Pęknięcia zmęczeniowe, specyficzna forma uszkodzeń warstwy powierzchniowej panwi łożyskowych, stanowią od wielu lat przedmiot zainteresowania i badań konstruktorów i eksploatatorów węzłów łożyskowych maszyn. Uszkodzenie tego typu stanowią wciąż jedna z głównych przyczyn ograniczenia trwałości hydrodynamicznych łożysk ślizgowych, w których występują obciążenia dynamiczne. Wprawdzie z uwagi na wprowadzenie nowych materiałów łożyskowych, konstrukcji wielowarstwowych oraz nowoczesnych technologii wykonania warstw ślizgowych, na przykład metody próżniowego napylania cienkich warstw, problemy zmęczeniowe nie występują już tak drastycznie, jak w czasach zdominowanych przez miękkie stopy łożyskowe, tym niemniej warunki, w jakich muszą pracować łożyska współczesnych maszyn, czynią odporność na zmęczenie jednym z głównych kryteriów oceny przydatności tworzywa łożyskowego i całej warstwy ślizgowej. W szczególności dotyczy to silników spalinowych, w których, ze względu na zastosowanie doładowania i dążenie do podnoszenia parametrów użytkowych, istotnie wzrosły obciążenia węzłów łożyskowych.

Problem wytrzymałości zmęczeniowej łożysk w silnikach małych, na przykład stosowanych w pojazdach, jest w zasadzie opanowany, ponieważ stosunkowo niewielkie wymiary wałów korbowych umożliwiają przeprowadzenie bez ograniczeń obróbki cieplnej i cieplno – chemicznej, co z kolei pozwala na stosowanie warstw ślizgowych panwi z materiałów łożyskowych o dużej wytrzymałości (brązy, stopy aluminiowe), wymagających jednak odpowiednio twardych czopów łożyskowych. W przypadku dużych, wysoko obciążonych silników, pracujących w szczególnie ciężkich warunkach – na przykład średnioobrotowych silników okrętowych Diesla – problem pozostaje wiąż aktualny, ponieważ bardzo duże, kosztowne wały korbowe mogą być zazwyczaj tylko ulepszane cieplnie, co ogranicza asortyment stopów łożyskowych, które mogą być wykorzystywane dla zapewnienia odpowiedniej trwałości i niezawodności eksploatacyjnej. Podobna sytuacja występuje przy wprowadzaniu na rynek nowego materiału łożyskowego z przeznaczeniem do zastosowania w dynamicznie obciążonym łożysku. Jest to niemożliwe bez homologacji zmęczeniowej. Przykładem może być wieloskładnikowy stop łożyskowy na bazie kadmu, opracowany w latach dziewięćdziesiątych w celu wdrożenia w łożyskach silników Diesla, który pomimo bardzo obiecujących własności tribologicznych nie spełnił wymagań eksploatacyjnych ze względu na małą wytrzymałość zmęczeniową.

Wytrzymałość zmęczeniową warstwy ślizgowej, niemożliwą do oszacowania na drodze teoretycznej, wyznacza się doświadczalnie. Najbardziej miarodajną oceną trwałości zmęczeniowej zarówno samych materiałów łożyskowych, jak i różnych wariantów konstrukcyjnych warstwy ślizgowej łożysk, są wyniki eksploatacyjnych badań w oryginalnej maszynie. Badania takie z oczywistych względów są długotrwałe i kosztowne, stąd w praktyce źródłem informacji dla konstruktorów i producentów łożysk są najczęściej laboratoryjne testy zmęczeniowe istotnych elementów łożyska – przede wszystkim panwi, której warstwa ślizgowa jest najbardziej zagrożona przy obciążeniach zmiennych. Metodyka takich badań w swoich założeniach nie odbiega od zasad badań zmęczeniowych innych elementów konstrukcyjnych, jednak specyfika i złożoność obiektu badań oraz stopień skomplikowania i różnorodności urządzeń badawczych są przyczyną szczególnych trudności przy planowaniu, realizacji i opracowywaniu wyników eksperymentu oraz uogólnianiu wynikających z niego wniosków. O ile badania wytrzymałości zmęczeniowej objętościowej elementów maszyn oraz wytrzymałości powierzchniowej przy styku skoncentrowanym mają bogatą literaturę oraz ustaloną metodykę, o tyle badania wytrzymałości powierzchniowej par ślizgowych o styku konforemnym doczekały się znacznie mniejszej liczby publikacji w literaturze naukowej. Są to zwykle prace o charakterze przyczynkowym, dotyczące konkretnych zagadnień i problemów badawczych. Brak jest natomiast opracowań o charakterze zbiorczym, syntetycznym.

Niniejsza monografia, wynikająca z udziału autora w realizacji trzech projektów badawczych KBN związanych z tym tematem, stanowi próbę syntetycznego ujęcia najważniejszych, zdaniem autora, problemów badawczych wytrzymałości powierzchniowej warstw ślizgowych łożysk zarówno ze względu na problematykę merytoryczną, jak i w szczególności metodykę samych badań doświadczalnych. Ze względu na ograniczenia wydawnicze konieczne było dokonanie określonej selekcji omawianych zagadnień. Niektóre problemy tylko zasygnalizowano odsyłając czytelnika, tam gdzie to było możliwe, do publikacji przedstawiających szczegółowo dane zagadnienie. Wiele uwagi poświęcono problemom związanym z praktyczną realizacją zaleceń wynikających z norm ISO 7905 i ISO 6281, poświęconym doświadczalnym badaniom zmęczeniowym poprzecznych łożysk ślizgowych. Dotyczy to w szczególności metod wyznaczania naprężeniowych estymatorów wytrzymałości zmęczeniowej warstw ślizgowych łożysk na podstawie wyników eksperymentów w maszynach i urządzeniach badawczych.

Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń

1. Charakterystyka uszkodzeń zmęczeniowych warstwy ślizgowej łożysk poprzecznych

   1. Formy i mechanizmy pęknięć zmęczeniowych warstwy ślizgowej

   2. Interpretacja uszkodzeń z punktu widzenie mechaniki pękania

   3. Zmęczeniowy stan graniczny warstwy ślizgowej

   4. Czynniki wpływające na pęknięcia zmęczeniowe w łożyskach

2. Stan naprężeń w warstwie powierzchniowej łożyska

   1. Naprężenia wywołane wymuszeniami mechanicznymi

   2. Wymuszenie cieplne i ich związek ze stanem naprężeń w panwi

   3. Wpływ postaci konstrukcyjnej łożyska na stan naprężeń

3. Estymatory powierzchniowej wytrzymałości zmęczeniowej warstwy ślizgowej

   1. Maksymalne naciski obliczeniowe

   2. Maksymalne ciśnienie w filmie smarowym

   3. Maksymalna zmienność ciśnienia w filmie smarowym

   4. Krytyczne naprężenia w panwi

   5. Inne postacie estymatorów

4. Doświadczalne badania powierzchniowej wytrzymałości zmęczeniowej łożysk

   1. Rodzaj badanego obiektu

   2. Metody generowania wymuszeń dynamicznych – stanowiska badawcze

   3. Strategia prowadzenia eksperymentów zmęczeniowych

   4. Liczba prób w zmęczeniowych badaniach łożysk

   5. Ustalenie normalizacyjne ISO w zakresie zmęczeniowych badań łożysk

5. Wyznaczanie naprężeń w warstwie ślizgowej panwi w maszynie z wirującym obciążeniem

   1. Charakterystyka obciążenie warstwy ślizgowej

   2. Metoda obliczania ISO

   3. Obliczenia numeryczne oparte na MES

   4. Porównanie wyników obliczeń według metody ISO i MES

6. Wyznaczanie naprężeń w warstwie ślizgowej panwi badanych w łożyskowej maszynie reakcyjnej

   1. Charakterystyka hydrodynamicznych obciążeń badanych panwi

   2. Procedura wyznaczanie naprężeń granicznych

7. Korygowanie wyników testów w zmęczeniowych maszynach łożyskowych

   1. Korygowanie wyników testów w maszynie MWO

   2. Korygowanie wyników testów w maszynie reakcyjnej SMOK

8. Selektywne badanie czynników wpływających na wytrzymałość zmęczeniową warstw ślizgowych

   1. Badania w urządzeniach zgodnych z normą ISO 7905/3

      1. Zasada działania testerów i obiekt badań

      2. Procedura wyznaczania naprężeń granicznych

      3. Przykład badań w testerze zmęczeniowym SKMR-1

   2. Badania w urządzeniach zgodnych z normą ISO 7905/4

      1. Zasada działania testerów i obiekt badań

      2. Struktura węzła badawczego – analiza wymuszeń w próbkach

      3. Procedury obliczania naprężeń w próbce

      4. Specyfika metodyki badań według normy ISO 7905/4 na przykładzie testera SKMR – 2

         1. Analiza wpływu temperatury na dokładność oceny naprężeń granicznych

         2. Metoda korygowania wyników testów zmęczeniowych

      5. Przykład badań wieloczynnikowych w testerze SKMR – 2

9. Badania metaloznawcze i faktograficzne uszkodzonych warstw ślizgowych

10. Analiza korelacji wyników badań doświadczalnych na różnych stanowiskach badawczych