A gazdaságos kopásvédelem feltételei

Átírás

1 AZ ÜZEM ENNTARTÁS ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI 1.04 A gazdaságos kopásvédelem feltételei Tárgyszavak: kopás; kopásvizsgálat; kopásvédelem; tribológia; kopási mátrix. A karbantartásban legtöbb problémát a gépelemek kopása jelenti. Az üzemképes állapot fenntartásának előfeltétele a kopás hatásának minimumra csökkentése megfelelő kenéstechnikával, védelemmel és gondozással. Természetesen már a gépi berendezés tervezésekor is szükség van a kopás káros következményeinek megelőzésére. A gépelemek tudománya tribológia néven foglalja össze a súrlódásra, kopásra és kenésre vonatkozó ismereteket. A kopás definíciója és fogalma A gyakorlatban legtöbbször az egymáson súrlódó érintkező felületek kopása okozza a szerkezeti egységek meghibásodását. A DIN szerint a kopás a szilárd testek felületének folyamatos, mechanikai (szilárd, folyékony vagy gáznemű ellenanyagokkal való érintkezés, és relatív elmozdulás által előidézett) hatások következtében végbemenő anyagvesztesége. Az alaptestet és ellentestet, a közbenső anyagot és a környezetet együttesen vizsgálva tribológiai rendszerről beszélünk (1. ábra). a rendszer behatárolása teljes igénybevétel terhelés mozgás ellentest anyaga közbenső anyag alaptest súrlódó pár 1. ábra A kopásnak kitett rendszer a DIN szerint

2 Ennek a meghatározásnak megfelelően a kopás nem anyagra jellemző tulajdonság, hanem egy tribológiai rendszer jellemzője. A kopást befolyásoló tényezők és azok értékei A kopási rendszert két tényező befolyásolja: az igénybevétel összessége és a kopásban részes elemek párosítása. Az igénybevétel összességét a terhelés mértéke, a terhelés időtartama, a mozgás sebessége, a terhelés iránya határozza meg. A kopásban részt vevő anyagok az ellentest, a közbenső test anyaga és az alaptest. Az 1. táblázat koptató párosításokat jelöl. A lehetséges koptató párosítások áttekintése 1. táblázat Koptató párosítás Igénybevétel Kopás jellege Kopási mechanizmus Szilárd test/szilárd test csúszás gördülés felütközés lengés csúszókoptatás gördülőkoptatás ütközőkoptatás lengőkoptatás adhézió, csiszolóhatás adhézió, fáradás fáradás adhézió, fáradás Szilárd test/folyadék Szilárd test/gáz, szilárd részecskékkel áramlás felütközés áramlás felütközés kavitáció cseppfelütközés csúszósugár okozta koptatás felütköző sugár okozta koptatás fáradás fáradás csiszolóhatás fáradás A kopás általában térfogatveszteséget jelent. A párosítástól függően mind az alaptesten, mind az ellentesten fellép ez a veszteség. Így megvan annak a lehetősége, hogy egy meghatározott időintervallum előtt és után, vagy közvetve a tömeg, vagy közvetlenül a geometriai méretek alapján meghatározzák a veszteségi térfogatot. A kopást a súrlódó testek párosításától és az igénybevételtől függően különböző kopási mechanizmusok írják le: Szilárd testek súrlódása: a két test (például a tengely és a csapágy) közvetlenül érintkezik. A nagy hőfejlődés következtében a felületi érdesség kiálló csúcsai összehegedhetnek (berágódás). Ez legtöbb esetben rendkívül nagy kopást és a berendezés kiesését vonja maga után (például amikor az olajadagolás kiesése következtében kenőanyaghiány lép fel). Folyadéksúrlódás: a két súrlódó elemet (például tengelyt és csapágyat) egy kellő vastagságú kenőanyagfilm teljesen elválasztja egymástól. A súrlódási együttható most már csupán a kenőanyag belső ellenállásától függ.

3 A gyakorlatban arra törekszünk, hogy az elmozduló felületek között mindig folyadéksúrlódás vagy teljes kenés érvényesüljön. Ez az állapot azonban csak akkor valósulhat meg, ha a terhelés, a csúszósebesség, a csapágyhézag és a kenőanyag viszkozitása egymással összhangban van. A géptervezőnek tehát már a fejlesztési munka során tekintetbe kell vennie a kenőanyagot. Stribeck részletesebben vizsgálta siklócsapágyakban a vegyes és folyadéksúrlódás viszonyait. A csapágy méretezésekor az olaj szempontjából csupán annak dinamikus viszkozitása lényeges. A határkenés és a vegyes súrlódás feltételei között nem állandóak a viszonyok. Ezért ilyenkor nincs lehetőség pontos méretezésre. A berendezések indításakor és leállításakor a súrlódó elemeknek ezeken a súrlódási körülményeken át kell menni. A tengelyt ezért túlnyomásos olajjal némileg megemelik a csapágyfelület fölé. Nyilván a teljes hidrodinamikai kenés nevezhető ideálisnak. Ehhez azonban állandósult üzemviszonyok és gyakorlatilag állandó fordulatszám szükséges. Súrlódási mechanizmusok A tribológiai igénybevétel következtében a párosított súrlódó elemek között kölcsönhatás lép fel. A kopási mechanizmusok roncsolják a súrlódó elemeket és anyagot távolítanak el a felületekről. A legfontosabb súrlódási mechanizmusok az alábbiak: Adhézió. A határfelületeken kötés érvényesül a molekuláris erők hatására. Ez okozza a berágódást, ami olyankor alakul ki, amikor a fémes sikló- és gördülőelemeket a túl nagy igénybevétel vagy a hiányos kenőanyag-ellátás következtében nem választja el egymástól elegendően vastag olajfilm. Ha az adhéziós kopás egyszer megkezdődik, általában gyorsan, a szerelvény teljes kieséséig folytatódik. Abrázió. Karcoló igénybevétel hatására karcok képződnek. A jelenséget gyakran szemcsés, ásványi anyagok idézik elő (legtöbbször, amikor a gépi berendezés nyersanyagok kitermelését, szállítását és feldolgozását végzi). Fáradás. A rugalmas és képlékeny alakváltozás tartományában fellépő váltakozó igénybevétel hatására keletkező felületi repedések. Gyakran tűlyukacsosság formájában érvényesül sikló- és gördülőcsapágyakban, valamint fogaskerékhajtásokon. Tribokémiai (oxidációs) hatás. A súrlódási hő hatására a környezettel lép kölcsönhatásba a felület. Adott körülmények között akár tartós törést, akár védőhatást idézhet elő. A védőréteg kialakulása olajadalékok hatásának is lehet a következménye. Az ilyen rétegek megakadályoz-

4 hatják a nagy nyomáson és magas hőmérsékleten egymáson elmozduló felületek berágódását. Abláció (lesodródás). Áramló forró gázok hőhatása következtében a felületi réteg roncsolódik és lesodródik. A gépelemek kopásformáinak gyakoriságát vizsgálva megállapították, hogy a csiszolóhatás érvényesülésének gyakorisága 50%-os, az adhéziós kopásé 15%-os. Kerámiamasszák feldolgozásakor viszont a csiszolóhatás érvényesülésének gyakorisága a 90%-ot is meghaladhatja. Kopásvizsgálatok A gyakorlati szakembereket ezen a területen leginkább az érdekli, hogy van-e lehetőség korai diagnózisra. A csapágyak, hajtóművek, motorok stb. kopásállapotának diagnosztizálása a hőmérséklet-változások, a kenési állapot vagy az elhasználódással együtt járó anyagveszteség alapján történhet. Rendkívül hasznos információkat lehet kapni a kenőanyagba került lekopott részecskék vizsgálata alapján. Ennek a vizsgálati módszernek az előfeltétele az olyan zárt kenőanyagrendszer, mint amilyenek belső égésű motorokban, hajtóművekben stb. kerülnek felhasználásra. Olyan elemzési módszereket alkalmaznak, amelyekkel nyomelemek kimutatására is lehetőség van. Ennek megfelelően 0,01%-nál kisebb koncentráció is meghatározható. A ferrográfiai módszer alapján a kenőolajban lévő mágneses tulajdonságú kopási részecskék mennyiségét, nagyságát és alakját egyaránt meg lehet állapítani. A vizsgálat során a ferromágneses kopási termékek egy homogén mágnestér mentén kiválnak. A folyamatosan változó mágneses térerővel rendelkező mérőszakaszon kapjuk a ferrogramot. A módszer egyszerű és a készülékek kényelmesen kezelhetők. Természetesen ez csak ferromágneses kopási termékekre érvényes. Az atomspektroszkópiai elemzés csak mennyiségi adatokat szolgáltat, a részecskék alakjáról és nagyság szerinti elosztásáról nem nyújt felvilágosítást. A korszerű berendezések legfontosabb része a láng nélküli elektronikus atomizátor, az ETA. Ezzel a minta koncentrációját a nano- és pikogram tartományokban ( ) lehet értékelni. A készülékkel mindenekelőtt folyadékminták vizsgálhatók. A számítástechnika és a numerikus grafikus képernyőtechnika segítségével az elemzési folyamat automatizálható. A rendszer műszaki diagnosztikai célokra sokoldalúan használható fel. A részecskekoncentráción túlmenőleg a károsodás menetére is lehet következtetni. Követni lehet az elhasználódás mértékét. Más olajelemzési módszerekkel is összehasonlíthatók az eredmények.

5 A periodikus spektroszkópiás olajellenőrzés módszerét manapság többek között eredményesen alkalmazzák a gépiparban. Jelentős előny az üzembiztonság növelése, a kopási károsodások felismerése és a gépi berendezések kiesésének csökkentése szempontjából. A kopásvédelem feladatai és céljai A kopásvédelem megvalósítható konstrukciós változtatással, értékesebb szerkezeti anyagok felhasználásával és a gépelemek védőbevonattal való ellátásával. Konstrukciós változtatások gördülőcsapágy felhasználása siklócsapágy helyett, csővezetékívek esetében az áramló anyaggal való vonalas érintkezés helyett felületi érintkezés, csigák esetén a csigafelek helyett teljes csiga alkalmazása az átmeneteknél fellépő anyagáramlási zavarok kiküszöbölésére. Értékesebb alapanyagok felhasználása rozsdaálló nemesacél felhasználásával lehet elkerülni a korróziót és növelhető az alapanyag szívóssága, egyszerű szerkezeti anyagok helyett a kopásnak kitett részeken kopásálló különleges acélokat kell tervezni, a kopásnak kitett gépelemek anyagaként különleges öntvényeket lehet választani. (Pl. a mangánötvözésű acélöntvény mind a csiszoló-, mind az ütőhatással szemben egyaránt ellenáll.) Bevonatkészítés gépelemeken korrózióvédő festés, szivattyúházak és futókerekek bevonása kerámiatöltésű kombinált anyagokkal (az alapanyag szerkezeti acél, a bevonat polimer kombináció), kopásálló, többrétegű anyag (a hordozó alapanyag szerkezeti acél, felrakóhegesztés Fe-Cr-C ötvözettel), Fe-, ill. Ni-alapanyagú sajtoló- és szállítócsigák bevonása nagy kopásállóságú olvasztott volfrám-karbiddal, csapágy- és tömítőgyűrű-fészek bevonása nagy energiájú termikus szórással (a felület keménységének növelése és a súrlódás csökkentése a felület simasága révén). A fenti lehetőségek kihasználásával csökkenthető a kopás. A módszer megválasztásakor több szempontra kell figyelemmel lenni. A kopásra igénybe

6 vett közegek általában eltérő anyagúak. Amennyiben egy gépelem kopásának csökkentéséről kell gondoskodni, tisztázni kell, milyen igénybevételre és milyen típusú koptatóhatásra kell számítani. Ezt követőleg lehet megválasztani a legmegfelelőbb módszert, módszerkombinációt és anyagot. Ezt könnyíti meg a 2. táblázatban feltüntetett kopási mátrix. A kopás elleni védelem szempontjából nem egyedül a megválasztott anyag keménysége a mérvadó, vagyis, hogy mennyire képes ellenállni egy nála keményebb anyag behatolásának. Amennyiben a kemény részecskék csaknem merőlegesen támadják a felületet, a lágy polimerek, ill. a gumi, nagyobb kopásállóságot biztosít, mint valamely igen kemény anyag. Nemcsak a koptató anyag iránya és sebessége, hanem alakja és nagysága is befolyásolják a koptatóhatást. 2. táblázat Kopási mátrix Hegesztéstechnológia Anyag Adhézió Abrázió Korrózió Kavitáció Autogénhegesztés különleges volfrám-karbid x x x x x MÍG króm-karbid, vegyes karbidok x x WIG stellitek, különleges ötvözetek x OA króm-karbidok, vegyes karbidok x x x PTA WC, stellitek x x x x Por WC nikkel alapanyagban x x x Kompozit polimerek 855 MX2 WC = volfrám-karbid MX3 x = alkalmas MX4 = igen alkalmas S3 x = nagyon alkalmas S4 x x x x x x x x x x x Erózió A kopás elleni védelem megválasztásakor további kritérium az érvényesülő hőmérséklet. Igen magas hőmérséklet esetében például a gumi már nem alkalmazható. A magasabb hőmérsékletek tartományában az abszolút hőmérsékleten kívül a hőmérsékletváltási ciklus is fontos kritérium. Ilyenkor ügyelni kell arra, hogy a kötésben részt vevő anyagok hőtágulási tényezője hasonló legyen, illetőleg, hogy a felvitt porréteg képes legyen az eltérő hőtágulási értékek által előidézett feszültségeket felvenni. Egy egyszerű bevonatkészítési feladat egy cső belső felületének kopásvédelmi problémája példája mutat rá, hogy bevezetőben milyen kérdéseket kell tisztázni: Milyen nagyok az üzemi nyomások és hőmérsékletek (anyag megválasztása)? Milyen közeg áramlik a gépelemen keresztül?

7 Mi a fő kopástípus (korrózió/abrázió)? A gépelem előállítható-e öntvény formájában (darabszám)? A szerkezeti elem előállítható-e két félköpenyből (hozzáférhetőség)? Mekkora legyen a szerkezeti elem falvastagsága? Mekkora legyen a biztonság a tönkremenetellel szemben? Mekkora a tűrés a külső és belső átmérőre (esetleg utólagos megmunkálás)? Mekkora lehet a felület érdessége (szállított mennyiség)? Elegendő-e a falvastagság ahhoz, hogy felrakóhegesztéssel kezeljék? Felrakóhegesztés esetén elég nagy a cső belső átmérője ahhoz, hogy a hegesztőpisztoly hozzáférjen? Elegendő-e a pisztolytól a csőfalig a távolság ahhoz, hogy a feltöltött részecskék kinetikai energiája biztosítsa felütközéskor a szükséges kötőerőket? Megfelelne-e a korrózió ellen védőfestés? Mennyire munkaigényes a meghibásodott alkatrész cseréje (tömítetlenség stb. esetén)? Mennyibe kerülhet a bevonatkészítés? A feltett kérdések nagy száma jelzi, hogy milyen széles azoknak a lehetőségeknek a választéka, amelyekkel ezeket a feladatokat teljesíteni lehet. Fontos kérdés a gazdaságosság. Így például lehetőség van arra, hogy nagy kopásállóságú anyagot nagy vastagságban vigyenek fel hegesztéstechnikai módszerrel, akár 5 mm vastagságban egy alkatrészre. Amennyiben azonban a munkadarab mintegy 0,5 mm vastag kopás után használhatatlanná válik vagy csökken a teljesítmény, akkor ez a bevonat túlméretezett volt. Egyes szerkezeti elemek esetében elegendő, ha a kopásnak kitett részeken részleges bevonatot készítenek, ill. különböző kopásvédő anyagokat használnak fel. Kopásvédelem keverőcsigán készített bevonat példáján Az alábbi példa mutatja, hogy a kopás elleni védelem mindig meghatározott feladat megoldására irányul. A kopás elleni védelem célja, hogy lehetőleg egy általános javításnak megfelelő élettartamot tegyen lehetővé. Ez idő alatt a példában egy ikertengelyes keverőcsiga szállítóteljesítménye ne csökkenjen. Ennek megfelelően követelmény például, hogy egyrészt a külső átmérő állandó maradjon, másrészt a felület érdessége egy bizonyos értéket ne haladjon meg. A csigán vas alapanyagba ágyazott (WC-W 2 C) olvasztott volfrám-karbid anyagú hegesztőadalékot használtak fel. Arra kellett törekedni, hogy a hegesztés folyamán a kemény betétanyag ne olvadjon meg, hanem egyenletes megoszlásban maradjon a heganyagban. Azok a részecskék, amelyek mégis meg-

8 olvadnak, tiszta WC monokarbid, ill. FeW és C formájában növelik az alapanyag keménységét. Amennyiben az oldott karbidok részaránya túl nagy, akkor az alapanyag egyrészt ridegedik, másrészt a beágyazott kemény részecskék hiánya nem nyújthat kopás elleni védelmet. A felrakóhegesztésnél tehát a hőhatás nagyságára kell ügyelni. Az ilyen kombinált anyagok felhasználásakor arra kell törekedni, hogy a kemény betétanyagok szemcsenagysága összemérhető legyen a koptatóhatású anyag szemcseméretével. Amennyiben ez nincs biztosítva és például a kemény betétanyagok szemcsenagysága túl nagy a koptató anyag szemcsenagyságához képest, akkor az utóbbi kimossa a kemény szemcséket az alapanyagból. Ha viszont a kemény betétszemcsék túl kicsik, a koptató anyag nagyobb szemcséi kitörik ezeket az alapanyagból. A hajtásoldalon nem szabad ezt a volfrám-karbid-olvadék tartalmú feltöltőanyagot felhasználni. A megválasztott szemcsenagyság-eloszlás következtében túl durva felület jönne létre, ami a szállítási folyamat szempontjából jelentős ellenállást képviselne. Ilyen esetekben elsősorban a vas alapanyagok kerülhetnek felhasználásra, amelyek a króm (Cr) és karbon (C) ötvözőkkel króm-karbidot képeznek. További ötvözőanyagok kombinálásával a bevonat tulajdonságai a követelménynek megfelelően módosíthatók, és sima, kemény, kopásálló védőbevonat hozható létre. Lehetőség van ezeknek az adalékanyagoknak hegesztőautomatán való felhasználására és ezáltal pontosan meghatározott tulajdonságú, egyenletes, reprodukálható rétegvastagság létesítésére. Új anyagok a kopásvédelemben A fejlesztési munkák eredményeként egyre újabb anyagok állnak rendelkezésre kopás elleni védelem céljaira. DCL (gyémánt jellegű karbon) réteget használják fel például szivattyúcsapágy futófelületein. Ezek a rétegek, közel gyémántkeménységűek. Súrlódási felületeket, szárazon, 0,05 1 µm (érdesség) jellemzi, szemben az acélnál szárazsúrlódáskor érvényesülő 1 1,5 µm-al. Az ilyen bevonatok keménysége és súrlódási viselkedése kielégíti a legszigorúbb követelményeket is. Az ilyen bevonatok azonban gazdaságosan csak akkor használhatók fel, ha a szivattyúk kiesése, ill. cseréjük időigényessége arányban van a bevonatkészítés költségeivel. (Dr. Barna Györgyné) Roberts, J.: Wirtschaftlicher Verschleißschutz zugeschnitten auf den Anwendungsfall. = AufbereitungsTechnik, 42. k. 8. sz p Cornu, O.: Dienstleistungen im Bereich Tribologie. Dem Verschleiss auf der Spur. = Schweizer Maschinenmarkt, sz. aug. 2. p