Chropowato równowagowa powierzchni roboczych jako kryterium jakoci naprawy wzłów tarciowych

Stawicki Tomasz Zakład Eksploatacji Systemów Technicznych Akademia Rolnicza w Szczecinie Chropowato równowagowa powierzchni roboczych jako kryterium jakoci naprawy wzłów tarciowych Streszczenie W opracowaniu przedstawiono koncepcj metody kształtowania właciwoci uytkowych, powierzchni roboczych współpracujcych tarciowo, ze szczególnym uwzgldnieniem warunków eksploatacji w technice rolniczej. Opisano moliwe do uzyskania korzyci wynikajce z zastosowania proponowanej metody, w procesie naprawy czopów wałów korbowych silników spalinowych stosowanych w cignikach i samojezdnych maszynach rolniczych. Słowa kluczowe: powierzchnie robocze, wzły krytyczne, stan pocztkowy, chropowato równowagowa, naprawa, warstwa wierzchnia Wprowadzenie Jednym z waniejszych parametrów oceny jakoci przystosowania obiektów technicznych do uytkowania jest podatno eksploatacyjna, stanowica zbiór takich cech maszyn jak: podatno uytkowa, podatno diagnostyczna oraz podatno obsługowo-naprawcza. W przypadku maszyn i urzdze rolniczych szczególn rol przypisuje si wymaganiom zwizanym z procesem uytkowania, natomiast czsto zaniedbuje si aspekty dotyczce moliwoci odtworzenia potencjału eksploatacyjnego [Woropay 1996]. Znajduje to odzwierciedlenie w dominujcej obecnie strategii eksploatacji według efektywnoci, zorientowanej na wzrost wydajnoci pracy przy jednoczesnym minimalizowaniu nakładów. W myl tej strategii o przydatnoci eksploatacyjnej maszyn rolniczych decyduje przede wszystkim rachunek ekonomiczny. W przypadku spadku wydajnoci pracy bd pojawiajcej si moliwoci wdroenia nowej bardziej efektywnej technologii, dalsze wykorzystanie uytkowanych obiektów technicznych 261

uznaje si za ekonomicznie nieuzasadnione. Czsto w praktyce eksploatacyjnej, procesowi starzenia ekonomicznego obiektów technicznych nie odpowiada równie szybko postpujce starzenie fizyczne. W realiach polskiego rolnictwa sytuacj tak mona uzna za typow, co wynika z powszechnoci wieloletniego uytkowania maszyn i duego zrónicowania potrzeb uytkowników (zalene m.in. od profilu produkcji i wielkoci uprawianego areału) utrwalajcego ten stan rzeczy. W takich warunkach realizacja procesu eksploatacji wg strategii efektywnoci moe prowadzi do nieuzasadnionych strat materiałowych i energetycznych. W zwizku z tym, uzasadnione jest takie planowanie cyklu ycia obiektów technicznych, który podporzdkowany bdzie pełniejszemu wykorzystaniu trwałoci konstrukcyjnej maszyn. Realizacj tego postulatu mona osign dziki kontynuacji procesu uytkowania, maszyn uznanych przez jednego uytkownika za nieefektywne, u uytkownika mniej wymagajcego. W pracy własnej za interesujcy uznano wariant wykorzystania potencjału eksploatacyjnego maszyn i urzdze rolniczych, poprzez modyfikacje właciwoci uytkowych powierzchni roboczych w procesie naprawy - z moliwoci adaptacji naprawianych maszyn do zmieniajcych si zada, na zasadzie naprawy i recyrkulacji. Podjcie decyzji o wtórnym zastosowaniu maszyn technologicznie przestarzałych, a o niewyczerpanym zapasie trwałoci eksploatacyjnej, powinno by poprzedzone ocen stanu technicznego z uwzgldnieniem aktualnych normom bezpieczestwa rodowiska naturalnego i ludzi. Sformułowanie problematyki badawczej Czas eksploatacji obiektów technicznych do chwili utraty zdatnoci uytkowej, uzaleniony jest głównie od intensywnoci procesów zuyciowych w obszarach współpracujcych powierzchni roboczych wzłów tarciowych. Od chwili rozpoczcia fazy uytkowania do momentu osignicia zuycia kwalifikujcego do naprawy, przebieg procesów zuyciowych w funkcji czasu przyjmuje róny poziom intensywnoci zaleny od warunków pracy i poziomu wymusze eksploatacyjnych. W przypadku maszyn i urzdze rolniczych charakterystyczne dla procesu uytkowania: długie okresy przestojów, zrónicowane warunki pracy (atmosferyczne i glebowe), przecienia mechaniczne itp. 262

przyczyniaj si do wystpowania efektu powtarzajcego si docierania (ustawicznego) wzłów ruchowych. Wtórne okresy adaptacji strukturalnej skutkuj intensyfikacj procesów zuyciowych i du awaryjnoci. Szczególnie naraone na zuycie tribologiczne - ze wzgldu na czste zmiany prdkoci wzgldnej współpracujcych elementów i efekt ustawicznego docierania - s powierzchnie współpracujce lizgowo. W zwizku z tym, celowe jest poszukiwanie rozwiza konstrukcyjnych i technologicznych, ukierunkowanych na popraw właciwoci uytkowych powierzchni roboczych par lizgowych. Ze wzgldów na okrelon specyfik pracy maszyn rolniczych, poszukuje si takich metod wytwarzania, naprawy i regeneracji, których efektem bdzie uzyskanie stanu pełnej gotowoci obiektu do przyjcia pełnego zakresu wymusze eksploatacyjnych od momentu rozpoczcia fazy uytkowania. Wynika std potrzeba przeniesienia fazy docierania, z okresu eksploatacji do procesu technologicznego kształtowania właciwoci uytkowych powierzchni roboczych. Dziki temu mona osign standaryzacj stanu pocztkowego wzłów tarciowych. Stwarza to moliwo uniknicia charakterystycznych dla okresu docierania patologicznych form niszczenia współpracujcych powierzchni oraz wyeliminowania typowych błdów wynikajcych z niewłaciwego realizowania procesu docierania przez uytkowników (np. przez zaniedbanie czynnoci obsługowo-technicznych, przecienia eksploatacyjne). W pracy własnej przyjto, e zmiany intensywnoci procesów destrukcyjnych w obszarze współpracujcych powierzchni lizgowych, zachodzce przy dostosowywaniu mikrogeometrii i właciwoci fizykochemicznych warstw wierzchnich (WW) do wymusze eksploatacyjnych, mog by korygowane w procesie naprawy. Uznano, e kryterium oceny jakoci naprawy, moe stanowi uzyskanie takiego stanu mikrogeometrii współpracujcych powierzchniach, który odpowiadałby bd byłby zbliony do stanu równowagowego tj. uznanego za optymalny dla danych warunków pracy i charakteryzujcego dotarte powierzchnie robocze [Burakowski, Marczak, 2000]. Materiały i metody Po przeanalizowaniu napraw maszyn i urzdze rolniczych uznano, e najwiksze korzyci mona osign w przypadku dopracowania obróbki wzłów lizgowych, dla których załoono konstrukcyjnie 263

odpowiedni zapas trwałoci, przewidziany na kilkakrotn napraw. Efektem kolejnych napraw, najczciej realizowanych przez obróbk szlifowaniem, jest postpujca zmiana wymiarów liniowych współpracujcych czci i zanikanie odpornoci WW na zuywanie tarciowe. Pogorszenie właciwoci uytkowych WW oraz ustawiczne docierania współpracujcych czci, skutkuje wyczerpaniem zapasu materiału przewidzianego na obróbk naprawcz, przy utrzymaniu odpornoci na zuycie zmczeniowe. Niewyczerpany zapas trwałoci zmczeniowej stanowi o potrzebie dopracowania procesu obsługowonaprawczego maszyn rolniczych, z uwzgldnieniem kryterium minimalizacji zuycia. Spełnienie tego postulatu wyznacza kierunek prac badawczych, zorientowanych na ograniczenie destrukcyjnych oddziaływa w obszarze współpracujcych powierzchni roboczych, w powtarzajcych si okresach docierania. Jako przedmiot bada wybrano łoyska lizgowe wałów korbowych, dla których przewidziana jest obróbka czopów na wymiary naprawcze. Wały korbowe s czciami o decydujcym wpływie na niezawodno i trwało silników spalinowych. W zwizku z tym, ju na etapie projektowania, ustala si odpowiedni zapas ich trwałoci w celu umoliwienia obróbki na kolejne podwymiary naprawcze. Jak wynika z własnych obserwacji, w przypadku wałów korbowych cigników rolniczych i kombajnów, załoeniom konstrukcyjnym czsto nie odpowiada praktyka eksploatacyjna. Dua awaryjno i niejednokrotnie wartoci zuycia przekraczajce dwu, a nawet trzykrotnie, przewidziany naddatek materiału do obróbki na kolejny podwymiar naprawczy, wskazuj na potrzeb dopracowania procedury naprawy wzłów łoyskowych. Luzy w rozpatrywanych łoyskach lizgowych, zmniejsza si poprzez wykonywanie napraw polegajcych na obróbce czci droszej na wymiary naprawcze (czopy wałów) i wymian panewek. O ile warstwa wierzchnia panewki moe by odpowiednio przygotowana w procesie wytwarzania, to powierzchnia czopa uzyskuje w procesie naprawy okrelone warto parametrów chropowatoci, wynikajce z zastosowanej metody obróbki (najczciej szlifowanie wykaczajce). Od stanu mikrogeometrycznego powierzchni roboczych, uzaleniony jest czas trwania adaptacji strukturalnej oraz intensywno procesów zuyciowych w pocztkowym okresie współpracy. Na podstawie obrazu graficznego (Rys. 1) typowej funkcji zuycia wzła lizgowego (krzywa 1) przyjto, e intensyfikacja procesów zuyciowych w okresie docierania elementów wzła, jest wynikiem szybkiego pogarszania właciwoci uytkowych panewek i przystosowywania mikrogeometrii warstw wierzchnich czopów do wymusze eksploatacyjnych. Proces 264

ten trwa do momentu ukonstytuowania chropowatoci równowagowej na powierzchniach roboczych czopów. Równowagowy stan mikrogeometrii utrzymuje si w okresie zuycia normalnego tj. w okresie stałej intensywnoci zuywania w funkcji czasu pracy (liniowy przebieg charakterystyki zuycia). W zwizku z tym uznano, e w czasie odpowiadajcym zuyciu normalnemu mona wyznaczy wartoci parametrów chropowatoci równowagowej powierzchni roboczych czopów. Rys.1. Przebieg procesów zuycia w lizgowym wle tarcia: 1 przypadek ogólny, 2 przebieg przewidywany, I 1 intensywno zuycia dla przypadku ogólnego, I 2 - intensywno zuycia dla przypadku przewidywanego, T 1 czas docierania, T 2,T 2 czas pracy do osignicia zuycia dopuszczalnego, Z dop zuycie dopuszczalne (opracowanie własne) Fig. 1. Course of processes of wear in the slippery kinematic pair of friction: 1 general case, 2 predicted course, I 1 intensity of wear for the general case, I 2 intensity of wear for predicted case, T 1 grinding-in time, T 2, T 2 work time to reaching of allowable wear, Z dop allowable wear (own elaboration) Przyjto, e uzyskane w opisany sposób dane mog stanowi kryterium oceny jakoci naprawy, spełniajce postulat poprawy właciwoci uytkowych WW czopów. Spełnienie tego kryterium oznacza konieczno uzyskania w procesie naprawy, chropowatoci technologicznej zblionej do równowagowej. W efekcie mona skróci czas przystosowania warstw wierzchnich do wymusze eksploatacyjnych, ograniczy zuycie w obszarze współpracy, a tym samym wydłuy czas pracy wzła do momentu osignicia zuycia dopuszczalnego (krzywa 2). Ponadto, mona uzyska standaryzacj stanu pocztkowego wzła, co ułatwi planowanie terminów obsługi technicznej i naprawczej maszyn. Wariant udoskonalenia metody stanowi idea odtworzenia zapasu trwałoci zespołów rzeczywistych w trakcie czynnoci obsługowych, w czasie których wykonuje si zabieg molekularnego wzmocnienia warstw wierzchnich. Moliwe do uzyskania korzyci wynikajce z realizacji tak zdefiniowanego procesu przedstawiono na wykresie (krzywa 3). 265

Załoono, e w procesie naprawy mona uzyska podan zmian charakterystyki tribologcznej elementów roboczych w wzłach lizgowych, dziki wykorzystaniu substancji płynnych zastosowanych w operacji modyfikowania właciwoci uytkowych WW. Przyjto, e dziki dodatkowej obróbce koczcej proces technologiczny naprawy, uzyska si WW o załoonych z góry parametrach mikrogeometrycznych, odpowiadajcych parametrom równowagowym kształtujcym si podczas eksploatacji. Załoenie to jest ukierunkowane na wykorzystanie typowych operacji obróbkowych - obróbka wykaczajca powierzchni, docieranie adaptacyjne czci w wle kinematycznym, trening zespołów i wzłów rzeczywistych - oraz towarzyszcych im efektów energetycznych. W dotychczasowych badaniach wykazano [Stawicki 2001, Wanke 1998], e modyfikacja strefy przypowierzchniowej moe by przeprowadzona w trakcie krótkotrwałego i sterowanego procesu obróbki tarciowej, w atmosferze aktywnego chemicznie medium obróbkowego (baza olejowa + komponent przeciwzatarciowy). Wykazano, e zalenie od zastosowanych wartoci parametrów technologicznych procesu modyfikacji (prdkoci lizgania i obcienia) mona uzyska róny poziom wygładzenia powierzchni. W zwizku z tym, mona wnioskowa o moliwoci konstytuowania równowagowych wartoci parametrów chropowatoci w procesie naprawy. Warunkiem koniecznym do realizacji postulatu poprawy właciwoci tribologicznych wzłów lizgowych jest znajomo rzeczywistych wartoci parametrów mikrostruktury warstw wierzchnich (WW), kształtujcych si w trakcie procesu długotrwałej eksploatacji. W zwizku z tym, podjto badania zmierzajce do ustalenia zakresu wartoci parametrów chropowatoci równowagowej powierzchni roboczej czopów, wałów korbowych stosowanych w silnikach wybranych maszyn rolniczych. Wyniki W celu wyznaczenia wartoci parametrów chropowatoci równowagowej, analizowano stan mikrogeometrii czci oddanych do naprawy. Skompletowano wyposaenie stanowiska badawczego, w którym program komputerowy TURBO DATAWIN NT współpracuje z profilografometrem (urzdzenie pomiarowe HOMMELWERKE T-1000). Aparatura pomiarowa umoliwia kompleksow analiz wymiarow i statystyczn parametrów mikrogeometrycznych oraz wizualizacj 266

struktury stereometrycznej mierzonych powierzchni. Kwalifikowanie wałów do pomiarów, poprzedzone było wykonaniem czynnoci weryfikacyjnych (ogldzin i pomiarów). Celem pomiarów było okrelenie stopnia zuycia czci ustalenie czy zuycie nie przekracza wartoci dopuszczalnych (Rys. 1). Ogldziny wykonano w celu stwierdzenia, czy na powierzchniach roboczych czopów nie ma widocznych ladów wiadczcych o rozwoju patologicznych form niszczenia powierzchni, co wykluczałoby moliwo wiarygodnego wyznaczenia parametrów chropowatoci równowagowej. Do realizacji postulatów badawczych wytypowano parametry najpowszechniej i najczciej stosowane do opisu nierównoci powierzchni roboczych: - rednie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatoci od linii redniej (R a ), - wysoko chropowatoci (R z ), - liniowy udział nony profilu chropowatoci t p. Program bada obejmował pomiary stanu mikrogeometrii czopów przed i po szlifowaniu wykaczajcym, wałów korbowych stosowanych w silnikach samojezdnych maszynach rolniczych (m.in. cigniki rolnicze i kombajny zboowe). W tabeli 1 zamieszczono zestawienie statystyczne, uzyskiwanych wartoci parametrów R a i R z, stanowice przykład uznany za reprezentatywny dla czci objtych programem bada. Z przedstawionych danych wynika, e wartoci parametrów R a i R z po szlifowaniu wykaczajcym, mieszcz si w zakresie 7 i 8 klasy chropowatoci wg PN 87/M - 04251. W przypadku powierzchni dotartych, oszacowane wartoci rednie parametrów R a i R z sytuuj si w klasie 9. W skrajnym przypadku, rónica midzy stanem mikrogeometrii powierzchni szlifowanej (R a = 1,15 m) i dotartej (R a = 0,15 m) wynosi 3 klasy chropowatoci. Aby uwidoczni tak due rónice w zakresie gładkoci powierzchni, dokonano porównania uzyskanych przebiegów krzywej liniowego udziału nonego (Rys. 2), dla przytoczonego przykładu. Powierzchnia po obróbce szlifowaniem wykaczajcym odznacza si duym zrónicowaniem wysokoci mikronierównoci i stromym przebiegiem krzywej liniowego udziału nonego. Taki stan mikrogeometrii stwarza niebezpieczestwo inicjowania zacierania, szczególnie w okresie docierania adaptacyjnego, gdy przenoszone obcienia rozkładaj si na stosunkowo niewielkiej powierzchni rzeczywistego pola styku. Tab. 1 Wartoci parametrów R a i R z mikrogeometrii czopów wałów korbowych cignika URSUS 1204 Tab. 1. Values of parameters R a and R z of micro-geometry of crankshafts pins of the URSUS 1204 tractor 267

Czopy Parametr Wartoci rednie [m] Rozstp R [m] X min [m] X max [m] Odchylenie standardowe S [m] Główne szlifowane Główne dotarte Korbowe szlifowane Korbowe dotarte R a 0,74 0,68 0,47 1,15 0,14 R z 4,86 4,62 3,02 7,64 0,89 R a 0,28 0,28 0,15 0,43 0,08 R z 2,50 2,29 1,53 3,82 0,59 R a 0,89 0,54 0,71 1,05 0,14 R z 5,54 2,80 4,46 7,26 0,74 R a 0,22 0,20 0,13 0,33 0,05 R z 1,81 1,54 1,00 2,54 0,37 Szczególnie interesujco ze wzgldów utylitarnych, przedstawia si porównanie rednich wartoci parametrów chropowatoci, uzyskanych z pomiarów czopów głównych i korbowodowych wałów dotartych (tab. 1). Mimo teoretycznie korzystniejszych warunków pracy, na czopach głównych zaobserwowano wiksze schropowacenia i czstsze ni w przypadku czopów korbowych, objawy zuycia ciernego (głbokie rysy). Podobn prawidłowo stwierdzono w przypadku wałów korbowych stosowanych w innych maszynach rolniczych (tabela 2). a) b Rys.2. Liniowy udział nony profilu chropowatoci: a. czopa szlifowanego R a = 1,15 m, b. czopa dotartego R a = 0,15 m Fig. 2. Linear bearing surface of the profile of surface roughness: a) grinded pin R a = 1,15 m, b) grinded-in pin R a = 1,15 m. Tab. 2 Porównanie wartoci rednich R a, z pomiarów czopów wałów korbowych przekazanych do naprawy Tab. 2. Comparison of means R a from measurements of crankshafts pins destined to repair. Wartoci oszacowane na czopach URSUS C 385 R a [m] URSUS C 360 R a [m] Kombajn zboowy BIZON R a [m] Głównych 0,22 0,27 0,26 Korbowodowych 0,19 0,21 0,16 268

Wnioski Na podstawie uzyskanych wyników bada laboratoryjnych, zebranych informacji o stanach awaryjnych oraz danych z czynnoci weryfikacyjnych, mona wnioskowa: 1. O potrzebie wprowadzenia dodatkowej obróbki koczcej proces technologiczny naprawy wałów korbowych i moliwoci zastosowania parametrów chropowatoci równowagowej, jako kryterium oceny jej jakoci. Oszacowane rednie wartoci parametrów R a i R z, utrzymujce si w okresie zuycia normalnego, s o rzd wielkoci mniejsze ni po starannym szlifowaniu wykaczajcym. Stanowi to o moliwoci zastosowania przyjtego kryterium oceny jakoci naprawy, do opracowania procedury modyfikowania właciwoci uytkowych powierzchni roboczych czopów wałów korbowych. 2. O szczególnej potrzebie dopracowania procesu technologicznego wygładzania powierzchni roboczej czopów głównych. Główne łoyskowania lizgowe mona uzna za wzeł krytyczny (słabe ogniwo) rozpatrywanej klasy czci. W zwizku z tym, przede wszystkim od uzyskanych w procesie naprawy właciwoci uytkowych czopów głównych, uzaleniona jest trwało i niezawodno całej czci, a w konsekwencji podatno obsługowo-naprawcza silników maszyn rolniczych. Dotychczasowe badania stanowi potwierdzenie moliwoci zastosowania postulowanego kryterium oceny jakoci naprawy. Kolejny etap bada obejmuje opracowanie metody modyfikowania właciwoci uytkowych powierzchni roboczych czopów, moliwej do zastosowania w warunkach zakładu naprawczego. Trwaj prace nad projektem przyrzdu do konstytuowania równowagowych parametrów mikrogeometrii wzłów rzeczywistych. Bibliografia Pod redakcj Macieja Woropay a. 1996. Podstawy racjonalnej eksploatacji maszyn. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Bydgoszcz-Radom. Burakowski T., Marczak R. 2000. Badania eksploatacyjnej warstwy wierzchniej. Tribologia i tribotechnika. Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom. Stawicki T. 2001. Badania moliwoci optymalizacji trwałoci krytycznych wzłów tarcia maszyn rolniczych. Praca magisterska. Akademia Rolnicza w Szczecinie, Szczecin. 269

Wanke P. 1998. Badania wpływu obróbki tarciowej na właciwoci warstwy wierzchniej wybranych elementów wzłów krytycznych. Rozprawa doktorska. Szczecin. PN 87/M-04251. Struktura geometryczna powierzchni. Chropowato powierzchni. Wartoci liczbowe parametrów. Equilibrium roughness of working surfaces as a criterion of quality for the estimation of the quality frictional pairs repair A conception of method of a forming utility properties of working surfaces co-operating frictionally, with particular consideration of operating conditions in agricultural technique. Possible advantages resulting from application of the proposed method in the process of fixing pins of crankshafts of combustion engines used in tractors and selfpropelled agricultural machines were described. Key words: working surfaces, critical knots, equilibrium roughness, repair, surface lager 270