7
CAPITOLUL 1. Noţiuni şi concepte de bază în tribologie 1.1. Solicitări mecanice O preocupare dominantă a ştiinţelor inginereşti contemporane este asigurarea funcţionării fără întreruperi sau avarii a maşinilor şi echipamentelor, garantând, în acelasi timp, un randament mare şi o fiabilitate înaltă. De aceea, chiar din faza de concepţie şi proiectare, trebuie luate în considerare posibilele pierderi şi deteriorări care pot afecta substanţial optimul funcţiilor tehnice şi economice, dar şi pe cele care pun în pericol securitatea operatorilor şi a altor sisteme. Trecând în revistă solicitările mecanice generale care pot acţiona asupra elementelor şi sistemelor, acestea pot fi împărţite în două grupe mari: - solicitări în volum, care rezultă din forţe dinamice şi statice; aceste solicitări fac obiectul de studiu al rezistenţei materialelor;
solicitări de suprafaţă, datorate contactului şi mişcării relative dintre corpuri; aceste solicitări şi deteriorările pe care le produc fac obiectul de studiu al tribologiei (fig. 1.1). Tensiunile de suprafaţă, care sunt deseori indispensabile pentru însăşi asigurarea funcţionării sistemelor tehnice, determină pierderi de energie şi de material din cauza frecării dar şi modificări ale elementelor ca rezultat al uzurii. Tribologia are ca scop minimizarea acestor pierderi energetice şi de material, provocate de frecare şi uzură, încă din faza de proiectare a maşinilor şi echipamentelor, contribuind la asigurarea unei funcţionări fără probleme, în condiţiile menţinerii valorii tehnice şi economice a maşinilor, prin reducerea uzurii şi optimizarea condiţiilor de frecare.
Fig. 1.1. Tipuri generale de solicitări de suprafaţă pentru elemente de maşini. 1.2. Cuple de frecare Relaţiile şi interacţiunile dintre elementele unui sistem mecanic definesc cuplele de frecare, iar parametrii geometrici, cinematici şi dinamici guvernează natura fenomenelor şi proceselor tribologice – frecarea, uzura şi ungerea – în corelaţie cu lubrifiantul şi materialele elementelor în contact. La nivelul interacţiunilor dintre elementele sistemului mecanic, frecarea şi uzura sunt în corelaţie cu parametrii cinematici şi dinamici şi cu prezenţa lubrifiantului, a particulelor de uzură sau provenite din mediul de lucru, precum şi cu caracteristicile de rezistenţă ale suprafeţelor elementelor în contact. Procesele de lubrifiere, care au efecte benefice asupra frecării şi uzurii, sunt în corelaţie cu parametrii cinematici şi dinamici, fiind limitate de temperatură, condiţii de mediu, grad de contaminare. Pentru a asigura fiabilitatea înaltă a întregului sistem mecanic, fiecare cuplă componentă trebuie să aibă o fiabilitate ridicată. La proiectarea elementelor mecanice componente (organe de maşini) se aplică criterii de siguranţă
de natură mecanică, pe baza rezistenţei la rupere, a limitei de curgere, a limitării deformaţiilor elastice, a nivelului de vibraţii etc. Pentru cuplele de frecare, care înseamnă legături între elemente, este necesară utilizarea unor criterii de siguranţă de natură tribologică, cum sunt: uzură limitată, nivel limită de frecare şi de temperatură, grosime minimă de film etc. Aplicarea criteriilor tribologice în proiectare s-a impus ferm deoarece marea majoritate a avariilor de natură mecanică are la bază deteriorări la nivelul legăturilor dintre elementele componente, deteriorări ce provin din necunoaşterea proceselor tribologice ce au loc, din utilizarea unor cuple de materiale şi a unor lubrifianţi neadecvaţi condiţiilor de funcţionare, din nerespectarea periodicităţi ungerii etc. [180]. La nivelul sistemelor de tip industrial, în cadrul cărora funcţionează simultan zeci sau sute de echipamente mecanice, tribologia permite monitorizarea şi diagnosticarea funcţionării. La momentul actual se poate realiza asistarea de către calculator a tuturor proceselor de ungere, reparaţii, revizii, control. Prin predicţia şi, astfel,
Tribologie
evitarea opririlor accidentale ale utilajelor, din cauze de natură tribologică, se poate obţine creşterea productivităţii activităţilor industriale. Constructiv, o cuplă de frecare este identică cu o cuplă cinematică utilizată în analiza mecanismelor. Funcţional, prin luarea în considerare a fenomenelor şi proceselor de frecare, uzură şi ungere, cupla de frecare are un caracter mult mai complex, cuprinzând aspecte cinematice, dinamice şi tribologice. Clasificarea cuplelor de frecare, diferită de cea a cuplelor cinematice, cuprinde 4 clase [180, 189] (fig. 1.2): • Cuple de frecare de clasa I. Interacţiunea se produce, teoretic, într-un punct. Sub acţiunea sarcinilor normale, se produce o deformaţie de contact pe o suprafaţă eliptică, cu dimensiuni mici (de ordinul 10-1-10-2 mm, în general) în raport cu dimensiunile corpurilor. Exemple de cuple de clasa I (cu contact punctual, fig. 1.2, 1a-1g): contacte pe vârfuri –1a şi 1b, cupla sferă/plan–1c, cupla maşinii cu patru bile–1d, cupla formată de doi cilindri neparaleli–1e, rulmenţii cu bile (axiali – 1f; radiali – 1g), angrenaje elicoidale, şuruburi cu bile, variatoare EHD, ghidaje cu bile etc. • Cuple de frecare de clasa a II-a. Interacţiunea se produce, teoretic, pe o linie. Sub acţiunea sarcinilor normale se produce o deformaţie de contact pe o suprafaţă de formă dreptunghiulară, cu lăţimea de ordinul 10-1-10-2 mm, în general. Exemple de cuple de clasa a II-a (cu contact liniar, fig. 1.2, 2a–2g): cupla cu două discuri cu axe paralele (SAE)–2a, cupla cilindru/plan (Timken)–2b, cupla Falex (sau Faville)–2e, în rulmenţii cu role, ghidaje cu role, mecanisme camă-tachet–2d, variatoare EHD–2f, transmisii prin roţi de fricţiune–2c, transmisii prin roţi dinţate cilindrice–2g şi conice, transmisii prin lanţ etc. Cuplele de clasa I şi a II-a se mai numesc şi cuple superioare şi se caracterizează prin suprafeţe de contact reduse ca dimensiuni şi prin tensiuni de contact ridicate, 0,5 – 2,8 GPa şi chiar mai mari. • Cuple de frecare de clasa a III-a. Interacţiunea se produce la nivelul unor suprafeţe curbe. Exemple, pe tipuri de suprafeţe (fig. 1.2, 3a–3f): a) suprafeţe cilindrice: sabot/fus (Amsler)– 3a, doi saboţi pe fus–3b, lagăr de alunecare (Almen)–3c, piston/cilindru–3d, articulaţii, frâne cu sabot; b) suprafeţe elicoidale: mecanisme şurubpiuliţă–3e; c) suprafeţe sferice: articulaţii sferice– 3f. • Cuple de frecare de clasa a IV-a. Interacţiunea dintre elemente se produce la nivelul unor suprafeţe plane. Exemple (fig. 1.2, 4a–4e): cupla ştift/disc–4a, cilindru/disc–4b, disc/disc–4c, discuri de fricţiune, ghidaje de alunecare–4d, 4e etc. 1.3. Tribosisteme
Cuplele de clasa a III-a şi a IV-a se mai numesc şi cuple inferioare, caracterizându-se prin suprafeţe de contact ale căror dimensiuni sunt comparabile cu dimensiunile elementelor aflate în contact. Tensiunile de contact sunt reduse, 0,5 -20 MPa. Cele patru clase de cuple de frecare implică interacţiunea dintre două corpuri solide. În lucrarea [189] se introduce clasa a V-a, în care unul din cele două elemente ale cuplei este un mediu gazos, lichid sau solid (cu structură cristalină, amorf, pulberi). În această clasă sunt incluse cele mai multe dintre cuplele de frecare ce se dezvoltă la nivelul elementelor active ale utilajelor (fig. 1.2, 5a-5d): interacţiunea dintre sculă şi piesa de prelucrat în procesele de aşchiere, de deformare plastică; interacţiunea dintre sculă şi rocă sau sol în cazul instalaţiilor de foraj, de prelucrare a solului şi a subsolului, în industria minieră; interacţiunea dintre paletă şi aer sau apă la ventilatoare, turbine, sistemul de propulsie a navelor etc. În figura 1.2 se prezintă exemple de cuple de frecare întâlnite uzual în construcţia de maşini, utilaje şi echipamente, cât şi în studiile tribologice.
Cap. 1. Noţiuni şi concepte de bază în tribologie
1.3.1. Structura unui sistem Studiul pe baza claselor de cuple de - sistemele aparţin unor anumite clase de frecare consideră interacţiunile dintre corpuri nivele diferite de complexitate; numai din punctul de vedere al elementelor - orice lege analitică sau empirică valabilă întrgeometrice, fiind exclusă natura proceselor un sistem la un anumit nivel este aplicabilă în orice tribologice [180]. sistem de nivel superior; De aceea a apărut necesitatea utilizării - numărul elementelor şi al legilor necunoscute unui nou concept, cel de sistem tribologic. este cu atât mai mare cu cât creşte nivelul sistemului, Acesta a fost definit în 1974 de Czichos (apoi în caracterizând un sistem particular de lucru. 1974, 1978 [59], 1982, 19922) şi a fost dezvoltat În figura 1.3 se prezintă sistemul traficului ulterior în toate şcolile de tribologie din lume. rutier, ca exemplificare a conceptului de sistem şi a Conceptul de tribosistem este subiectul ordinii de clasificare a sistemelor: standardului german DIN 50320. În 1985, Crudu - sistem de nivel (b) – un angrenaj; [56] propune o sistematizare a clasificării - sistem de nivel (b+1) – cutia de viteze; sistemelor tribologice întâlnite în construcţia de - sistem de nivel (b+2) – transmisia vehiculului; maşini, prezentată detaliat la §1.3.3. - sistem de nivel (b+3) – vehiculul; Un sistem poate fi definit ca o mulţime - sistem de nivel (b+4) – traficul rutier de elemente interconectate prin structură şi funcţiuni. Economistul Kenneth Boulding3 (citat în [59]) a sugerat clasificarea sistemelor după următoarele reguli: Fig. 1.3. Sistemul traficului rutier.
traficul rutier
2 3
cutie de viteze angrenaj
transmisie vehiculmmm
Czichos, H., Habig, K. H., Tribologie Handbuch: Reibung und Verschleiß. Vieweg. 1992. Boulding, K., General systems theory – the skeleton of science, Management Science, 2 (1956) 197. B
1e
1a
1b
2a
1c
1d
2b
4a
2d
2f
3b
3c
4b
1g
2c
2e
3a
1f
2g
3d
4c
3e
4d
3f
4e
1g
5a
5b
5d 5c
cuplă de frecare la cuplă de frecare la cuplă de frecare la prelucrarea prin prelucrarea prin cuplă de frecare la transportoare cu prelucrarea solului aşchiere deformare plastică bandă Fig. 1.2. Clasificarea cuplelor de frecare (STAS 8069-87, [180, 189]). )
1 11
Principalele caracteristici ale unui sistem sunt indicate schematic în figura 1.4. Simbolurile utilizate au următoarele semnificaţii: a) Structura unui sistem cuprinde: A = { a1 , a 2 ......a n } , elementele proprietăţile elementelor P = { P ( a i ) } şi relaţiile dintre elemente, R = R ai , a j .
{ {
}}
Cap. 1. Noţiuni şi concepte de bază în tribologie
b) Mulţimea
{ }
{X}
a intrărilor în sistem şi
mulţimea Y - a ieşirilor din sistem; c) Funcţia unui sistem este de a transforma intrările { X } în ieşirile {Y } . Transformarea
({ X } → {Y } )
intrărilor
{X}
în
T
ieşirile
{Y }
poate fi exprimată prin relaţii matematice, analitice sau empirice, sau prin descrieri verbale.
X1 X { X} = 2 ... X n
Y1 Y 2 = { Y} ... Yn Fig. 1.4. Structura unui sistem.
1.3.2. Sistemul tribologic 1.3.2.1. Elementele structurii unui tribosistem Un sistem tribologic sau un tribosistem este definit ca un sistem a cărei comportare este direct legată de interacţiunile de suprafaţă apărute în mişcarea relativă a elementelor în contact. Un tribosistem poate fi complet caracterizat prin patru elemente distincte (fig. 1.5): şi - elemente, denumite de aici înainte triboelemente; - material intermediar (lubrifiant; material abraziv); - mediu ambiant în care funcţionează tribosistemul. Un proces tribologic implică, în general, toate cele patru componente de material. Componentele 1 şi 2, care formează straturile superficiale şi se influenţează reciproc, sunt numite triboelemente: 1 – triboelement de bază şi 2 – triboelement de contact. De regulă, triboelementul de bază este cel ales pentru examinarea uzurii. Triboelementul de contact poate fi solid sau fluid. Fig. 1.5. Structura unui tribosistem: In tribosistemele lubrifiate, între triboelemente, în zona de 1 – triboelement de bază; 2 – triboelement contact, este introdus sistematic un mediu intermediar. Într-un caz de contact (mobil); 3 – mediu/material ideal acesta duce la o separare completă a celor două corpuri. De intermediar; 4 – mediu ambiant (de lucru). obicei acest mediu intermediar este un lubrifiant al cărui scop este să reducă frecarea şi, implicit, uzura dintre corpuri. Mediul înconjurător este de obicei aerul şi, de regulă, are numai un efect minor asupra uzurii tribosistemelor lubrifiate. Totuşi, în tribosistemele fără ungere, umiditatea aerului poate juca un rol esenţial asupra proceselor de uzură. Mediul intermediar şi cel înconjurător pot conţine şi particule care pătrund în zona contactului cu frecare, ca particule perturbatoare. Praful, impurităţile sau chiar particulele de uzură care nu sunt înlăturate din contact, pot influenţa funcţionarea sistemului. Tabelul 1.1 prezintă elementele unor tribosisteme tipice. Tabelul 1.1. Elementele structurale ale tribosistemelor tipice [96, 246]. Tribosistem Triboeleme Triboelement Mediu Mediu nt de bază de contact intermediar înconjurăto r Angrenaj cu roţi Ulei de Roata 1 Roata 2 Aer dinţate transmisii Roată-şină Roata Şina Aer umed Aer Calea de Ghidaj liniar Carul (sania) Unsoare Aer ghidare Amestec de Lagăr radial Cuzinetul Fusul Ulei ulei Cupă de Cupa Materialul — Praf + aer
Tribosistem Triboeleme Triboelement Mediu Mediu nt de bază de contact intermediar înconjurăto r excavator excavat Particule Piatra de Maşina de Piesa de detaşate şi/sau Praf + aer rectificat rectificat emulsie de rectificat prelucrare adsorbţie (4) chemisorbţie
M eca nisme de frecare (2)
(1)
M ecanism e de uzur ă
Mecanisme de frecare (1)
(2)
(a) tribosistem în vid
Mecanisme de uzură (b) tribosistem în aer
(4)
difuzie (3)
(c) tribosistem lubrifiat
lubrifiere Mecanisme de frecare (2)
(1)
Mecanisme de uzură
Fig. 1.6. Tribosisteme cu structuri diferite [96, 246]: 1 şi 2 – triboelemente, 3 –material intermediar, 4 – mediu ambiant. Exemplele de tribosisteme din figura 1.6 arată că, având elemente structurale diferite, procesele tribologice la
care sunt diferite.
supuse
sunt
şi
ele
1.3.2.2. Funcţia unui tribosistem Funcţia caracterizează scopul tehnic al tribosistemului care va fi examinat. Sistemele tehnice pot fi clasificate după funcţiile legate de energie, de material sau de informaţie, deoarece destinaţiile principale ale sistemelor tehnice sunt
transformarea energiei, a materialelor sau a informaţiei. O privire generală asupra funcţiilor pentru tribosisteme tipice este dată în tabelul 1.2. Tabelul 1.2. Funcţiile tehnice ale unui tribosistem.
Funcţia Gama de funcţii Tribosisteme şi/sau componente generală Energetică Transmiterea energiei Angrenaje, transmisii cu curele, ambreiaje, sisteme de Transmiterea mişcării control al conducerii fluidelor, lagăre, asamblări, frâne, Ghidare sisteme de amortizare. Restricţionarea mişcării De material Transport de material, procese de Echipamente de transport, scule pentru prelucrare prin prelucrare aşchiere şi deformare plastică. De semnal Transmiterea semnalului Relee, sisteme de control. Funcţiunile de bază ale tribosistemelor au stat la baza unei prime clasificări făcută de Czichos în lucrarea [59] şi prezentată, cu exemple, în tabelul 1.3.
1.3.2.3. Solicitările tribosistemului Setul de solicitări este impus de parametrii fizici şi tehnici care afectează structura sistemului, pentru a fi asigurată îndeplinirea funcţiei lui tehnice. Caracteristicile cele mai
13 importante ale setului de solicitări pot fi determinate cunoscându-se următoarele variabile [96]: tipul de mişcare, ciclul de mişcare, încărcările, temperatura, timpul.
1.3.2.4. Proprietăţi tribologice ale elementelor structurale Fiecare proces tribologic este influenţat de anumite proprietăţi ale elementelor structurale. Aceste proprietăţi de material şi de formă, de mare importanţă în tribologie, pot fi: • proprietăţi de volum şi de suprafaţă ale triboelementelor 1 şi 2; • starea de agregare a mediului intermediar, 3, şi a celui ambiant, 4. Mărimea uzurii pentru un set predeterminat de solicitări depinde în principal de proprietăţile componentelor solicitate tribologic şi
Cap. 1. Noţiuni şi concepte de bază în tribologie
de alte elemente influenţade de uzură. Proprietăţile relevante din punct de vedere tribologic ale triboelementelor sunt trecute în revistă în capitolul 3, iar cele ale mediului intermediar sunt prezentate în capitolul 4. 1.3.2.5. Interacţiuni între elementele structurale Interacţiunile între elementele structurale sunt caracteristici de bază ale tribosistemului. Interacţiunile sistemului sunt diferenţiate în [96]: solicitări tribologice, adică acţiunea setului de solicitări asupra structurii sistemului, prin procese de contact şi mişcări relative între elementele structurale şi procese tribologice. Procesele tribologice sunt datorate solicitărilor tribologice şi proceselor dinamice de frecare şi uzură, de natură fizică şi chimică, dar şi proceselor din zonele de margine ale contactului, care duc la pierderi de energie şi material. Aceste solicitări şi procese tribologice sunt discutate în capitolul 2.
Tabelul 1.3. Clasificarea tribosistemelor [59, 246]. a) Tribosisteme pentru transmiterea mişcării
a1) Tribosisteme pentru ghidarea sau transmiterea mişcării: a2) Tribosisteme pentru cuplarea mişcării: a3) Tribosisteme pentru oprirea mişcării:
b) Tribosisteme pentru transmiterea puterii sau a lucrului mecanic: c) Tribosisteme pentru generarea sau reproducerea informaţiilor
d) Tribosisteme de transport
c1) Tribosisteme generatoare de informaţii: c2) Tribosisteme de reproducere a informaţiilor:
d1) Tribosisteme de transport al materialelor
lagăre de alunecare; lagăre de rostogolire; ghidaje; mecanismul şurub-piuliţă; articu-laţii tehnice; articulaţii umane şi animale. cuplaje (cu disc, conice, dinţate); ambreiaje (conice; cu discuri; cu bandă). frâne (cu disc, cu sabot, cu bandă); amortizoare prin fricţiune; sisteme de fixare. transmisii prin angrenaje (cilindrice, conice, elicoidale, hipoide, melc-roată melcată, pinion-cremalieră); transmisii cu şuruburi de mişcare; transmisii prin curele; transmisii prin lanţ; transmisii prin came; transmisii prin fricţiune; transmisii hidraulice. sistem camă-tachet; sincronizatoare; contacte electrice; relee; întrerupătoare; sisteme de scris; sisteme de imprimare, tipărire, multiplicare. sisteme de înregistrare/redare audio; sisteme de înregistrare/redare video; sisteme de înregistrare şi stocare magnetică. sisteme de deplasare roată-şină (cale ferată); sisteme de deplasare roată-şosea; benzi transportoare (pentru minereu, cărbune etc.); sisteme de transportat pulberi, pământ; sisteme de transport uman şi animal; sisteme biologice de transport (inima şi sistemele de vase sanguine). sisteme de etanşare; ansamblul piston-cilindru; robinete; supape.
d2) Tribosisteme pentru controlul circulaţiei şi curgerea materialelor: e1) Tribosisteme de prelucrare forjare; extrudare; trefilare; laminare; ambu-tisare; rulare; e) prin deformări plastice: injectare etc. Sisteme e2) Tribosisteme de prelucrare utilaj terasier; utilaj minier; utilaj de foraj petrolier; sistemele tribologice în prin mărunţire a materialelor: de masticaţie umane şi animale. procesele de e3) Tribosisteme pentru dispozitive şi scule pentru debitare, găurire, alezare, prelucrare a prelucrări prin aşchiere ale strunjire, rabotare, frezare, rectifi-care, şlefuire, polizare, materialelor metalelor: lepuire, honuire etc. In afară de parametrii impuşi de funcţia tehnică a tribosistemului, trebuie să se ţină seama de parametrii exteriori perturbatori, de exemplu vibraţii şi radiaţii, care pot influenţa tribosistemul. 1.3.3. Tribosistematică
Luând ca bază standardul german DIN 50320 din 19 din 1979, care introduce conceptul de tribosistem (fig.1.1), I. Crudu a elaborat o tribosistematică [54-58], ţinând seama de mişcarea relativă între triboelementele (1) şi (2) (alunecare, rostogolire sau combinaţii ale acestora), de natura triboelementului (2) (solid, fluid cu sau fără particule abrazive) şi de natura materialului intermediar (lubrifiant, particule abrazive, diverse fluide). Astfel se disting: tribosisteme cu alunecare sau alunecare cu rostogolire (TA), tribosisteme cu rostogolire sau rostogolire cu alunecare (TR), tribosisteme abrazive (TZ), tribosisteme cavitaţionale (TV) [58]. I. Tribosistemele de alunecare TA şi alunecare cu rostogolire TAr sunt: - de alunecare de fricţiune “TAf” (frâne, ambreiaje prin fricţiune); - de alunecare şi antifricţiune “TAa” (lagăre, ghidaje); - de alunecare cu rostogolire de antifricţiune “TAr” (angrenaj melc-roată melcată, angrenaj globoidal). II. Tribosistemele de rostogolire “TR” şi rostogolire cu alunecare (“TRa” şi “TRf”): - de rostogolire liberă “TR ” (rulmenţi, ghidaje cu role etc.); - de rostogolire cu alunecare forţată de antifricţiune “TRa” (angrenaje cu roţi dinţate);
- de rostogolire cu alunecare liberă de fricţiune “TRf” (variatoare prin fricţiune). III. Tribosisteme abrazive “Tz” care pot fi: - cu abraziv interpus “Tzi”: cu alunecare sau cu rostogolire; - în fluid cu particule abrazive “Tzh”: hidroabrazive sau gazoabrazive. - cu triboelementul de bază în contact cu abraziv “Tzm”: monolit sau masă de particule. Această gamă de tribosisteme este specifică maşinilor de construcţii, maşinilor agricole, maşinilor miniere etc. IV. Tribosisteme de cavitaţie “Tv” care pot fi: - în curent de fluid antrenat, numite şi hidrodinamice (lagăre de alunecare cu ungere cu ulei sau alt fluid); - în curent de fluid liber (elice de vapor, rotor de turbină hidraulică etc.); - cu triboelemente cu vibraţii, în masă de fluid (vibraţia cămăşilor de cilindru de motor în apă de răcire). Această tribosistematică, este susţinută de cercetări experimentale, realizate pe baze contractuale şi în cadrul unor lucrări de doctorat, iar rezultatele au fost prezentate şi publicate în reviste şi la conferinţe în domeniu, naţionale şi internaţionale.
În lucrarea [56], Crudu propune un model de tribosistem (fig. 1.7) care are ca mărimi de intrare şi ieşire parametrii, Xi, ai stratului superficial (Ss) şi caracteristicile tribosistemului, CTi, iar ca mărimi de comandă - parametrii constructivi şi de exploatare, Ui. Pentru tribosistemele de rostogolire, se propun următorii parametri [208, 211]: Parametrii stratului superficial Parametrii caracteristici ai (Xi): tribosistemului: - X1 - rugozitatea; - CT1 – tensiunea de contact; - X2 - duritatea; - CT2 - timpul de apariţie a pittingului; - X3 - starea de tensiuni; - CT3 - mărimea suprafeţei afectate de - X4 - compoziţia chimică; pitting; - X5 - structura; - CT4 - nivelul de zgomot şi vibraţii; - X6 - puritatea. - CT5 - gradul de modificare a jocului; - CT6 - pata de contact etc. Funcţionarea tribosistemului este influenţată de parametri constructivi şi de exploatare, numiţi parametri exteriori sau de comandă “U“. Parametrii constructivi sunt cei ce definesc dimensiunile şi forma triboelementelor, iar cei de exploatare sunt legaţi de viteza relativă, de sarcina aplicată sau transmisă, de energia primită sau dezvoltată în tribosistem, de caracteristicile mediului precum şi de cele ale lubrifiantului. Ca exemplu se prezintă studiul tribosistemic Fig.1.7. Modelul unui tribosistem. al angrenajelor. Angrenajele cu roţi dinţate sunt considerate tribosisteme de rostogolire cu alunecare forţată. Pentru angrenaj s-a conceput un model de tribosistem ce cuprinde ca mărimi de intrare parametrii stratului superficial, Xi, (rugozitatea, X1, duritatea, X2, starea de tensiuni, X3, compoziţia chimică, X4, structura, X5, puritatea, X6) şi parametrii specifici ce definesc durata de viaţă a unui angrenaj (momentul apariţiei primelor ciupituri pe flancul dinţilor, creşterea pasului ca urmare a uzurii flancurilor, nivelul de zgomot sau vibraţii etc.) [54, 58, 208, 211]. Pentru setul de triboelemente de testare se prevede menţinerea aceluiaşi material (compoziţia chimică X4≡x4, structura Rodaj Exploatare X5≡x5, puritatea X6≡x6), u’1 u’2 u’3 u’4 u1 u2 u3 u4 variabile fiind rugozitatea ’ ’ (X1), duritatea (X2), starea SS(t 0) SS(t 1) SS(t1) de tensiuni (X3). dxi' ' ' ' dx ' ' ' i CT(t’0)
dt
= fi (t ; x1,...,x4; u1,...,u4 )
CT(t’1)
dt
= fi (t; x1 ,...,x4; u1 ,...,u4 )
CT(t1)
modelul tribologic al unui angrenaj, în cele două faze zgomot, ale uzurii: rodaj şi pitting funcţionare (§2.4). În general parametrii de Fig. 1.8. Model tribologic pentru tribosisteme de rostogolire cu alunecare intrare şi cei de comandă (TRm şi TRAm) [56, 58]. au valori diferite pentru cele două faze. Pentru faza de rodaj, parametrii de Ca mărimi de comandă, U, se pot intrare sunt cei rezultaţi din procesul tehnologic. considera parametrii constructivi ai angrenajelor Valorile lor, modificate prin rodaj, constituie (modulul, mărimea deplasării profilului, parametrii de intrare în faza de funcţionare, în care geometria danturii etc.) şi cei de material rata de uzură se consideră constantă. Se apreciază (tehnologici şi de tratament termic) cât şi că în faza de rodaj se modifică microgeometria parametrii de exploatare (turaţia, mărimea suprafeţei şi starea de tensiuni, ceilalţi parametri ai sarcinii, caracteristicile lubrifiantului şi ale mediului de lucru). În figura 1.8 se prezintă îmbunătăţirea caracteristicilor contactului
stratului superficial suferind modificări nesemnificative. Dintre parametrii de comandă, în faza de rodaj, pentru tribosistem se pot lua în considerare lubrifiantul utilizat şi încărcarea pe triboelemente, în general mai mică decât cea de exploatare. Modelul prezentat este un model de uzură, urmărindu-se timpul după care apare distrugerea elementelor prin uzură. Plecând de la modelul unui asemenea tribosistem, principiul de tribomodelare conţine, ca elemente de bază, două role pentru care se realizează condiţiile de contact ale dinţilor în timpul angrenării. Se pot obţine astfel contacte de rostogolire şi rostogolire cu alunecare, caracteristice unor puncte convenţional alese pe linia de angrenare a tribosistemului cu roţi dinţate studiat. Atât parametrii de intrare-ieşire cât şi cei de comandă se stabilesc, plecând de la parametrii caracteristici ai tribosistemului, precizaţi în figura 1.8.
1.3.4. Tribosisteme tribosisteme deschise
închise
şi
Când se analizează structura sistemelor tribotehnice, este necesar să se facă distincţia între tribosistemele închise şi cele deschise. Tribosistemele închise sunt, în primul rând, cele cu funcţii energetice şi legate de semnal (tabelul 1.2), adică tribosisteme pentru transmiterea mişcării, puterii sau a lucrului mecanic şi tribosisteme pentru generarea sau reproducerea informaţiilor. Elementele structurale ale tribosistemelor închise sunt componente permanente ale structurii tribosistemului şi sunt supuse constant unor anumite tipuri dominante de procese tribologice. În tribosistemele închise, procesele de uzură ale tuturor elementelor din sistem, implicate tribologic, sunt relevante pentru fiabilitatea sistemului tehnic. Exemple de tribosisteme închise: angrenajele cu roţi dinţate, cuplajele prin fricţiune, lagărele sau sistemul de acţionare a supapelor de la un motor cu ardere internă cu arbore şi supapă conică. Tribosistemele deschise sunt cele cu funcţii în principal legate de material, adică există o "trecere" constantă de material înspre sistem şi dinspre sistem, a materialului vehiculat sau prelucrat. La tribosistemele deschise, durabilitatea este determinată preponderent de proprietăţile elementului cu cea mai mare uzură. Exemple de tribosisteme deschise: sisteme de conducte, transportoare cu benzi sau cu melc, tribosistemul roată/şină de cale ferată sau cauciucul roţii unui vehicul pe şosea. Analiza sistemică a componentelor structurale este mai uşor de făcut pentru sistemele închise şi este mai dificil de realizat pentru sistemele deschise, din cauza trecerii permanente a materialului prin sistem. 1.3.5. tribosistemelor
Analiza
sistemică
a
O premisă importantă pentru înţelegerea proceselor de frecare şi uzură este examinarea sistematică a tribosistemului şi a solicitărilor lui tribologice. Concluziile trase asupra proprietăţilor şi proceselor tribologice relevante vor putea servi ca bază pentru posibile optimizări ale tribosistemului respectiv. Trebuie avut în vedere faptul că proprietăţile importante de frecare şi uzură nu pot fi considerate ca proprietăţi individuale ale unui component al sistemului sau ale materialelor, ci sunt valabile şi caracterizează întreg tribosistemul. Această importantă concluzie se bazează pe constatările de mai jos. • Orice solicitare tribologică implică cel putin un cuplu de materiale. Variabilele tribologice nu privesc doar un material, ci se referă la perechea de materiale sau la întreg tribosistemul. • Solicitările tribologice implică efecte reciproce ale cuplului de triboelemente, asupra materialelor şi prin fortele implicate. • Fiecare proces de frecare şi uzură poate implica diverse procese fizice şi chimice în zonele de margine ale contactului. • Solicitarea materialului apare în principal pe suprafaţa de contact. De cele mai multe ori, pe durata solicitării această suprafaţă nu este accesibilă unei examinări directe sau încercărilor mecanice, tehnologice sau tribologice. Aceste aspecte dau o imagine a complexităţii proceselor de frecare şi uzură în maşini şi echipamente. Nu este posibilă definirea unei singure variabile de material, general valabilă (de exemplu rezistenţa la uzură), pentru a determina procesele de frecare şi uzură. În timp ce, în condiţii simplificate, unele aspecte şi unele variabile ale proceselor tribologice pot rămâne în afara analizei, implementarea teoriei sistemelor garantează o tratare comprehensivă a majorităţii problemelor tribologice. De aceea este necesară o abordare sistemică şi focalizată a diferiţilor indicatori şi variabile de influenţă ce caracterizează un tribosistem.
