Hidraulikatömítések minősítése a kenőanyag rétegvastagságának mérése alapján

Átírás

1 JELLEGZETES ÜZEMFENNTATÁSI OBJEKTUMOK ÉS SZAKTEÜLETEK 5.33 Hidraulikatömítéek minőítée a kenőanyag rétegvatagágának mérée alapján Tárgyzavak: tömíté; tömítőrendzer; hidraulika; kenőanyag; méré. A jó tömíté feltétele a hézag- vagy lékmenteég. A tömíté folytonoága vizonylag könnyen megzakad egymáal zemben mozgó elemek közt, pl. ha a hidraulika-hajtórúdon, annak lefelé irányuló mozgáakor a tömíté által hátramaradt olajréteg bemenetkor nem jut viza az olajtérbe, hanem lezakadva néhány ciklu után lecöpög. Az olajréteg vatagágának mérééből következtetni lehet a tömítőél alatti vizonyokra é a tömítőképeég cökkenéére még folytonoági hiány képződée előtt. A várható átlago vatagágok a néhány µm-e tartományba, de rézben az 1 µm alatti tartományban vannak, ahol egy peciálian folyadékrétegre alkalmazható optikai módzerrel, az ellipzometriával mérhetők. A tömíté mechanizmua Haladó (tranzláció) mozgáú elemek, pl. hidraulikai-hajtórudak (dugattyúk) tömítéének tömítőképeégét a tömítéi hézagban (rében) lejátzódó hidrodinamikai folyamatok határozzák meg. é keletkezée, adott üzemi feltételek mellett a tömíté levegő-, ill. olajoldali nyomágradienétől függ. E gradienek imeretében ki lehet zámítani a hajtórúdon maradt olajfilm vatagágát, de maguknak a gradieneknek a meghatározáa akár méréel, akár analitikuan hozadalma é bizonytalan.

2 A dugattyú tömítée elzárja a nyomótér é a külő tér közötti rét, miközben lehúzza a dugattyúrúdon levő olajat, de ohaem teljeen, így annak egy réze, a tömíté alatt nem jutván viza a nyomótérbe, lefolyik vagy lecöpög. A tömítőré kivételével a folyadéknyomá mindig egyenúlyban van a tömítőgyűrűből kiinduló ugárirányú nyomáal, így az olajréteg vatagága kizámítható. A tömítőgyűrű nyomáára imereteek mérőmódzerek é az alakváltozáon alapuló végeeleme zámítái eljáráok (finite element method, FEM) i. A tömítőrében a p (x) nyomáváltozá megadja a nyomá gradienét (dp/dx), így az olajfilmvatagágot ki lehet zámítani a eynold-féle egyenlet inverzének felhaználáával (1. ábra). h a = 2 η v a 9 w a maximáli nyománövekedé A = a legnagyobb nyomágradienű hely 1. ábra A nyomá változáa a tömítőrében, kifelé irányuló hajtórúdmozgánál Ha nagy a kenőolaj vizkozitáa é a hajtórúd kimenő ebeége, akkor nagy, erő gradien, azaz gyor nyománövekedé eetén vizont cekély az olajréteg vatagága. A kenében olykor nem képződik folytonoági hiány ( lék ), ha a tömíté a hajrúd befelé haladáakor több folyadékot tud a nyomótérbe zállítani, mint amennyit a hajtórúd kifelé mozgáakor áterezt. Ennek a vizajuttatának kedvez a cekély nyománövekedé, a tömítőfelület nyomáoldali zéléhez minél közelebbi maximummal. Való körülmények között zükég van a kenőréteg va-

3 tagágának méréére, a tömíté a nyomá é a hajtórúddal érintkező úrlódáa által alakváltozát zenved. étegvatagág-méré ellipzometriával Az ellipzometria a rétegvatagág-méré érintémente módzere, amely a határfelületen vizavert fény polároágának megváltozáán alapzik. Egy hordozón levő átlátzó rétegre ferdén beeő fény a levegő/réteg é a réteg/levegő határfelületen megtörve verődik viza. Az ellipzométer a beeő é a vizavert fény polaritáváltozáát méri, az eredményből egy matematikai modell egítégével meg lehet határozni az átlátzó réteg vatagágát (2. ábra). Ehhez a vizavert ugár polaritáméréén kívül meg kell határozni a fény párhuzamoan é merőlegeen polarizált rézei közötti fázieltolódát é amplitúdóváltozát. beeő fényugár ρ merőlege réz film párhuzamo réz beeéi ík ρ vizavert fényugár imert beeő fényugár mért vizavert fényugár hordozó fázieltolódá : 0 < Ψ < 360 levegő film amplitúdó-változá Ψ: 0 < Ψ < 90 hordozó 2. ábra Az ellipzométere méré elve Az ellipzometria alapegyenletei (egyzerűítve): P i tan Ψ e = é tanψ = P

4 amelyekben Ψ, ill. P é hányadoa egyenlő a telje vizaveré utáni párhuzamo é merőlege réz fényamplitúdóinak vizonyával, a fázieltolódá zögmértéke. A technikailag egyzerűen kezelhető ellipzométerrel Ψ-t é -t kell mérni, de értelmezéük é az eredmények kiértékelée bonyolult, cak numerikuan végezhető el, ezért vált ez a 100 éve imert módzer a gyakorlatban cak a zámítátechnika által haználhatóvá. A rétegvatagág ilyen áttétele meghatározáához meg kell mérni, ill. előzeteen be kell állítani a hordozó é a folyadék anyagának törémutatóját, valamint a fény beeéi zögét. Az ellipzométer hiteleítééhez kívánt vatagágú rétegeket kell kézíteni, amihez a zokáo felzórá, gőzölé vagy hengerlé nehézke, mivel a felvitt réteg vatagágát meg kellene mérni má módzerrel. Imert rétegvatagágot megbízhatóan lehet előállítani az ún. Spin- Coating eljáráal, amely zerint egy forgó tárcára vatagon felvitt olajból a forgá az időtől, a fordulatzámtól, a tárca ugarától, a felvitt olaj mennyiégétől, űrűégétől é vizkozitáától függő mennyiéget odor le. Fonto a hőmérékletnek az olaj megadott vizkozitáához tartozó értéken tartáa, mivel a dinamiku vizkozitá erően hőfokfüggő. Tömítőrendzerek megítélée A hidraulikahengerben mozgó dugattyú (vagy hajtórúd) kifelé irányuló, nekifezülő mozgáakor a tömíté feladata a vezetőpályára tapadt kenőanyag lehúzáa (3. ábra), a tömíténél ekkor cekély a nyomá, befelé irányuló, húzómozgákor a tömítőrendzernek nagy nyomáon viza kell juttatnia a rendzerbe a kimenetkor a hajtórúdon maradt olajréteget. A rétegvatagág mérééhez a hajtórudat é a tömítőrendzernek úrlódávizgáló próbapadra zerelve állítottak elő olajréteget, a zükége nyomá é ebeég mellett. Az óvatoan kiemelt hajtórúdon ezután elvégezték az ellipzométere vatagágmeghatározát. A műzer mikrofolt-optikája már kb. 10x30 µm-e darabokon mér, lehetővé téve az olajréteg 0-tól 600 nm-ig terjedő topográfiájának letapogatáát, majd az átlago vatagág kizámítáát. A tapaztalatok zerint a tömítéekkel így előállított vékony olajréteg több órán át zétfutá nélkül megmarad.

5 vezeté olajlehúzó hajtórúdtömíté kifelé irányuló (tazító) befelé irányuló (húzó) mozgá 3. ábra Tömítéek hidraulikahengerben A különböző fajtájú tömítéekkel különböző üzemi feltételek mellett képződő olajrétegeket özehaonlítva (1. táblázat) egyaránt megállapítható a hornyolt é a PTFE-pereme gyűrű jó dinamikai tömítőképeége é az O-gyűrű kedvezőtlen tulajdonágai. Az utóbbi a hajtórúd bemenő mozgáakor (2 nyomáon) a rajta levő 1275 nm vatag olajrétegből cupán 484 nm-nyit juttat viza a bemenethez a nyomókamrába, a maradék 791 nm-nek a hajtórúd felületével képzett zorzata az az olajtérfogat, amely hézagot képezve lecöpög. A méréek arról tanúkodnak, hogy a tömíté hátoldalának trukturáláa zintén előegíti az olaj vizajutáát a nyomótérbe: a trukiturált PU hornyolt gyűrű, 2 nyomá é M500 mm/ ebeégű mozgá mellett kétzer olyan vatag olajréteget húzott viza, mint az ugyanolyan felépítéű, de ima gyűrű. Ezzel zemben gyengébbnek bizonyult az olaj lezakítáában, mert a kifelé é befelé irányuló dugattyúmozgá olajréteg-vatagágának hányadoa 0,54 kedvezőbb, mint a 0,63-a érték. Az a kíérleti tény, hogy a trukturálatlan hornyolt gyűrű nyomá nélkül a kifelé mozgó rúdon vatagabb olajréteget hagy, mint amennyit vizaránt magával, azzal magyarázható, hogy új tömítőgyűrűknél néhány ciklu után lokálian még nagyok a rétegvatagág-különbégek. Mivel hézag nem mutatkozott, az 1,5x1,5 mm-e tartomány méréének középértéke nem reprezentatív, így a táblázat zárójelben tünteti fel.

6 1. táblázat Átlago olajréteg-vatagágok különböző tömítéekben Tömíté PU hornyolt gyűrű 2 PU hornyolt gyűrű trukturált hátoldal 2 PTFE pereme gyűrű 2 O-gyűrű 2 PU poliuretán; étegvatagág, nm Hányado kifelé befelé kifelé/befelé (177,36) 66,02 80,65 105,25 150,68 61,48 969, ,38 147,19 105,65 111,41 196,57 739,30 102,25 484,25 PTFE poli(tetrafluor-etilén) 1,20 0,63 0,72 0,54 0,14 0,60 1,00 2,53 Az ábrák é képletek jelöléei, mértékegyégei: h, µm = olajréteg-vatagág η, mpa = vizkozitá w, N/mm 3 = nyomágradien v, mm/ = ebeég p, MPa = nyomá φ = beeéi zög ψ = amplitúdóváltozá D = fázieltolódá Indexek: a kifelé irányuló e befelé irányuló dugattyúmozgá p a beeéi íkkal párhuzamo a beeéi íkra merőlege Irodalom = vektor ρ, g/cm 3 = űrűég m A, g = felvitt tömeg ra, mm = a forgó tárca ugara ω, 1/ = fordulatzám t, = idő δ, mm = az olajfilm vatagága a tárcán Özeállította: Dr. Boro Tiborné Hörl, L., Haa, W.: Beurteilung von Dichtungen durch Schmierfilm-Dickenmeung. = Tribologie und Schmierungtechnik, 52. k. 1. z. jan./febr p Chen, P.; Chua, P. S. K.; Lim, G. H.: A tudy of hydraulic eal integrity. = Mechanical Sytem and Signal Proceing, 21. k. 2. z p Hydraulic eal for gearbox of tip turbine engine. = Sealing Technology, z. p. 13.