NOWOCZESNE METODY REGENERACJI ZUŻYTYCH ELEMENTÓW MASZYN

Transkrypt

1 Aljzy STA WINOGA, Je rzy MIZGAŁA 2014 Redakcja: MILEWSKA E., ŻABIŃSKA I. 20 NOWOCZESNE METODY REGENERACJI ZUŻYTYCH ELEMENTÓW MASZYN 20.1 WPROWADZENIE Ciągły wzrst wymagań stawianych elementm maszyn zmusza knstruktrów i technlgów d szukania nwych twrzyw dpwiednich właściwściach mechanicznych, fizyk-chemicznych, a także technlgicznych (zwłaszcza triblgicznych), które mżna zastswać d regeneracji zużytych elementów maszyn. D takich twrzyw należą kmpzyty snwie plimerwej. Wykazują się ne dbrymi parametrami mechanicznymi, a technlgia nanszenia pwłki na regenerwane pwierzchnie nie wymaga stswania specjalistycznych narzędzi czy urządzeń. Nie są również wymagane ksztwne bróbki wykańczające, przywracające naprawianym pwierzchnim dpwiednią chrpwatść. Z teg względu metdy napraw z użyciem kmpzytów plimerwych są wydajniejsze i tańsze w prównaniu z tradycyjnymi. Technlgie te są wciąż rzwijane i znajdują zastswanie w craz szerszym zakresie PROCESY ZUŻYWANIA SIĘ I STARZENIA ELEMENTÓW MASZYN Zużywanie t niepżądany, ale niemżliwy d uniknięcia prces zmiany stanu części, węzła kinematyczneg, zespłu lub całej maszyny, pwdujący utratę ich właściwści użytkwych. Zarówn starzenie jak i zużycie dnsi się przede wszystkim d warstwy wierzchniej, którą definiuje się jak zewnętrzną warstwę elementu, pwstałą w wyniku ddziaływania prcesów fizycznych lub chemicznych, jakściw różniącą się d reszty materiału (rdzenia). Starzeniem fizycznym nazywa się prcesy fizyczne zachdzące w materiałach części maszyn na skutek wymuszeń wewnętrznych (mechanicznych, chemicznych) i/lub zewnętrznych (atmsfera, pdłże, śrdwisk), pwdujących niedwracalne zmiany własnści użytkwych części. Prcesy starzenia rzpczynają się z chwilą wytwrzenia (zakńczenia prdukcji) części i trwają aż d jej likwidacji nawet wówczas, gdy biekt nie wyknuje swjej funkcji, np. w czasie przechwywania. Zużycie t prces stpniweg niszczenia części pd wpływem czynników fizykchemicznych, bciążenia i czasu pracy w całym kresie eksplatacji. Prcesy zużywania się zachdzą tylk pdczas wyknywania prcesów rbczych (funkcjnwania) biektu. Prcesy zużyciwe biektów mechanicznych związane są głównie z przetwarzaniem energii w pracę mechaniczną i twarzyszącymi im siłami, którymi ddziałują na siebie jej elementy. 222

2 SYSTEMY WSPOMAGANIA W INŻYNIERII PRODUKCJI Inżynieria Systemów Technicznych 2014 Bez względu na t, czy mamy d czynienia z prcesem starzenia się, czy też zużycia elementów maszyn (nie wnikając w jeg isttę), rezultatem bu jest pgrszenie stanu maszyny, c wymaga pdjęcia działań regeneracyjnych bądź naprawczych, ile chcemy maszynę nadal wykrzystywać. Obydwa prcesy pwdwane są różnymi czynnikami. D głównych należą (rys. 20.1): mechaniczne: ścierne adhezyjne, zmęczeniwe, kawitacyjne, erzyjne krzyjne: chemiczna, elektrchemiczna. inne: zużycie elektriskrwe, zużycie elektrerzyjne. Źródł: [5] Rys Rdzaje zużycia elementów maszyn Na intensywnść prcesu zużycia wpływa wiele czynników, d których zaliczamy [1]: rdzaj współpracujących materiałów, dkładnść wyknania współpracujących pwierzchni, twardść materiału, wartść i spsób działania nacisku jednstkweg, prwatść warstwy wierzchniej i jej struktura, skłnnść d krzji, dyfuzyjnść warstwy wierzchniej, prędkść względna ruchu wzajemneg, czas trwania styku sucheg, parametry dcierania. 223

3 2014 Redakcja: MILEWSKA E., ŻABIŃSKA I. W węzłach kinematycznych, w których elementy współpracują w skjarzeniach ruchwych najczęściej mamy d czynienia z tzw. zużyciem triblgicznym, wywłanym tarciem. Ma n charakter mechaniczn-fizyczn-chemiczny. Twarzyszy zawsze tarciu suchemu i mieszanemu, w których występuje: zużycie mechaniczne, plegające na ddzielaniu cząstek ze współpracujących pwierzchni przez mikrskrawanie występami mikrnierównści lub luźnymi cząstkami ściernymi, zużycie fizyczne, które związane jest z adhezją trących się ciał, (sczepianie, zrastanie, dyfuzja), wywływane przez ddzielenie cząstek z jedneg ciała i nanszenie ich na ciał współpracujące, zużycie chemiczne, gdy reakcja zachdzi pmiędzy trącymi się materiałami i śrdkiem, w którym przebiega prces triblgiczny [2]. Zjawiska pisane wyżej zachdzą w łżyskach, przekładniach zębatych, prwadnicach, cylindrach hydraulicznych itp. Pnieważ niedwracalnie prwadzą ne d pgrszenia się ich stanu techniczneg, istnieje kniecznść dknania ich wymiany lub naprawy. Czynnikiem decydującym pdjęciu właściwej decyzji jest przeważnie kszt zakupu elementu nweg w dniesieniu d ksztu naprawy elementu zużyteg. Pniżej zajmiemy się pisem metd regeneracji, pmijając kryteria dknywania wybru SPOSOBY REGENERACJI ELEMENTÓW ZUŻYTYCH Przy wybrze dpwiednieg spsbu regeneracji należy kierwać się kryteriami: knstrukcyjn-technlgicznymi, trwałściwymi, jakściwymi, eknmicznymi. Kryterium knstrukcyjn-technlgiczne uwzględnia cechy wytrzymałściwe takie jak: przenszne bciążenia i dkształcenia elementów, mżliwść uzyskania wymaganych wymiarów i jakści pwierzchni, spsób wyknania i ewentualną bróbkę mechaniczną, cieplną lub cieplnchemiczną regenerwanej pwierzchni. Kryterium trwałści kreśla przydatnść spsbu regeneracji w zależnści d wymaganeg kresu użytkwania. Trwałść p regeneracji pwinna zapewniać prawidłwe działanie w załżnym kresie czasu w zadanych warunkach eksplatacyjnych. Kryterium jakści wyznacza maksymalny pzim zakłóceń, jaki mże wywływać regenerwany element w pracy całej maszyny. Kryterium t związane jest z kryteriami trwałści i nakładami finanswymi na wyknanie prcesu regeneracji. Kryterium eknmiczne kreśla dpuszczalny kszt regeneracji w dniesieniu d ksztów zakupu elementu nweg. Kryterium t jest mniej isttne w przypadku wystąpienia długtrwałeg przestju, spwdwaneg niedstępnścią części zamiennej lub zbyt długim czasem czekiwania na jej dstawę. 224

4 SYSTEMY WSPOMAGANIA W INŻYNIERII PRODUKCJI Inżynieria Systemów Technicznych 2014 Tradycyjne technlgie regeneracji zużytych elementów plegają na zastswaniu metd nanszenia pwłk metdą napawania, a następnie wyknania bróbki mechanicznej, ewentualnie cieplnej, która przywraca elementm wymagany kształt, wymiary i inne parametry niezbędne d dalszej pracy. Czasami krzysta się z tzw. tulejwania. Plega n na brbieniu czpa na mniejszy wymiar i zastswaniu ddatkwej tulei, która zapewnia uzyskanie pprzednieg wymiaru i paswania wymaganeg w danym płączeniu. Mżna wyknać również tulejwanie twru. W tym przypadku rztacza się twór, w którym ddatkwa tuleja swim wymiarem wewnętrznym będzie zapewniała dpwiednie paswanie czpa. Wymienine wyżej klasyczne technlgie regeneracji wymagają zastswania bróbki mechanicznej naprawianych części. Zwłaszcza w przypadku elementów wielkgabarytwych wymagają demntażu naprawianeg elementu z maszyny raz psiadania dpwiednieg parku maszynweg, który umżliwi dknanie dpwiedniej bróbki. Technlgia napraw i regeneracji kmpzytami plimerwymi plega na nakładaniu na uszkdzne miejsce twrzywa, który uzupełni rdzimy materiał daneg elementu, wypełni braki, zastąpi materiał zużyty raz umżliwi nałżenie warstwy regenerującej. Zazwyczaj ma na niewielką grubść, lecz skutecznie zabezpiecza wewnętrzne warstwy materiału przed dalszym zużyciem. W prównaniu z tradycyjnymi metdami napraw technlgia regeneracji z zastswaniem kmpzytów plimerwych ma wiele zalet. Mżemy d nich zaliczyć: małe kszty w stsunku d innych prównywalnych spsbów naprawy, mżliwść przeprwadzenia naprawy bez demntażu lub tylk przy częściwym demntażu naprawianeg urządzenia, mżliwść uniknięcia naprężeń pwstających przy stswaniu innych metd np. napawania, mżliwść przeprwadzenia naprawy na miejscu wystąpienia awarii, prsta technlgia, zazwyczaj nie wymagająca stswania specjalistyczneg przyrządwania, bardz dbra szczelnść płączeń i wypełnień, bardz dbra dprnść na erzję i krzję, częst większa niż materiału rdzimeg CHARAKTERYSTYKA KOMPOZYTÓW POLIMEROWYCH Kmpzyty t materiały uzyskiwane przez płączenie z sbą c najmniej dwu różnych materiałów różnym charakterze i pstaci. W rezultacie materiału kńcweg są wypadkwą właściwści składników i ich udziałów bjętściwych [4]. Osnwą materiałów kmpzytwych mgą być zarówn materiały metaliczne, jak i ceramika raz twrzywa sztuczne. Plimerwe kmpzyty twrzy się przez płączenie plimerwej snwy z włóknami bardz sztywnymi i wytrzymałymi, w przeważającej większści nierganicznymi, które wykazującymi cechy niemal idealnej 225

5 2014 Redakcja: MILEWSKA E., ŻABIŃSKA I. sprężystści. D zalet kmpzytów plimerwych mżemy zaliczyć: mniejszą masę w stsunku d masy materiału pdstawweg, zwiększenie sztywnści i/lub wytrzymałści, pdniesienie dprnści krzyjnej, zwiększenie dprnści na pękanie, zwiększenie dprnści na ścieranie, zwiększenie stabilnści rzmiarów. Pstęp techniczny raz knkurencyjnść w wytwarzaniu, budwnictwie i eksplatacji biektów raz urządzeń technicznych sprawiły, że kniecznym stał się zwiększenie ich trwałści i niezawdnści. Pprawa trwałści związana jest ze wzrstem wymagań stawianych materiałm w zakresie właściwści mechanicznych, w tym dprnści na zmęczenie, dprnści na ddziaływania cieplne raz właściwści fizyk-chemiczne udparniające na krzyjny atak śrdwiska. W celu zwiększenia trwałści eksplatacyjnej, a także w aby umżliwić regenerację części maszyn i urządzeń wytwarza się na ich pwierzchniach specjalne warstwy z góry załżnych pwtarzalnych własnściach. Technlgie regeneracji raz mdernizacji pwierzchni kmpzytami plimerwymi muszą zapewnić spełnienie pwyższych wymagań. Pniżej pkazan kilka zastswań tych kmpzytów w prcesach regeneracji i naprawy różnych urządzeń technicznych [3] PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA REGENERACJI CZĘŚCI MASZYN KOMPOZYTAMI POLIMEROWYMI Jednym z wielu zastswań jest np. regeneracja czpów wałów. D teg stsuje się specjalny rdzaj kmpzytu plimerweg zawierająceg w snwie kryształy stali krzemwej, przez c siąga dużą wytrzymałść (statyczną i zmęczeniwą). Pzwala t skutecznie regenerwać takie elementy maszyn jak: czpy wałów, prawy łżyskwe, pęknięte krpusy, ale także pprawia znacząc trwałść i bciążalnść różnych węzłów knstrukcyjnych: łżyskwych, płączeń wciskwych i ślizgwych, itp. Przykładami takich kmpzytów są Belzna (1111) Super Metal firmy BELZONA [6] lub Chester Metal Super firmy Chester Mlecular LTD [7]. Na rys pkazan zużyty czp wału. Uszkdzenie pwstał na skutek wytarcia w miejscu jeg sadzenia w łżysku ślizgwym. Regeneracja pprzez napawanie wymagałaby demntażu wału raz wyknania skmplikwanych czynnści naprawczych (napawanie i bróbka mechaniczna). W przypadku regeneracji z zastswaniem kmpzytów mżliwe jest t przy częściwym demntażu (w tym przypadku rzebran tylk łżysk). P naniesieniu pwłki (rys. 20.3), jeżeli rbine t jest starannie przez dświadczneg pracwnika, częst nie trzeba wyknywać żadnej bróbki, ewentualnie niewielkie pprawki mżna wyknać za pmcą narzędzi ręcznych [3]. 226

6 SYSTEMY WSPOMAGANIA W INŻYNIERII PRODUKCJI Inżynieria Systemów Technicznych 2014 Rys Wygląd czpa wału p demntażu łżyska Źródł: [3] Źródł: [3] Rys Wygląd czpa wału p regeneracji Innym przykładem mże być regeneracja wirnika pmpy diagnalnej, w którym pwstał wiele ubytków na skutek działania kawitacji. Praktycznie wirnik był tak zużyty, że wymagał wymiany na nwy (rys. 20.4). Ze względu na brak dstępnści w/w elementu jak części zamiennej zdecydwan jeg naprawie. Pdczas regeneracji nie tylk uzupełnin ubytki, ale również dtwrzn kształt wirnika. Źródł: [3] Rys Wirnik pmpy przed regeneracją Jak widać na rys. 20.5, p regeneracji cały wirnik zstał pkryty kmpzytem plimerwym. Zabezpieczy t pwierzchnię przed działaniem agresywneg śrdwiska w którym wirnik pracuje [3]. 227

7 2014 Redakcja: MILEWSKA E., ŻABIŃSKA I. Źródł: [3] Rys Wirnik pmpy p regeneracji Wirnik zregenerwan kmpzytem BENZONA 1341 Supermetal Glide firmy BELSE. Jest n przeznaczny d chrny i mdyfikacji metalwych pwierzchni głównie pmp i innych maszyn przepływwych. Składniki kmpzytu zestawin tak, że siąga n p zestaleniu wyjątkw niską energię swbdną pwierzchni. Hydrfbwa i bardz gładka pwierzchnia kmpzytu pzwala stswać g jak pwłkę radykalnie bniżającą straty hydrauliczne w przepływie. Dzięki zastswaniu g w pmpach wirwych, mżna zwiększyć sprawnść raz trwałść elementów. Materiał mże również kntaktwać się z wdą pitną [8]. P wyknaniu regeneracji wyknan pmiary chrpwatści pwierzchni wirnika. Jest na znacznie mniejsza niż np. stalwa pwierzchnia plerwana (rys. 20.6). a) b) Rys Prównanie chrpwatści pwierzchni a) kmpzytu plimerweg, b) plerwana stal nierdzewna Źródł: [3] Następnie całą pmpę pddan badanim. Wyknan prównawcze charakterystyki wyskści pdnszenia w stsunku d pbieranej mcy pmpy zregenerwanej raz w wyknaniu fabrycznym. Jak widać pmpa p regeneracji ma lepsze parametry. Ma t związek z tym, że gładsza pwierzchnia plimerwa bniża straty hydrauliczne przepływu. Drugie badanie związane był z kreśleniem sprawnści zespłu pmpweg w zależnści d bciążenia. Sprawnść pmpy p regeneracji była większa, a różnica ta dchdziła d 5%. Zastswanie pwłk plimerwych mżna więc traktwać nie tylk jak remnt, ale również jak mdernizację sprawnściwą. Wyniki badań pkazan na rys

8 SYSTEMY WSPOMAGANIA W INŻYNIERII PRODUKCJI Inżynieria Systemów Technicznych 2014 Rys Prównanie charakterystyk zużycia energii elektrycznej i sprawnściwej dla pmpy fabrycznej i p regeneracji Źródł: [3] PODSUMOWANIE Jak widać z przedstawinych wyżej przykładów regeneracja elementów maszyn za pmcą kmpzytów plimerwych z różnymi wypełniaczami znajduje craz szersze zastswanie w różnych dziedzinach przemysłu. Szerki asrtyment ferwanych materiałów umżliwia precyzyjny dbór właściweg kmpzytu d wymaganeg zastswania. Kmpzyty zapewniają lepsze parametry chrpwatści pwierzchni. Przez t pprawiają się parametry eksplatacyjne maszyn przepływwych. Dzięki temu, p regeneracji mżna również siągnąć wymierne krzyści związane z bniżeniem ksztów eksplatacji. W niektórych przypadkach (brak mżliwści dstępu d dpwiedniej części zamiennej, brak dkumentacji technicznej czy też zakńczenie działalnści przez prducenta), wręcz wymusza krzystanie z tej frmy naprawy. Pstęp w dziedzinie jakści prdukwanych materiałów kmpzytwych wskazuje, że metdy regeneracji części maszyn z ich użyciem będą się dalej dynamicznie rzwijały. LITERATURA 1 Biały W.: Pdstawy maszynznawstwa. Wydawnictw Plitechniki Śląskiej, Gliwice Gierek A.: Zużycie triblgiczne. Wydawnictw Plitechniki Śląskiej, Gliwice Famulski A.: Efekty zastswania kmpzytów plimerwych d regeneracji elementów urządzeń energetycznych. Prjekt inżynierski napisany pd kierunkiem dr inż. A Stawingi, Plitechnika Śląska, Gliwice Królikwski W.: Plimerwe kmpzyty knstrukcyjne. PWN, Warszawa Legutk S.: Pdstawy eksplatacji maszyn i urządzeń. WSiP, Warszawa [dstęp: ]. 229

9 2014 Redakcja: MILEWSKA E., ŻABIŃSKA I. 7 [dstęp: ]. 8 [dstęp: ]. NOWOCZESNE METODY REGENERACJI ZUŻYTYCH ELEMENTÓW MASZYN Streszczenie: W artykule przedstawin nwczesne metdy regeneracji zużytych elementów maszyn. Wykrzystuje się w nich kmpzyty, które psiadają nie grsze, a w wielu przypadkach lepsze właściwści mechaniczne w prównaniu z dtychczas stswanymi twrzywami i metdami tradycyjnymi. Również technlgie regeneracji z wykrzystaniem tych twrzyw pzwalają na szybsze wyknanie naprawy z zachwaniem dpwiednich parametrów użytkwych regenerwanych elementów. Technlgia stswania kmpzytów nie pwduje zmian właściwści warstwy wierzchniej twrzywa, na który jest nakładana, tak jak t się dzieje np. przy napawaniu. Również kszt wyknania regeneracji jest niższy w prównaniu z metdami tradycyjnymi. Z teg względu taki spsób regeneracji jest craz częściej stswany w różnych dziedzinach przemysłu. Słwa kluczwe: Starzenie i zużycie części maszyn, technlgie i metdy regeneracji, kmpzyty plimerwe MODERN METHODS OF REGENERATION OF USED PARTS OF MACHINES Abstract: The article presents mdern methds f regeneratin f wrn machine parts. Using in theme cmpsites, which have nt inferir mechanical prperties, and in many cases better, imprved cmpared t the previusly used cnventinal methds. Regeneratin technlgies, using these materials, allw t recver faster the apprpriate perfrmance characteristics f regenerated parts f machines. Technlgy use f cmpsites des nt change the prperties f the surface layer f material t which it is applied, as it happens, fr example, during welding. Als, the cst f regeneratin is lwer in cmparisn with traditinal methds. Fr this reasn, the methd f regeneratin is increasingly being used in varius industries. Key wrds: Aging and wear f machines, technlgies and methds f recvery, plymer cmpsites dr inż. Aljzy STAWINOGA dr inż. Jerzy MIZGAŁA Plitechnika Śląska Wydział Organizacji i Zarządzania Instytut Inżynierii Prdukcji ul. Rsevelta 26, Zabrze Aljzy.Stawinga@plsl.pl, Jerzy.Mizgala@plsl.pl 230