Wpływ teksturowania powierzchni ślizgowej łożyska na właściwości dynamiczne wirujących wałów

Transkrypt

1 TOFIL Szymon 1 KRZYWICKA Monika 2 Wpływ teksturowania powierzchni ślizgowej łożyska na właściwości dynamiczne wirujących wałów WSTĘP Drgania elementów wirujących są poważnym problemem w eksploatacji maszyn. Główną przyczyną powstawania drgań są niewyważenia [15,17]. Grządziela [10] definiuje obiekt niewyrównoważony jako obiekt wirujący, który wywołuje dynamiczne obciążenie łożysk. Nierównoważone obiekty wpływają na wydajność maszyn wirnikowych, zmniejszają zakres stabilnej pracy, a w konsekwencji ograniczają maksymalną prędkość operacyjną [16].W elementach maszyn narażonych na drgania powstają cyklicznie zmienne naprężenia i odkształcenia. Długotrwałe oddziaływanie naprężeń powoduje przekroczenie granicy zmęczenia materiału i w konsekwencji doprowadza do pęknięć drgającego elementu. Duże wartości amplitud odkształcenia w wyniku ruchu drgającego mogą doprowadzić do przytarć w szczelinach pomiędzy wirującymi i nieruchomymi elementami maszyny. Drgania wirujących elementów maszyn są przyczyną różnego rodzaju uszkodzeń takich jak: uszkodzenia łożysk, uszczelnień, pęknięcia wałów i wirników, uszkodzenia zazębień przekładni zębatych, sprzęgieł, połączeń śrubowych itp. [15,17]. Szczególnie niebezpieczną formą drgań zachodzącą przy pokrywaniu się częstotliwości drgań własnych urządzenia z częstotliwością sił wymuszających jest rezonans. Do wzbudzanie drgań rezonansowych i wzrostu obciążenia dynamicznego może doprowadzić przekroczenie tolerowanego niewyrównoważenia wirników [10]. Rezonans występuje dość powszechnie w otaczającym nas świecie i niekiedy jest zjawiskiem specjalnie wywoływanym np. dzwonienie dzwona, badania diagnostyczne. W znacznej większości przypadków jest zjawiskiem niepożądanym, którego powinniśmy unikać lub zabezpieczać się przed nim. Dość powszechnie krótkotrwałe zjawisko rezonansu występuje podczas wybiegu maszyny, gdy elementy wirujące zmniejszając swoją prędkość od prędkości nominalnej do całkowitego zatrzymania przechodzą kolejno przez prędkości krytyczne [15,17]. Istotny wpływ na położenie prędkości krytycznej ma również sztywność podpór. Ponieważ najczęściej sztywność pomiędzy płaszczyzną pionową i poziomą różni się, analizując wykresy amplitudowo-fazowe, można odczytać dwie różne prędkości w zależności od nadzorowanej płaszczyzny. Często obserwuje się sprzężenie pomiędzy płaszczyznami odbijające się na kształcie charakterystyki wybiegowej. W nadzorze maszyn do identyfikacji prędkości krytycznych wału wykorzystuje się najczęściej sygnał pochodzący z wiroprądowych przetworników przemieszczeń drgań. Analizę takiego sygnału prowadzi się stosując dwa typy prezentacji: tj. tzw. wykres Bodeg'o oraz wykres Nyquista. Wykres Bodeg'o przedstawia poziom amplitudy oraz fazę drgań w układzie kartezjańskim w funkcji prędkości obrotowej [25]. Ważnym parametrem stanu maszyny, który może być oszacowany na podstawie wykresu Bodeg'o jest współczynnik wzmocnienia w rezonansie Q. Jego duża wartość wskazuje na słabe tłumienie układu a więc i wysoką wartość amplitudy w rezonansie, natomiast niska wartość Q oznacza, że układ jest dobrze wytłumiony [25] Niewyważenie elementów wirujących jest problemem z którym ludzie spotykają się na co dzień w pracy i w domu. Niewyważonymi elementami wirującymi mogą być wały i wirniki maszyn elektrycznych, koła samochodu, niewyczyszczone wentylatory komputerów lub klimatyzacji, silniki 1 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra Inżynierii Eksploatacji, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, Kielce, Tel , tofil@tu.kielce.pl 2 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Podstaw Techniki; Lublin; ul. Doświadczalna 50A. Tel: , monika.gruszecka@up.lublin.pl 10641

2 samolotów przed naprawą bądź nierównomiernie rozłożone pranie w bębnach wirówek. W przemyśle niewyważenie przyspiesza rozwój uszkodzeń maszyn w wyniku dużego obciążenia dynamicznego przez co skraca czas pomiędzy naprawami i obniża ich dyspozycyjność, co powoduje wzrost kosztów produkcji [15,17]. Przekroczenie wartości dopuszczalnych niewyważenia w maszynach elektrycznych może prowadzić do ich uszkodzenia, a także zagrożenia życia obsługi. Zmniejszenie go do wartości dopuszczalnych jest wystarczające do tego, aby maszyna pracowała stabilnie, czyli z dopuszczalnym poziomem drgań. Niewyważenie elementów wirujących występuje wówczas, gdy rozkład mas nie jest symetryczny względem osi obrotu [10, 15-17]. Przyczyny powstawania takiego stanu są różne i można je sklasyfikować jako: błędy konstrukcyjne, wady materiałowe, błędy wytwarzania i montażu oraz uszkodzenia eksploatacyjne. Pierwsze trzy grupy wyjaśniają powstawanie niewyważenia początkowego czyli występującego po procesie produkcji elementu wirującego, a czwarta grupa opisuje niewyważenie powstałe w wyniku eksploatacji maszyn [15]. Niewyważenie elementów wirujących prowadzi do powstania niezrównoważonych sił i momentów odśrodkowych, które powodują następujące skutki: duże reakcje dynamiczne na łożyska, pęknięcia zmęczeniowe, zwiększenie luzów mechanicznych oraz emisja męczącego hałasu i drgań [14,15]. Siły tarcia także mają wpływ na działanie wielu maszyn wirujących [28]. Siły tarcia i zużycie węzła tribologicznego można zmniejszyć poprzez wytworzenie optymalnej topografii powierzchni [1-5,7-9,12-14,18-24, 26-27]. W literaturze szeroko poruszane są aspekty wpływu tekstury na procesy tarcia, zużycia i smarowania [1-3] natomiast brak informacji na temat wpływu tekstury na właściwości dynamiczne elementów węzłów tarcia. Dlatego celem niniejszego opracowania jest określenie wpływu teksturowanej powierzchni ślizgowej łożyska na właściwości dynamiczne wirujących wałów. 1 OBIEKT I METODYKA BADAŃ Przedmiotem badań był węzeł tarcia z wirującym wałkiem o średnicy 10mm wykonanym ze stali węglowej konstrukcyjnej wyższej jakości ogólnego przeznaczenia C45 wg EN :1991. Skład chemiczny stali C45: C 0,46%, Si max. 0,40%, Mn 0,65%, Cr max 0,40%, Mo max. 0,10%, Ni max. 0,40%, S i P max 0,04%. Stal C45 charakteryzuję się dużą wytrzymałością i znaczną ciągliwością. Może być stosowania w stanie normalizowanym i ulepszonym cieplnie lub po hartowaniu powierzchniowym. Stal C45 znalazła zastosowanie m.in. na wały korbowe, osie, wrzeciona oraz koła zębate. Stal użyta na próbki nie była hartowana. 1.1 Laserowe wytwarzania powierzchni z teksturą Schemat stanowiska do laserowego teksturowania powierzchni wałka wykonanego ze stali C45 przedstawiono na rysunku 1, którego elementem wykonawczym jest laser TruMicro 5235c firmy TRUMPF o następującej charakterystyce: typ lasera: pompowany diodowo impulsowy laser dyskowy z generacją 3 harmonicznej długość fali: 343 nm moc średnia: 5 W czas trwania impulsu: 6,2 ps częstotliwość impulsu 400 khz z możliwością podziału prze liczbę naturalną od 1 do maksymalna energia impulsu: 12,6 μj mod: TEM 00 M 2 = 1,3 fluencja: 4,8 J/cm 2 Przy krótkich impulsach laserowych rzędu pikosekund ma miejsce zimna ablacja laserowa [25]

3 Rys. 1. Schemat stanowiska do laserowego teksturowania powierzchni [25]. Na powierzchni wałka wykonano tekstury w kształcie czaszy o powtarzalnych wymiarach geometrycznych: średnica 150 µm, głębokości 8 µm, odległość pomiędzy elementami tekstury w kolumnie 190 µm, odległość pomiędzy elementami tekstury w wierszu 165 µm, średnia objętość pojedynczego wgłębienia wynosi ok µm 3. W tym celu wykorzystano oprogramowanie dostarczone wraz z wyżej opisanym urządzeniem laserowym pozwalające m.in. na drążenie otworów. Jest to standardowa procedura, w której możemy zadawać konkretne wartości wymiarów oczekiwanych dla wgłębień tekstury. Na rysunku 2 przedstawiono widok ogólny powierzchni wałka z teksturą, a na rysunku 3 przedstawiono profil oraz analizy powierzchni wytworzonych zagłębień. Stopień pokrycia teksturą wynosił ok. 20%. Rys. 2. Widok powierzchni wałka - z lewej w pow. 50x z widoczną teksturą jak i nie zmodyfikowaną powierzchnią natomiast z prawej w pow. 200x widok tekstury. Rys. 3. Przykładowy widok profilu powierzchni (z lewej) oraz pomiaru objętości (z prawej) pojedynczego elementu tekstury

4 Wszystkie zdjęcia zostały wykonane za pomocą mikroskopu cyfrowego HIROX KH-8700 znajdującego się na wyposażeniu Centrum Laserowych Technologii Metali Politechniki Świętokrzyskiej i PAN. Mikroskop ten umożliwia wykonanie standardowych fotografii w 2D i ich analizę za pomocą wbudowanego oprogramowania posiadającego także możliwość generowania obrazów w 3D. Dzięki temu możemy otrzymać m.in. widok profilu badanej powierzchni (lewa strona rysunek 3) a także dokonać oszacowania objętości pojedynczych elementów tekstury (prawa strona rysunek 3). Zaprezentowane fotografie mają jedynie charakter poglądowy wykonywanych pomiarów geometrycznych tekstur. 1.2 Stanowisko do badania właściwości dynamicznych elementów wirujących Badania przeprowadzono na stanowisku badawczym opisanym poniżej, którego zasadniczą cześć stanowi urządzenie RK-4. Rotor Kit RK-4 jest układem pozwalającym na demonstrację typowych nieprawidłowości występujących w pracy maszyn wirujących. Składa on się z napędzanego silnikiem prądu stałego wałka podpartego na dwóch łożyskach ślizgowych (rysunek 4). Na wałku mocowane są opcjonalnie jedna lub dwie masy wirujące w postaci tarcz. Stan dynamiczny maszyny kontrolowany jest poprzez zestaw czujników wiroprądowych mocowanych w jednakowej pozycji względem wałka lecz w dwóch prostopadłych do siebie płaszczyznach na specjalnie do tego celu przeznaczonych wspornikach umiejscowionych w połowie odległości pomiędzy podporami wałka. Dodatkowo tuż za silnikiem mocowane są: czujnik do pomiaru prędkości obrotowej oraz czujnik znacznika fazy do kontroli przesunięcia fazowego. Wszystkie czujniki podłączone są do układu akwizycji danych z kartą AC. Przetworzone już na postać cyfrową dane są następnie przesyłane łączem równoległym do komputera. Rys. 4. Widok ogólny układu Rotor Kit RK-4 (u góry) oraz schemat umiejscowienia czujników względem wałka (na dole) Badania eksperymentalne W przeprowadzonym eksperymencie teksturowaniu poddano czopy łożyska zastosowano teksturę o siatce kwadratu z wgłębieniami o średnicy d=150 µm, głębokości około 8 µm i stopniu zaczernienia ok. 20%. Teksturę nałożono na obydwu czopach testowego wałka

5 Procedura badania obejmowała rozbieg od 0 do 3000 obr/min a następnie wybieg wałka do prędkości ok. 300 obr/min. W tym czasie mierzono maksymalną amplitudę drgań a także prędkość krytyczną układu. Obróbka i prezentacja danych odbywa się przy wykorzystaniu własnego programu w środowisku LabView. Analizując zebrane dane możemy wyliczyć częstotliwość rezonansową oraz współczynnik tłumienia Q wirującego wałka w oparciu o wykres Bodeg'o. Wyniki badań przedstawiono w postaci wykresów na rysunkach 5-8 i zestawienia w tabelach 1-4 dla wałków z teksturą i bez tekstury. BEZ TEKSTURY ROZBIEG Rys. 5. Widok ogólny okna pomiarowego dla wałka bez tekstury rozbieg (u góry czujnik 1, na dole czujnik 2) Tab. 1. Rozbieg (bez tekstury) - zestawienie Numer czujnika Maksymalna amplituda drgań [mm] Prędkość krytyczna układu [obr/min] Częstotliwość rezonansowa [Hz] Współczynnik tłumienia Q 1 0, ,25 204,649 15, , ,44 207,077 18,

6 Z TEKSTURĄ ROZBIEG Rys. 6. Widok ogólny okna pomiarowego dla wałka z teksturą rozbieg (u góry czujnik 1, na dole czujnik 2) Tab. 2. Rozbieg (z teksturą) - zestawienie Numer czujnika Maksymalna amplituda drgań [mm] Prędkość krytyczna układu [obr/min] Częstotliwość rezonansowa [Hz] Współczynnik tłumienia Q 1 0, ,51 205,827 17, , ,31 208,006 22,0815 BEZ TEKSTURY WYBIEG 10646

7 Rys. 7. Widok ogólny okna pomiarowego dla wałka bez tekstury wybieg (u góry czujnik 1, na dole czujnik 2) Tab. 3. Wybieg (bez tekstury) - zestawienie Numer czujnika Maksymalna amplituda drgań [mm] Prędkość krytyczna układu [obr/min] Częstotliwość rezonansowa [Hz] Współczynnik tłumienia Q 1 0, ,8 208,057 15, , ,41 211,682 18,2413 Z TEKSTURĄ WYBIEG 10647

8 Rys. 8. Widok ogólny okna pomiarowego dla wałka z teksturą wybieg (u góry czujnik 1, na dole czujnik 2) Tab. 4. Wybieg (z teksturą) zestawienie Numer czujnika Maksymalna amplituda drgań [mm] Prędkość krytyczna układu [obr/min] Częstotliwość rezonansowa [Hz] Współczynnik tłumienia Q 1 0, ,65 209,927 15, , ,78 210,463 18,1424 Analiza otrzymanych wyników Przedstawione wyniki badań wykazują, że przy odpowiednio dobranych parametrach pracy lasera i przy zastosowaniu odpowiedniej automatyki sterującej możliwe jest wytworzenie zagłębień o wybranych kształtach i powtarzalnych wymiarach geometrycznych na powierzchni danego elementu. Wytworzone tekstury pełnią rolę mikrozasobników olejowych, poprawiając skuteczność smarowania pary ślizgowej czop wału - łożysko. Przeprowadzone badania tribologiczne potwierdzają korzystny wpływ teksturowania powierzchni wirującego wału na poprawę właściwości dynamicznych wirującego wałka. Z przeprowadzonych badań wynika także, że właściwości dynamiczne wirującego wałka zależą również od stanu powierzchni czopów. W przeprowadzonych badaniach wykazano następujące zmiany parametrów dynamicznych wywołane obecnością tekstury: zwiększenie wartości częstotliwości rezonansowej przy rozbiegu dla wałka z czopami teksturowanymi, zmniejszenie wartości częstotliwości rezonansowej przy wybiegu dla wałka z czopami teksturowanymi, zwiększenie wartości współczynnika tłumienia Q przy rozbiegu oraz jego zmniejszenie dla wybiegu wałka z czopami teksturowanymi, zwiększenie amplitudy maksymalnej dla rozbiegu i wybiegu dla wałka z czopami teksturowanymi, zwiększenie wartości prędkości krytycznej układu przy której występuje rezonans podczas rozbiegu i wybiegu dla wałka z czopami teksturowanymi. WNIOSKI Powyższe zmiany właściwości dynamicznych można zakwalifikować w zasadzie jako korzystne dla węzła tarcia z racji tłumienia drgań. Należy tu jednak zaznaczyć, że węzeł tarcia smarowany był jednorazowo smarem plastycznym i trudno orzec jaki rodzaj tarcia miał tam miejsce. Z tych względów uzyskane wyniki należy traktować jako wstępne. Można przyjąć, że wyraźne zmiany dynamiki węzła tarcia będą widoczne przy smarowaniu z rozwiniętym tarciem płynnym ze smarowaniem olejowym

9 W dalszych badaniach należy sprawdzić jaka jest zależność wskaźników dynamicznych od parametrów tekstury, a w szczególności stopnia pokrycia oraz rozmiarów pojedynczego elementu tekstury. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu tekstury na właściwości dynamiczne wirującego wału wykonanego za stali węglowej konstrukcyjnej C45. Oba czopy wałka zostały poddane laserowemu teksturowaniu powierzchni. Zastosowanie ablacyjnej mikroobróbki laserowej miało na celu wytworzenie tekstur powierzchni w kształcie czasz kulistych o powtarzalnych wymiarach geometrycznych (średnica 150 µm, głębokość 8 µm). Wymiary, kształt i gęstość tekstur została dobrane na podstawie przeglądu literatury oraz doświadczeń autorów a stopień pokrycia teksturą wynosił ok. 20%. Wytworzone zagłębienia pełniły rolę mikrozasobników olejowych. Badania potwierdziły, że wytworzenie tekstur wpłynęło na podniesienie progu rezonansu dla wirującego wału oraz zmiany współczynnika tłumienia. Występujące tu zmiany charakterystyk dynamicznych należy oceniać jako korzystne dla węzła tarcia. Influence of the sliding surface texturing bearing on the dynamic properties of rotating shafts Abstract The paper presents results of the influence texture on the dynamic properties of the rotating shaft made of medium carbon steel C45. Both pivots shaft were subjected to laser shaft surface texturing. Application of ablative laser micromachining was intended to produce surface textures in spherical shape of repetitive geometrical dimensions (diameter 150 µm, depth 8 µm). Dimensions, shape and density of texture had been chosen based on literature and authors experiences and density of the texture was approx. 20%. The resulting cavity served as oil pockets. The testing was confirmed that the formation of the textures had contributed to raising the threshold resonance for rotating the shaft and changes the damping factor. Present here changes the dynamic characteristics should be assessed as beneficial to friction. BIBLIOGRAFIA 1. Antoszewski B., Warstwy powierzchniowe z teksturą: kształtowanie wybranymi technologiami wiązkowymi oraz właściwości tribologiczne. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce Antoszewski B., Wpływ tekstury powierzchniowej na skuteczność smarowania pary ślizgowej. Problemy eksploatacji 2012,nr Antoszewski B., Wybrane zagadnienia laserowego teksturowania powierzchni. Logistyka 2010, nr Burakowski T., Napadłek W., Woźniak A., Ablacyjne teksturowanie laserowe czopów wałka rozrządu silnika spalinowego. Inżynieria Maszyn 2011, nr 16 (4). 5. Dumitru G., Romano V., Weber H.P., Haefke H., Gerbig Y., Pfuger E., Laser microstructuring of steel surfaces for tribological applications. Applied Physics 2000, nr A Elsner W., Piątkowski J.: Instrukcji obsługi Systemu Bentley Nevada, Opracowanie wew. Instytut Maszyn Cieplnych PCz, Etsion I., State of the Art in Laser Surface Texturing. Journal of Tribology 2005, nr 127 (1). 8. Gałda L., Koszela W., Pawlus P., Modyfikowanie właściwości tribologicznych przez wykonywanie kieszeni smarowych na współpracujących powierzchniach. Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie 2006, nr Grabona W., Koszela W., Pawlusa P., Improving tribological behaviour of piston ring cylinder liner frictional pair by liner surface texturing. Tribology International 2013, nr Grządziela A., Nowoczesne metody pomiaru drgań w identyfikacji błędów technologicznych maszyn wirujących. Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej 2009, nr Instrukcji obsługi Systemu Bentley Nevada 10649

10 12. Koszela W., Gałda L., Dzierwa A., Sęp J., Pawlus P., Wpływ kieszeni smarowych na powierzchniach ślizgowych na zużycie ścierne. Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie 2010, nr Koszela W., Gałda L., Dzierwa, A., Pawlus, P., Sęp J., Wpływ kieszeni smarowych na zatarcie pary ciernej stal-brąz. Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie 2009, nr Koszela W., Pawlus P., Gałda L., The effect of oil pockets size and distribution on wear in lubricated sliding. Wear 2007, nr Łączkowski R., Drgania elementów turbin cieplnych. Wydawnictwo Naukow-Techniczne, Warszawa Miki N., Teo C.L., Ho L.C., Zhang X., Enhancement of rotordynamic performance of high-speed micro-rotors for power MEMS applications by precision deep reactive ion etching. Sensors and Actuators A 2003, nr Morel J., Drgania maszyn i diagnostyka ich stanu technicznego. Wydawnictwo PTDT, Warszawa Moskovith A., Perfiliev V., Gindin D., Paransky N., Boxman R., Rapoport L., Surface texturing using pulsed air arc treatment. Wear 2007, nr Napadłek W., Burakowski T., Wybrane przykłady powierzchniowego teksturowania laserowego. Inżynieria Materiałowa 2011, nr Napadłek W., Przetakiewicz W., Laserowe teksturowanie płaszcza tłoka silnika spalinowego. Inżynieria Materiałowa 2011, nr Napadłek W., Woźniak A., Teksturowanie laserowe wałka rozrządu silnika spalinowego. Logistyka 2011, nr Napadłek W., Woźniak A., Teksturowanie laserowe warstwy wierzchniej sworznia tłokowego silnika spalinowego w aspekcie tribologicznym. Problemy eksploatacji 2012, nr Nilsson B., Rosen B.G., Thomas T.R., Wiklund D., Xiao L., Oil pockets and surface topography: mechanism of friction reduction. XI International Colloquium on Surfaces. Chemnitz (Germany) Pawlus P., Gałda L., Dzierwa A., Koszela W., Abrasive wear resistance of textured steel rings. Wear 2009, nr Projekt badawczy nr N N Właściwości tribologiczne ślizgowych par tarcia z laserowo teksturowaną powierzchnią, Kielce Rapoport L., Moskovith A., Perfilyev V., Lapsker I., Halperin G., Itovich Y., et al., Friction and wear of MoS 2 films on laser textured steel surfaces. Proceedings of NORDTRIB symposium. Tampere (Finland) Reizera R., Galdab L., Dzierwab A., Pawlus P., Simulation of textured surface topography during a low wear process. Tribology International 2011, nr Zhanga W.M., Menga G., Chenb D., Zhoua J.B., Chena J.Y., Nonlinear dynamics of a rub-impact micro-rotor system with scale-dependent friction model. Journal of Sound and Vibration 2008, nr