Model komputerowy doboru warstw wierzchnich w zależności od sposobu zużywania

Transkrypt

1 Jerzy Napiórkowski 1, Piotr Szczyglak 2 Uniwersytet Warmińska-Mazurski w Olsztynie Model komputerowy doboru warstw wierzchnich w zależności od sposobu zużywania 1. Wprowadzenie Zjawiskiem towarzyszącym eksploatacji elementów roboczych w procesie użytkowania jest ich zużywanie, będące procesem fizyko-chemicznych zmian jakościowych i ilościowych zachodzących na powierzchni tarcia. Klasyczne podejście doboru materiału w czasie projektowania elementów maszyn obejmuje zależności między funkcją, materiałem, metodą wytwarzania i kształtem elementu [1,3]. Zdecydowanie najwięcej uwagi przypisuje się funkcji elementu poprzez uwzględnienie rodzaju obciążenia, sposobu przewodzenia ciepła, przenoszenia ciśnienia, magazynowania energii przy minimalnej masie, kosztach z maksymalną wydajnością lub bezpieczeństwem. Dobór postaci konstrukcyjno-technologicznych elementów roboczych oraz planowanie przebiegu eksploatacji jest możliwe wtedy, gdy znany jest przebieg wyczerpywania się ich zasobu użytkowego w ustalonym czasie i warunkach. Poznanie procesu wyczerpywania się tego zasobu sprowadza się do identyfikacji strukturalnej, funkcjonalnej i rozwojowej systemu funkcjonowania obiektu [7]. Proces zużywania należy do klasy procesów naturalnych. Oprócz procesów niesterowalnych, na których przebieg nie ma możliwości wpływu, występują również procesy sterowalne. Zakres sterowalności uzależniony jest od stopnia znajomości procesów naturalnych oraz możliwości wpływu na ich przebieg. Racjonalny dobór materiałów wymaga znajomości procesów zużycia nie tylko w wymiarze makroskopowym, ale także znajomości elementarnych procesów występujących w procesie degradacji elementu roboczego. Ogólnodostępna literatura niedostatecznie opisuje kryteria właściwego doboru materiałów konstrukcyjnych pod względem intensywności procesu zużycia [2,6,8,9,10]. Celem pracy jest opracowanie modelu komputerowego doboru warstw wierzchnich elementów roboczych w zależności od sposobu zużywania. 2. Charakterystyka procesów zużywania Identyfikacja przyczyn uszkodzeń elementów roboczych w zależności od wymuszeń zewnętrznych, jest podstawową metodą prowadzącą do zwiększenia niezawodności i trwałości całych maszyn [12]. Intensywność i charakter procesów zużywania węzłów konstrukcyjnych podczas eksploatacji stanowią podstawową informację o prawidłowym doborze materiałów konstrukcyjnych. Powszechnie stosowana jest zasada klasyfikacji zużycia na podstawie obserwacji trzech etapów: współdziałania powierzchni przy tarciu, przeobrażenia powierzchni i niszczenia powierzchni [5]. Podstawowe klasyfikacje zużycia tworzone są z uwzględnieniem wiodącego makroprocesu w praktyce [5,11]. Klasyfikacje te nie są zamknięte i z czasem są uzupełniane o nowo poznane i opisane zużycia. Analiza zjawisk zużywania upoważnia do wyszczególnienia kilku grup czynników decydujących o intensywności ich przebiegu [7,11,12]: 1 Dr hab. inż. J. Napiórkowski, prof.nadzw., Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych, Katedra Budowy Eksploatacji Pojazdów i Maszyn 2 Dr inż., P. Szczyglak, adiunkt, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk Technicznych, Katedra Budowy Eksploatacji Pojazdów i Maszyn 4010

2 Zw = fvpimtc (,,,,, ) (1) gdzie: v - czynniki kinematyczne, np. średnia prędkość względna, rzeczywista prędkość poślizgu; p - czynniki wynikające z obciążenia, np. ciśnienie nominalne, ciśnienie w mikroobszarach, zmienność obciążenia w czasie; I - czynniki związane z właściwościami warstwy wierzchniej, np. grubość warstwy, chropowatość, twardość, naprężenia własne; M - czynniki związane z cechami budowy tworzyw trących, np. mikro i makrostruktura warstwy wierzchniej, skład chemiczny; t - zespół zjawisk cieplnych: temperatura, gradient temperatury, ilość wydzielanego ciepła; C - cechy chemiczne, np. łatwość reagowania z ośrodki zewnętrznymi, zależność przemian od temperatury. Właściwości przeciwzużyciowe w procesie doboru materiałów konstrukcyjnych najczęściej reprezentowane są apriori poprzez stabelaryzowane własności materiałów. W konstrukcjach maszyn można wyróżnić wiele węzłów tarcia. Do najpopularniejszych należą: tarcie metalu o metal, metalu o minerał oraz minerału między dwoma częściami z metalu. W pracy przyjęto następujący podział zużywania [2,6,12]: Zużycie ścierne - ma miejsce, gdy w obszarach tarcia współpracujących elementów występują utwierdzone, albo luźne cząstki ścierniwa lub wystające nierówności twardego materiału. Intensywność zużywania i jego przebieg uzależniony jest od stopnia swobody elementów ściernych. Biorąc pod uwagę to kryterium zużycie ścierne może następować przez: ziarna umocowane we współpracujących powierzchniach, luźne pojedyncze ziarna ścierne, w tym także powstające w obszarze tarcia w wyniku utleniania produktów zużycia, ścieranie w środowisku ściernym, gdy styk ziarna ze ścieraną powierzchnią następuje pod działaniem sił wykonujących pracę ścierania i zgniatania materiału ścierniwa. Zużycie zmęczeniowe - cykliczne oddziaływanie naprężeń kontaktowych w warstwach wierzchnich współpracujących elementów tarciowych wywołuje zmęczenie materiału i w wyniku tego, miejscową utratę spójności i związane z tym ubytki materiału, co stanowi istotę zużycia zmęczeniowego. Ubytek masy następuje dopiero po przekroczeniu przez poszczególne mikroobszary materiału granicznej liczby cykli obciążenia i granicy zmęczenia. Zużycie może przebiegać przez łuszczenie (spalling) oraz gruzełkowanie (pitting). Fetting - to proces szczepienia warstwy wierzchniej dwóch elementów znajdujących się we względnym ruchu ślizgowym posuwisto-zwrotnym o małej amplitudzie. Przyjmuje się, że najczęściej amplituda wynosi około 300 (µm). Przebieg zużywania opisywany jest trzema etapami: I - odkształcenie plastyczne warstwy wierzchniej, II - zniszczenie warstewek tlenkowych pierwotnych, powstanie szczepień, III - niszczenie szczepień poprzez rozerwanie. - - Zużycie adhezyjne - pojawia się przy wzajemnym tarciu powierzchni metalowych bez obecności substancji smarujących. Podczas wzajemnego przesuwania tych trących powierzchni, w mikroobszarach 4011

3 plastycznego odkształcenia warstwy wierzchniej na wierzchołkach nierówności występują lokalne szczepienia metaliczne. Gdy temperatura pracy trących elementów jest wysoka i występują duże naciski jednostkowe to może wystąpić zrastanie tarciowe, będące trwałym połączeniem metalicznym stykających się powierzchni podobnym do zgrzewania dyfuzyjnego. Zużycie utleniające - jest procesem powolnym i ciągłym, przebiega przez stadium niszczenia powierzchniowej warstwy tlenkowej i jej odtwarzania. Zużycie wodorowe - polega na nawodorowaniu metalu, przeważnie stali, prowadzi do znacznego pogorszenia własności mechanicznych materiału. Cyklicznie powtarzające się impulsy cieplne i mechaniczne powodują przemieszczanie się kolejnych dawek atomów wodoru do miejsc ich przechwytywania, aż do osiągnięcia lokalnych stężeń, które zapoczątkowują osadzenie i wzrost pęknięć w mikroobszarach warstw wierzchnich. Korozja - to niszczenie metali w skutek reakcji chemicznej lub elektrochemicznej ze środowiskiem korozyjnym. Środowisko korozyjne powoduje straty korozyjne, określane przez masę metalu przetworzoną w produkty korozyjne w określonym czasie. Korozja dzielona jest na dwa zasadnicze typy, korozję chemiczną i elektrochemiczną. Erozja - zjawiska wytwarzane przez cykliczne oddziaływanie na powierzchnie roboczą przedmiotu strugi cieczy lub gazu pod dużym ciśnieniem. Zawartość w cieczy lub gazie cząstek pyłów, czy innego materiału ściernego wzmacnia proces erozji, tak samo jak wzrost temperatury i obecność środowiska korozyjnego. Dobór materiału na warstwę wierzchnią uzależniono od sposobu wzajemnego oddziaływania współpracujących części to jest, zużywanie naturalne, udarowe, toczenie z poślizgiem i łączne udarowe i naturalne. 3. Charakterystyka materiałów konstrukcyjnych Jedną z metod zmniejszenia intensywności zużywania jest odpowiedni dobór własności warstw wierzchnich do zidentyfikowanego sposobu zużywania. Dostępne są zróżnicowane postacie materiałów konstrukcyjnych, które różnią się między sobą składem chemicznym, uzyskiwanymi strukturami oraz zastosowaniem [2,4]. W opracowanym programie komputerowym w bazie danych zawarto informacje o charakterystykach podstawowych materiałów konstrukcyjnych, uzupełniając je w niektórych przypadkach także o technologie ich nanoszenia. Zaproponowana baza warstw wierzchnich obejmuje: stale, staliwa, żeliwa, napoiny, węgliki spiekane i cermetale. 4. Opis programu komputerowego Opracowany algorytm doboru materiałów warstwy wierzchniej przedstawiono na rysunku 1. Został on zapisany cyfrowo w języku obiektowym Delphi. Powstały program o nazwie Mat-baz posiada dwa moduły funkcjonalne. Pierwszy z nich umożliwia wprowadzanie do bazy danych materiałów i ich właściwości (rys. 2), zaś drugi do wyszukiwania materiałów dla przyjętych kryteriów (rys. 3). Wybór materiału następuje po zadeklarowaniu w trzech komponentach RadioGroup : rodzaju pary tribologicznej (metal metal, metal minerał, metal minerał metal), - - wymuszenia (oddziaływanie zużyciowe, oddziaływanie udarowe, oddziaływanie poprzez toczenie i poślizg, oddziaływanie udarowe i zużyciowe), 4012

4 rodzaju zużycia (wodorowe, adhezyjne, utleniające ścierne, zmęczeniowe, fretting, korozyjne erozyjne). Rys. 1. Algorytm doboru materiałów warstwy wierzchniej Źródło: opracowanie własne Po zadeklarowaniu tych trzech parametrów i kliknięciu w klawisz Szukaj materiałów uruchamiana jest procedura przeszukiwania dostępnej bazy wiedzy, a wyniki wyświetlane są w tabeli (komponent DBGrid ). W czasie zapisu danych do bazy wiedzy generowany jest sześciocyfrowy kod, który wykorzystywany jest w procesie poszukiwania dedykowanych dla danych warunków materiałów. 4013

5 Rys. 2. Interfejs graficzny programu Mat-baz moduł deklaracji materiałów Źródło: opracowanie własne Rys. 3. Interfejs graficzny programu Mat-baz moduł wyszukiwania materiałów Źródło: opracowanie własne 5. Podsumowanie Przedstawiony program komputerowy opracowany został przy założeniu, że zapewnienie niezawodności i trwałości elementów roboczych w procesie ich eksploatacji może być zrealizowane poprzez zidentyfikowanie sposobu zużywania, w aspekcie właściwości warstwy wierzchniej. Utylitarne jego wykorzystanie implikowane jest identyfikacją następujących uwarunkowań: 4014

6 częstotliwość występowania poszczególnych uszkodzeń; sposobu zużywania podstawowych elementów roboczych; sposób oddziaływania destrukcyjnych wymuszeń w procesie realizacji przewidzianych funkcji; intensywność i sposób oddziaływania destrukcyjnych wymuszeń pochodzących z otoczenia; wymagań własności warstwy wierzchniej w aspekcie fizycznym i chemicznym. Program Mat-baz jest jedyną dostępną aplikacją zapewniającą tego typu właściwości funkcjonalne. Streszczenie W pracy przedstawiono model komputerowy doboru tworzyw konstrukcyjnych na elementy robocze w zależności od warunków ich funkcjonowania. Uwzględniono podstawowe pary tribologiczne dla tarcia technicznie suchego metal-metal, metal-minerał-metal i metal-minerał. Doboru materiałów warstw wierzchnich dokonywano na podstawie dominującego sposobu zużywania. Program napisano w języku Delphi charakteryzujący się przejrzystym i łatwym w obsłudze interfejsem. Baza danych obejmuje podstawowe rodzaje tworzyw konstrukcyjnych, właściwości warstwy wierzchniej oraz dla napoin sposób nakładania. Computer model for selection of surface layers depending on the nature of wear Abstract This paper presents a computer model for selecting construction materials for the top surface of working parts depending on their operating conditions. The basic tribological pairs for dry friction were included: metal-metal, metal-mineral-metal and metalmineral. The surface layer materials were selected based on the dominant nature of wear. The program was written in the Delphi language and is characterized by a clear and easy to operate interface. The database contains information on the basic construction material types, surface layer properties and weld pad application methods. 6. Literatura [1] Ashby M. F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim, WNT, Warszawa [2] Blicharski M.: Inżynieria materiałowa, WNT, Warszawa [3] Dobrzański L.A.: Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe: podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT, Warszawa [4] Dobrzański L. A.: Leksykon materiałoznawstwa, Wydawnictwo Verlag Dashofer Sp. z o.o., [5] Handzel Z., Ziemba S.: Fizyczne aspekty trwałości i niezawodności obiektów technicznych, IPPT Polska Akademia Nauk, [6] Hejwowski T.: Nowoczesne powłoki nakładane cieplnie odporne na zużycie ścierne i erozyjne, Politechnika Lubelska, Lublin [7] Napiórkowski J.: Zużyciowe oddziaływanie gleby na elementy robocze narzędzi rolniczych, Inżynieria Rolnicza 12/2005. [8] Napiórkowski J.: Analiza właściwości glebowej masy ściernej w aspekcie oddziaływania zużyciowego, Tribologia 5/2010, str [9] Napiórkowski J., Kołakowski K., Pergoł A.: Ocena zużycia nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych stosowanych na narzędzia obrabiające glebę, Inżynieria Rolnicza 7/

7 [10] Napiórkowski J., Drożyner P., Szczyglak P.: Effect of refractory elements on wear intensity of the surface layers in the abrasive soil mass, 13th International Conference on Tribology. SERBIATRIB 13. Kragujevac. Serbia May [11] Nosal S.: Tribologia. Wprowadzenie do zagadnień tarcia, zużywania i smarowania, Oficyna Wydawnictwa PP, Poznań [12] Stachowiak G. W., Batchelor A. W.: Engineering Tribology, Elsevier Butterworth-Heinemann,