TRIBOLOGIOCH GLIDLAGER

Transkript

1 TRIBOLOGIOCH GLIDLAGER Gästföreläsning av Dr. Henrik Strand, Volvo CE Senior Bearing Specialist Volvo CE är en av världens största tillverkare av anläggningsmaskiner Ca anställda runt om i Världen Sommarjobb, exjobb på Volvo? Ansök på Ansökningstiden för sommarjobb är öppen Januari-Februari 1

2 Henrik Strand Pluggade civ.ing. maskinteknik på MdH / KTH Ex-jobb om våta bromsar på Volvo CE hösten 97. Industridoktorand 50% på Volvo CE Disputerade 005 Idag Senior Lagerspecialist för hela Volvo CE globalt Agenda Vad är tribologi? Ytor Friktion Ytskador Nötning Smörjning Glidlager Vad är Tribologi? Uttrycket Tribologi myntades i England av en arbetsgrupp ledd av Peter Jost på 60-talet. Tribos kommer från Grekiskans τριβος och betyder gnida eller gnugga Tribologi = läran om friktion, nötning och smörjning Tvärvetenskapligt område där kemi, fysik, mekanik och materiallära flyter in i varandra (Film om tribologi och forskning ca: 5 min: )

3 Tribologiska begrepp Tribosystem - ett system med ytor i mekanisk kontakt under relativ rörelse Triboyta - en av tribosystemets kontaktytor Nötning - förlust av material från en triboyta Friktion - det fenomen som genererar den bromsande kraften i ett tribosystem Smörjning - en metod att sänka friktionen och skydda mot nötning Ytor Ytstruktur kan beskrivas i termer av topografi och mikrostruktur Profilometer SvepElektronMikroskop, SEM Topografi Ytprofil = Vågighet + Ytjämnhet 3

4 Ytjämnhetsmått Ra värdet beskriver medelytavvikelsen L 1 Ra z( x) dx L 0 Ra värdet är inget bra ytmått men är vanligt förekommande Alla dessa profiler har samma Ra värde men inte samma funktion R q 1 L L z( x) 0 dx Mikrostruktur Tekniska ytor har oftast en skiktad struktur Adsorberade molekyler Oxidskikt Deformerat material Opåverkat material Reell kontaktarea 4

5 Reell kontaktarea Reell kontaktarea A i = A r är oftast mycket mindre än den nominella arean A r << A Den reella kontaktarean är proportionell mot normalkraften A r F N Den reella kontaktarean är omvänt proportionell mot hårdheten hos det mjukare materialet A r 1/H Oberoende av topografin Oberoende av den nominella kontaktarean A r FN H Räkneövning 1 A r FN H En 75kg student ställer sig på stålskivor som är 40x40cm har en hårdhet på 40N/mm Hur stor är den reella kontaktarean mellan stålskivorna om vi bortser från egenvikten på stålskivorna? F N = 75kg x 9,8m/s = 736,5N A r = 736,5N / 40 N/mm = 3,1 mm Friktion 5

6 Friktion Brukar dela upp friktion i glidande och rullande friktion Glidfriktion Torr friktion, när inget smörjmedel finns i tribosystemet Gränsskiktsfriktion, väldigt lite smörjmedel Blandfriktion, delar av friktionen kommer från skjuvning av olja Fullfilmsfriktion, friktionen består endast av skjuvning av olja Rullfriktion Torr Smord Fullfilmsfriktion (vattenplaning) Elastohydrodynamisk friktion (rullningslager) Friktion i torr glidande kontakt Torr friktion uppkommer genom två mekanismer 1. Adhesiv mekanism - skjuvmotstånd i de reella kontaktfläckarna (kontaktareorna). Plogkomponent - motstånd mot yttopparnas plogning i motytan (gäller mest grova ytor) Friktion forts.. F μ F T N v g v Kvoten mellan Friktionskraften (F T ) och Normalkraften (F N ) kallas för friktionskoefficienten Friktionskoefficienten delas upp i två delar statisk (vilo) och kinetisk (glid) friktionskoefficient ( v och g ) Statisk friktionskoefficient är gränsvärdet för att glidning ska börja Kinetisk friktionskoefficient är värdet under glidning Vanligen är den statiska koefficienten högre än den kinetiska 6

7 Stick - Slip Glidande kontakt genererar ofta oljud som beror på ryckvis rörelse mellan triboytorna För att stick-slip ska uppstå krävs att v > g samt att kontakten är elastisk Exempel på stick - slip i vardagen är sudd, jordbävningar, stråkinstrument och knarrande dörrgångjärn Friktionslagarna gäller oftast 1. Friktionskraften är proportionell mot normalkraften. Friktionskraften är oberoende av den nominella kontaktarean 3. Friktionskoefficienten är oberoende av glidhastigheten 4. Friktionskoefficienten är oberoende av topografin Typiska friktionstal 7

8 Friktion i rullande kontakt Rullning ger extremt låg friktion men rullmotstånd finns alltid i form av Elastisk hysteres i rullen eller underlaget Mikroglidning på grund av deformation ökar med ökad belastning prop. mot F x (x = 1, -,4) minskar med ökad r minskar med tiden v > g Räkneövning F μ F T N Någon tar och börjar dra i stålskivan som 75kg studenten står på. Stål-stål brukar ha ungefär 0. i torr friktionskoefficient Hur mycket kraft går det åt att flytta på studenten? F T = µ x F N = 0. x 75kg x 9.8 m/s = N Ytskador och Nötning 8

9 Ytskador och Nötning I tribologiska kontakter påverkas ytorna på en rad olika sätt Ytskador uppstår som innebär förändringar av mikrostruktur, sammansättning, topografi och form Vanligen är dessa förändringar långsamma Alla ytskador är inte dåliga t.ex inkörning Klassificering av ytskador Ytskador utan materialutbyte (strukturförändringar, plastisk deformation, ytsprickor) Ytskador med materialvinst (fastkletning, tribokemiska reaktioner) Ytskador med materialförlust - nötning Nötning = materialförlust Det finns ingen koppling mellan hög friktion och hög nötningshastighet Det finns en rad olika avverkningsmekanismer 9

10 Nötningsklassificering Adhesiv nötning Oxidativ nötning Kontaktutmattning Delaminationsnötning Fretting Abrasiv nötning Erosiv nötning Adhesiv nötning (metallisk) Den nötning som orsakas av de skjuvkrafter som uppstår när adhesiva kontaktsvetsar bryts under glidande kontakt. Förekommer främst vid ofullständig smörjning med höga laster och glidhastigheter Ger upphov till kraftigt slitage Oxidativ nötning De flesta metaller har ett tunt oxidskikt Oxidativ nötning innebär att nötningen sker genom upprepad avverkning och tillväxt av metalloxiden 10

11 Kontaktutmattning Uppkommer vid cykliskt upprepade belastningar i rullande, glidande och stötkontakt Typiska maskinelement är rullager, kugghjul, kammekanismer Vid låg friktionskoefficient bildas sprickorna en bit ner i materialet Vid hög friktionskoefficient genereras sprickorna i ytan på materialet Delaminationsnötning Urflagning av metallflak ur en annars slät yta Uppkommer genom sprickbildning inne i materialet parallellt med ytan som sedan letar sig upp till ytan Fretting Fretting = nötning emellan vibrerande ytor med liten amplitud (~1-00 m) Gemensamt namn för tre olika skademekanismer; Fretting wear Fretting corrosion Fretting fatigue Uppträder oftast vid stationära ytor som t.ex bult och nitförband Fretting uppkommer bland annat vid stick-slip 11

12 Abrasiv nötning Abrasion = hård yta/partikel repar mjuk yta Två och Tre kropps abrasion Abrasiva nötningsmekanismer Mikrospånbildning - avverkning av en spåna utan deformation Mikroplogning - plöjer en fåra utan avverkning Mikroutmattning - upprepad plöjning ger kraftig skjuvning vilket leder till försprödning och utmattning Mikroflagning - den repande kontakten leder till så kraftig sprickbildning att hela flak lossnar Erosiv nötning Den nötning som uppstår när ett material utsätts för ett bombardemang av hårda gas eller vätskeburna partiklar En tillämpning av erosiv nötning är blästring Kavitation är ett specialfall av erosiv nötning 1

13 Nötning, badkarskurvan Inkörningsperiod Delar slits in mot varandra minskar nötningshastighet minskar Driftperiod Maskinen kan gå i normal drift (motsvarar maskinens livslängd) Nötningshastighet konstant på låg nivå. Utmattningsperiod Förslitning så stor att driftbetingelser ändras. Nötningshastighet ökar Nötning (mm) tid (h) Samband nötning, allmänt Finns inget generellt samband mellan friktionstalets storlek och nötningens storlek Nötning beroende av allt möjliga faktorer: material i ytorna smörjmedel driftbetingelser omgivande atmosfär m.m. Förslitning ökar med belastningen och glidsträckans längd Samband nötning, formler Nötningsdjup: f = k p s [mm] Nötningsdjup: f = k p v t [mm] Nötningsvolym: W = k F N s [mm 3 ] p = Yttryck [MPa] s = glidsträcka [mm] k = Nötningsfaktor [mm /N] F N = Normalkraft [N] p v = utnyttjat pv-tal (tryckhastighet) [MPa m/s] t = tiden [h] 13

14 Räkneövning 3 f = k p s Hur långt måste man dra 40x40cm stålskivan med 75kg student på ett stålgolv tills den är helt utsliten om nötningskoefficenten är 1.5x10-8 mm /N och stålskivan är 1 cm tjock? p = F N /A = 75kg x 9,8m/s / (400mm x 400mm) = N/mm f = k x p x s => s = f / (k x p) = 0.01m / (1.5x10-8 mm /N x N/mm ) = km Dvs ca 3.5 varv runt jorden.. Smörjning Smörjningens uppgifter Sänka friktionen mellan rörliga delar Nötningsreduktion - renhållning, separering av triboytorna Temperatursänkare - skärvätskor Korrosionsskydd - anoljning Effektöverföring - momentförstärkare Elektrisk isolering - ställverk 14

15 Smörjning och smörjmedel Flytande smörjmedel - oljor Halvfasta smörjmedel - fetter Fasta smörjmedel - teflon, grafit Gasformiga smörjmedel - luft Vad är viskositet? Viskositet är den egenskap hos smörjmedel som ger motstånd mot fritt flöde Ju högre viskositet desto mer trögflytande Viskositet är en form av inre friktion För vätskor gäller att viskositeten minskar med ökad temperatur För gaser gäller att viskositeten ökar med ökad temperatur (för en fast volym) Viskositetsmätning Ger mått på kinematisk viskositet Herzog HVM 47, capillary viscometer, 40 & 100 C 15

16 Dynamisk viskositet Förutsättning: laminär strömning, ingen tryckvariation y Skjuvhastighet: u 0 Skjuvspänning i vätskan proportionell mot S h Proportionalitetskonst. kallas dynamisk viskositet: Newtonsk vätska (linjär) : Kraften som krävs för att röra ytorna längs med varandra: Viskositet, enheter Dynamisk viskositet SI-enhet är 1 [Ns/m ] = 1 [Pa s] Pois 1 [P] = 0,1 [Ns/m ] 1 [cp] = 0,001 [Ns/m ] (används vanligen) Kinematisk viskositet: SI-enhet är 1 [m /s] Stok 1 [St] = 1 [cm /s] 1 [cst] = 1 [mm /s] (används vanligen) Sayboltsekunder [S ] Redwoodsekunder [R ] Englergrader [E] Vatten vid + 0 [C]: = 1 [E] = 1 [cst] = 10-6 [m /s] TR1 En kolv rör sig axiellt i en cylinder. Spalten mellan kolv och cylinder är helt fylld av olja med en viskositet på 0,00 Pa s. Kolven har en diameter på 4,99 mm och en längd på 3,4 mm. Cylinderns innerdiameter är 5,017 mm. Hur stor skjuvkraft uppstår i spalten då kolven rör sig med hastigheten 1,5 m/s? Kolven antas röra sig koncentriskt i förhållande till cylindern. h = (d cyl -d kolv )/ = (5.017mm-4.99mm)/ = 0.015mm = m A = xd kolv x L kolv = x 4,99mm x 3,4mm = 543.9mm = m F = 0.0Pas x m x 1.5m/s / m = 5,1N 16

17 Viskositeten beror på temperatur och tryck Temperaturberoende Tryckberoende = = e p 0 Viskositetsdiagram Walther Ubbelohdes ekvation log log( + k) = A + B logt = kinematisk viskositet i cst k = 0,6 eller 0,7 A, B = konstanter karakteristiska för oljan T = temperatur i Kelvin (73,15+ C) Om vi vet -punkts viskositeten för oljan kan alla viskositeter räknas fram. log log( + k) = A + B log log log( + k) = A + B log B log log( + k) log log( + k) log log A = log log( + k) B log Smörjningens Regimer Man delar upp smörjning i tre regimer Gränsskiktssmörjning Blandsmörjning Fullfilmssmörjning 17

18 Stribeckkurvan Oljesmörjning Moderna oljebaserade smörjmedel består av: Basolja Mineralolja Syntetolja Additiver Antioxidanter Skumdämpare Rostdämpare Viskositetsförbättrare Tvättmedel Flockningsmedel Friktionsmodifierare Nötningsskydd Extremtrycks skydd Färg Fettsmörjning Fett består av: Basolja Mineralolja Syntetolja Estrar Förtjockare (metalltvål) Litium Kalcium Urea Additiver Smörjfett tillverkas genom att koka metalltvål i olja som då bildar ett nätverk av långa förgrenade molekyler som binder till sig oljemolekylerna 18

19 Glidlager Glidlager, Indelning Med avseende på smörjning Fullfilm Smörjmedel separerar helt ytorna genom spaltverkan Hydrostatiskt lager: olja tillförs under tryck Aerostatisk lager: luft tillförs under tryck Blandfriktion Smörjmedel tillförs, men man får ej en helt bärande film Torrfriktion Inget flytande smörjmedel tillförs mellan ytorna Exempel: PTFE-bussning, nylonbussning Med avseende på belastningsriktning Axiallager Radiallager kallas vanligen bussningar Vanliga Glidlagertyper Metall och Bi-metall Solid metall, stål, brons, mässing, gjutjärn, Babbits Plåt med metalliskt glidskikt Sintrade lager med olja och fasta smörjmedel Solida metaller med kutsar av fasta smörjmedel Metall-polymerlager Plåt med olika typer av glidskikt av polymerer Plaster, ofta med tillsatser av fasta smörmedel Termoplaster Härdplaster Fiberförstärkta kompositlager Glasfiber och epoxiplast med glidskikt av PTFE och kevlarfibrer 19

20 0 Projicerat Yttryck y w d F p R q R q p MAX 5 0. R q R π q p MAX R' π E' q p MAX R q α α π α α α π α p MAX tan 1 tan tan 1 tan ln 1 tan tan Yttrycksfördelning bushing bushing MAX MAX MAX AX H d F w H w d F p d q p w F q M Axiell yttrycksfördelning

21 Bussningsbredd w d PV tal Produkten av tryck och glidhastighet avgör om ett lagermaterial klarar av driftsförhållandet Gränsvärdet för trycket är mot plasticering Gränsvärdet för hastighet är mot värmetålighet Gränsvärden för tryck, hastighet och pv-tal finns i de flesta lagerkataloger idag Räkneövning 4 w 8 F d H bussning Dimensionera en bronsbussning för en last på 5ton med en säkerhetsfaktor på. Hårdheten på legeringen är 180MPa F = 5000kg x 9.8m/s = 45500N 8 F 8 F N w wd 6946.mm d Hbussning Hbussning 180N / mm w 1.3 d 1.3d 6946.mm d 73.1mm Välj d = 75mm för att hitta lämpliga tätningar Bredden w blir då 6946.mm / 75mm = 9.6mm Välj w = 95 mm 1

22