Διερεύνηση της φυσικής προσρόφησης των λιπαντικών σε συνθήκες ημίυγρης τριβής που οδηγούν σε άρπαγμα

Abstract

Contemporary machine elements are often called to operate in mixed film lubrication regime. Under these conditions one possible mode of failure is scuffing. The adsorption of lubricant molecules on the friction surfaces can significantly reduce the risk of scuffing. The purpose of this work is to study, in a quantitative manner, the role of the lubricant’s physical adsorption on scuffing under conditions close to those found during the operation of gears and bearings. The two-disk test rig of the Labora-tory of Machine Elements and Machine Design was used for the experimental investigation, after making some necessary improvements. Additionally, a custom device was created from scratch that allowed for the measurement of roughness on the circumference of the disks. After conducting friction coefficient measurements in very low sliding speed and considering the effect of lubricant adsorption under these specific conditions, the heat of adsorption for FVA2 lubricant was determined. Next, scuffing experiments were conducted in appropriate conditions using carefully prepared disk speci-mens and FVA2 lubricant. For each experiment, in every stage, bulk temperature of each disk, friction force and other experimental data were collected and recorded. These data, together with disk sur-face roughness, were fed into an existing numerical model capable of solving the contact of two rough surfaces operating in mixed film lubrication regime, resulting in the determination of the pressure distribution. Also, a methodology was developed that allowed for the calculation of the temperature distribution at the interface of the rough sliding bodies. Based on the results of pres-sure, temperature and activation energy it was made possible to calculate for each surface in the contact the fractional coverage due to lubricant molecules adsorption. The calculations were con-ducted both for time-dependent and time-independent adsorption. The results from the theoretical investigation and the processing of all experimental data lead to the conclusion that the theory of adsorption can be used to describe a hydrodynamic pressure versus temperature curve that serves as a limit between scuffing-safe and scuffing-unsafe regions of operating conditions. It was found that the exact position of the limit-curve can be correlated with the surface roughness.

Τα σύγχρονα στοιχεία μηχανών λειτουργούν συχνά στην περιοχή της ημιυγρής τριβής, στην οποία αναπτύσσεται εκτενής επαφή τραχυτήτων. Μια πιθανή μορφή αστοχίας σ’ αυτές τις συν-θήκες είναι το άρπαγμα. H προσρόφηση των μορίων του λιπαντικού πάνω στις επιφάνειες τριβής συμβάλει σημαντικά στην αποτροπή της. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη και η ποσοτική αποτύπωση του ρόλου της φυσικής προσρόφησης των λιπαντικών στην εκδήλωση της συγκεκριμένης μορφής αστοχίας, σε κινηματικές συνθήκες και φορτίσεις ανάλογες με εκείνες που επικρατούν κατά την λειτουργία οδοντωτών τροχών και εδράνων κύλισης. Για την διερεύνηση του προβλήματος χρησιμοποιήθηκε το δοκιμαστήριο δίσκων παραλλήλων αξόνων του Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών και Μηχανολογικού Σχεδιασμού στο οποίο έγιναν οι απαραίτητες προσθήκες και βελτιώσεις. Παράλληλα επινοήθηκε μια πρωτότυπη ιδιοσυσκευή για την μέτρηση της τραχύτητας τον δοκιμίων. Με την βοήθεια μετρήσεων του συντελεστή τριβής σε πολύ χαμηλές ταχύτητες ολίσθησης και αξιοποιώντας την επίδραση που έχει η προσρόφηση του λιπαντικού στον συντελεστή τριβής σε αυτές τις συνθήκες υπολογίστηκε η ενθαλπία προσρόφησης του λιπαντικού FVA 2. Στο επόμενο στάδιο της εργασίας εκτελέστηκαν πειράματα στο δοκιμαστήριο δίσκων με το ίδιο λιπαντικό σε επιλεγμένες συνθήκες και με κατάλληλα προετοιμασμένα δοκίμια στα οποία προκλήθηκε η αστοχία του αρπάγματος. Σε κάθε στάδιο του πειράματος καταγράφηκαν με προσοχή δεδομένα όπως οι θερμοκρασίες των σωμάτων, η δύναμη τριβής και άλλα μεγέθη. Αυτές οι μετρήσεις, μαζί με την τραχύτητα των δίσκων, τροφοδοτήθηκαν σε υφιστάμενο λογισμικό υπολογισμού ελαστοϋδροδυναμικής λίπανσης τραχέων επιφανειών με το οποίο υπολογίστηκε η κατανομή πίεσης που αναπτύσσεται στην επαφή των τραχυτήτων και στο λιπαντικό. Παράλληλα αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία για τον υπολογισμό της κατανομής της πυκνότητας θερμοροής και της συνολικής θερμοκρασίας εντός της ζώνης επαφής κατά την επαφή τραχέων επιφανειών. Με βάση τα παραπάνω υπολογίστηκε τελικά η ποσοστιαία κάλυψη των επιφανειών τριβής από προσροφημένα μόρια, τόσο σε μόνιμη όσο και σε μεταβατική κατάσταση. Από τα αποτελέσματα της θεωρητικής διερεύνησης και της επεξεργασίας του συνόλου των πειραμάτων προκύπτει ότι με βάση τη θεωρία της προσρόφησης μπορεί να διαμορφωθεί μια καμπύλη μεταξύ υδροδυναμικής πίεσης και θερμοκρασίας η οποία να ορίζει ένα άνω όριο ασφαλών συνθηκών πέραν του οποίου η πιθανότητα εμφάνισης αρπάγματος είναι σημαντική. Η ακριβής θέση της καμπύλης μπορεί να συσχετιστεί με την τραχύτητα των επιφανειών.