VLIV TOPOGRAFIE TŘECÍCH POVRCHŮ NA KONTAKTNÍ ÚNAVU - · PDF file vliv topografie tŘecÍch povrchŮ na kontaktnÍ Únavu influence of topography of rubbing surfaces on rolling

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ

FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

VLIV TOPOGRAFIE TŘECÍCH POVRCHŮ NA KONTAKTNÍ ÚNAVU

INFLUENCE OF TOPOGRAPHY OF RUBBING SURFACES ON ROLLING CONTACT FATIGUE

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE Bc. RADEK ZAHRADNÍK AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE Ing. MARTIN VRBKA, Ph.D. SUPERVISOR

BRNO 2010

ANOTACE

Tato diplomová práce se zabývá vlivem topografie třecího povrchu na kontaktní únavovou životnost. Tento vliv je zkoumán skrze testy na nově zrekonstruované stanici R-MAT, jejíž rekonstrukce a podrobný záznam o ní je součástí této diplomové práce. Vliv je posouzen v oblasti třecích povrchů s vyšší drsností povrchů, než byly doposud zkoumány. Dále je také zkoumán vliv cílené modifikace třecího povrchu při těchto vyšších drsnostech.

ANOTACION

This master thesis deals with influence of topography of friction surfaces on rolling contact fatigue. This influence is examined by newly reconstructed R-MAT station, whose reconstruction and fully report about it, is part of this master thesis. Influence is examined on area with higher surface's roughness which it wasn't examined before. Further research is made on area of surfaces with topographical modification with higher surface's roughness.

KLÍČOVÁ SLOVA

R-MAT, kontaktní únava, kontaktní únavová životnost, topografie třecích povrchů, modifikace třecích povrchů

KEY WORDS

R-MAT, contact fatigue, rolling contact fatigue, RCF, topografion of friction surfaces, surface texturing

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE DLE ČSN ISO 690:

ZAHRADNÍK, R. Vliv topografie třecích povrchů na kontaktní únavu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. 94 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Martin Vrbka, Ph.D.

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně, za použití uvedené literatury, pod odborným vedením pana Ing. Martina Vrbky, Ph.D. V Brně dne ……………… …………………………..

PODĚKOVÁNÍ

Na tomto místě bych rád poděkoval svému otci Leopoldovi Zahradníkovi, bez jehož podpory by toto dílo nikdy nevzniklo. Ze srdce Ti děkuji.

OBSAH

strana

11

OBSAH

OBSAH 11

ÚVOD 11

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ 13

1.1 Přirozené vtisky 13

1.1.1 Negativní dopady přirozených vtisků 13

1.1.2 Pozitivní dopady přirozených vtisků 16

1.2 Modifikace texturami na konformních površích 17

1.3 Kontaktní únava a modifikace nekonformních povrchů 17

2 FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO ANALÝZA 30

2.1 Formulace problému 30

2.2 Analýza problému kontaktní únavy 30

3 VYMEZENÍ CÍLŮ PRÁCE 32

4 NÁVRH METODICKÉHO PŘÍSTUPU K ŘEŠENÍ 33

4.1 3D model stanice R-MAT2E 33

4.1.1 Motivace tvorby 3D dat 33

4.1.2 Poţadavky na 3D data 34

4.1.3 Výchozí model a původní dokumentace stanice 34

4.1.4 Postup stavby modelu a tvorba výrobní dokumentace 35

4.1.5 Finální verze 36

4.2 Popis funkce stanice R-MAT 37

4.3 Rekonstrukce stanice R-MAT 38

4.3.1 Výběr stanice a výchozí stav 38

4.3.2 Převodové poměry 38

4.3.3 Vnitřní součásti vřeten 40

4.3.4 Kontaktní tlak 41

4.3.5 Prokluzový systém 42

4.3.6 Řídící mechanismus a průběh testu 44

4.3.7 Mazací okruh 47

4.3.8 U-rameno vzorku 48

4.3.9 Hřídele vřeten 48

4.3.10 Značení stanice 50

4.4 Postup měření, volba testů a testovacích podmínek 50

4.4.1 Metodický přístup k měření 50

4.4.2 Topografie vzorku a testovacích kotoučů 51

OBSAH

strana

12

4.4.3 Testovací podmínky 52

4.5 Vyhodnocení výsledků 52

4.5.1 Metodika vyhodnocení 52

4.5.2 Vyhodnocení počtu cyklů a prokluzových podmínek 52

4.5.3 Vizuální vyhodnocení testovacích stop 53

5 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH VÝSLEDKŮ 55

5.1 Záběh stanice R-MAT2E 55

5.1.1 Stabilita prokluzových podmínek 55

5.1.2 Rušení řídícího panelu 55

5.1.3 Mazací okruh 55

5.2 Vyhodnocení výsledků měření 55

5.2.1 Vzorek A - Nemodifikovaný třecí povrch 5% prokluz 56

5.2.2 Vzorek A - Nemodifikovaný třecí povrch 0% prokluz 60

5.2.3 Vzorek B - Modifikovaný třecí povrch v reţimu 5% prokluzu 62

5.2.4 Souhrnné vyhodnocení 64

5.3 Diskuze k dosaţeným výsledkům 66

6 ZÁVĚR 70

Seznam pouţitých zdrojů 71

Seznam pouţitých zkratek, symbolů a veličin 74

Seznam obrázků a grafů 75

Seznam tabulek 78

Seznam příloh 79

ÚVOD

strana

11

ÚVOD

Ţijeme v době, kdy výkresy a rýsovací prkno nahradili 3D modeláři a monitory

s velkou úhlopříčkou. CAD/CAM/CAE systémy nám umoţní vytvořit produkt,

optimalizovat jeho tvar, pomocí MKP metod ověřit správnost návrhu před samotnou

výrobou. Metody rapidprototypingu umoţňují snadné vytvoření i velice sloţité

součásti „na nečisto“ a poskytují pojistku pro odhalení chyb 3D návrhu. Vše výše

uvedené spolu s moderními CNC stroji tvoří řetězec vysoce optimalizovaného kruhu

návrhu a výroby součástí. Ale i přesto se stále setkáváme s poruchami či naprostou

ztrátou funkčnosti, Obr. 1 [31].

Obr. 2 [4] ukazuje procentuální zastoupení veškerých ztrát funkčnosti výrobků ve

strojírenství. Vidíme, ţe kaţdý druhý výrobek selţe díky mechanickému opotřebení.

Mezi tento druh opotřebení patří i kontaktní únava, kterou známe např. z valivých

loţisek. U těchto součástí se jedná o takzvaný styk dvou nekonformních těles a díky

malé kontaktní ploše zde roste kontaktní tlak do řádu jednotek GPa. Pokud takto

vysoký tlak narazí na větší povrchové narušení či jiný druh inperfenkce, rychle se

objevuje jiţ zmíněná kontaktní únava.

Obr. 1 Ztráta funkčnost převodového mechanismu vlivem opotřebení materiálu na ozubení [31]

ÚVOD

strana

12

Obr. 2 Rozbor procentuálního zastoupení jednotlivých příčin poruch strojírenských výrobků [4]

Dnešní doba zasaţená globální finanční krizí nedopřává firmám luxus uvést na trh

produkt, který by nedodrţoval smluvní podmínky ţivotnosti. Vyvstává otázka, jak

uspokojit stále větší nároky na ţivotnost materiálu? Jedna z moţností, jak tyto

poţadavky uspokojit je cílená modifikace topografie třecích povrchů.

FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO ANALÝZA

strana

13

1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU POZNÁNÍ

Tvar a struktura (topografie) třecího povrchu se významně podílí na výsledném

mazacím reţimu, ve kterém kontakt operuje a utváření mazacího filmu. Během

provozu zařízení se topografie třecího povrchu můţe radikálně měnit. Nejčastější

změnou bývá narušení povrchu vtiskem nečistot, viz 1.1.

Pod pojmem cílená modifikace topologie třecího povrchu si lze představit záměrné

vytváření miniaturních vtisků do třecích povrchů. Tyto modifikace se provádějí jak u

konformních, tak nekonformních povrchů. Existují dva úhly pohledu a tyto vtisky.

Můţeme na ně pohlíţet jako na koncentrátory napětí nebo jako na zásobníky maziva,

které zlepšují třecí podmínky při zhoršených mazacích podmínkách (smíšený či

mezní mazací reţim). Zde nastává problém, zjistit, které vlivy převládají a do jaké

míry je můţeme dále ovlivnit.

1.1 Přirozené vtisky 1.1.1 Negativní dopady přirozených vtisků

Přirozenými chápeme takové vtisky, které se na površích objevují nezáměrně a jsou

např. pozůstatky z technologických operací. Negativní dopady narušení třecích

povrchů nejsou pro tribologii jiţ ničím novým. Známe je jiţ desítky let. Tato

narušení jsou zapříčiněna nejčastěji kontaminací maziva různými nečistotami,

zpravidla prachem, pozůstatky po výrobě či různých technologických operací. Mezi

nejnebezpečnější kontaminace patři kusy materiálu z třecích ploch, které se od nich

oddělili. Tyto nečistoty mývají nejhorší dopady a mohou vzniknout dvojím

mechanismem. První je tzn. „Hladící proces“, při záběhu součásti, kdy povrchové

nerovnosti se opotřebovávají při zábě