Problemy Inżynierii Rolniczej nr 4/2008 Stanisław Stężała Instytut Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa Pomorskie Centrum Badań w Gdańsku Instytut Inżynierii Rolniczej Akademia Rolnicza w Szczecinie Adam Koniuszy, Paweł Sędłak, Andrzej Dzienis, Kamil Kuzio Instytut Inżynierii Rolniczej Akademia Rolnicza w Szczecinie PRÓBA WSTĘPNEJ OCENY MODYFIKOWANEGO POLIPROPYLENU W ASPEKCIE ZASTOSOWANIA W PANEWKACH ŁOŻYSK ŚLIZGOWYCH MASZYN ROLNICZYCH Streszczenie Przeprowadzono wstępne badania laboratoryjne polipropylenowych, nasyconych olejami naturalnymi panewek samosmarownych łożysk ślizgowych. Wyznaczono moment siły tarcia i temperaturę pracy układu panewka czop. Zaobserwowano wysoki stopień nasycenia polipropylenu olejami EMKOL-paliwowy i EM- KOL-smarny (17,43% i 17,33%) w porównaniu ze stopniem nasycenia stosowanym w łożyskach ślizgowych Tarnamidu T-27M (2,34% i 2,26%). Przy obrotach n = 200/min., odpowiadających prędkości liniowej v = 0,1 m/s, zaobserwowano po około 250 s zacieranie się próbek poliamidowych (Tarnamid T-27 M) i wzrost momentu siły tarcia od M p = 100 Ncm do M k = 225-255 Ncm. Nie zaobserwowano zatarcia próbek polipropylenowych nawet po 900 s, a moment siły tarcia utrzymywał się na stałym poziomie M p = M k = 100 Ncm. Na tej podstawie wstępnie oceniono pozytywnie próbę zastosowania kompozytu polipropylenowoolejowego w samosmarownych łożyskach ślizgowych. Wskazano konieczność wykonania zwiększonego zakresu prób w celu pełnej oceny trybologicznej badanego materiału. Słowa kluczowe: łożyska ślizgowe, samosmarowność, polipropylen, oleje naturalne Wstęp Tworzywa sztuczne znajdują coraz szersze zastosowanie jako materiały łożyskowe w maszynach i urządzeniach. Pewne właściwości tworzyw sztucznych, jak: wysoki współczynnik rozszerzalności liniowej, niska przewodność cieplna, skłonność do pełzania i odkształceń pod wpływem stosun- 181
Stanisław Stężała i in. kowo niskich nacisków jednostkowych sprawiają, że wykorzystanie ich na elementy ślizgowe w postaci czystej jest ograniczone. Aby poszerzyć możliwości ich stosowania, zmienia się właściwości tworzyw przez wprowadzenie dodatków albo odpowiednie zabiegi technologiczne półproduktu lub gotowego wyrobu [Koszkul 1984; Lawrowski 1999]. Spośród najczęściej stosowanych jako modyfikatory materiałów wymienić należy: grafit w ilości 2-30% objętościowych, dwusiarczek molibdenu (MoS 2 ) w ilości do 10% wagowych, włókno węglowe, włókno szklane w ilości 15-30% objętościowych. Grafit i dwusiarczek molibdenu polepszają właściwości trybologiczne tworzywa. Włókno węglowe i włókno szklane wpływają na poprawę właściwości wytrzymałościowych oraz zwiększenie odporności na pełzanie i zużycie materiału tworzywa, przy czym niekiedy powodują zwiększenie zużycia materiału współpracującego [Śliwiński, Kołodziej 1987]. Głównymi czynnikami wpływającymi na jakość pracy i trwałość łożyska jako pary trącej, w której nieruchome panwie wykonane z tworzywa współpracują ślizgowo z obracającym się czopem, są: nacisk promieniowy wywierany na łożysko, wynikająca z prędkości obrotowej prędkość liniowa oraz współczynnik tarcia. Z uwagi na to, że tworzywa sztuczne charakteryzują się niską przewodnością ciepła, przy większych obrotach i naciskach, tworzywowe, wykonane nawet z modyfikowanych materiałów panwie łożyskowe nie mogą pracować na sucho (szybkie przegrzanie) i wymagają częstego smarowania Rymuza 1986]. Aby tego uniknąć, podjęto próbę nasycania olejami gotowych panwi łożyskowych wykonanych z polipropylenu PP, z którego można uzyskiwać kompozyty o podwyższonych w stosunku do czystego PP właściwościach fizykomechanicznych [Koszul 1997]. Niniejsza praca jest próbą wstępnej oceny wpływu impregnacji olejowej na ich przydatność jako materiału, możliwego do zastosowania w samosmarownych łożyskach ślizgowych. Materiały i metodyka badań Do badań zastosowano próbki z polipropylenu PP o gęstości 0,92 g. cm -3 oraz jako porównawcze próbki z poliamidu z dodatkiem siarczku molibdenu (Tarnamid T-27M) o gęstości 1,14 g. cm -3. Tarnamid T-27M stosowany jest w Polsce często jako materiał, z którego wykonywane są panewki i tuleje łożyskowe do niektórych maszyn i urządzeń rolniczych. Próbki o kształcie tulejek o wymiarach: h = 22 mm, d = 29 mm oraz = 10,5 mm wykonano na gotowo, metodą wtryskową. Nasycano je naturalnym olejem rzepakowym o gęstości 830-930 g. dm -3 oraz również pochodzenia roślinnego olejami EMKOL-paliwowy i EMKOL-smarny o gęstości 820-858 g. dm -3. Oleje te wybrano w związku z potencjalną perspektywą szerokiego ich zastosowania jako materiałów ekologicznych [Podniało 2002]. 182
Próba wstępnej oceny... We wszystkich próbkach nawiercono trzy otwory prostopadłe do ich osi, tj. otwór G 1 o = 3 mm i głębokości równej 7 mm, otwór G 2 o = 2 mm i głębokości równej 5 mm oraz otwór G 3 o = 4 mm i głębokości 5 mm. W otworach G 1 i G 2 umieszczono termopary, natomiast otwór G 3 był otworem zabezpieczającym próbkę przed obracaniem wokół jej osi. Następnie próbki przecinano jednostronnie wzdłuż ich tworzącej w celu możliwości regulacji momentu siły tarcia. Tak przygotowane próbki ważono na wadze analitycznej, oddzielano 6 próbek (3 z PP i 3 z PA) jako porównawcze, natomiast po 9 próbek z każdego z badanych materiałów (PP, PA) nasycano przez 48 godz. w temperaturze 100 C wytypowanymi wcześniej olejami (po 3 w każdym oleju). Po nasyceniu próbki wycierano czyściwem lekko nasyconym benzyną ekstrakcyjną i ponownie ważono, wyznaczając z różnicy ich masy przed i po nasyceniu olejami, stopień ich nasycenia. Do badań wykorzystano specjalne stanowisko, wchodzące w skład wyposażenia Zakładu Podstaw Techniki w Instytucie Inżynierii Rolniczej AR w Szczecinie, składające się z układu napędowego, utworzonego z przemiennika częstotliwości serii FREQVAR 3000 i silnika indukcyjnego AC o napięciu 380 V, interfejsu BETA 2002, komputera z oprogramowaniem BETA 2002, momentomierza tensometrycznego oraz termopary T p1 i T p2. Umieszczony na wale silnika momentomierz połączony był z interfejsem BETA 2002, na którym odczytywano wyniki pomiaru, przetwarzano z sygnału analogowego na sygnał cyfrowy i rejestrowano w komputerze. Do interfejsu BETA 2002 podłączone były również obie termopary. Termoparą T p1 odczytywano temperaturę w odległości 2 mm od miejsca bezpośredniego kontaktu pary metal-tworzywo, a termoparą T p2 w odległości 4 mm od powierzchni zewnętrznej próbki. Wyniki badań jako zależności M = f(τ) i T = f(τ) obserwowano w postaci graficznej na monitorze komputera i zapisywano w pamięci komputera w postaci plików txt. Badane próbki tworzywowe zakładano na czop wałka stalowego, połączonego poprzez sprzęgło z wałkiem silnika i zakładano na nie obejmy w celu regulacji momentu siły tarcia. Badania prowadzono w dwóch etapach. W pierwszym, wstępnym etapie prowadzono je przez 900 s, zaczynając przy początkowym momencie siły tarcia M = 100 Ncm i rejestrując temperaturę T 1 i T 2 oraz moment w chwili zatarcia lub po 900 s (próbki niezatarte). Próby powtarzano trzykrotnie, wyznaczając jako wynik średnią arytmetyczną z dwóch prób o najbardziej zbliżonych wartościach [Dzienis, Kuzio 2007]. W ramach drugiego etapu przeprowadzono badania zależności M = f(τ) i T = f(τ) z tworzywem, które uzyskało najkorzystniejszą, wstępną ocenę jako para trąca: stal/tworzywo, tj. z polipropylenem PP, nasyconym w wytypowanych 183
Stanisław Stężała i in. olejach oraz z PP suchym. Polegały na pięciominutowej, wstępnej pracy próbek przy stałym, regulowanym momencie M = 100 Ncm, przy 200 obr./min, odpowiadających prędkości liniowej v = 0,1 m/s, rejestrując w tym czasie temperatury T 1 i T 2 próbek. Badania dalej kontynuowano, nie regulując już wartości momentu M, a rejestrując jego zmiany oraz zmiany temperatury T 1 i T 2 aż do ustabilizowania się ich wartości. Czas badań wynosił 3600 s. Podobnie jak w pierwszym etapie, próby powtarzano trzykrotnie, wyznaczając jako wynik średnią arytmetyczną z dwóch prób. Wyniki Uzyskane wyniki zestawiono w formie tabelarycznej (tab. 1 i 2) oraz na rysunkach 1 i 2. Tabela 1. Zestawienie wyników nasycania badanych tworzyw olejami Table 1. Impregnation results of tested plastic materials with natural vegetable oils Materiał Średnia masa próbki po nasyceniu g Masa wchłoniętego oleju g Średnia zawartość oleju w próbce % Polipropylen nienasycony 11,462* 0 0 Polipropylen nasycony olejem rzepakowym Polipropylen nasycony olejem EMKOL paliwowy Polipropylen nasycony olejem EMKOL smarny 11,838 0,347 2,93 13,776 2,402 17,43 13,971 2,421 17,33 Tarnamid-T27M nienasycony 14,747* 0 0 olejem rzepakowym olejem EMKOL paliwowy olejem EMKOL smarny 14,904 0,122 0,82 14,923 0,3495 2,34 14,542 0,329 2,26 * materiał nienasycony Porównawcze badania stopnia nasycenia polipropylenu i poliamidu (Tarnamid T-27M) jednoznacznie wskazują, że zawartość oleju rzepakowego w nasyconym nim Tarnamidzie T-27M jest 3,6 raza (olej rzepakowy) mniejsza, a olejów EMKOL od 7,2 do 7,7 raza mniejsza niż w polipropylenie (tab. 1). Porównując momenty siły tarcia M i temperatury T 1 i T 2, jakie osiągały badane próbki w chwili zatarcia, można ocenić, że żadna z próbek z polipropylenu nienasyconego lub nasyconego ww. olejami pochodzenia naturalnego nie uległa zatarciu przy obrotach wałka n = 200/min. i drodze tarcia s = 90 m. 184
Próba wstępnej oceny... Tabela 2. Zestawienie wyników wstępnego badania temperatury oraz momentu siły tarcia po założonym czasie tarcia lub w chwili zatarcia próbek Table 2. Results of preliminary investigations of the temperature and friction force moment after assumed friction duration or at a while of samples seizure Polipropylen nienasycony Materiał Polipropylen nasycony olejem rzepakowym Polipropylen nasycony olejem EMKOL paliwowy Polipropylen nasycony olejem EMKOL smarny Tarnamid-T27M nienasycony olejem rzepakowym olejem EMKOL paliwowy olejem EMKOL smarny Temp. T 1 Temp. T 2 Moment siły tarcia M Czas obserwacji C C Ncm s 87,75 49,0 135 900 Uwagi Próbki nie uległy zatarciu 57,65 40,65 101 900 j.w. 62,5 39,9 98 900 j.w. 63,25 39,25 99,3 900 j.w. 102,5 58,5 262 229 Próbki uległy zatarciu 84,65 44,75 225 686 j.w. 48,95 36,5 254,5 299 j.w. 45,1 34,15 249,8 324 j.w. Wartość momentu M dla próbek nasyconych olejami utrzymywała się przy tym na poziomie wyjściowym (M = 100 Ncm), wahając się zaledwie od 98 Ncm do 101 Ncm. Temperatura T 1 wynosiła 57,65-63,25 C, a temperatura T 2 = 39,25-40,65 C. Natomiast w przypadku polipropylenu nienasyconego temperatura T 1 osiągnęła 87,75 C, a T 2 = 49 C. Wszystkie próbki z Tarnamidu T-27M uległy zatarciu. Próbki z Tarnamidu T-27M zacierały się po czasie τ = 229-686 s i drodze L = 22,9 68,6 m) oraz znacznie wyższych od wyjściowego wartościach momentu siły tarcia (M = 225-254,5 Ncm). Kontynuując zgodnie z przyjętą wcześniej metodyką badania, ograniczone już tylko do polipropylenu, wyznaczono zależności pomiędzy czasem τ niezbędnym do ustabilizowania się temperatury (T 1 ) mierzonej jak najbliżej powierzchni trących panewka-czop, a jej wartością (rys. 1), dla polipropylenu nienasyconego oraz nasyconego badanymi olejami. Dla analogicznych próbek wyznaczono również zależności pomiędzy momentem siły tarcia a czasem tarcia (rys. 2). Uzyskane wyniki wskazują na to, że mierzona w pobliżu powierzchni tarcia temperatura T 1 najszybciej, bo już po około 1650 s stabilizuje się przy wartości 65 C w przypadku próbek PP nasyconych olejami EMKOL. Również i moment M, ustala się w ich przypadku podobnie, bo osiąga stabilizację po 185
Stanisław Stężała i in. Temperatura, o C 80 75 70 65 60 55 50 45 1 2 3 4 40 35 30 150 650 1150 1650 2150 2650 3150 3650 Czas, s Rys. 1. Zależność temperatury T 1 badanej próbki od czasu pracy pary trącej: 1- PP suchy (nienasycony), 2- PP nasycony olejem rzepakowym, 3- PP nasycony olejem EMKOL-paliwowy, 4- PP nasycony olejem EMKOL-smarny Fig. 1. The temperature T 1 of tested sample depending on working time of the rubbing pair: 1 PP dry (not impregnated), 2 PP impregnated with the rapeseed oil, 3 PP impregnated with EMKOL fuel oil, 4 PP impregnated with EMKOL lubricating oil 2150 s, przy wartości 66-67 Ncm (PP nas. EMKOL smarny) i 70-71 Ncm (PP nas. EMKOL paliwowy). Próbki PP nasycone olejem rzepakowym i nienasycone osiągają stabilizację temperatury po 2650 s, a momentu siły tarcia po 3150 s, przy wyższych ich wartościach. Wynoszą one dla próbek nasyconych olejem rzepakowym T 1 = 73 C i M = 74,5 Ncm, a dla próbek nienasyconych T 1 = 75 C i M = 85 Ncm. Ww. wyniki uzasadniają podjęty cel pracy i wskazują na potrzebę kontynuacji badań nad wstępną oceną kompozytu olejowo-polipropylenowego jako materiału, który może znaleźć zastosowanie w samosmarownych łożyskach ślizgowych. Podsumowanie Na podstawie uzyskanych wyników można dokonać wstępnej, pozytywnej oceny o możliwości zastosowania kompozytów polipropylenowo-olejowych, zawierających polipropylen PP nasycony olejami EMKOL-smarny i EMKOLpaliwowy jako materiału, który może mieć zastosowanie do wytwarzania samosmarownych panewek łożysk ślizgowych. 186
Próba wstępnej oceny... 105 100 95 Moment, Ncm 90 85 80 75 70 65 1 2 3 4 60 150 650 1150 1650 2150 2650 3150 3650 4150 Czas, s Rys. 2. Zależność momentu siły tarcia badanej próbki od czasu pracy pary trącej: 1- PP suchy (nienasycony), 2- PP nasycony olejem rzepakowym, 3- PP nasycony olejem EMKOL-paliwowy, 4- PP nasycony olejem EMKOL-smarny Fig. 2. Friction force moment for tested sample depending on the working time of rubbing pair: 1 PP dry (not impregnated), 2 PP impregnated with the rapeseed oil, 3 PP impregnated with EMKOL fuel oil, 4 PP impregnated with EMKOL lubricating oil Przeprowadzone badania wstępne należy uzupełnić oceną współczynnika tarcia, zużycia ściernego współpracującej pary trącej: panewka czop łożyskowanego wału oraz trwałością użytkową takiego samosmarującego łożyska. Dopiero analiza wszystkich ww. właściwości umożliwi pełną ocenę użytkową i praktyczną przydatności omawianego rozwiązania, między innymi do zastosowania w wybranych maszynach i urządzeniach rolniczych. Bibliografia Dzienis A., Kuzio K. 2007. Wpływ impregnacji olejowej na parametry pracy wybranych polimerowych łożysk ślizgowych. Praca dyplomowa. Instytut Inżynierii Rolniczej AR Szczecin Koszkul J. 1984. Odporność na zużycie termoplastycznych tworzyw modyfikowanych cieplnie. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, 1-2 Koszul J. 1997. Polipropylen i jego kompozyty. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej Lawrowski Z. 1999. Tendencje rozwojowe ślizgowych łożysk bezobsługowych. Trybologia, 4 187
Stanisław Stężała i in. Podniało A. 2002. Paliwa, oleje i smary w ekologicznej eksploatacji. Poradnik. WNT Warszawa Pogosjan A.K. 1977. Trenie i isnos napełnianych polimernych materiałow. Nauka, Moskwa Rymuza Z. 1986. Trybologia polimerów ślizgowych. WNT Warszawa Śliwiński W., Kołodziej E. 1987. Optymalny dobór składników modyfikujących tworzywa sztuczne na elementy ślizgowe. Materiały Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej Problemy tarcia i zużycia elementów maszyn i tworzyw sztucznych. Częstochowa, ss. 134-150 Wyniki badań przedstawione w niniejszym artykule zostały wygłoszone na XIV Międzynarodowej Konferencji Naukowej Problemy intensyfikacji produkcji zwierzęcej z uwzględnieniem ochrony środowiska i przepisów UE 23-24.09.2008 r. w IBMER Warszawa. 188