Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn. Ekologiczne aspekty smarowania

Transkrypt

1 Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny Katedra Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Ekologiczne aspekty smarowania

2 Plan wykładu 2 1. Wprowadzenie - kilka uwag o smarowaniu, brudzeniu i łożyskach 2. Uciążliwości związane z konwencjonalnym smarowaniem 3. Możliwości rozwiązania problemu brudzenia 4. Przykłady różnych metod rozwiązania problemu brudzenia 5. Podsumowanie

3 Smarowanie 3 Podstawowe cele smarowania to: zmniejszanie tarcia i wyeliminowanie lub zmniejszenie zużycia Osiąga się je poprzez wprowadzenie pomiędzy powierzchnie trących się ciał środka smarowego środek smarowy = smar Najczęściej wykorzystywanymi środkami smarowymi są oleje i smary plastyczne wytwarzane z ropy naftowej.

4 Łożyska 4 Łożysko - część urządzenia technicznego podtrzymująca inną jego część w sposób umożliwiający jej względny ruch obrotowy Łożyska toczne

5 Łożyska 5 To też są łożyska, ale ślizgowe tarcie płynne tarcie mieszane

6 Dlaczego (konwnecjonalne) smarowanie może stanowić problem? 6

7 Dlaczego (konwnecjonalne) smarowanie może stanowić problem? 7 Wiele środków smarowych jest szkodliwych dla człowieka Zanieczyszczeniu ulega środowisko naturalne Zanieczyszczeniu ulegają produkty wytwarzane w procesach przemysłowych (żywność, leki itp.) Brud pogarsza walory estetyczne

8 Plan wykładu 8 1. Wprowadzenie - kilka uwag o smarowaniu, brudzeniu i łożyskach 2. Uciążliwości związane z konwencjonalnym smarowaniem 3. Możliwości rozwiązania problemu brudzenia 4. Przykłady 5. Podsumowanie

9 Jak dotkliwe są zanieczyszczenia? 9 Zużycie ropopochodnych środków smarowych Świat ok mln ton (2008) Pociąg takich cystern o długości 14 tys. km (od Gibraltaru po krańce Syberii) Roczne zużycie w Zachodniej Europie wyniesie 5.3 mln ton (2008) Szacuje się że w Europie do środowiska trafia 13% to jest 690 tys. ton (pociąg o dług. 240 km), (w USA 32% z 11.4 mln ton to jest 3.6 mln ton pociąg o dł km)

10 Jak dotkliwe są zanieczyszczenia? 10 Zużycie w Polsce ok. 300 tys. ton, do środowiska trafia co najmniej 40 tys. ton (przy bardzo optymistycznym założeniu, że tak jak w Europie Zachodniej do środowiska trafia 13%) 1100 takich cystern 3 każdego dnia W Europie z 4.7 mln ton jedynie 3.6% to środki przyjazne dla środowiska

11 Jak dotkliwe są zanieczyszczenia? 11 Olej bazowy zawiera wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) o dużej szkodliwości dla człowieka (rakotwórcze, mutagenne). Zawartość WWA w oleju nowym jest niewielka ale w wyniku zużywania może się zwiększyć krotnie jedna kropla oleju dodana do 100 l wody powoduje niezdatność tej wody do spożycia

12 Plan wykładu Wprowadzenie - kilka uwag o smarowaniu, brudzeniu i łożyskach 2. Uciążliwości związane z konwencjonalnym smarowaniem 3. Możliwości rozwiązania problemu brudzenia 4. Przykłady 5. Podsumowanie

13 Środki zaradcze regulacje prawne DYREKTYWA PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY EUROPY z dnia 23 października 2000 w sprawie ram dla działalności Wspólnoty w dziedzinie polityki wodnej. 13 Załącznik VIII do Dyrektywy 2000/60/WE WSKAŹNIKOWA LISTA NAJWAŻNIEJSZYCH ZANIECZYSZCZEŃ 1. związki organohalogenowe. 2. związki organofosforowe.. 3. związki cynoorganiczne.. 4. substancje rakotwórcze lub mutanogenne. 5. trwałe węglowodory oraz toksyczne i trwałe substancje organiczne 6. cyjanki 7. metale i ich związki 8. arszenik i jego związki 9. biocydy i środki ochrony roślin 10. substancje w zawiesinie 11. substancje powodujące eutrofizacje (zwłaszcza azotany i fosforany) 12. substancje które wywierają niekorzystny wpływ na bilans tlenu (co 4 lata weryfikacja listy zanieczyszczeń)

14 Środki zaradcze regulacje prawne 14 Niemieckie prawo o odpowiedzialności za środowisko: założenie winy - jeżeli zakład potencjalnie mógł być sprawcą zanieczyszczenia przyjmuje się, że był sprawcą Sankcje za zanieczyszczanie wody obejmują grzywny a nawet kary więzienia

15 Środki zaradcze - technika 15 Tradycyjne środki smarowe wyeliminowanie środka smarowego zastąpienie środka smarowego czystszym skuteczne uszczelnienie węzła łożyskowego samosmarne materiały ślizgowe specjalne środki smarowe wykorzystanie innych substancji jako środków smarowych oleje biodegradowalne smary dopuszczone do kontaktu z żywnością woda ciecze procesowe powietrze, gazy

16 Plan wykładu Wprowadzenie - kilka uwag o smarowaniu, brudzeniu i łożyskach 2. Uciążliwości związane z konwencjonalnym smarowaniem 3. Możliwości rozwiązania problemu brudzenia 4. Przykłady Stosowanie bezsmarowych materiałów łożyskowych Smarowanie wodne Smarowanie cieczami procesowymi 5. Podsumowanie

17 Środki zaradcze - przykłady 17 Wykorzystywanie samosmarnych (bezsmarowych) materiałów na łożyska ślizgowe

18 Dzięki czemu jest to możliwe? 18 Bezsmarowe materiały na łożyska ślizgowe Łożyska toczne o zamkniętej budowie

19 19 Czy łożyska bezsmarowe można zastosować w każdym przypadku? Średnie naciski w łożysku [N/mm 2 ] Łożyska bezsmarowe Zamknięte łożyska toczne Łożyska z tarciem płynnym Smarowanie konieczne! Prędkość ślizgania [m/s] Jeżeli nie olejem to czym? TYM CO JEST POD RĘKĄ WODĄ POWIETRZEM MLEKIEM PIWEM KWASAMI..

20 Woda jako środek smarowy trochę historii 20 W statku Great Eastern zużycie łożysk po dwóch podróżach przez Atlantyk wyniosło ok. 60 mm. John Penn (Wlk. Brytania) ~1850 zastąpił łożyska pokryte specjalnym stopem metalu łożyskami z lignostonu (drewna). początek XX w. - kopalnia w Kalifornii Charles F. Sherwood - uszkodzone metalowe tuleje łożyskowe zostają zastąpione kawałkiem gumowego węża kupno patentu przez BF Goodrich

21 Cechy charakterystyczne wody jako środka smarowego 21 Wielkość Woda Olej (ISO VG-32) Lepkość dynamiczna w temp. 40 C [10-3 Ns/m 2 ] (50 x większa) Ciepło właściwe [J/kgK] 4186 ~2000 Mała lepkość powoduje, że łożyska smarowane wodą nie mogą przenosić dużych obciążeń Brak dodatków - słabe właściwości przeciwzatarciowe oraz korozyjne oddziaływanie na typowe materiały konstrukcyjne powodują konieczność stosowania specjalnych materiałów ale z drugiej strony woda nie brudzi, jest powszechnie dostępna i tania, dobrze odprowadza ciepło

22 Cechy charakterystyczne wody jako środka smarowego 22 Mała lepkość* powoduje, że łożyska smarowane wodą nie mogą przenosić dużych obciążeń *lepkość miara oporów przetłaczania cieczy, świadczy też o możliwości uzyskania tarcia płynnego Brak dodatków - słabe właściwości przeciwzatarciowe oraz korozyjne oddziaływanie na typowe materiały konstrukcyjne powodują konieczność stosowania specjalnych materiałów ale z drugiej strony woda nie brudzi, jest powszechnie dostępna i tania, dobrze odprowadza ciepło

23 Konsekwencje charakterystycznych cech wody 23 Mała lepkość Mała obciążalność Zwiększanie długości tulei Zmniejszanie luzu w łożysku Mała grubość filmu Małe straty tarcia Duże ciepło właściwe Prawdopodobnie niska temp. łożyska - ale mała grubość może zmniejszyć ten efekt Niekorzystne właściwości w warunkach niepełnego tarcia płynnego Zwiększanie wymagań dot. stanu dynam. maszyny i równoległości czopa względem panwi Wprowadzenie samonastawności panwi (montażowa lub eksploatacyjna) korozja Konieczne zapewnienie czystości wody (filtracja) Niezbędne specjalne materiały łożyskowe, również powierzchni wału ze względu na korozję

24 Siła [kn] Charakterystyki łożysk smar wodą smar olejem grubość filmu [mikrometry] Przy danym obciążeniu grubość filmu w łożysku smarowanym wodą jest znacznie mniejsza, co zwiększa niebezpieczeństwo awarii

25 Materiały na łożyska smarowane wodą 25 Guma elastyczność gumy umożliwia pracę w warunkach tarcia płynnego nawet przy bardzo małej grubości filmu smarowego. Gumowe łożyska wymagają nierdzewnej powierzchni wału Metalowo-gumowe wkładki do łożyska turbiny wodnej EW Włocławek Tuleje metalowo gumowe z profilowanymi segmentami do zastosowań w małych jednostkach pływających Materiały ceramiczne odporne na ekstremalne temperatury i duże prędkości. Kruche. W warunkach smarowania wodą zachodzą reakcje chemiczne polepszające właściwości filmu smarowego.

26 Inne ciecze jako czynniki smarujące 26 Pompa o tradycyjnej budowie łożyska smarowane smarem plastycznym Pompa o zamkniętej budowie uszczelnienie wału wirnika łożyska smarowane przetłaczaną cieczą Nie ma konieczności uszczelnienia wału wirnika

27 Stosowane materiały 27

28 Sprzęgła przykłady Sprzęgło magnetyczne 28

29 Specyficzne rozwiązania łożysk tocznychprecyzyjne łożyska wieńcowe 29

30 Specyficzne rozwiązania łożysk tocznych łożyska z ceramicznymi elementami tocznymi 30 Hybrid roller bearings (silicon-nitride roller in metal races) are said to last longer and run faster than their allsteel counterparts. Silicon nitride has just 40% the density of steel, which lowers rotational inertia and centrifugal force. Lower friction and less wear from smooth, hard ceramic surfaces let hybrid bearings run cooler with less lubricant. Applications for ceramic rollers include precision bearings for aerospace, machine tools, and racing

31 31 Specyficzne rozwiązania precyzyjnych łożysk tocznych prowadnice liniowe, napędy, śruby pociągowe

32 Plan wykładu Wprowadzenie - kilka uwag o smarowaniu, brudzeniu i łożyskach 2. Uciążliwości związane z konwencjonalnym smarowaniem 3. Możliwości rozwiązania problemu brudzenia 4. Przykłady 5. Podsumowanie

33 Podsumowanie 33 Wyeliminowanie konwencjonalnych środków smarowych upraszcza konstrukcję maszyn i ułatwia ich eksploatację, ale zapewnienie wysokiej trwałości i niezawodności zmodernizowanych węzłów łożyskowych wymaga zmian w ich konstrukcji. Ważnym argumentem za tego rodzaju modernizacjami jest dostosowywanie maszyn do przepisów ochrony środowiska (programy UE) Bezpieczeństwo ekologiczne jest obecnie ważnym aspektem projektowania maszyn i urządzeń M. in. omówione działania doprowadziły do zmniejszenia zużycia środków smarowych z 7.3 kg na głowę w 1990 do 5.6 kg w 2004 roku Szwecja zadeklarowała że do 2020 roku stanie się krajem bez ropy naftowej