Katalog

Katarzyna Piątczak
Fizyka, Referaty

Tarcie i jego rodzaje

- n +

Tarcie i jego rodzaje

WSTĘP:

Pracy wszystkich urządzeń mechanicznych towarzyszy tarcie. Nauka zajmująca się tarciem i procesami towarzyszącymi nazywa się tribologią.

Tarcie jest zjawiskiem powszechnie występującym w przyrodzie i technice; nierozerwalnie związanym z pracą maszyn i urządzeń. Pokonywanie oporów tarcia wymaga bardzo dużego zużycia energii. Tribologia przeważnie zajmuje się poszukiwaniem ograniczenia skutków działania tarcia, a co za tym idzie - ograniczenia zużycia energii i współpracujących ze sobą elementów.

Warunki pracy nowoczesnych urządzeń mechanicznych (np. coraz większe obciążenie, coraz większa prędkość obrotowa) wymagają stosowania coraz doskonalszych środków smarowych.

Niestety żaden ze znanych smarów czy olejów pochodzenia naturalnego lub syntetycznego nie spełnia stawianych mu wymagań. Pociągnęło to za sobą konieczność zastosowania dodatków uszlachetniających, które poprawiłyby właściwości smarnościowe olejów czy smarów.

1. Definicja tarcia i jego miara.

Tarciem nazywamy zbiór zjawisk występujących w obszarze styku dwóch przemieszczających się ciał w wyniku, których powstają opory ruchu.

Miarą tarcia jest opór równoważony wypadkową siłą styczną podczas przemieszczania jednego ciała względem drugiego. Opór tarcia wyraża zwykle siła tarcia lub współczynnik tarcia. Siłę tarcia T określa wzór Amontonsa - Coulomba:

T = μ N
gdzie: μ - wielkość bezwymiarowa zwana współczynnikiem tarcia;
N - obciążenie lub siła normalna.

Wzór ten jest powszechnie używany w obliczeniach technicznych, pomimo, że nie uwzględnia on wielu zjawisk towarzyszących tarciu.

2. Rodzaje tarcia.

2.1 Podział tarcia ze względu na lokalizację.

Tarcie ze względu na lokalizację można podzielić na dwie zasadnicze
grupy:
a) zewnętrzne (powstające przy powierzchniowym styku ciał);
b) wewnętrzne (powstające wewnątrz jednego ciała, w którym przemieszczają się względem siebie atomy, grupy atomów, cząstki chemiczne itp.)

Tarcie wewnętrzne jest niewielkie w gazach, ze względu na dużą odległość między cząsteczkami, rośnie w cieczy, a największe wartości występują w ciałach stałych - co jest zrozumiałe, biorąc pod uwagę wzrost sił spójności między atomami, czy cząstkami w tych stanach skupienia.

W przypadku tarcia zewnętrznego (suchego fizycznego i technicznego) ciała stykają się za pośrednictwem wierzchołków nierówności powierzchni; występują tu znaczne opory tarcia przejawiające się oporem względem przemieszczania się ciał.

Również w tarciu granicznym może wystąpić tarcie zewnętrzne, gdy uczestniczące w tarciu warstwy graniczne nie ulegają uszkodzeniu.

Wprowadzenie między powierzchnie trące substancji smarowej powoduje zmianę tarcia zewnętrznego na tarcie wewnętrzne z substancji smarowej. Mamy wtedy do czynienia z tarciem płynnym. Tarcie płynne jest tarciem, w którym powierzchnie tarcia oddzielone są warstwą środka smarowego o takiej grubości, że w czasie trwania tego procesu nie występuje stykanie się występów mikronierówności obu powierzchni. Występuje wtedy tylko tarcie wewnętrzne środka smarowego.

Opór tarcia płynnego zależy od grubości warstwy środka smarowego i jego lepkości, obciążenia (ciśnienie). W tarciu płynnym powierzchnie są idealnie rozdzielone warstwą środka smarowego.

Jeśli warstwa środka smarowego znajduje się w zasięgu oddziaływań ciała stałego na granicy rozdziału faz ciało stałe - ciecz, wówczas swoboda przemieszczania się cząstek środka smarowego najbliższych powierzchni zostaje znacznie ograniczona, a tarcie występujące w tych warstwach nazywa się tarciem granicznym.

Tarcie graniczne jest rodzajem tarcia, w którym objętość środka smarowego jest niewystarczająca, aby oddzielić całkowicie od siebie warstwą środka smarowego nierówności powierzchni tarcia.

Występuje wtedy stały styk pomiędzy nierównościami powierzchni tarcia i tu proces tarcia przebiega w porównaniu do tarcia płynnego z większym współczynnikiem tarcia, również zużycie powierzchni tarcia może być znaczne.

Tarcie graniczne występuje, gdy nie są spełnione warunki dla zaistnienia warstwy hydrodynamicznej, tzn. że lepkość środka smarowego jest zbyt niska i występuje niekorzystna geometria styku lub zbyt dużą chropowatość powierzchni.

W tym rodzaju smarowania na powierzchni tarcia występują liczne zjawiska fizykochemiczne i zachodzące w nim i na powierzchni tarcia reakcje chemiczne środka smarowego. W wyniku tego obie powierzchnie tarcia są pokryte warstwami zaabsorbowanymi fizycznie lub/i produktami reakcji triobochemicznych.

Tarcie mieszane jest rodzajem tarcia, w którym występują oba typy tarcia, tj. tarcie graniczne i tarcie płynne. Tarcie to ma miejsce w węzłach tarcia maszyn i urządzeń, zwłaszcza przy małych prędkościach względnych, dużych naciskach oraz stanach nieustalonych pracy węzła tarcia. W rzeczywistych węzłach tarcia najczęściej mamy do czynienia z tarciem mieszanym.

Tarcie suche fizycznie występuje wówczas, kiedy dochodzi w procesie tarcia do styku czystych powierzchni ciał stałych, natomiast w przypadku tarcia suchego technicznego na powierzchni występują zaabsorbowane cząstki gazów z powietrza atmosferycznego, np. N2, O2, H2O, tlenki i wodorotlenki metali powierzchni.

2.2. Podział tarcia ze względu na ruch.

Tarcie ze względu na ruch można podzielić na:
a) kinetyczne;
b) statyczne.

Przy przemieszczaniu dwóch ciał występuje tarcie kinetyczne (ruchowe), przy czym jeśli prędkość względna obszarów tarcia dwóch ciał jest równa zeru, występuje wówczas tarcie statyczne (spoczynkowe).

Tarcie kinetyczne ze względów na rodzaj ruchu można podzielić na:
- ślizgowe;
- wiertne;
- toczne.

Przy tarciu ślizgowym obszarem styku jest zazwyczaj powierzchnia płaska lub zakrzywiona, natomiast przy tarciu tocznym obszarem styku elementów jest punkt (tarcie kul) lub linia (tarcie ciał o kształtach cylindrycznych lub cylindrycznym i płaskim).

Tarcie wiertne - przy tym rodzaju tarcia prędkość względna obu ciał w punktach styku są różne i wprostproporcjonalne do odległości punktu styku od osi jednego ciała, prostopadłej do powierzchni tarcia. Punkt styku trących się ciał trwa nieskończenie długo, a prędkość względna tarcia równa się zeru (14).

2.3 Smarowanie powierzchni tarcia.

Istotną rolę w procesie tarcia odgrywa tzw. trzecie ciało wypełniające obszar pomiędzy powierzchniami tarcia. Jest to cienka warstwa, w której mają miejsce również procesy tarcia. Warstwa ta zawiera środek smarowy oraz produkty jego przemian tribologicznych i produkty zużycia.

Główna rola substancji smarowej polega na rozdzielaniu powierzchni trącej warstwą tej substancji i na tworzeniu warstewek granicznych zmniejszających opory tarcia i zużycie tribologiczne.

Ponadto środek smarowy odprowadza ze strefy tarcia ciepło tarcia, zanieczyszczenia i produkty zużycia, zabezpiecza powierzchnię przed korozją, uszczelnia układ smarowy oraz spełnia również inne funkcje specjalne, jak np. elektroizolacyjne.

Występowanie wszystkich rodzajów smarowania w łożysku ślizgowym w zależności od warunków pracy przedstawia diagram Striebecka,

Ujmuje on zależność współczynnika tarcia od grubości warstwy środka smarowego (h), lepkości dynamicznej (), prędkości ślizgania (v) i obciążenia (P). Parametr bezwymiarowy  v / P. nazywany jest liczbą lub parametrem Herseya.

W momencie rozpoczęcia pracy węzła tarcia prędkość jest bliska 0, również liczba Herseya i grubość warstwy środka smarowego są bliskie zera.

Z diagramu widać, że współczynnik tarcia jest wtedy maksymalny i występuje wówczas tarcie suche i graniczne.

Ze wzrostem prędkości ślizgania liczba Herseya i grubość warstwy czynnika smarowego rosną i współczynnik tarcia maleje osiągając wartość minimalną na początku tarcia płynnego.

Wydzielone w procesie tarcia ciepło, podwyższa temperaturę, która obniża lepkość dynamiczną i tym samym maleje liczba Herseya. Zwiększenie obciążenia łożyska prowadzi do tego samego, w konsekwencji warunki pracy węzła tarcia ulegają pogorszeniu (współczynnik tarcia rośnie).

2.4. Dodatki uszlachetniające.

2.4.1. Definicja dodatków uszlachetniających.

Dodatki uszlachetniające są substancjami, których dodatek do oleju bazowego poprawia jeden lub kilka wskaźników jego jakości.

2.4.2. Podział dodatków uszlachetniających.

W zależności od spełnionych zadań dodatki uszlachetniające dzieli się na następujące grupy:
a) wiskozatory - wskaźnik lepkości oleju zapobiega przerwaniu filmu olejowego;
b) depresatowy - obniżają temperaturę krzepnięcia oleju;
c) inhibitory utleniane - zwiększają odporność olejów na tzw. starzenie, czyli proces utleniania. Działanie ich polega na wiązaniu powstających w czasie pracy oleju wodoronadtlenków i rodników nadtlenkowych.
d) myjąca (dysperująca) - przeciwdziałają odkładaniu się lochów i nagarów;
e) polepszające smarność - przeciwzatarciowe (EP - wysokie naciski) - są ograniczonymi związkami chemicznymi, które przeciwdziałają zespawaniu i nadmiernemu zużyciu powierzchni tarcia w czasie smarowania;
- przeciwzużyciowe (AW) - są związkami chemicznymi przeciwdziałającymi nadmiernemu zużyciu powierzchni podczas pracy węzła tarcia. Tworzy warstwy adsorpcyjne, obniżają opory tarcia, co prowadzi do obniżenia zużycia;
- modyfikatory współczynnika tarcia - działają na zasadzie podniesienia trwałości zaabsorbowanego fizycznie filmu
powierzchniowego. Wysokopolarne cząstki dodatków adsorbują się na powierzchni tarcia i pozostają tam w czasie tarcia zapobiegając kontaktowi metal - metal (1).
f) przeciwpienne, antyseptyczne, dialtywatory metali;
g) dodatki wielofunkcyjne - łączące w sobie kilka w/w zalet substancji.

Najpopularniejszym i najszerzej stosowanym dodatkiem, który posiada właściwości przeciwzużyciowe oraz antyutleniające jest dialkiloditiofosforan cynku - ZnDTP.

Ostatnio spore zainteresowanie tribologów wzbudzają dialkiloditiokarbaminiany metali (oznaczane w skrócie MeDTC)
 

Opracowanie: Katarzyna Piątczak

Wyświetleń: 12603


Uwaga! Wszystkie materiały opublikowane na stronach Profesor.pl są chronione prawem autorskim, publikowanie bez pisemnej zgody firmy Edgard zabronione.