MODYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWYCH POWIERZCHNI ROBOCZYCH CZOPÓW WAŁÓW KORBOWYCH W NAPRAWIE

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 127 Tomasz STAWICKI Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Szczecin MODYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI UŻYTKOWYCH POWIERZCHNI ROBOCZYCH CZOPÓW WAŁÓW KORBOWYCH W NAPRAWIE Słowa kluczowe Chropowatość równowagowa, potencjał eksploatacyjny, trwałość, niezawodność. Streszczenie W opracowaniu zwrócono uwagę na potrzebę wprowadzenia zmian w procesie technologicznym naprawy wałów korbowych maszyn rolniczych. Wykazano, że proces szlifowania regeneracyjnego nie spełnia postulatu przystosowania powierzchni roboczych czopów do przyjęcia pełnego zakresu obciążeń eksploatacyjnych po naprawie. Przedstawiono własną koncepcję metody obróbki tarciowej, ukierunkowanej na standaryzację mikrogeometrii powierzchni roboczych czopów. Przedstawiono również wyniki badań zrealizowanych w układzie węzła tarcia, stanowiącego odwzorowanie przewidywanego układu obróbkowego czop narzędzie. Wprowadzenie Względy ekonomiczne uniemożliwiają powszechne zastąpienie maszyn rolniczych starszej generacji nowoczesnymi obiektami technicznymi spełniającymi współczesne kryteria jakości wykonania ergonomiczne, niezawodnościowe oraz bezpieczeństwa pracy. W konsekwencji często użytkuje się

2 128 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS maszyny do momentu wyczerpania zapasu trwałości konstrukcyjnej, co dla większości specjalistycznych maszyn rolniczych oznacza okresy lat eksploatacji [1]. Przy tak długich okresach trwania, wraz ze zmianami w technologii produkcji oraz ze stopniowo wyczerpywanym resursem wzrasta ryzyko skażenia środowiska naturalnego oraz niebezpieczeństwo wystąpienia awaryjnych uszkodzeń zagrażających bezpieczeństwu użytkowników. Z przyrostem czasu eksploatacji większego znaczenia nabierają kwalifikacje użytkowników oraz jakość stosowanych procedur obsługiwania i odnowy technicznej. W przypadku napraw oznacza to potrzebę poprawy parametrów trwałościowo- -niezawodnościowych węzłów najbardziej narażonych na destrukcyjne formy zużywania powierzchni roboczych tzw. węzłów krytycznych. Do typowych węzłów krytycznych maszyn rolniczych zalicza się łożyskowania ślizgowe. W charakterystycznych dla tych węzłów kinematycznych nieustalonych stanach pracy, występujących w czasie rozruchu, zatrzymywania oraz na skutek przeciążeń eksploatacyjnych, nie ma warunków sprzyjających do realizacji smarowania płynnego, uzyskiwanego na sposób hydrodynamiczny [2]. Skutkuje to wzrostem oporów ruchu elementów współpracujących i intensyfikacją zużywania tarciowego. Jest to szczególnie istotny problem w przypadku części podlegających docieraniu adaptacyjnemu po ich regeneracji. Jak wynika z wykonanej analizy procesów naprawczych oraz wykonanych badań własnych [3], powszechnie stosowane metody regeneracyjne, polegające na przywracaniu częściom naprawianym pierwotnego kształtu geometrycznego, stanu chropowatości powierzchni i luzów konstrukcyjnych jak dla części nowych, nie spełniają kryterium gotowości do pełnego obciążenia węzłów od momentu rozpoczęcia procesu użytkowania. Potwierdzają to również wyniki badań stanu mikrogeometrii powierzchni czopów wałów korbowych, które po zalecanych czasach docierania eksploatacyjnego wykazują większe schropowacenie niż po obróbce w procesie naprawy [4, 5]. W związku z tym podjęto problem poszukiwania rozwiązań przystosowanych do zwiększania podatności eksploatacyjnej samojezdnych maszyn rolniczych, poprzez dopracowanie procedury naprawy wałów korbowych. 1. Założenia i metody badawcze Jako problem warunkujący uzyskanie nowoczesnych rozwiązań uznano potrzebę dopracowania metod kształtowania właściwości użytkowych warstw wierzchnich (WW) par ślizgowych, których zastosowanie wpłynie na zmniejszenie zużycia tarciowego oraz awaryjności węzłów krytycznych w okresach adaptacji do zmiennych warunków pracy w rolnictwie. Przyjęto, że chropowatość konstytuowana w długotrwałym procesie docierania eksploatacyjnego (tzw. chropowatość równowagowa) może stanowić nowe kryterium jakości naprawy oraz zmierzano do wykazania praktycznych możliwości jej uzyskiwania.

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 129 Założenie to ukierunkowano na wykorzystanie efektów energetycznych towarzyszących procesowi tarcia do zainicjowania reakcji tribochemicznych skutkujących przebudową mikrogeometrii WW. Sformułowano hipotezę, że w przypadku węzłów krytycznych, za które uznano łożyskowania ślizgowe mechanizmu korbowego maszyn i ciągników rolniczych (węzeł czop panewka), jest możliwe zastosowanie obróbki tarciowej, dzięki której uzyska się postulowane zmiany parametrów mikrogeometrycznych WW. Ponieważ czas trwania docierania oraz zużycie części, w rozpatrywanym węźle tarcia, determinowane są stanem początkowym WW czopów, podjęto badania ukierunkowane na weryfikację możliwości konstytuowania chropowatości równowagowej na ich powierzchniach roboczych. W celu zweryfikowania słuszności postulatów badawczych zaplanowano i zrealizowano laboratoryjne testy tarciowe w układzie węzła tarcia modelującego przewidywany układ obróbkowy czop narzędzie. Próbki w postaci rolek o średnicy 35 mm i szerokości bieżni 8 mm, wykonano ze stali stosowanej na wały korbowe maszyn rolniczych (stal 40HM), natomiast jako przeciwpróbki użyto płytki z węglików spiekanych S20. W przyjętym układzie pary tarcia, próbki (rolki) wykonane zgodnie z technologią kształtowania właściwości użytkowych warstw wierzchnich czopów (hartowanie powierzchniowe na HRC, obróbka szlifowaniem o parametrach szlifowania wykańczającego) modelowały czop wału korbowego, natomiast przeciwpróbka imitowała narzędzie obróbcze. Uzyskano w ten sposób podobieństwo geometryczne i materiałowe do zakładanego układu obróbkowego czop narzędzie. Jako medium smarowe stosowano olej roślinny zawierający w różnym stosunku masowym siarkę czystą do analiz zgodnie z przyjętą nomenklaturą określony mianem a. Spodziewano się, że wygładzenie powierzchni próbek powodowane oddziaływaniami mechanicznymi w strefie kontaktu tarciowego, potęgowane będzie reakcjami tribochemicznymi materiału próbek z olejem zawierającym siarkę, która stanowi jeden z typowych dodatków przeciwzatarciowych do baz olejowych [6]. Do oceny zmian stanu mikrogeometrii powierzchni próbek wytypowano średnią arytmetyczną rzędnych profilu Ra oraz średnią wysokość chropowatości Rz wg 10 punktów profilu. Wyboru parametrów Ra i Rz dokonano ze względu na powszechność ich stosowania oraz współczesne możliwości ich pomiaru zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i terenowych. Badania tarciowe wykonywano przy ustalonych w sposób doświadczalny wartościach wymuszeń: obciążenie węzła P = 199 N, prędkość poślizgu v = 0,31 m/s, zmiennej długości drogi tarcia L = 9,3-139,5 m oraz, w celu weryfikacji powtarzalności efektów procesu, dla stałej długości drogi tarcia L = 93 m (wartości P i v jak uprzednio).

4 130 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS Uzyskane efekty modyfikacji powierzchni tarcia Na pierwszym etapie badań zmierzano do określenia zmian stanu mikrogeometrii powierzchni próbek w zależności od czasu trwania modyfikacji tarciowej i procentowej zawartości siarki w środku smarowym. Na podstawie oceny statystycznej wyników pomiarów profilografometrycznych powierzchni rolek, dokonywano ich kwalifikowania do badań tarciowych (zastosowano parametryczne testy istotności dla wartości średnich parametrów Ra i Rz). Wyselekcjonowane próbki, nieistotnie różniące się chropowatością, poddano procesowi wygładzania przy stałych wartości wymuszeń, tj. prędkości ślizgania i obciążeniu. Do smarowania węzła testowego zastosowano olej roślinny zawierający następujące procentowe zawartości siarki: 0,5%, 1,0% i 2,0% udziały masowe siarki w środku smarowym. Uzyskiwane efekty modyfikacji powierzchni tarcia próbek, w zależności od czasu trwania modyfikacji i zastosowanego środka smarowego, przedstawiono w tabeli 1. Zestawienie tabelaryczne wyników badań dotyczy wybranych próbek, które charakteryzowały się podobnym stanem mikrogeometrii po obróbce szlifowaniem oceniano chropowatość pod względem jakościowym (porównywano profile chropowatości i udziały nośne powierzchni) oraz ilościowym (wartości parametrów Ra i Rz). Tabela 1. Zmiany parametrów Ra i Rz próbek poddanych modyfikacji tarciowej Czynnik smarowy 0,5% 1,0% 2,0% Parametry pracy węzła tarcia Ra Rz Prędkość Czas Wartość Wartość Obciążenie s poślizgu testu średnia średnia v [m s -1 P [N] ] 0, , , ,47 0,34 0,26 0,17 0,13 0,09 0,47 0,30 0,22 0,15 0,13 0,09 0,48 0,35 0,22 0,17 0,043 0,06 0,02 0,03 0,03 0,06 0,06 0,09 0,06 3,10 2,85 2,19 1,84 1,48 1,23 3,10 2,47 1,93 1,61 1,60 1,18 3,04 2,63 2,42 2,20 1,87 1,70 s 0,25 0,20 0,19 0,14 0,19 0,26 0,24 0,15 0,17 0,14 0,12 0,35 0,27

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 131 Dokonano analizy statystycznej zmian wartości Ra i Rz powierzchni próbek w zależności od czasu testu badawczego. Do opisu charakterystyk Ra = f(t) i Rz = f(t)) zastosowano model funkcji krzywoliniowej (rys. 1) i testy statystyczne istotności współczynników kierunkowych równań regresji. Potwierdzono, że zastosowany proces obróbki tarciowej wpływa efektywnie na wygładzenie mikrogeometrii WW próbek. Bardzo dobre dopasowania charakterystyk funkcyjnych Ra = f(t) i Rz = f(t) do danych empirycznych, szczególnie dla olejów zawierających 0,5% i 1,0% siarki, stanowią o możliwości wykorzystania równań regresji do wyznaczenia czasu procesu modyfikacji, niezbędnego do osiągnięcia z góry założonych zmian parametrów chropowatości. Modyfikator 0,5% Modyfikator 0,5% Ra 0,40 0,30 0,20 0,10 Ra = -0,094Ln(t) + 0,6662 R 2 = 0,9923 Rz 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 Rz = -0,5943Ln(t) + 4,8783 R 2 = 0,998 Modyfikator 1,0% Modyfikator 1,0% Ra 0,40 0,30 0,20 0,10 Ra = -0,0774Ln(t) + 0,5626 R 2 = 0,9944 Rz 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 Rz = -0,4389Ln(t) + 3,9442 R 2 = 0,9596 Ra 0,40 0,30 0,20 0,10 Modyfikator 2,0% Ra = -08Ln(t) + 0,5041 R 2 = 0,8316 Rz 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 Modyfikator 2,0% Rz = -0,3495Ln(t) + 3,9017 R 2 = 0,945 Rys. 1. Porównanie efektów procesu modyfikacji powierzchni próbek

6 132 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS Wyniki badań laboratoryjnych, wykonanych w celu sprawdzenia powtarzalności efektów procesu wygładzania próbek (testy dla stałej długości drogi tarcia), opracowane na podstawie pomiarów mikrogeometrii powierzchni próbek przed i po ich modyfikacji, przedstawiono w formie zestawienia tabelarycznego wartości parametrów chropowatości Ra i Rz (tab. 2). Tabela 2. Wartości parametrów Ra i Rz próbek przed i po teście tarciowym Ra Rz Czynnik smarowy Chropowatość powierzchni próbek Nr próbki Wartość średnia s Wartość średnia s przed testem tarciowym ,55 0,49 0,45 0,04 0,04 3,79 3,37 3,17 0,19 0,5% po teście tarciowym ,17 0,14 0,02 0 1,76 1,62 1,69 0,13 przed testem tarciowym ,49 0,64 0,43 0,04 3,19 4,05 2,74 0,29 0,19 1,0% po teście tarciowym ,14 0,22 0,03 0,03 0,02 1,57 2,37 1,76 0,49 0,18 * Parametry pracy węzła tarcia: v = 0,31 m/s, P = 199 N, t = 300 s W celu wykazania jakościowych różnic w stanie mikrogeometrii badanych próbek wykonano pomiary stereometryczne ich powierzchni. Obrazy 3D (rys. 2) stanu geometrycznego próbek, uzyskano w wyniku dokonania 83 równoległych pomiarów chropowatości, na długości odcinka pomiarowego równego 4 mm i przy skoku próbkowania równym 6 mm (obszar powierzchni o bokach 4 x 0,5 mm). Powierzchnie próbek modyfikowanych cechuje brak wysokich wzniesień mikronierówności oraz pozostające po szlifowaniu głębokie wgłębienia, co świadczy o uzyskaniu efektu wygładzenia powierzchni tarcia na skutek płytkozasięgowego ścinania wierzchołków nierówności.

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS 133 a) b) Rys. 2. Porównanie topografii powierzchni próbek przed (a) i po teście tarciowym (b) Wnioski 1. Uzyskane dopasowania charakterystyk funkcyjnych Ra = f(t) i Rz = f(t)) do danych empirycznych, wskazują na dużą pewność przewidywania wartości parametrów chropowatości (współczynniki determinacji R2 bliskie jedności), w zależności od zastosowanych wartości zmiennych niezależnych, tj. obciążenia, długości drogi tarcia i rodzaju środka smarowego. Wskazuje to na możliwość przeniesienia okresu adaptacji strukturalnej (docierania) powierzchni roboczych czopów z fazy użytkowania do procesów obsługiwania. Dzięki temu realne jest pełniejsze wykorzystanie zapasu trwałości konstrukcyjnej oraz ograniczenie prawdopodobieństwa wystąpienia awaryjnych uszkodzeń, w początkowym okresie pracy rozpatrywanych elementów oraz całych węzłów ślizgowych. 2. Dzięki podobieństwu geometrycznemu i materiałowemu modelowego węzła tarcia, do przewidywanego układu obróbkowego czop narzędzie, istnieje możliwość aplikacji wyników badań w warunkach zakładów naprawczych. Stanowi to ważny aspekt utylitarny, ponieważ wskazuje na praktyczną możliwość korygowania stanu mikrogeometrii powierzchni roboczych rozpatrywanych węzłów tarcia.

8 134 PROBLEMY EKSPLOATACJI MAINTENANCE PROBLEMS Bibliografia 1. Dreszczyk E.: Kształtowanie bezpiecznego środowiska pracy i przebywania na terenach wiejskich. Agricultura 98. Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Szczecinie, Szczecin 2004, s Mysłowski J., Dobrzycki J.: Elastyczność rolniczych silników spalinowych. Wydawnictwa Akademii Rolniczej w Szczecinie, Szczecin Stawicki T.: Wpływ modyfikacji powierzchni roboczych na cechy użytkowe łożysk ślizgowych wybranych maszyn rolniczych. Rozprawa doktorska, Akademia Rolnicza w Szczecinie Śliwiński W.: Proces docierania metalowych par trących w warunkach smarowania. Zeszyty Naukowe Politechniki Krakowskiej. Mechanika, z. 71, Kraków Wanke P., Dreszczyk E.: Wytwarzanie wielostrefowych warstw triologicznych na czopach w fazie docierania. Zbiór prac konferencyjnych Problemy Niekonwencjonalnych układów łożyskowych maja Laber S.: Preparaty eksploatacyjne o działaniu chemicznym. Wydawnictwo Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona góra Recenzent: Antoni ISKRA The modification of the features of the working surfaces of the pins of crankshafts during repair Key words Roughness of equal balance, operating potential, durability, reliability. Summary We noticed the need of introducing changes in the technological process of repairing crankshafts of the agricultural machines. We proved that the process of the regenerative grinding does not meet the requirements of the adaptation of the working surfaces of pins that will have to take over the full operational load after repair. We presented our own conception of methods of frictional treatment directed toward the standardisation of the microgeometry of the working surfaces of pins. We also present the results of the research carried out in the configuration of the frictional joint that was a copy of the predicted working configuration pin-tool.