ElemTribo Cap 1 Tot

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).

Fig. 1.1. Tipuri generale de solicitări de suprafaţăpentru elemente de maşini.

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.

1.2. Cuple de frecare

Relaţiile şi interacţiunile dintre elementele unui sistem mecanic definesc cuplele de frecare, iar parametrii geometrici, cinematici şi dinamici guvernează

7

Elemente de tribologie

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, 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 larg, 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, 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.

8

Cap. 1. Noţiuni şi concepte de bază în tribologie

• 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-2d): 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, transmisii prin roţi de fricţiune-2c, transmisii prin roţi dinţate cilindrice şi conice-2g, 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: mecanis-me şurub-piuliţă-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.

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, 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.

1.3. Tribosisteme

1.3.1. Structura unui sistem

Studiul pe baza claselor de cuple de frecare consideră interacţiunile dintre corpuri numai din punctul de vedere al elementelor geometrice, fiind exclusă natura proceselor tribologice [180].

De aceea a apărut necesitatea utilizării unui nou concept, cel de sistem tribologic. Acesta a fost definit în 1974 de Czichos (apoi în 1974, 1978 [59], 1982,

9


cuplă de frecare la prelucrarea prin

aşchiere

cuplă de frecare la prelucrarea prin

deformare plasticăcuplă de frecare la prelucrarea solului

cuplă de frecare la transportoare cu bandă

Fig. 1.2. Clasificarea cuplelor de frecare (STAS 8069-87, [180, 189]).

10

1a 1b 1c 1d 1f 1g

2a 2b 2c 2d

2e 2f 2g

3a 3b 3c 3d 3e 3f

4a 4b 4c 4d 4e 1g

5a 5b 5d 5c

1e


19922) şi a fost dezvoltat ulterior în toate şcolile de tribologie din lume. Conceptul de tribosistem este subiectul standardului german DIN 50320. În 1985, Crudu [56] propune o sistematizare a clasificării sistemelor tribologice întâlnite în construcţia de maşini, prezentată detaliat la §1.3.3.

Un sistem poate fi definit ca o mulţime de elemente interconectate prin structură şi funcţiuni. Economistul Kenneth Boulding3 (citat în [59]) a sugerat clasificarea sistemelor după următoarele reguli:

- sistemele aparţin unor anumite clase de nivele diferite de complexitate;- orice lege analitică sau empirică valabilă într-un sistem la un anumit nivel

este aplicabilă în orice sistem de nivel superior;- numărul elementelor şi al legilor necunoscute este cu atât mai mare cu cât

creşte nivelul sistemului, caracterizând un sistem particular de lucru.În figura 1.3 se prezintă sistemul traficului rutier, ca exemplificare a

conceptului de sistem şi a ordinii de clasificare a sistemelor:- sistem de nivel (b) – un angrenaj;- sistem de nivel (b+1) – cutia de viteze;- sistem de nivel (b+2) – transmisia vehiculului;- sistem de nivel (b+3) – vehiculul;- sistem de nivel (b+4) – traficul rutier.

Fig. 1.3 Sistemul traficului rutier.

Principalele caracteristici ale unui sistem sunt indicate schematic în figura 1.4. Simbolurile utilizate au următoarele semnificaţii:

2 Czichos, H., Habig, K. H., Tribologie Handbuch: Reibung und Verschleiß. Vieweg. 1992.3 Boulding, K., General systems theory – the skeleton of science, Management Science, 2 (1956) 197.

11

traficul rutier

vehiculmmm

transmisie

cutie de viteze

angrenaj

Fig. 1.5. Structura unui tribosistem: 1 – triboelement de bază; 2 – triboelement

de contact (mobil); 3 – mediu/material intermediar; 4 – mediu ambiant (de lucru).


a) Structura unui sistem cuprinde: elementele ,

proprietă-ţile elementelor şi relaţiile dintre elemente,

.

b) Mulţimea a intrărilor în sistem şi - ieşirile din sistem; c) Funcţia unui sistem este de a transforma intrările în ieşirile .Transformarea intrărilor în ieşirile poate fi exprimată prin

relaţii matematice, analitice sau empirice, sau prin descrieri verbale.

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.

In tribosistemele lubrifiate, între triboelemente, în zona de contact, este introdus sistematic un mediu intermediar. Într-un caz ideal acesta duce la o separare completă a celor două corpuri. De 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,

12


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 Triboelement de baza

Triboelement de contact

Mediu intermediar

Mediu înconjurator

Angrenaj cu roţi dinţate

Roată-şinăGhidaj liniar

Lagăr radialCupă de excavatorMaşina de rectificat

Roata 1

RoataCalea de ghidareCuzinetCupa

Piatra derectificat

Roata 2

ŞinaCar (sanie)

FusMaterial excavatPiesa de rectificat

Ulei de transmisii

UmiditateUnsoare

Ulei—

Particule detaşate şi/sau emulsie de

prelucrare

Aer

AerAer

Amestec de uleiPraf + aerPraf + aer

(1) (2)

Mecanisme de frecare

Mecanisme de uzură

(a) tribosistem în vid

(1) (2)

Mecanisme de uzură

Mecanisme de frecare

(4)

(b) tribosistem în aer

(3)

lubrifiere

(1) (2)Mecanisme de frecare

Mecanisme de uzură

difuzie

(c) tribosistemlubrifiat

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 (mediu ambiant), procesele tribologice la care sunt supuse sunt şi ele diferite.

1.3.2.2. Funcţia unui tribosistem

13


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.

Funcţiagenerală

Gama de funcţii Tribosisteme şi/sau componente

Energetică Transmiterea energieiTransmiterea mişcăriiGhidareRestricţionarea mişcării

Angrenaje, transmisii cu curele, ambreiaje, sisteme de control al conducerii fluidelor, lagăre, asamblări, frâne, sisteme de amortizare.

De material Transport de material, procese de prelucrare

Echipamente de transport, scule pentru prelucrare prin 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 tribosistemuluiSetul de solicitări este impus de parametrii fizici şi tehnici care afectează

structura sistemului, pentru a fi asigurată îndeplinirea funcţiei lui tehnice. Caracteristicile cele mai 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 structuraleFiecare 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 de alte elemente supuse la 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 structuraleInteracţiunile între elementele structurale sunt caracteristici de bază ale

tribosistemului. Interacţiunile sistemului sunt diferenţiate în [96]: solicitări tribologice,

14


adică acţiunea setului de solicitări asupra structurii sistemului, prin procese de contact şi mişcări relative între elementele structurale şi procese tribologice, care 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 transmi-terea mişcării

a1) Tribosisteme pentru ghidarea sau transmiterea

mişcării:

lagăre de alunecare; lagăre de rostogolire; ghidaje; mecanismul şurub-piuliţă; articu-laţii tehnice; articulaţii umane şi animale.

a2) Tribosisteme pentru cuplarea mişcării:

cuplaje (cu disc, conice, dinţate); ambreiaje (conice; cu discuri; cu bandă).

a3) Tribosisteme pentru oprirea mişcării:

frâne (cu disc, cu sabot, cu bandă); amortizoare prin fricţiune; sisteme de fixare.

b)Tribosisteme pentru transmiterea puterii

sau a lucrului mecanic:

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.

c)Tribosisteme

pentru generarea sau reproducerea

informaţiilor

c1) Tribosisteme generatoare de informaţii:

sistem camă-tachet; sincronizatoare; contacte electrice; relee; întrerupătoare; sisteme de scris; sisteme de imprimare, tipărire, multiplicare.

c2) Tribosisteme de reproducere a informaţiilor:

sisteme de înregistrare/redare audio; sisteme de înregistrare/redare video; sisteme de înregistrare şi stocare magnetică.

d)Tribosisteme de

transport

d1) Tribosisteme de transport al materialelor

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).

d2) Tribosisteme pentru controlul circulaţiei şi curgerea materialelor:

sisteme de etanşare; ansamblul piston-cilindru; robinete; supape.

e)Sisteme

tribologice în procesele de prelucrare a materialelor

e1) Tribosisteme de prelucrare prin deformări

plastice:

forjare; extrudare; trefilare; laminare; ambutisare; rulare; injectare etc.

e2) Tribosisteme de prelucrare prin mărunţire a

materialelor:

utilaj terasier; utilaj minier; utilaj de foraj petrolier; sistemele de masticaţie umane şi animale.

e3) Tribosisteme pentru prelucrări prin aşchiere ale

metalelor:

dispozitive şi scule pentru debitare, găurire, alezare, strunjire, rabotare, frezare, rectificare, şlefuire, polizare, 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

15


Luând ca bază standardul german DIN 50320, 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 şihidrodinamice (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]:

16


Parametrii stratului superficial (Xi):- X1 - rugozitatea;- X2 - duritatea;- X3 - starea de tensiuni;- X4 - compoziţia chimică;- X5 - structura;- X6 - puritatea.

Parametrii caracteristici ai tribosistemului:- CT1 – tensiunea de contact;- CT2 - timpul de apariţie a pittingului;- CT3 - mărimea suprafeţei afectate de pitting;- CT4 - nivelul de zgomot şi vibraţii;- 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 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, X i, (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 X5≡x5, puritatea X6≡x6), variabile fiind rugozitatea (X1), duritatea (X2), starea de tensiuni (X3).

Ca mărimi de comandă, U, se pot considera parametrii constructivi ai angrenajelor (modulul, mărimea deplasării danturii, geometria etc.) şi cei de material (tehnologici şi de tratament termic) cât şi parametrii de exploatare (turaţia, mărimea sarcinii, caracteristicile lubrifiantului şi ale mediului de lucru). În figura

17

Fig.1.7. Modelul unui tribosistem.


1.8 se prezintă modelul tribologic al unui angrenaj, în cele două faze ale uzurii: rodaj şi funcţionare (§2.4). În general parametrii de intrare şi cei de comandă au valori diferite pentru cele două faze. Pentru faza de rodaj, parametrii de intrare sunt cei rezultaţi din procesul tehnologic. Valorile lor, modificate prin rodaj, constituie parametrii de intrare în faza de funcţionare, în care rata de uzură se consideră constantă. Se apreciază că în faza de rodaj se modifică microgeometria suprafeţei şi starea de tensiuni, ceilalţi parametri ai 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 închise şi tribosisteme deschise

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 tribosistemle închise, procesele de uzură ale tuturor elementelor din sistem, implicate tribologic, sunt relevante pentru fiabilitatea

18

Rodaj Exploatare

Fig. 1.8. Model tribologic pentru tribosisteme de rostogolire cu alunecare (TRm şi TRAm) [56, 58].


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 din 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. Analiza sistemică a tribosistemelor

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 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.

19


1.4. Metode pentru încercări tribologice

Pentru a analiza şi optimiza fenomenele şi procesele de frecare şi uzură ale materialelor, componentelor şi sistemelor tehnice complexe sunt necesare tehnici de încercare şi măsurare accesibile şi precise.

Procedurile de încercare tribologică pot fi clasificate în trei categorii [59]: tehnici de încercare, în funcţie de tipul tribosistemului şi tipul de încercare

a acestuia; sisteme de încercare, în care sunt utilizate aparate şi dispozitive de

măsurare şi încercare; metode de analiză, în care procedurile de încercare şi măsurare sunt

folosite pentru examinarea structurii sistemului şi analiza solicitărilor, cât şi pentru recunoaşterea şi verificarea formelor de uzură.

Tehnologia de încercare tribologică se caracterizează prin metode de analiză de înaltă performanţă. Totuşi, există încă incertitudini de diverse grade privind transferarea rezultatelor măsurate pe un anumit sistem la alte sisteme de încercare, sau la componente şi sisteme tehnice reale. În consecinţă şi de regulă, aplicabilitatea rezultatelor încercărilor de uzură trebuie să fie limitată la cazurile particulare studiate.

1.4.1. Obiectivele încercărilor de uzură

Pentru studiul experimental al tribosistemelor există un număr mare de proceduri de analiză tribologică. Alegerea celor mai potrivite tehnici de încercare şi măsurare pentru un caz particular se face în funcţie de obiectivele studiului. Studiile tribologice pot avea câteva obiective de bază [3, 134, 161, 162, 171. Determinarea durabilităţii în exploatare în condiţii de modificare a

solicitărilor sau după o schimbare în structura tribosistemului, mai ales în cazurile în care uzura este cea mai importantă variabilă pentru durabilitatea în exploatare. Optimizarea funcţionării prin examinarea influenţei factorilor dependenţi de

uzură asupra funcţiilor generale sau asupra durabilităţii tribosistemului. Alegerea preliminară a materialelor sau elaborarea de materiale tribologice şi

de lubrifianţi pentru componente şi sisteme reale. Extinderea domeniilor de aplicabilitate a unor materiale şi lubrifianţi. Cercetarea mecanismelor de frecare şi uzură şi a efectelor reciproce. Dezvoltarea ulterioară a diferitelor metode de încercare. Controlul calităţii materialelor şi a lubrifianţilor pentru a monitoriza producţia

şi calitatea produselor cu ajutorul metodelor standardizate de încercare ca, de exemplu, testul şi standul FZG, în Germania (pentru încercarea angrenajelor cu roţi dinţate şi a lubrifianţilor pentru transmisii) şi încercarea comportării tribologice a materialelor antifricţiune (pentru lagăre de alunecare), conform SR ISO 7148-1:1994, aplicată şi în România.

Alte obiective ale încercărilor de uzură sunt: monitorizarea funcţiilor dependente de uzură ale maşinilor şi echipamentelor, diagnoza condiţiilor de exploatare sau pregătirea informaţiilor pentru activităţi de mentenanţă.

20


1.4.2. Tehnici de încercare

În cercetarea tribosistemelor sunt folosite diferite tehnici de încercare, în funcţie de obiectivele studiului, luând în considerare şi condiţiile economice, uneori limitative, ale diverselor metode.

1.4.2.1. Clasificarea metodelor de încercareSuccesiunea procedurilor de încercare corespunde unui proces de

subdivizare pas cu pas a tribosistemului studiat. În standardul DIN 50322 [96] este dată următoarea clasificare:

încercări legate de exploatarea tribosistemului, realizate atât cu componente sau ansambluri de componente reale, cât şi cu maşini sau echipamente reale:

- categoria I: încercări ale sistemului în exploatare, la locul de montaj/func-ţionare;

- categoria a II-a: încercări pe stand cu sistemul real întreg;- categoria a III-a: încercări pe stand cu sisteme parţiale sau numai cu un

ansamblu de componente. încercări de laborator pe standuri de încercări care folosesc sisteme-model

(numite tribomodele de Crudu [56, 54]), cu componente simplificate sau la scară redusă:

- categoria a IV-a: încercări cu componente nemodificate sau reduse la scară;

- categoria a V-a: încercări pe modele cu solicitări similare;- categoria a VI-a: încercări pe modele simplificate. Până la categoria a III-a inclusiv, structura sistemului se păstrează

neschimbată, modificându-se setul de solicitări şi ţinându-se seama de influenţele mediului ambiant. Comparativ cu categoria I, categoriile a II-a şi a III-a prezintă avantajul că setul de solicitări este reproductibil. Începând cu categoria a IV-a până la a VI-a, structura sistemului încercat suferă modificări considerabile. Tribomodelele folosite sunt simplificate ca formă şi micşorate, în funcţie de criterii de modelare şi relaţii de similitudine. Se operează simplificări şi asupra seturilor de solicitări.

Din cauza reducerii şi modificării treptate a sistemului real analizat, securitatea translării rezultatelor la sistemul real descreşte, dar, pe de altă parte, creşte accesibilitatea la punctele de măsurare şi puterea de evidenţiere a proceselor. De asemenea, scad durata şi costurile încercărilor tribologice. Pentru a garanta aplicabilitatea rezultatelor trebuie îndeplinite mai multe condiţii, prezentate la §1.4.

1.4.2.2. Lanţul de încercări tribologiceTehnicile moderne de încercare folosesc lanţuri de încercări, adaptate

obiectivului încercărilor, componentelor sau funcţiei avute în vedere. Într-un lanţ de încercări sunt combinate mai multe metode diferite de încercare, pentru a permite folosirea diferitelor sisteme de încercare la uzură, de la tribosistemul real la tribomodel ([96] şi Czicos (1992), op.cit.).

21


O dată cu creşterea numărului categoriei, începând de la încercări în funcţionare până la încercări pe modele, apar modificări, la început privind setul de solicitări apoi în structura sistemului. Corelarea rezultatelor încercărilor scade din ce în ce mai mult, apar scurtări ale duratelor de încercare dar şi posibilităţi de măsurare mai minuţioase. Pentru a compensa, într-o oarecare măsură, diminuarea corelării între rezultatele încercărilor şi comportarea sistemului real, lanţul de încercări trebuie să includă, în plus, următoarele încercări de corelare:

compararea distrugerilor sau a mecanismelor de uzură; compararea vitezelor de uzură sau a altor parametri de uzură; compararea variantelor costructive, a materialelor şi lubrifianţilor.

Lanţul de încercări trebuie să fie proiectat pentru toate cazurile tipice de uzură şi, ca regulă, ar trebui format pentru fiecare caz particular, incluzând în acelaşi timp încercările de corelare menţionate mai sus. O altă problemă de importanţă crescândă este costul încercărilor. Costurile încercărilor continuă să crească nu numai din cauza cerinţelor din ce în ce mai mari, impuse de programele de încercări intensive, dar şi din cauza fiabilităţii mai ridicate şi a unei mentenanţe mai bune şi mai facile. Lanţul de încercări din tabelul 1.4. demonstrează dependenţa costurilor şi a timpului de încercare de metoda de încercare

Tabel 1.4. Cheltuieli de timp şi costuri pentru un lanţ de încercări [Czicos (1992), op.cit].

Metoda de încercare Sistemul de încercări Costuri relative

Timp relativ de încercare

Grup de componente cutie de viteze; stand cu circuit închis 100 10

Componentangrenaj cu roţi dinţate; stand cu circuit închis

(tip FZG)25 6

Model rolă / rolă; stand pentru cuplă tip SAE 1 1

1.4.3. Sisteme de încercare

Sistemul de încercare este folosit pentru examinarea tribologică a maşinilor şi echipamentelor.

În cadrul categoriilor de încercări I - V, se utilizează, de obicei, tribosisteme reale, ceea ce înseamnă ca se încearcă fie chiar maşina respectivă, fie sisteme parţiale, subamsambluri sau componente. Pe standurile sau dispozitivele de simulare, ele sunt supuse solicitărilor tribologice şi studiate experimental.

Pentru categoria a VI-a de încercări, cu modele, se utlizează aşa-numitele tribometre. În locul componentelor sau maşinilor reale, se folosesc modele de încercare, cu geometrie simplă, care asigură costuri mici ale prelucării. În figura 1.9 sunt prezentate schematic câteva dintre tribometrele cele mai frecvent folosite. Tribometrele din figura 1.9. sunt utilizate în maşinile de încercări produse de firma Phoenix Tribology LTD. (Marea Britanie).

Se poate face o distincţie fundamentală între două grupe de tribometre:

22


(1) tribometre cu care este studiată uzura cuplului de materiale, cu sau fără ungere, prezentând interes atât uzura triboelementului de bază dar şi cea a triboelementului de contact;

(2) tribometre cu care se studiază uzura materialelor şi care sunt solicitate prin intermediul unor corpuri solide, sau prin lichide sau gaze; în studiile efectuate pe acest tip de tribometre interesează doar uzura triboelementului de bază.

Pentru grupa (1) sunt posibile numeroase configuraţii (fig.1.9): (a), (b), (c) ştift/cilindru/bilă pe cilindru (disc); (e), (f) două discuri (role), cu diametre egale pentru simularea mişcării de rostogolire, sau cu diametre diferite, pentru simularea mişcării de rostogolire cu alunecare; (d), (h) bilă/disc pe disc pentru testarea materialelor şi tratamentelor pentru roţi dinţate; (k) ştift pe disc (configuraţie foarte utilizată în caracterizarea tribologică a materialelor); (l), (m) maşina cu patru bile; (r), (s) fus cu unu sau doi saboţi, pentru simularea lagărelor de alunecare şi altele.

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

Dezvoltări deosebite cunosc tribometrele cu indentarea triboelementului de bază, cu aplicaţii în studiul acoperirilor şi a tratamentelor superficiale.

1.4.4. Standardizarea cercetărilor tribologice

Pentru a putea compara rezultatele obţinute în diverse laboratoare de cercetare tribologică din lume sunt necesare standarde pentru încercările la uzură. Rezultate bune au fost obţinute prin lucrările comitetului G2 - Uzură şi Eroziune, din cadrul ASTM4, comitet care, de la formarea sa, în 1964, a realizat mai multe standarde cu privire la încercările de uzură. Una din preocupările comitetului este şi realizarea unei terminologii universal acceptate în domeniul uzurii [32].

Împrăştierea datelor referitoare la uzură este influenţată de trei surse majore: maşina de încercări, tehnica operatorului uman şi materialele. Termenul „maşină de încercări” include nu numai construcţia şi reglarea maşinii, dar şi sursele de vibraţie şi de contaminare din imediata sa vecinătate. Tehnica operatorului include aprecierile şi deciziile în timpul măsurătorilor, mânuirea şi curăţarea adecvată a probelor, atenţia acordată detaliilor de metodologie, dar şi oboseala operatorului. Cu privire la materiale, un standard poate impune condiţii referitoare la: compoziţia chimică, duritatea, puritatea, procesul tehnologic de obţinere a semifabricatului etc. [32].

Standardul DIN 50322 descrie diferite nivele de simulări, de la încercări directe pe tribosistemele reale, până la cele mai simple teste de laborator. Metodele de testare sunt sistematizate şi în standardele americane (ASTM G-118-93), datele obţinute fiind însoţite obligatoriu de următoarele categorii de informaţii: identificarea testului, descrierea exactă a triboelementelor, tipul de test, condiţiile de testare, caracterizarea materialelor, modul de obţinere a epruvetelor, rezultate experimentale şi o documentaţie de analiză şi valorificare a rezultatelor.

4 ASTM - American Society for Testing and Materials.

23


a) b) c) d)

e) f) g) h)

i) j) k) l)

m) n) o) p)

r) s) t) u)Fig. 1.9. Tribometre în componenţa maşinilor Plint pentru încercări tribologice.

24


În România au fost realizate deocamdată doar câteva standarde în domeniul tribologiei, de către echipe de cercetători din cercetarea academică şi industrială (Anexa A1).

1.5. Modelarea şi simularea fenomenelor şi proceselor tribologice

Literatura de specialitate conţine numeroase date experimentale privind aspectele tribologice ale organelor de maşini ce au la bază transmiterea fluxului energetic prin contactul între suprafeţe curbe.

Cercetările ştiinţifice efectuate în ultimii ani, bazate pe un mare număr de experimente, au demonstrat că fenomenele şi procesele tribologice care au loc în stratul superficial au un caracter interdisciplinar. Studiile sistematice au implicat domenii extrem de diverse cum ar fi: mecanica, fizica, chimia, termodinamica, metalurgia fizică, dinamica maşinilor şi construcţia de maşini. În ciuda complexităţii problemelor, aplicarea teoriei sistemelor în tribologie face legătura, pentru prima dată, cu datele practice. Aceasta a permis să se clasifice principalele tipuri de distrugere a suprafeţelor în contact, tipurile de uzură care le sunt caracteristice, în funcţie de tipul mişcării, clasificare unanim acceptată în prezent.

1.5.1. Cerinţe principale în tribomodelare

Încercările de laborator în domeniul frecării şi uzurii joacă un rol important în selectarea materialelor şi lubrifianţilor. Multitudinea tipurilor de metode de încercare la uzură, este determinată atât de complexitatea şi diversitatea tipurilor de uzură cât şi de diferitele situaţii în care uzura devine o problemă. Metodele de încercare la uzură pot avea ca scop [31, 32]:-testarea unui anumit tip de materiale: metalice, ceramice, plastice, compozite etc.;-evaluarea răspunsului materialului la un anume tip de uzură şi optimizarea

şi/sau selectarea materialelor pentru o aplicaţie particulară;-simularea unui anumit tip de aplicaţie în scopul încercării anumitor materiale,

tratamente sau lubrifianţi, pentru acel material sau pentru acea aplicaţie;-cercetări fundamentale cu privire la natura uzurii;-înţelegerea efectelor unor parametri variabili asupra unui tip particular de uzură;-susţinerea dezvoltării unor modele predictive sau descriptive pentru uzura în

tribosisteme specifice. O problemă principală în tribomodelare este nivelul de precizie cu care

încercările de laborator trebuie să reproducă condiţiile de utilizare reală, astfel încât informaţiile obţinute să fie utile. În funcţie de aplicaţie, pot fi obţinute informaţii satisfăcătoare prin încercări pe sisteme simple (ştift/disc, bilă/plan etc.). Cu toate acestea, uneori, astfel de sisteme simple nu simulează “corect” comportarea tribologică a tribosistemului în condiţiile sale normale de utilizare.

Încercările de laborator trebuie realizate pe baza anumitor caracteristici legate de aplicaţia reală, în scopul creşterii relevanţei rezultatelor încercărilor, dar nu întotdeauna se adoptă condiţii de funcţionare identice cu cele din realitate.

25


În lucrarea sa [94], Godet menţionează: “Simularea poate fi comparată cu o cutie neagră, în care intră condiţii iniţiale şi ies rezultate care sunt transpuse la o aplicaţie, cu un număr minim de interpretări. Dificultatea constă în proiectarea cu mare atenţie a acestei cutii negre.”

Pentru a realiza încercări tribologice valide, în lucrarea [30] Blau propune 5 etape: (1) înţelegerea clară a tribosistemului; (2) identificarea mărimilor prin care problema poate fi cuantificată iar soluţiile sale vor putea fi testate; (3) selectarea condiţiilor necesare încercărilor de laborator; (4) alegerea şi dezvoltarea metodologiei de încercare, care să reproducă aceste condiţii necesare; (5) validarea simulării.

Pentru înţelegerea naturii unui tribosistem se propun 16 parametri, grupaţi în cinci seturi [30].

A. Macrogeometria suprafeţelor în contact: 1. geometria contactului, la nivel macro (dimensiuni şi forme geometrice) şi micro (topografia suprafeţelor); 2. ariile de contact: nominală, aparentă, reală.

B. Transmiterea forţei în apropierea contactului cuprinde: 3. tipul mişcării relative: static, oscilant, intermitent etc; 4. viteza de alunecare: mărime, lege de variaţie, raport alunecare-rostogolire etc.; 5. încărcarea contactului: tensiuni sau forţe.

C. Mediul interfeţei: 6. temperatura în regiunea de contact (temperatura mediului ambiant şi efectele termice datorate fenomenelor tribologice); 7. mediul atmosferic (presiune, umiditate relativă, compoziţia amestecului de gaze). 8. tipul şi regimul de ungere, starea, compoziţia şi condiţiile impuse lubrifiantului; 9. mediul care se interpune (al treilea corp: mărimea, forma, proprietăţile mecanice ale particulelor);

D. Informaţii despre materialele triboelementelor în contact: 10. materiale şi tratamentele corespunzătoare, folosite în contactul studiat: compoziţie, microstruc-tură, condiţii de prelucrare etc.; 11. finisarea suprafeţelor (aceste aspecte au impor-tanţă deosebită în perioada de rodaj);

E. Informaţii despre modul de degradare a suprafeţelor; 12. condiţiile de apariţie a degradărilor; 13. cerinţe legate de funcţionare; 14. tipuri de deteriorare şi uzură observate; 15. regimul de frecare: în condiţii statice şi/sau în regim staţionar, stabilitate, stick-slip etc.; 16. istoricul deteriorărilor şi observaţii legate de acestea.

Deşi prezentaţi separat, cei 16 parametri sunt interdependenţi. De exemplu, geometria şi mărimea contactului, împreună cu încărcarea, determină presiunea de contact, iar regimul de ungere, cât şi stabilitatea sa sunt determinate puternic de unii din cei 16 parametri. Trebuie avute în vedere interacţiunile cele mai relevante dintre elementele tribosistemului.

Informaţiile necesare analizei tribosistemului trebuie obţinute dintr-o mare varietate de surse: atât rapoartele producătorilor dar şi ale utilizatorilor, documentaţii de execuţie, rapoarte şi relatări verbale, cât şi sondaje statistice şi interviuri tehnice. Nu rareori se descoperă că nu se cunosc cu exactitate condiţiile de funcţionare ale tribosistemului analizat. Sunt puţine informaţii exacte despre felul în care tribosistemul a fost utilizat şi întreţinut. Cumpărătorii unui utilaj se

26


plâng de uzura acestuia dar nu pot furniza informaţii exacte despre condiţiile relevante de utilizare.

O altă cerinţă este identificarea tipurilor de fenomene superficiale de primă importanţă. Aceasta deoarece multiple forme de uzură se dezvoltă în acelaşi timp pe o suprafaţă, dar unele dintre ele pot să nu aibă o importanţă critică în performanţa elementului respectiv.

Problema alegerii mărimilor cu ajutorul cărora se cuantifică procesele tribologice este şi ea dificilă. Uneori pot fi alese mărimi cantitative ca: volumul de uzură, coeficientul de frecare sau modificarea diametrului unui element, alteori mărimea este calitativă, ca de exemplu inspecţia vizuală a suprafeţei. Se pot face şi măsurători indirecte cum ar fi compararea tipului şi mărimii particulelor de uzură sau compararea microstructurii subsuprafeţelor. Alte mărimi calitative sunt zgomotul şi vibraţiile ca şi compararea şi prelucrarea computerizată a imaginilor la microscop ale suprafeţelor. Alte mărimi cantitative pot fi: modificările în emisia acustică, modificarea jocului, creşterea temperaturii, concentraţia de particule solide în lubrifiant, încărcarea critică şi numărul de cicluri până la distrugere, varia-ţia forţei de frecare şi valoarea sa medie în raport cu timpul, intensitatea de uzură, produsul (p.v) limită, rugozitatea suprafeţei în timpul sau la sfârşitul încercării.

Pentru a studia caracteristicile tribologice ale unui sistem real sunt două tipuri fundamentale de abordări: pe de o parte testele practice în condiţii reale şi pe de altă parte testele pe modele de laborator. Testele în condiţii reale dau, în general, rezultate bune. De exemplu, în cazul sistemului roată/şină rezultatele cele mai concludente s-au obţinut în urma studiilor realizate pe liniile ferate cu regim greu de solicitare şi pe sistemele de roţi instalate pe vehicule feroviare [141].

Deşi aceste teste au maximă aplicabilitate la sistemele reale, există şi câteva dezavantaje semnificative: sunt scumpe şi consumatoare de timp; posibilităţile de variaţie a domeniului condiţiilor de încercare şi a domeniului de reglare sunt limitate; stabilitatea condiţiilor de încercare este greu de menţinut şi de controlat; de aceea şi interpretarea rezultatelor este mai dificilă.

Încercările în laborator, pe modele, sunt interesante în scopul obţinerii unor valori cu ajutorul cărora, pentru condiţii specificate, procesul de uzură poate fi prezis. Modele folosite pentru încercările de uzură sunt, în general, mult simplificate, la scară redusă faţă de tribosistemele corespondente [141]. Scopul încercărilor de laborator este îmbunătăţirea accesibilităţii studiului proceselor tribologice şi deci, uşurarea unor investigaţii mult mai detaliate decât cele posibile cu sistemele reale.

Încercările pe standuri de laborator permit investigarea contactelor individuale, fie prin selectarea materialelor şi a condiţiilor de contact pentru modelarea unei situaţii reale, fie ca un mijloc pentru obţinerea unei baze de date despre răspunsul unui material sau al unui lubrifiant, în diferite situaţii [3]. Metodele de încercare pe standuri de laborator sunt relativ ieftine, furnizând repede şi uşor informaţii orientative, dar utile în proiectare. Nivelul controlului acestor condiţii de încercare este mai mare decât în cazul încercării ansamblurilor cu multe organe de maşini, deoarece este studiat un singur contact. Principala problemă practică este realizarea legăturii între informaţiile obţinute pe standul de încercări cu tribomodele şi ceea ce se întâmplă cu sistemul real în practică. Metoda şi

27


sistemul de încărcare, metoda de asamblare şi rigidizare a epruvetelor de încercat, sistemul de acţionare şi metoda de măsurare a frecării şi uzurii sunt diferite pe standurile de modelare faţă de situaţiile reale. Toate acestea influenţează datele obţinute în laborator şi nivelul lor de încredere.

Încărcările, vitezele, topografia suprafeţei, materialele triboelementelor, tratamentele superficiale şi lubrifianţii, prin parametri ca grosimea filmului de lubrifiant sau parametrul filmului, λ (§2.2.3.4), sunt cei mai importanţi factori care afectează durabilitatea suprafeţei. Aceşti factori nu sunt independenţi unul de altul şi pot fi consideraţi separat sau grupat doar în decursul încercării pe tribomodele.

1.5.2. Exemplu: modelarea angrenajelor prin tribomodele rolă/rolă

Numeroase lucrări din literatura de specialitate prezintă rezultate teoretice şi experimentale privind contactele cu mişcare relativă de rostogolire cu alunecare.

Contactul dintre flancurile roţilor dinţate cilindrice este un contact non-conform, teoretic liniar, iar suprafeţele în contact sunt în mişcare relativă de rostogolire cu alunecare şi numai în polul angrenării mişcarea este de rostogolire pură. Pornind de la aceste constatări, a rezultat că studiul experimental al contactului specific angrenajelor cilindrice se poate face pe standuri cu tribomodele rolă/rolă.

Pe standuri cu role (discuri) cu axe paralele (tip Amsler) se pot realiza încercări care modelează tribosistemele cu contact liniar între suprafeţe non-conforme cum sunt tribosistemele cu roţi dinţate, camă/tachet, roată/şină.

Pentru descrierea unui tribosistem trebuie caracterizată structura sa, definite condiţiile de lucru şi indicaţi parametrii de frecare şi uzură.

Studiul pe tribomodel a unui tribosistem cum este angrenajul cilindric cu dinţi drepţi, trebuie să îndeplinească pe cât posibil câteva criterii5:

- să producă acelaşi coeficient de acoperire reciprocă şi aceeaşi viteză de alunecare;

- să menţină presiunea specifică reală şi să permită determinarea suprafeţei reale de contact;

- variind condiţiile de degajare a căldurii, să se creeze temperatura de contact egală cu cea de exploatare (inclusiv variaţia gradientului de temperatură), să se poată măsura coeficientul şi forţa de frecare;

- epruvetele (rolele) să reproducă forţele de frecare reale, rugozitatea reală şi caracterul peliculelor de lubrifiant (regimul de ungere) existent în exploatare.

Cercetări comparative, pe angrenaje şi pe perechi de role, au arătat unele diferenţe între cele două tipuri de încercări, privind următoarele aspecte: înlocuirea angrenării roţilor, de natură ciclică, la care viteza de alunecare variază ca mărime şi îşi schimbă direcţia, iar încărcarea este preluată alternativ de una sau două perechi de dinţi, cu condiţii staţionare;

5 Alliston-Greiner, M.A., 1990, Testing EP and Anti-Wear Performance of Gear Lubricants, Cameron-Plint Tribology, Wokingham, GB, citat în [211].

28


efectele tranzitorii hidrodinamice care apar din cauza variaţiei condiţiilor mecanice ce au loc de-a lungul profilului dintelui roţii dinţate; grosimea filmului poate fi modificată de fenomenele tranzitorii, totuşi această schimbare observată în condiţii EHD, în care au fost încercate angrenajele, este neglijabilă; efectele termice: pentru încercările desfăşurate în condiţii de lubrifiere completă şi la o temperatură destul de înaltă (80°C) nu s-au observat discrepanţe semnificative în rezultatele simulărilor deoarece la această temperatură înaltă gradientul de temperatură al vâscozităţii este foarte scăzut, astfel încât variaţia grosimii filmului se consideră a fi mică; interacţiunile între punctele vecine de-a lungul profilului evolventic nu se regăsesc la contactul între cele două role (discuri); direcţia rizurilor de rugozitate, longitudinală sau transversală faţă de direcţia mişcării relative a suprafeţelor, diferă la role faţă de angrenaje, tehnologia de prelucrare influenţând atât starea de tensiuni cât şi microgeometria suprafeţei; această diferenţă poate modifica evoluţia uzurii de aderenţă de tip scuffing. Efectul asupra pitting-ului este mai puţin clar deoarece diferenţele de grosime de film cauzate de rugozitate sunt mici la rapoartele alunecare-rostogolire mici la care se produce pitting-ul; efectele de sincronizare: chiar dacă viteza este controlată foarte precis, un punct de pe o rolă nu vine în contact repetat cu un punct corespunzător de pe cealaltă rolă, pe când la angrenaje, prin definiţie, sincronizarea este garantată; diferenţele posibile de aplicare a încărcării: la maşina cu angrenaje sarcina este aplicată în repaos, iar la maşina cu role este posibilă şi încărcarea în mişcare; diferenţele posibile privind sistemul de ungere: rolele pot fi lubrifiate cu jet de ulei (eventual cu temperatură controlată) iar roţile dinţate sunt unse, de exemplu, prin barbotare.

Din cauza acestor diferenţe au fost întotdeauna unele controverse asupra domeniului în care tribomodelarea cu role poate fi utilizată în exprimarea unor estimări cantitative despre performanţele angrenajelor. De aceea, mulţi dintre cei care au studiat tribologia angrenajelor au realizat încercări comparative, pe standuri cu role şi pe standuri cu roţi dinţate [126, 203].

Încercările pe role pot da indicaţii despre procesele tribologice din angrenaje dacă tehnologia de prelucrare a suprafeţei rolelor (ca orientare şi mărime) este reprezentativă pentru cea a roţilor dinţate [126]. Unii cercetători au comparat rezultatele încercărilor pe perechi de role cu rugozitate lungitudinală şi transversală, constatându-se unele deosebiri.

Simularea corectă a unui anumit punct de pe linia de angrenare ar putea fi obţinută pe o maşină cu distanţă variabilă între centre şi cu o mişcare controlată, independentă a fiecărei role.

În ceea ce priveşte parametrii stratului superficial, este necesar ca tribomo-delul şi tribosistemul să aibă acelaşi material (compoziţie chimică, structură, puri -tate) şi aceeaşi geometrie sau geometrie echivalentă, luându-se în considerare scara redusă a tribomodelului. Un anumit punct de pe linia de angrenare determină razele de curbură ale celor două flancuri de dinte şi este caracterizat de raza de curbură

29


echivalentă, Rr (fig.1.10). Contactul între flancurile evolventice se echivează cu contactul între cilindrii de raze R1, R2. Pentru încercă-rile de laborator, Rr este unul din criteriile de tribo-modelare geometrice. Deoa-rece rolele au dimensiuni fixe, o pereche de role mo-delează un singur punct de angrenare de pe flancurile dinţilor conjugaţi.

Pentru studii tribo-logice privind angrenajele, s-au efectuat atât încercări pe sisteme reale cât şi pe sisteme de laborator, la Laboratorul de Mecanica Contactului, INSA Lyon6. Ambele programe de încercări, pe un stand cu roţi şi pe o maşină cu discuri, s-au desfăşurat în condiţii

foarte sever controlate în scopul de a stabili corelaţia între distrugerile suprafeţelor dinţilor roţilor dinţate şi cele ale suprafeţelor discurilor. Tipul de distrugere considerat a fost pittingul. Angrenajele au fost încercate pe o maşină tip FZG modificată, iar testele pe tribomodele rolă pe rolă s-au desfăşurat pe maşina cu role realizată la INSA.

Simularea se bazează pe reproducerea, pe o maşină cu role a condiţiilor mecanice de definiţie, specifice unui anumit punct de-a lungul profilului dintelui. Aceste condiţii mecanice includ atât parametrii mecanici luaţi în considerare în unanim-acceptatele teorii EHD cu privire la suprafeţele rugoase, cât şi condiţiile de material şi de mediu (parametrii de material şi de mediu). Parametrii care definesc condiţiile mecanice sunt următorii: geometria contactului (prin R1, R2, L), rugozitatea, caracterizată prin cât mai mulţi parametrii, pentru ambele role, cinematica, prin vitezele periferice (v1, v2), încărcarea, respectiv forţa normală Fn; caracteristicile materialelor (prin modulele de elasticitate E1, E2 şi coeficienţii lui Poisson), cât şi caracteristicile lubrifiantului (prin vâscozitatea dinamică în condiţii normale 0 şi coeficientul de piezovâscozitate α). Aspectele de material şi de mediu au respectat condiţii de identitate deoarece atât rolele cât şi angrenajele au fost prelucrate din acelaşi material şi tratate în acelaşi fel. Ambele tipuri de

6 Godet, M. et al., 1982, Tribo-testing. In Tribological Technology, vol.II, Eds. Senholzi &Nijhoff Pub., The Hague, p.525-609.

30

Fig. 1.10. Echivalarea contactului între flancurile evolventice.


epruvete au fost rectificate la o rugozitate finală cu valori apropiate, în termenii parametrilor de rugozitate Rq şi Rt. Lubrifianţii folosiţi la teste au provenit din aceeaşi sursă. Atât rolele cât şi angrenajele au fost încercate în aer.

Se remarcă diferenţieri între cele două tipuri de încercări, care constituie limitări ale modelării angrenajelor prin tribomodelul rolă/rolă, prezentate la începutul §1.5.2.

Johnson [126] prezintă o comparaţie directă între măsurătorile pe standul cu circuit închis cu roţi dinţate (distanţa între axe, a = 90 mm; raportul de angrenare, u = 2:1) cu măsurătorile făcute maşina cu role (a = 76 mm).

Există o diferenţă de scară între cele două standuri. Mărimea critică într-un angrenaj din punctul de vedere al contactului este raza relativă de curbură între dinţi în polul angrenării care, la standul prezentat este 6,84 mm. Pentru maşina cu role este de 19 mm. Dacă presiunea de contact se păstrează aceeaşi, distanţa între axe este proporţională cu raza echivalentă, astfel că lăţimea de contact pe maşina cu role este de 19/6,84 = 2,8 ori mai mare decât cea dintre dinţii roţilor. Condiţiile de ungere sunt influenţate şi ele de diferenţa între razele de curbură. Un alt aspect important este direcţia diferită a proeminenţelor rugozităţii, la roţi dinţate şi la role. Pentru a avea aceeaşi direcţie, transversală, s-a realizat rectificarea specială a rolelor, cu o piatră oală. O pereche de role rectificate circumferenţial la aceeaşi rugozitate a fost încercată pentru comparaţie.

Din compararea rezultatelor obţinute pe role şi pe angrenaje [126] au rezultat următoarele: a) coeficientul de frecare mediu obţinut la role rectificate transversal este apropiat (cu ~2%) de valorile determinate la încercările pe angrenaje, la întreaga gamă de viteze şi temperaturi, b) frecarea medie măsurată la role rectificate circumferenţial este mai mare ( cu ~23%) decât cea obţinută la role rectificate transversal sau la angrenaje (în condiţii de ungere EHD).

Încercările pe role pot da indicaţii despre piederile prin frecare din angre-naje dacă finisarea suprafeţei rolelor este reprezentativă pentru cea a roţilor dinţate.

1.5.3. Modelarea matematică

Deoarece procesele tribologice sunt greu de cuantificat, fiind dependente de mai mulţi factori ce acţionează simultan şi deseori cu discontinuităţi, utilizarea modelelor matematice în tribologie se face cu mare atenţie. Modelarea matematică reduce timpul şi costurile necesare cercetării proceselor tribologice dar nu este suficientă fără validarea prin rezultate experimentale. Chiar şi în aceste condiţii, extrapolarea rezultatelor experimentale pe modele matematice se face cu circumspecţie. Aceasta ţine seama de noţiunile fundamentale din domeniul deformării solidului real, teoria similitudinii şi de descoperirile recente în tribologie [10, 29, 139, 162].

Diferenţele între modelele matematice şi cele experimentale s-au datorat şi modului de abordare a temei. În sistemele fără frecare sau statice, mulţi parametri puteau fi introduşi cu valori constante, de exemplu, rezistenţele la rupere ale materialelor în cazul studierii deformării etc., în timp ce în procesele tribologice, aceşti parametri au o evoluţie dinamică, interdependentă, fiind descrişi de funcţii

31


complexe. De multe ori, dezvoltarea modelelor matematice este simultană sau ulterioară studiilor pe tribomodele, mai ales privind comportarea tribologică a materialelor (de exemplu [2, 18, 88, 165, 170]).

Modelarea contactului în aplicaţiile tribologice a preocupat mulţi cercetă-tori. Au fost dezvoltate diferite aspecte care să apropie teoria contactului elastic a lui Hertz de realităţile unor aplicaţii concrete, în care au loc procese tribologice [53, 98, 100, 123, 124, 125, 155, 163, 164, 177, 191, 200, 245].

Cercetări complexe au avut în vedere modelarea contactelor rugoase [9, 11, 49, 80, 145, 152, 153, 195, 198, 217, 219, 227, 237], multe având ca obiectiv studiul regimurilor de ungere, în special regimurile EHD şi micro-EHD [2, 142, 147, 201, 249, 257, 284].

1.5.4. Modelarea proceselor tribologice cu reţele neurale artificiale

1.5.4.1. Tipuri de modelePrintre modelele folosite în analiza datelor tribologice, se pot identifica

două clase principale: modelele empirice şi modelele fenomenologice (sau analitice) [256].

In modelele empirice unele relaţii cantitative între variabilele tribologice sunt postulate a priori. În modelele fenomenologice relaţiile cantitative între variabilele tribologice rezultă din ecuaţiile de bază ale mecanicii ruperilor, ale termodinamicii, ale mecanicii fluidelor etc.

Deşi modelele fenomenologice sunt preferabile din punct de vedere teoretic, acestea sunt dificil de realizat în scopul analizării datelor experimentale practice. Nu se poate realiza o anumită reţea de modelare fenomeno-logică care să poată fi folosită odată pentru totdeauna, în sistem “cutie neagră”, pentru diferite materiale şi condiţii experimentale. Este necesară adaptarea modelelor fenomenologice pentru diferite condiţii şi materiale, ca de exemplu în situaţiile în care tipurile de uzură dominante se schimbă. De aceea nu este surprinzător că modelele empirice domină analiza experimentelor tribologice şi în prezent. În cadrul acestor modele, o dezvoltare nouă o reprezintă aplicaţiile modelelor bazate pe reţele neurale artificiale în studiile tribologice.

1.5.4.2. Consideraţii privind funcţiile principale ale reţelelor neurale, utilizate în aplicaţiile tribologice

Deoarece fenomenele şi procesele tribologice sunt caracterizate ca fiind foarte complexe şi cu grade mari de neliniaritate, modelele analitice sunt foarte dificil şi deseori imposibil de obţinut. Totuşi îmbunătăţirea performanţelor echipamentelor mecanice necesită modelări şi predicţii cât mai precise ale proceselor de frecare şi uzură. Reţelele neurale artificiale (RNA) sunt potrivite pentru astfel de modele datorită posibilităţii de comportare neliniară, de învăţare (pornind de la date experimentale) şi de generalizare.

32


In aplicaţiile tribologice sunt utile două funcţii principale ale reţelelor neurale: 1) aproximarea continuă a unei funcţii cu mai multe variabile, funcţie folo-sită pentru modelarea proceselor, 2) clasificarea, care constă în aproximarea discre-tă a funcţiilor, funcţie folosită pentru recunoaşterea condiţiilor de funcţionare ale maşinilor şi utilajelor.

Prima funcţie este de obicei realizată prin reţele de tipul MLP (Multi Layer Perceptron). A doua poate fi obţinută folosind reţele neurale cu autoorganizare, aşa cum sunt Kohonen şi ART (Adaptive Rezonance Theory). Reţelele MLP pot fi utilizate şi pentru clasificări, dacă se adaugă un discriminator suplimentar al valorilor de ieşire. Ambele funcţii sunt deja aplicate în domeniul tribologiei şi al sistemelor mecanice şi sunt prezente în unele lucrări recente. O trecere în revistă a unor aplicaţii tribologice ale RNA este prezentată în lucrarea [82].

Modelare şi predicţieÎn cazul modelării proceselor este preferată reţeaua de tip MLP. Aceasta

oferă o aproximare continuă a unei funcţii cu mai multe variabile, care nu poate fi obţinută analitic, dar este descrisă corespunzător de seturi de date experimentale. De obicei, scopul acestui model este predicţia cu un pas înainte, adică determinarea valorii funcţiei de ieşire la momentul t+1, cunoscându-se valorile prezente şi anterioare ale mărimilor de intrare şi ale mărimilor de ieşire (t este multiplu întreg al perioadei de eşantionare). În unele aplicaţii timpul curent nu se numără printre variabilele de intrare: de exemplu, în modelarea distribuţiei de presiune într-un lagăr cu gaze, variabilele de intrare sunt coordonatele spaţiale [128].

Jones şi echipa sa [122] prezintă o reţea neurală care modelează cu RNA trei tribomodele: sabot pe fus, ştift pe disc şi testul cu patru bile. Variabilele de intrare sunt: viteza, încărcarea, vâscozitatea lubrifiantului, distanţa de alune-care, coeficientul de frecare şi temperatura. Funcţiile de ieşire sunt: volumul de uzură (m3) şi rata de uzură (m3/m) (fig. 1.11).

Modelele bazate pe RNA pot fi utilizate pentru simularea încercărilor mecanice de lungă durată, folosind date şi informaţii obţinute din încercă-rile de scurtă durată [122]. Combinaţia dintre modelarea asistată de calculator prin RNA şi încercări mecanice de scurtă durată poate fi folosită pentru a

33

Fig.1.11. Comparaţie între datele experimentale şi datele prezise prin modelare cu RNA (după [122]).


verifica fiabilitatea sistemelor mecanice, prin aceasta eliminându-se duratele şi costurile mari ale încercărilor de lungă durată. În aceste procese de modelare se foloseşte capacitatea de generalizare a RNA. De asemenea, modelele bazate pe RNA permit proiectanţilor să prezică performanţa sistemelor tehnice în faza de proiectare conceptuală, având parametrii critici ca mărimi de intrare ale modelului.

O problemă similară, de predicţie a rezultatelor experimentale, este rezolvată în lucrarea [93]. Predicţia uzurii liniare este realizată cu o reţea de tip MLP, ale cărei mărimi de intrare sunt considerate: încărcarea, viteza, umiditatea relativă şi distanţa de alunecare. Lucrările [255], [256] şi [281] tratează aceeaşi problemă a predicţiei volumului de uzură dar în experimente privind uzura fretting. Trebuie menţionat un aspect interesant prezentat în lucrarea [281]: coeficientul de frecare nu mai este considerat ca o mărime fixă de intrare, cu o valoare anterior cunoscută, ci este considerat o mărime variabilă care trebuie modelată cu ajutorul reţelei.

In lucrarea [8] este prezentată o metodă de simulare a suprafeţelor într-un proces de uzură, prin combinarea testelor de uzură cu prelucrarea datelor prin metode statistice şi prin metodele inteligenţei artificiale.

Cercetări interesante s-au dezvoltat în domeniul proceselor de prelucrare a suprafeţelor privind uzura sculei la frezare frontală [150] şi în prelucrări fine [235, 236] sau modelarea procesului de strunjire [63]. O aplicaţie interesantă, bazată pe modelare cu RNA, este dezvoltată în lucrarea [236], ai cărei autori propun un dispozitiv de inspecţie periodică pentru evaluarea stării sculei de prelucrare, în scopul menţinerii calităţii suprafeţelor prelucrate.

Alte două lucrări prezintă modele bazate pe RNA utilizate în scopul predicţiei unor variabile similare uzurii. Lucrarea [226] prezintă o aplicaţie privind degradarea proprietăţilor fizice ale lubrifianţilor în timpul exploatării lor. Reţeaua neurală este capabilă să prezică momentul în care fiecare proprietate studiată a uleiului atinge o valoare dată, considerată ca inacceptabilă.

Lucrarea [120] prezintă o reţea neurală pentru modelarea procesului de prelucrare prin curgere abrazivă, care implică fenomene şi variabile ale acestora asemănătoare celor prezentate mai sus, tipice pentru procese de uzură. Modelele sunt similare cu cele anterioare, şi autorii antrenează o reţea MLP pentru a modela viteza de îndepărtare a materialului şi calitatea finisării suprafeţei. Ideea utilizării unui model pentru controlul on-line este importantă pentru procesele de fabricaţie care cer o bună predicţie a parametrilor sau a variabilelor critice.

În toate exemplele prezentate mai sus, reţeaua neuronală MLP a fost folosită pentru aproximarea unor funcţii continue, în scopul predicţiei în timp, sau, mai rar, a modelării spaţiale.

Recunoaşterea defectelor în lagăre şi în structura materialelorClasificarea, cea mai veche aplicaţie a reţelelor neurale, este utilă în

domeniul mecanic în primul rând pentru recunoaşterea defectelor, parte integrantă a procesului de diagnoză. Reţelele folosite pot fi antrenate cu sau fără supervizare. Drept consecinţă, în probleme de clasificare pot fi utilizate atât reţele tip MLP cât şi cele cu autoorganizare.

34


O problemă de clasificare este şi clasificarea condiţiilor procesului de uzură. În lucrarea [252] se indică o reţea MLP ca un clasificator potrivit pentru condiţiile frecării de alunecare, în experimentele realizate pe tribomodele ştift/disc. Pentru clasificarea imaginilor suprafeţelor este propusă o reţea cu autoorganizare. Lucrarea [167] prezintă clasificarea particulelor de uzură, în scopul determinării fazei în care se află procesul de uzură, în experimente de frecare de alunecare. Prin clasificarea formei particulelor de uzură, mărimea de ieşire a reţelei este capabilă să determine stadiul procesului de uzură (iniţial sau final).

Reţelele pentru recunoaşterea defectelor au ca scop clasificarea, care se realizează fie prin reţele cu ieşire discretă, fie prin discriminarea în intervale, a ieşirii unor reţele neurale continue.

Concluziile lucrărilor trecute în revistă indică reţelele neurale ca o bună metodă de modelare, datorită posibilităţilor de învăţare (pornind de la date experimentale), de generalizare şi de comportare neliniară. Principalele funcţii realizate de RNA sunt predicţia şi clasificarea. Scopurile predicţiei pot fi diagnoza (predicţia duratei de viaţă), încercări accelerate de durabilitate, controlul on-line al proceselor de prelucrare prin aşchiere. Interesante sunt aplicaţiile funcţiei de clasificare în domeniul diagnozei: recunoaşterea condiţiilor de lucru şi recunoaşterea defectelor. Datorită unei largi game de aplicaţii posibile şi a economiilor de timp şi fonduri pe care le pot realiza, reţelele neurale au încă o apreciabilă aplicabilitate în domeniul tribologiei.

35


1.1. Solicitări mecanice.........................................................................................................71.2. Cuple de frecare.............................................................................................................71.3. Tribosisteme...................................................................................................................9

1.3.1. Structura unui sistem.................................................................................................91.3.2. Sistemul tribologic..................................................................................................12

1.3.2.1. Elementele structurii unui tribosistem.............................................................................121.3.2.2. Funcţia unui tribosistem..................................................................................................141.3.2.3. Solicitările tribosistemului..............................................................................................141.3.2.4. Proprietăţi tribologice ale elementelor structurale...............................................................141.3.2.5. Interacţiuni între elementele structurale.........................................................................14

1.3.3. Tribosistematică......................................................................................................161.3.4. Tribosisteme închise şi tribosisteme deschise.........................................................181.3.5. Analiza sistemică a tribosistemelor.........................................................................19

1.4. Metode pentru încercări tribologice...........................................................................201.4.1. Obiectivele încercărilor de uzură............................................................................201.4.2. Tehnici de încercare................................................................................................21

1.4.2.1. Clasificarea metodelor de încercare...............................................................................211.4.2.2. Lanţul de încercări tribologice........................................................................................21

1.4.3. Sisteme de încercare................................................................................................221.4.4. Standardizarea cercetărilor tribologice...................................................................23

1.5. Modelarea şi simularea fenomenelor şi proceselor tribologice....................................251.5.1. Cerinţe principale în tribomodelare........................................................................251.5.2. Exemplu: modelarea angrenajelor prin tribomodele rolă/rolă.......................................281.5.3. Modelarea matematică............................................................................................311.5.4. Modelarea proceselor tribologice cu reţele neurale................................................32artificiale...........................................................................................................................32

1.5.4.1. Tipuri de modele..............................................................................................................321.5.4.2. Consideraţii privind funcţiile principale ale reţelelor neurale utilizate în aplicaţiile tribologice.....................................................................................................................................32

Modelare şi predicţie..............................................................................................................33Recunoaşterea defectelor în lagăre şi în structura materialelor........................................34

36

Documents

ElemTribo Cap 1 Tot