طراحی و انتخاب مواد برای کاربردهای تریبولوژیکی -بخش اول
روش های زیادی برای کاهش اصطکاک (Friction) و سایش (Wear) وجود دارد. بر مبنای کاهش سایش، طراح باید دو مسئله را در نظر بگیرد: الف)در طول عمر قطعه چه مکانیزم های سایشی باعث کاهش طول عمر قطعه می شود و ب)چگونه می توان نرخ سایش (Wear rate ) را کاهش داده تا در اندازه مقادیر مطلوب باشد. در این جا از عبارت سایش برای انواع آسیب های تریبولوژیکی (Tribologically) شامل خستگی تماس نوردی و همچنین زبری سطح که باعث ارتعاش می شود استفاده می گردد. معنی مفاهیم سایش بیش از حد و در محدوده قابل قبول به شدت وابسته به سیستم مورد بررسی است. برای پیشنهاد روش های کاهش سایش، طراح باید مکانیزم های سایش را به خوبی بداند و عوامل کنترل کننده سایش را به خوبی درک کرده باشد.
انواع مختلف سایش وجود دارد که معمولا در سیستم های مکانیکی اتفاق می افتد. در حالی که سطوح جامد بر روی یکدیگر می لغزند سایش با مکانیزم های مختلفی رخ می دهد که به حالت روانکاری، ماهیت سطوح در حال لغزش، محیط شیمیایی و شرایط اجرایی مثل نیروی عمودی و سرعت لغزش بستگی دارد. جابجایی سطوح نسبت به یکدیگر پدیده کاملا رایج است (حتی هنگامی که آن ها ثابت باشند)
شکل 1: فرایند طراحی مکانیکی شامل بررسی عملکرد تریبولوژیکی و مهندسی سطح است.
هنگامی که تماس غالبا شامل نورد به جای لغزش باشد (یاتاقان های نورد)، آسیب سطح و سایش با خستگی تماس نوردی اتفاق می افتد. اگر ذرات سخت بین سطوح در حال لغزش باشد مکانیزم های سایش کمی متفاوت می شود.
ارزیابی نرخ سایش
سه روش وجود دارد که طراح می تواند نرخ سایش را پیش بینی کند. اولین روش در طراحی اولیه مفید نمی باشد، اما با این وجود یک روش پیش بینی در تعیین حداکثر طول عمر سیستم در حال اجراء است تا بتوان نرخ سایش را در یک سیستم واقعی در شرایط سرویس ارزیابی کرد. به عنوان مثال، اندازه گیری سایش رفتگی در یک خط لوله انتقال مایع حاوی ذرات ساینده می تواند در تعیین طول عمر کلی آن قبل از رسیدن به ضخامت بحرانی مفید باشد. سایش در بوش یاتاقان در یک سیستم تعیین کامیوت یا سطح کنترل هواپیما اتفاق می افتد که مبنای تعیین طول عمر آن ها مسافت پیموده شده یا ساعت پرواز است. و از نتایج استحصال شده برای پیش بینی نقطه ای که بوش نیاز به جایگزینی دارد استفاده می شود. این روش عیوبی دارد، نرخ سایش در برخی سیستم ها ثابت نمی باشد و باز مان تغییر می کند، آن ها ممکن است بعد از یک دوره آب بندی ثابت شوند (در مورد سایش لغزشی روانکاری شده) یا بعد از یک دوره اولیه زیاد شود (در مورد سایش رفتگی ذرات جامد تحت شرایط خاص). برای پیش بینی طول عمر با برون یابی، طراح باشد مطمئن باشد که نرخ سایش ثابت باقی می ماند و متغیرهای اجرایی سیستم تغییر نمی کند و در طول عمر مفید قطعه بر نرخ سایش تاثیر ندارند. علاوه بر این، هنو دانش کاملی در مورد مکانیزم های شکست نهایی سیستم وجود ندارد و دلیل قاطعی بر ارتباط نرخ سایش با آن مکانیزم ها گزارش نشده است. در مورد خطوط لوله مایع حاوی ذرات ساینده، سوراخ شدن دیواره لوله با سایش معمولا در قسمت های منحنی دیده شده است و نرخ سایش در آن نقطا تعیین کننده عمر سیستم است و از متوسط نرخ سایش در سایر نقاط استفاده نمی شود. نتیجه سایش ممکن است در مقالات مختلف نسبتا متفاوت باشد و سایش سیستم تعلیق کامیون در خارج از بزرگراه با قطعه هواپیما با ضریب ایمنی زیاد متفاوت است.
روش دوم تعیین نرخ سایش در سرویس با جمع آوری اطلاعات از بررسی قطعات سیستم تحت شرایط سرویس شبیه سازی شده است. این روش کاربرد گسترده ای در پیش بینی سایش یاتاقان ها دارد که در آزمایشگاه های مجهز به نیرو، سرعت، دما و حالت روانکاری شرایط سرویس انجام می شود. اگر آزمایشات با سرعت بیشتری انجام شود، لازم است تا بین نتایج آزمایشگاهی استاندارد و تسریع یافته مصالحه ای صورت گیرد.
روابط نظری و عملی مربوط به متغیرهای اجرایی مثل نیرو و سرعت یک روش سوم برای پیش بینی سایش است. معادلات ساده برای سایش لغزشی، سایش خراشان و رفتگی وجود دارد. این ها فقط یک ارزیابی اولیه از نرخ سایش هستند و ممکن است در محاسبات طراحی اولیه با ارزش باشند.
رویکرد سیستم
در جاهایی که سطح در حال حرکت نسبی هستند، سایش هرگز به طور کامل حذف نمی شود، اگرچه در برخی شرایط ممکن است به مقدار بسیار کمی کاهش یابد. در مواردی که نرخ سایش غیرقابل قبول باشد، طراح باید سیستم ره به روشی تغییر دهد که نرخ سایش کم شود. باید در یک سیستم خاص نرخ سایش تعیین شود. در رویکرد سیستم مورد آنالیز سایش، تاثیرات به دو گروه تقسیم بندی شوند: ساختار سیستم مکانیکی و متغیرهای اجرایی که بر ساختار تاثیر می گذارند.
ساختار را می توان با مواد سازنده سطحی که در حرکت نسبی هستند، ماهیت ماده موجود در فصل مشترک (شامل هرگونه روانکار و ذرات ساینده)، محیط (مثل گاز یا مایع اطراف) و با روابط هندسی بین قطعات تشریح کرد. متغیرهای اجرایی شرایطی است که در حین سرویس به قطعات وارد می شود: مانند سرعت، نیرو و دما. همه این عوامل بر نرخ سایش تاثیر می گذارند و طراح باید همه آن ها را کنترل کند.
کاهش نرخ سایش با متغیرهای اجرایی
اهداف محدودی برای متغیرهای اجرایی وجود دارد، به دلیل این که معمولا با اهداف کلی سیستم تعیین می شوند. معادلات ساده ای وجود دارد که نشان دهنده اثر احتمالی تغییر متغیرهای اجرایی بر مکانیزم های مختلف سایش است. به عنوان مثال، در سایش لغزشی با یا بدون حضور ذرات سانده معادلات نشان می دهد که نرخ سایش با کاهش فشار عمودی کم می شود.
سایش نوسانی ناشی از حرکت نسبی دو سطح در تماس است. دو گروه از مشکلات سایش نوسانی تعیین شده است: کنترل شونده با جابجایی و کنترل شونده با تنش. در حالت کنترل شده با جابجایی، که اغلب بین قطعات که نسبت به یکدیگر جابجایی دارند رخ می دهد (مثل سطح یاتاقان)، جابجایی نسبی را نمی توان حذف کرد و طراح باید کشش سطحی ناشی از جابجایی را کاهش دهد. کاهش نیروی عمودی بین سطوح یا ضریب اصطکاک بین آن ها این اثر را به دنبال دارد. طراح باید هر گونه تمرکز تنش تماسی ناشی از عوامل هندسی را کاهش دهد. در حالت دوم (کنترل شونده با تنش) هدف از کاهش سایش باید کاهش یا حذف جابجایی نسبی باشد. در این حالت، افزایش در نیروی نگهدارنده یا ضریب اصطکاک می تواند به کاهش جابجایی کمک کند و نرخ سایش رفتگی را کاهش دهد. تصمیم بر استفاده از مواد با پیوند چسبنده یا آب بند مناسب می تواند در این زمینه مفید باشد. راه حل بهینه برای یک مسئله سایش نوسانی خاص به ماهیت حرکت بستی دارد. برخلاف بسیاری از انواع سایش، نوسان می تواند به طور کامل با استفاده از معیارهای طراحی حذف شود.
آسیب سطحی با خستگی تماسی، معمولا در نوک چرخ دهنده ها، میل بادامک ها و یاتاقان های چرخشی در اثر بارگذاری متناوب سطحی اتفاق می افتد. معمولا از نظر عملی، کاهش تعداد چرخه های بارگذاری غیرممکن است، اما با طراحی مراحلی که حداکثر تنش تماسی از طریق تغییر در هندسه یا کاهش در نیرو کم شود می توان نتایج مفیدی به دست آورد.
اگر سایش به دلیل ذرات سخت باشد (همانگونه که در سایش خراشان یا رفتگی اتفاق می افتد)، با حذف ذرات از سیستم می توان سایش را کاهش داد (یا به طور کامل یا جزئی) و معمولا موجب کم شدن سایش می شود. با توجه به این که ذرات درشت باعث سایش نسبتا بیشتر از انواع کوچک تر می شود، روش های جدا کردن ذرات درشت از ریز بسیار مفید است (مقل فیلتر کردن یا جدا کردن توسط اینرسی از مایع). اگر ذرات به صورت آلودگی در روانکار سیال باشد، حداکثر اندازه ذرات باید کمتر از حداقل لایه روانکار باشد، به نحوی که نیرو باعث جابجایی ذرات نشود و نتیجه آن کاهش سایش خراشان است.
در برخی از سیستم ها، حضور ذرات خراشنده اجتناب ناپذیر است، و راهی برای کاهش غلظت یا اندازه آن ها وجود ندارد. در سایش با رفتگی ذرات جامد، عامل اصلی کنترل کننده نرخ سایش سرعت برخورد ذرات است و هر روش برای کاهش آن بسیار مفید می باشد. پیشرفت ها در مکانیزم های کنترل رایانه ای سیال امکان جدا کردن و عبور دادن آن ها از طریق سیستم های جریان سیال را ایجاد کرده است (با لوله ها، شیرها و شیارها). میرهای جریان رایانه ای می توانند همراه با مدل های عملی برای سایش رفتگی استفاده شوند تا توزیع و شذت سایش در سیستم را پیش بینی کنند، سایش در خطوط لوله حاوی ذرات جامد (مثل دوغاب) در شعاع خارجی خم لوله اتفاق می افتد، زیرا در این نقاط جهت جریان تغییر می کند، ذرات به جای لغزش به جداره ضربه وارد می کنند. زاویه برخورد باعث سایش سریع می شود که به ماهیت ماده سطح، زاویه بر خورد ذرات (معمولا در محدوده 45-20 درجه) ماهیت ذرات و نوع سیال بستگی دارد. شواهد نشان می دهد که به دلیل عوامل هندسی، نرخ سایش معمولا در محل خم لوله های حاوی دوغاب بسیار شدید است و با انتخاب لوله های با قطر خم زیاد می توان سایش را کم کرد.
اثر روانکار
روانکاری یک روش مفید برای کاهش سایش و اصطکاک در بسیاری از سیستم های لغزشی است. روانکاری با حالت هیدرودینامیک لایه کامل (Full-film hydrodynamic) موجب کاهش نرخ سایش لغزشی می شود. این نرخ سایش کم بسیار قابل توجه است. اما شرایط هیدرودینامیکی برای زمان زیادی نفظ نمی شود و تحت شرایط روانکاری مرزی در حین شروع یا پایان کمی سایش زیاد می شود، این به خواص روانکار مورد استفاده بستگی دارد. اگر شرایط بسیار شدید باشد که لایه مرزی نفوذ کند و لغزش بین سطوح روانکاری نشده ایجاد شود، ضریب سایش زیاد می شود (مقادیری که در بسیاری از کاربردهای مهندسی قابل قبول نمی باشد).
روشن است که حالت روانکاری هیدرودینامیکی (یا لایه فشرده ضخیم) برای سیستم های لغزشی بسیار مطلوب است، و اگر طراح بتواند سیستم را در این حالت نگهدارد بسیار موثر و عالی است. مهمترین عامل تعیین کننده حالت روانکاری حداقل ضخامت لایه روانکار در مقایسه با زبری سطح است.