nie tylko skrawanie warstw wierzchnich dużych odlewów np. walców hutniczych, które w warstwie skrawanej mają wtrącenia z mas formierskich w czasie odlewania ale i skrawanie elementów z ceramiki, ze stopów tytanu i niklu. Są to procesy bardzo trudne i wymagające nie tylko doświadczenia, ale i przeprowadzenia szerokich badań. Badania takie szczególnie prowadzi się w zakładach lotniczych. Obecnie badaniami skrawania ceramiki zajmują się naukowcy w Instytucie Technologii Mechanicznej w Politechnice Poznańskiej.

Tak skrawanie trudno obrabialnych materiałów, jak też skrawanie ceramiki i warstw zawierających wtrącenia ceramiczne wymaga podgrzewania strefy skrawania to jest tej, którą usuwamy. Jednym ze sposobów podgrzewania jest podgrzewanie laserowe, które daje dzięki wiązce dużego gradientu strumienia ciepła na małej powierzchni właściwe podgrzewanie. Na rys. 53. jest fotografia laserowego nagrzewania podczas skrawania ceramiki Si3 N4 w czasie skrawania Instytucie Technologii na Politechnice Poznańskiej.

Page 61: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 183

a) b) Rys. 53. Fotografia podgrzewania laserem strefy skrawanej a) A i B miejsca pomiaru

temperatury

Druga ważna w nowych technologiach jest sprawa doboru substancji chłodząco-smarującej stosowanej przy skrawaniu. W części tribologicznej tego opracowania autor opisał efekty używanej specjalnej cieczy w skład której wchodziły kompleksy metali, między innymi kompleksy miedzi. Metal z tych kompleksów w czasie skrawania nakłada się na powierzchni obrabianej i tworzy powłokę na niej o grubości 1-2 mikrometra.

Przedstawiony też będzie przykład oryginalnego smarowania a równocześnie transportowania wiórów przy gwintowaniu otworów ślepych w materiałach trudno obrabialnych, konkretnie w czopach walców hutniczych.

a) b) c)

Rys. 54. Gwintownik 3 i otwór wypełnionym stearyną z grafitem (lub MoS2) a), wypychane wióra z otworu gwintowanego z wypełniaczem 4 b), gwintownik wykręcony razem z wypełniaczem 5 c)

Page 62: Rozdział 4

184 Stanisław Pytko

Aby zabezpieczyć się przed ukręceniem gwintownika i trudnym lub niemożliwym jego usunięciu, pracownicy naukowi z Akademii Górniczo-Hutniczej opracowali specjalny sposób tego gwintowania, którego zasadę wyjaśnia rys. 54.

6.5. Technologie obróbki plastycznej

Kształtowanie laserowe. Na Politechnice Świętokrzyskiej prowadzi się badania kształtowania laserem łopatek ze stali specjalnych do turbin gazowych podobnych, jak przedstawiono na rys. 55 poz.3. Jak potwierdzą się dalsze wyniki badań i będzie powtarzalność dokładności kształtowej łopatek, która innymi metodami z tego typu stali jest trudna do otrzymania i przy tym technologia droga, będzie to bardzo dużym osiągnięciem zespołu prowadzącego te badania.

Rys. 55. Wał turbiny lotniczej wysokiego ciśnienia: poz. 1. wał, poz. 2 pierścień, poz. 3 łopatki turbiny wirnika

Walcowanie i kucie na gorąco. Istotnym problemem są w tych technologiach stosowane substancje smarne. Autor brał udział w procesie walcowania szyn w Hucie Katowice stosując odpowiednie patentowe substancje smarne dodawane do wody stosowanej dla zbijania zendry (zgorzeliny), co jest koniecznością. Zastosowane oleje do tej wody miały smarować obrzeża wykroju walców a przez to nie tylko dawać lepszą jakość powierzchni szyny, ale także przez zmniejszenie zużycia wykrojów zwiększyć czas pracy bardzo drogich walców. Oczywiście przy

Page 63: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 185

dosyć drogiej substancji dodawanej do wody przemysłowej, taka technologia jest nie tylko możliwa, ale opłacalna tylko wtedy, kiedy dla tej substancji chłodząco-smarującej i zbijającej zendrę, obiekt jest w danej walcowni zamknięty. W przeciwnym przypadku proces taki jest nie opłacalny, gdyż woda z olejem dostając się do zlewni wody jest stracona z drogim dodatkiem i jest niepożądana przy opuszczeniu huty.

W przypadku kucia w wielu przypadkach dla dobrego wypełnienia metalem matrycy stosuje się, jako czynnik smarny suspensje grafitowe. Kłopoty technologiczne przy kuciu elementów z metali kolorowych są takie, że grafit ze suspensji grafitowej wypełnia miejscami warstwę wierzchnią kutego elementu, którego przed pokryciem na przykład chromem czy też innymi metalami musi się usunąć metodami wytrawiania. A jak wiadomo ta technologia nie jest z ekologicznego punktu widzenia zalecana. Zastosowanie nowoczesnych substancji w tej technologii daje dobre rezultaty. Na przykład, przy kuciu ze stali koła zębate, spalający się grafit zadymia otoczenie i ze względów higienicznych nie powinien być też stosowany.

Przy walcowaniu blachy karoseryjnej stosujemy do smarowani emulsje a więc roztwory wodne z olejem. Zależy nam, żeby tworząca się warstewka z oleju użytego czasie walcowania miała własności takie, żeby składowane arkusze z tej blachy miały przez długi czas zabezpieczenie antykorozyjne oraz żeby bez usuwania można było kształtować elementy karoserii bez dodatkowego smarowania. Innymi słowy, żeby użyty olej spełniał wiele funkcji w procesach technologicznych od walcowania do kształtowania elementów karoserii.

Technologia obróbki nagniataniem. W tej dziedzinie między innymi na

Politechnikach: Gdańskiej, Częstochowskiej, Rzeszowskiej (współpraca z hutą „Stalowa Wola”), Koszalińskiej zostało wykonane wiele prac naukowych i z pożytkiem wdrożonych w przemyśle. Jak powszechnie wiadomo technologiami nagniatania czy też kulowania przy prawidłowo przeprowadzonej technologii, polepszamy właściwości wytrzymałościowe i tribologiczne warstw wierzchnich elementów maszyn. Technologie te nie tylko powodują zmiany w strukturze warstwy wierzchniej, ale też zmieniają wartości i charakter naprężeń własnych w

Page 64: Rozdział 4

186 Stanisław Pytko

tych warstwach, które jak wiemy w czasie eksploatacji elementu z naprężeniami od obciążenia polepszają stan naprężeń i wpływają na jego trwałość. Na rys. 56. pokazano stosowane głowice do nagniatania wałków razem z nożem skrawającym a na rys. 57. nagniatanie czopa wału wirnika turbogeneratora.

.

Rys. 56. Rysunek uchwytu (1) nagniatacza (3,5,6) razem z nożem do skrawania (2)

Rys. 57. Nagniatanie czopa wału wirnika turbogeneratora na tokarce

W praktyce przemysłowej w Polsce mamy wiele narzędzi do nagniatania wałków jak choćby te, których schematy przedstawione są na rys. 58.

Page 65: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 187

Rys. 58. Schematy podstawowych sposobów nagniatania

Natomiast technologią kulowania zajmują się między innymi w Politechnice Koszalinskiej. Prace badawcze dotyczą: "Optymalizacji procesu kulowania podłoży ze stali 40HM w zastosowaniach do procesu nanoszenia cienkich powłok". W tych badaniach wykazano, że cienkie powłoki nanoszone na podłoża nie tylko powinny charakteryzować się stosunkowo niską chropowatością powierzchni, ale też trwałym związaniem warstwy wierzchniej (WW) z rdzeniem. Ponieważ w tych technologiach istotnym parametrem WW jest twardość podłoża, można ją zatem zwiększyć np. poprzez obróbkę mechaniczną, jaką jest między innymi kulowanie.

Musimy zdawać sobie z tego sprawę, że w każda technologia obróbki skrawaniem czy też nagniataniem, kulowaniem itp. wprowadza w warstwy wierzchnie elementów obrabianych naprężenia własne oraz zmiany strukturalne.

Page 66: Rozdział 4

188 Stanisław Pytko

Takie zmiany wprowadza się przy każdej innej technologii obróbki cieplnej lub nawęglania, azotowania czy też w czasie wprowadzania boru w warstwy wierzchnie elementów itp.

Literatura

1. Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji Wyd. Komisji Budowy Maszyn PAN Oddz. W Poznaniu.

2. Batko W., Dąbrowski Z., Kiciński J.: Zjawiska nieliniowe w diagnostyce wibroakustycznej. Wyd. ITE- PIB – 2008 r.

3. Budzanowski T.: Ocena wpływu azotowania na kształtowanie wybranych właściwości użytkowych staliw stopowych. Wyd. Pol. Radomskiej 2009 r.

4. Czarnecki H.: Udział warstwy wierzchniej w kształtowaniu odporności na zużycie tribologiczne. Wyd. Politechniki Częstochowskiej. Monografia 139. 2008 r.

5. Czasopismo „Inżynieria Powierzchni” Wyd. Instytutu Mechaniki Precyzyjnej Warszawa.

6. Deuszkiewicz P., i inni; Diagnostyka wibroakustyczna okrętowych turbinowych silników spalinowych. Wyd. ITE-PIB 2009 r.

7. Dwumiesięcznik „Tribologia” Wyd. Simpress, PTT.

8. Guzowski S.: Analiza zużycia frettingowego w połączeniach wciskowych na przykładzie osi zestawów kołowych pojazdów szynowych. Wyd. Politechniki Krakowskiej 2003.

9. Garkunov D.N.: Tribotechnika . Moskva 1985 r.

10. Gierzyńska M.: Tarcie zużycie i smarowanie w obróbce plastycznej metali. Wyd. WNT 1983 r.

11. JankowiakM.: Siła skrawania podczas toczenia ceramiki Si3N4 w warunkach LAM. Arch. Technologii Maszyn i Automatyzacji Nr 2 2009.

12. Katalogi Tribotesterów –Wyd. Instytutu Technologii Eksploatacji –Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2009 r.

Page 67: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 189

13. Kiciński J.: Rotor Dynamiks Wyd. Instytutu Maszyn Przepływowych PAN 2006 r.

14. Korzyński M.: Nagniatanie ślizgowe Wydawnictwo WNT 2007 r.

15. Kowal A.: Opory w ruchu oscylacyjnym mechanizmów maszyn górniczych. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej 2005 r.

16. Kwartalnik „Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji” Wyd. KBM-PAN Oddz. Poznań.

17. Kwartalnik „Zagadnienia Eksploatacji Maszyn” Wyd. KBM-PAN.

18. Lubaś J.: Modyfikacja warstw powierzchniowych borem na przykładzie węzłów ślizgowych w silnikach spalinowych. Wyd. Uniwersytetu Rzeszowskiego 2009 r.

19. Łupicka O., Warcholiński B.: Optymalizacji procesu kulowania podłoży ze stali 40HM w zastosowaniach do procesu nanoszenia cienkich powłok" Tribologia Nr 3. 2010.

20. Marzec S., Pytko S., Zochniak A.: Sposób otrzymania chłodziwa uszlachetniającego obrabianą powierzchnię metali podczas obróbki skrawaniem. Patent Nr 167431, Warszawa 1995 r.

21. Marzec S.: Właściwości warstw miedzi powstałych z cieczy w procesie toczenia. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn.Z.3(103) 1995.

22. Marzec S., Pytko S.; Tribologia procesów skrawania metali. Wyd ITE. 1999 r.

23. Matyga J: Dobór wysokojakościowego elastomeru poliuretanowego do produkcji i regeneracji ekstremalnie obciążonych kół pędnych do kolejek podwieszanych dla górnictwa. Mat. IV Konferencji bezpieczeństwo pracy urządzeń transportowych w górnictwie. Org. Centrum Badań i Dozoru Górnictwa Podziemnego 2008 r.

24. Moczulski W., Ciupka K.: Knowledge aequisition for hybrid systems of risk assessment and critical machinery diagnosis. Wyd. ITE- PIB – 2008 r.

25. Najdeker E., Bliźniak H.: Kąpiel do galwanicznego chromowania, P - 307217. Warszawa 1995 r.

26. Opracowanie otrzymane z Instytutu Spawalnictwa.

Page 68: Rozdział 4

190 Stanisław Pytko

27. Przybylski W.: Technologia Obróbki nagniataniem. Wyd. WNT 1987.

28. Pytko S., Marzec S.: Properties of the layer obtained in steel cutting process with special liquid based on metal complexes. International Tribology Conference, Yokohama’95.

29. Pytko S., Marzec S.: Quality estimation of layers obtained in steel cutting process with special liquid based on metal complexes. International Tribology Conference. Yokohama ‘95 s.1697 r.

30. Pytko S.: Problemy smarowania w procesach obróbki skrawaniem. Mechanik Nr 9/1989 r.

31. Pytko S., Furmanik K.: Projektowanie kół jezdnych i napędowych w dźwignicach. Przegląd Mechaniczny Nr 3. 1974 r.

32. Pytko S., Ochoński W.: Probleme der Schmierung und Dichtung in den Tragrollen von Foerderbandanlagen VDI Berichte 931 Wyd. Verlag 1991 r.

33. Pytko S., Krawczyk S.: Plazmiennoje napylenie kak technologia uvelichenija dolgovechnosti elementom maszyn. Zb.Trenije i iznos Nr.4.1993 r.

34. Pytko S.: Novoje polskoje siinteticheskoe masło primenjaiemoje v processah goriachej obrabotki metałłov davleniem.Mat. TRIBO’88 Kamer der Technik Karl-Marx–Stadt.

35. Praca zbiorowa pod red. Leskiewskiego R. i Lewandowskiego J.: Wybrane modele matematyczne w diagnostyce i symulacji procesów cieplno-przepływowych w instalacjach energetycznych. Wyd. ITE- PIB – 2008 r.

36. Praca Zbiorowa. Kierownik Pytko S.: Projekt badawczy pt: ”Nowe substancje chłodząco-smarujące i kompozyty o dobrych parametrach tribologicznych, wytwarzające warstwy specjalnych właściwościach na elementach obrobionych” Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków 1995

37. Przybylski W.: Technologia Obróbki Nagniataniem. Wyd. WNT 1987 r.

38. Styczniewicz W.: Metody inwersywne w badaniach procesów wibroakustycznych. Wyd. ITE-BIP- 2008 r.

39. Tubielewicz K., Błaszczuk W., Melechow R.: Technologiczne właściwości cyrkonu. Wyd. Politechniki Częstochowskiej 2001 r.

40. Tytko A.: Eksploatacja lin stalowych. Wyd. Śląsk 2003 r.

Page 69: Rozdział 4

Konstrukcje w budowie maszyn oraz ich wpływ na rozwój budowy maszyn w Polsce 191

41. Usui E., Shirakashi T.: Analitical prediction cutiing tool. Wear V.100.1985 r.

42. Woropay M., i inni; Metoda oceny wpływu skuteczności napraw na niezawodność i bezpieczeństwo transportu miejskiego. Wyd. ITE- PIB – 2008 r.

43. Zwolak J.: Technologiczne aspekty trwałości zmęczeniowej przekładni zębatych maszyn roboczych, Wyd. Politechniki Rzeszowskiej 2003 r.

Page 70: Rozdział 4

192 Stanisław Pytko