TRIBOLOGIE

INDUSTRIAL

Solicitrile mecanice generale:- solicitri n volum, rezult din fore dinamice i statice; (torsiune, traciune, compresiune, ncovoiere sau combinaii ale lor) - obiectul de studiu al rezistenei materialelor;- solicitri de suprafa, datorate contactului i micrii relative dintre corpuri; aceste solicitri i deteriorrile pe care le produc fac obiectul de studiu al tribologiei.

Scopul tribologiei: minimizarea pierderilor energetice i de material, provocate de frecare i uzur, nc din faza de proiectare a mainilor i echipamentelor, contribuind la asigurarea unei funcionri fr probleme, n condiiile meninerii valorii tehnice i economice a mainilor, prin reducerea uzurii i optimizarea condiiilor de frecare.

Pentru a asigura fiabilitatea ntregului sistem mecanic, fiecare cupl component trebuie s aib o fiabilitate ridicat.

La proiectarea elementelor mecanice

criterii de siguran de natur mecanic, pe baza rezistenei la rupere, a limitei de curgere, a limitrii deformaiilor elastice, a nivelului de vibraii, a rezistenei la oboseal etc. criterii de siguran de natur tribologic: uzur limitat, nivel limit de frecare i de temperatur, grosime minim de film etc.

Cauzele deteriorrilor: necunoaterea proceselor tribologice ce au loc,utilizarea unor cuple de materiale i a unor lubrifiani neadecvai condiiilor de funcionare, nerespectarea soluiilor de mentenan, inclusiv periodicitatea ungerii, controlul i schimbarea lubrifianilor etc.. La nivelul sistemelor industriale, n cadrul crora funcioneaz simultan zeci sau sute de echipamente mecanice, tribologia permite monitorizarea i diagnosticarea funcionrii i realizarea unei mentenane preventive.

Constructiv, o cupl de frecare este identic cu o cupl cinematic utilizat n analiza mecanismelor. Funcional, prin luarea n considerare a proceselor de frecare, uzur i ungere, cupla de frecare are un caracter mai complex, cu aspecte cinematice, dinamice i tribologice.Clasificarea cuplelor de frecare, difer de cea a cuplelor cinematice, cuprinde 4 clase:

Cuple de frecare de clasa I. Interaciunea teoretic, ntr-un punct. Sub aciunea sarcinilor normale, se produce o deformaie de contact pe o suprafa eliptic, cu dimensiuni mici (0,10,01 mm) n raport cu dimensiunile corpurilor. Exemple: angrenaje elicoidale, variatoare EHD, ghidaje cu bile etc.

Cuple de frecare de clasa a II-a. Interaciunea teoretic, pe o linie. Sub aciunea sarcinilor normale se produce o deformaie de contact pe o suprafa de form dreptunghiular, cu limea de ordinul 0,10,01. Exemple: variatoare EHD, transmisii prin lan etc.

Cuple de frecare de clasa a III-a. Interaciunea la nivelul unor suprafee curbe.

Cuple de frecare de clasa a IV-a. Interaciunea dintre elemente la nivelul unor suprafee plane.

Cuplele de clasa I i a II-a se mai numesc i cuple superioare i se caracterizeaz prin suprafee de contact reduse ca dimensiuni,tensiuni de contact ridicate, 0,52,8 GPa.

Cuplele de clasa a III-a i a IV-a se mai numesc i cuple inferioare, caracterizndu-se prin suprafee de contact ale cror dimensiuni sunt comparabile cu dimensiunile elementelor aflate n contact,tensiunile de contact sunt reduse (0,520 MPa).

Cele patru clase de cuple de frecare implic interaciunea dintre dou corpuri solide.

Cuple de frecare de clasa a V-a: unul din cele dou elemente ale cuplei este un mediu gazos, lichid sau solid (cu structur cristalin, amorf, pulberi). Exemple: multe cuple de frecare ce se dezvolt la nivelul elementelor active ale utilajelor: interaciunea dintre scul i piesa de prelucrat n procesele de achiere, de deformare plastic, interaciunea dintre scul i roc sau sol (instalaiilor de foraj, de prelucrare a solului i a subsolului, industria minier), interaciunea dintre palet i aer sau ap (la ventilatoare, turbine, sistemul de propulsie a navelor) etc.

Principalele caracteristici ale unui sistem:

Un sistem tribologic sau un tribosistem este un sistem a crei comportare este direct legat de interaciunile de suprafa aprute n micarea relativ a elementelor n contact, inclusiv a proceselor tribologice Un tribosistem este complet caracterizat prin patru elemente distincte: i - triboelemente; 1 triboelement de baz; 2 triboelement de contact (mobil) - material intermediar (lubrifiant; material abraziv); - mediu ambiant (sau de lucru) n care funcioneaz tribosistemul

(a) tribosistem n vid (c) Tribosistem lubrifiat (b) tribosistem n aer Tribosisteme cu structuri diferite 1 i 2 triboelemente, 3 material intermediar, 4 mediu ambiant.

Proprieti tribologice ale elementelor structuraleproprieti de volum i de suprafa ale triboelementelor 1 i 2; ale mediului intermediar 3, i cel ambiant, 4, inclusiv starea de agregare, proprieti fizice i chimice.Interaciuni ntre elementele structuralesolicitri tribologice, adic aciunea setului de solicitri asupra structurii sistemului, prin procese de contact i micri relative ntre elementele structurale i procese tribologice, care sunt datorate solicitrilor tribologice i proceselor dinamice de frecare i uzur, de natur fizic i chimic, dar i proceselor din zonele de margine ale contactului, care duc la pierderi de energie i material.

Proprieti tribologice ale elementelor structuraleproprieti de volum i de suprafa ale triboelementelor 1 i 2; ale mediului intermediar 3, i cel ambiant, 4, inclusiv starea de agregare, proprieti fizice i chimice.Interaciuni ntre elementele structuralesolicitri tribologice, adic aciunea setului de solicitri asupra structurii sistemului, prin procese de contact i micri relative ntre elementele structurale i procese tribologice, care sunt datorate solicitrilor tribologice i proceselor dinamice de frecare i uzur, de natur fizic i chimic, dar i proceselor din zonele de margine ale contactului, care duc la pierderi de energie i material.

Clasificarea tribosistemelor

tribosisteme pentru transmiterea micrii,tribosisteme pentru transmiterea puterii sau a lucrului mecanic,tribosisteme pentru generarea sau reproducerea informaiilor tribosisteme de transport sisteme tribologice n procesele de prelucrare a materialelor

Lund ca baz DIN 50320, Crudu a elaborat o tribosistematic, innd seama de micarea relativ ntre triboelementele (1) i (2) (alunecare, rostogolire sau combinaii ale acestora), de natura triboelementului (2) (solid, fluid cu sau fr particule abrazive) i de natura materialului intermediar (lubrifiant, particule abrazive, fluide).

I. Tribosistemele de alunecare i alunecare cu rostogolire:de alunecare de friciune (frne, ambreiaje prin friciune);de alunecare i antifriciune (lagre, ghidaje);de alunecare cu rostogolire de antifriciune (melc-roat melcat).II. Tribosistemele de rostogolire i rostogolire cu alunecare:de rostogolire liber (rulmeni, ghidaje cu bile sau role etc.);de rostogolire cu alunecare forat de antifriciune (roi dinate);de rostogolire cu alunecare liber de friciune (variatoare prin friciune).III. Tribosisteme abrazive:cu abraziv interpus: cu alunecare sau cu rostogolire;n fluid cu particule abrazive: hidroabrazive sau gazoabrazive. cu triboelementul de baz n contact cu abraziv: monolit sau particule.IV. Tribosisteme de cavitaie:n curent de fluid antrenat (lagre de alunecare cu ungere cu fluid);n curent de fluid liber (elice de vapor, rotor de turbin hidraulic etc.);cu triboelemente cu vibraii, n mas de fluid (cmi de cilindru de motor n apa de rcire).

Parametrii caracteristici ai tribosistemului:CT1 tensiunea de contact;CT2 - timpul de apariie a pittingului;CT3 - mrimea suprafeei afectate de pitting;CT4 - nivelul de zgomot i vibraii;CT5 - gradul de modificare a jocului;CT6 - pata de contact etc. Modelul unui tribosistem (i de rostogolire).Parametrii stratului superficial X1 - rugozitatea,X2 - duritatea,X3 - starea de tensiuni,X4 - compoziia chimic,X5 - structura,X6 -puritatea

Tribosistemele nchise au cu funcii energetice i legate de semnal, adic tribosisteme pentru transmiterea micrii, puterii i tribosisteme pentru generarea sau reproducerea informaiilor. Elementele lor sunt componente permanente ale sistemului i sunt supuse constant unor anumitor tipuri dominante de procese tribologice. Procesele de uzur ale tuturor elementelor din sistem sunt relevante pentru fiabilitatea sistemului. Exemple: angrenajele cu roi dinate, cuplajele prin friciune, lagrele sau sistemul de acionare a supapelor de la un motor cu ardere intern cu arbore i supap conic. Tribosistemele deschise au funcii n principal legate de material, adic exist o "trecere" constant de material nspre i din sistem, a materialului vehiculat sau prelucrat. Durabilitatea este determinat preponderent de proprietile elementului cu cea mai mare uzur. Exemple: sisteme de conducte, transportoare cu benzi sau cu melc, roat/in de cale ferat, cauciucul roii unui vehicul pe osea.

Analiza sistemic a tribosistemelor Concluziile asupra evoluiei proprietilor i proceselor tribologice relevante vor servi pentru posibile optimizri ale tribosistemului. Proprietile de frecare i uzur nu pot fi considerate ca proprieti individuale ale unui component al sistemului sau ale materialelor, ci caracterizeaz ntreg tribosistemul.Orice solicitare tribologic implic cel puin un cuplu de materiale. Variabilele tribologice nu privesc doar un material, ci se refer la perechea de materiale sau la ntreg tribosistemul. Solicitrile tribologice implic efecte reciproce ale triboelementelor, asupra materialelor i prin forele implicate.Un proces de frecare i uzur implic diverse procese fizice i chimice n zonele de margine ale contactului. Solicitarea materialului apare n principal pe suprafaa de contact. Pe durata solicitrii aceast suprafa nu este accesibil unei examinri directe sau ncercrilor tribologice.Complexitatea proceselor de frecare i uzur Nu este posibil definirea unei singure variabile de material, general valabil (de exemplu rezistena la uzur), pentru a determina procesele de frecare i uzur. n condiii simplificate, unele aspecte i unele variabile ale proceselor tribologice pot rmne n afara analizei,

Analiza sistemic a tribosistemelor Concluziile asupra evoluiei proprietilor i proceselor tribologice vor servi pentru posibile optimizri ale tribosistemului. Proprietile de frecare i uzur nu sunt proprieti individuale ale unui component sau material, ci caracterizeaz ntreg tribosistemul. Orice solicitare tribologic implic cel puin un cuplu de materiale. Solicitrile tribologice implic efecte reciproce ale triboelementelor, asupra materialelor i prin forele implicate. Un proces de frecare i uzur implic diverse procese fizice i chimice n zonele de margine ale contactului. Solicitarea materialului apare n principal pe suprafaa de contact. Pe durata solicitrii aceast suprafa nu este accesibil unei examinri directe. Complexitatea proceselor de frecare i uzur Nu este posibil definirea unei singure variabile de material, general valabil (de exemplu rezistena la uzur), pentru a determina procesele de frecare i uzur. n condiii simplificate, unele aspecte i unele variabile ale proceselor tribologice pot rmne n afara analizei.

Metode pentru ncercri tribologice

3 categorii de proceduri de ncercare tribologic tehnici de ncercare, n funcie de tipul tribosistemului i tipul de ncercare a acestuia; sisteme de ncercare, n care sunt utilizate aparate i dispozitive de msurare i ncercare; metode de analiz, n care procedurile de ncercare i msurare sunt folosite pentru examinarea structurii sistemului i analiza solicitrilor, ct i pentru recunoaterea i verificarea formelor de uzur.

Metode pentru ncercri tribologice

Exist nc incertitudini de diverse grade privind transferarea rezultatelor msurate pe un anumit sistem, la alte sisteme de ncercare, sau la sisteme reale.

De regul, aplicabilitatea rezultatelor ncercrilor de uzur trebuie s fie limitat la cazurile particulare studiate

Obiectivele ncercrilor de uzur

Determinarea durabilitii n exploatare n condiii de modificare a solicitrilor sau dup o schimbare n structura tribosistemului, mai ales cnd uzura este o important variabil pentru durabilitatea n exploatare. Optimizarea funcionrii prin studiul influenei factorilor dependeni de uzur asupra funciilor sau durabilitii tribosistemului. Alegerea materialelor sau elaborarea de materiale tribologice i de lubrifiani pentru componente i sisteme. Extinderea domeniilor de aplicabilitate a lor. Cercetarea mecanismelor de frecare i uzur i a efectelor reciproce. Dezvoltarea ulterioar a diferitelor metode de ncercare. Controlul calitii materialelor i a lubrifianilor pentru a monitoriza producia i calitatea produselor (i prin metode standardizate de ncercare), Monitorizarea funciilor dependente de uzur ale mainilor, Diagnoza condiiilor de exploatare sau informaii pentru activiti de mentenan.

Clasificarea metodelor de ncercare. Succesiunea procedurilor de ncercare corespunde unui proces de subdivizare pas cu pas a tribosistemului studiat.

Clasificarea metodelor de ncercare dup DIN 50322: ncercri legate de exploatarea tribosistemului, realizate att cu componente sau ansambluri reale, ct i cu maini reale:- categoria I: ncercri ale sistemului n exploatare, la locul de montaj/funcionare;- categoria a II-a: ncercri pe stand cu sistemul real ntreg;- categoria a III-a: ncercri pe stand cu sisteme pariale sau numai cu un ansamblu de componente. ncercri de laborator pe standuri, pe sisteme-model (tribomodele sau modele de laborator), cu componente simplificate sau la scar redus:- categoria a IV-a: ncercri cu componente nemodificate sau reduse la scar;- categoria a V-a: ncercri pe modele cu solicitri similare;- categoria a VI-a: ncercri pe modele simplificate.

Lanul de ncercri tribologice

sunt combinate metode diferite de ncercare, pentru a permite folosirea diferitelor sisteme de ncercare la uzur, de la tribosistemul real la tribomodel. o dat cu creterea numrului categoriei, de la ncercri n funcionare pn la ncercri pe modele, apar modificri, la nceput privind setul de solicitri apoi n structura sistemului. corelarea rezultatelor ncercrilor scade din ce n ce mai mult, apar scurtri ale duratelor de ncercare dar i posibiliti de msurare mai minuioase. pentru a compensa cel puin parial, diminuarea corelrii ntre rezultatele ncercrilor i comportarea sistemului real, lanul de ncercri trebuie s includ ncercri de corelare: compararea distrugerilor sau a mecanismelor de uzur; compararea vitezelor de uzur sau a altor parametri de uzur; compararea variantelor constructive, a materialelor i lubrifianilor. ar trebui format pentru fiecare caz particular, incluznd ncercri de corelare. costurile ncercrilor cresc din cauza cerinelor impuse de programele de ncercri intensive, dar i din cauza fiabilitii mai ridicate i a unei mentenane mai bune i mai facile a echipamentelor implicate.

Pentru categoria a VI-a de ncercri, cu modele, se utilizeaz tribometre. n locul componentelor sau mainilor reale, se folosesc modele de ncercare, cu geometrie simpl, care asigur costuri mici ale prelucrrii.

(1) tribometre cu care este studiat uzura cuplului de materiale, cu sau fr ungere, prezentnd interes att uzura triboelementului de baz dar i cea a triboelementului de contact;(2) tribometre cu care se studiaz uzura materialelor i care sunt solicitate prin intermediul unor corpuri solide, prin lichide sau gaze; intereseaz doar uzura triboelementului de baz. Tribometrele cu indentarea triboelementului de baz au aplicaii n studiul acoperirilor i a tratamentelor superficiale.

Tribometre pentru grupa (1): (a), (b), (c) tift/cilindru/bil pe cilindru (disc); (e), (f) dou discuri (role), cu diametre egale pentru micare de rostogolire, sau cu diametre diferite, pentru micare de rostogolire cu alunecare; (d), (h) bil/disc pe disc pentru testarea materialelor i tratamentelor pentru roi dinate; (k) tift pe disc; (l), (m) maina cu patru bile; (r), (s) fus cu unu sau doi saboi, pentru simularea lagrelor de alunecare i altele.

Tribometre pentru grupa (2): (d), (h), (l), (m) pentru testarea uleiurilor i unsorilor, (t) pentru studiul uzurii abrazive, (u) pentru studiul eroziunii.

Pentru categoria a VI-a de ncercri, cu modele, se utilizeaz tribometre. n locul componentelor sau mainilor reale, se folosesc modele de ncercare, cu geometrie simpl, care asigur costuri mici ale prelucrrii.

(1) tribometre cu care este studiat uzura cuplului de materiale, cu sau fr ungere, prezentnd interes att uzura triboelementului de baz dar i cea a triboelementului de contact;(2) tribometre cu care se studiaz uzura materialelor i care sunt solicitate prin intermediul unor corpuri solide, prin lichide sau gaze; intereseaz doar uzura triboelementului de baz. Tribometrele cu indentarea triboelementului de baz au aplicaii n studiul acoperirilor i a tratamentelor superficiale.

Tribometre pentru grupa (1): (a), (b), (c) tift/cilindru/bil pe cilindru (disc); (e), (f) dou discuri (role), cu diametre egale pentru micare de rostogolire, sau cu diametre diferite, pentru micare de rostogolire cu alunecare; (d), (h) bil/disc pe disc pentru testarea materialelor i tratamentelor pentru roi dinate; (k) tift pe disc; (l), (m) maina cu patru bile; (r), (s) fus cu unu sau doi saboi, pentru simularea lagrelor de alunecare i altele.

Tribometre pentru grupa (2): (d), (h), (l), (m) pentru testarea uleiurilor i unsorilor, (t) pentru studiul uzurii abrazive, (u) pentru studiul eroziunii.

TRIBOMETRE

TRIBOMETRE

Cerine principale n tribomodelare

Scopul metodelor de ncercare la uzur poate fi: testarea unui anumit cuplu de materiale: evaluarea rspunsului materialului la un anume tip de uzur i optimizarea i/sau selectarea materialelor pentru o aplicaie particular; simularea unui anumit tip de aplicaie n scopul ncercrii anumitor materiale, tratamente sau lubrifiani; cercetri fundamentale cu privire la natura uzurii; nelegerea efectelor unor parametri variabili asupra unui tip particular de uzur; dezvoltarea unor modele predictive sau descriptive pentru uzura n tribosisteme specifice.

Cerine principale n tribomodelareO problem n tribomodelare - nivelul de precizie cu care ncercrile de laborator trebuie s reproduc condiiile de utilizare real, astfel nct informaiile obinute s fie utile. n funcie de aplicaie, pot fi obinute informaii satisfctoare prin ncercri pe sisteme simple (tift/disc, bil/plan etc.). Uneori, sisteme simple nu simuleaz corect comportarea tribologic a sistemului n condiiile reale. Godet: Simularea poate fi comparat cu o cutie neagr, n care intr condiii iniiale i ies rezultate care sunt transpuse la o aplicaie, cu un numr minim de interpretri. Dificultatea const n proiectarea cu mare atenie a acestei cutii negre.

Pentru a realiza ncercri tribologice valide, Blau propune 5 etape:

(1) nelegerea clar a tribosistemului; (2) identificarea mrimilor prin care problema poate fi cuantificat iar soluiile pot fi testate; (3) selectarea condiiilor necesare ncercrilor de laborator; (4) alegerea i dezvoltarea metodologiei de ncercare, care s reproduc aceste condiii necesare; (5) validarea simulrii.

nelegerea naturii unui tribosistem prin 16 parametri, grupai n 5 seturi.A. Macrogeometria suprafeelor n contact: 1. geometria contactului, nivel macro (dimensiuni i forme) i micro (topografia suprafeelor); 2. ariile de contact: nominal, aparent, real.B. Transmiterea forei n apropierea contactului cuprinde: 3. tipul micrii relative: static, oscilant, intermitent etc; 4. viteza de alunecare: mrime, lege de variaie, raport alunecare-rostogolire etc.; 5. ncrcarea contactului: tensiuni sau fore.C. Mediul interfeei: 6. temperatura n regiunea de contact (temperatura mediului ambiant i efectele termice datorate fenomenelor tribologice); 7. mediul (presiune, umiditate relativ, compoziia amestecului de gaze). 8. tipul i regimul de ungere, starea, compoziia i condiiile impuse lubrifiantului; 9. mediul care se interpune (al treilea corp: mrimea, forma, proprietile mecanice ale particulelor);

nelegerea naturii unui tribosistem prin 16 parametri, grupai n 5 seturi.D. Informaii despre materialele triboelementelor n contact: 10. materiale i tratamentele corespunztoare, folosite n contactul studiat: compoziie, microstructur, condiii de prelucrare etc.; 11. finisarea suprafeelor (acestea au importan deosebit n perioada de rodaj);

E. Informaii despre modul de degradare a suprafeelor;12. condiiile de apariie a degradrilor; 13. cerine legate de funcionare; 14. tipuri de deteriorare i uzur observate; 15. regimul de frecare: condiii statice, regim staionar sau variabil, stabilitate, stick-slip etc; 16. istoricul deteriorrilor i observaii legate de acestea.