#

Janusz DASIEWICZ,

Jolanta DRABIK,

Janusz JANECKI,

Zbigniew PAWELEC

Instytut Technologii Eksploatacji, Radom

*)ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW METALOŻYWICZNYCH W REGENERACJI ELEMENTÓW MASZYN

 

Słowa kluczowe : Eksploatacja, regeneracyjne kompozyty metalożywiczne, naprawa uszkodzonych elementów, zużycie tribologiczne.

 

*Janusz DASIEWICZ, Jolanta DRABIK, Janusz JANECKI, Zbigniew PAWELEC, „ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW METALOŻYWICZNYCH W REGENERACJI ELEMENTÓW MASZYN”, PROBLEMY EKSPLOATACJI, 2-1995 s.127

1. Streszczenie

Przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych oraz eksploatacyjnych, które prowadzono w wybranych zakładach pracy w warunkach rzeczywistych. Przedstawiono program i wyniki badań tribologicznych kompozytów metalożywicznych, stosowanych do regeneracji elementów ślizgowych (czopów łożysk poprzecznych) odtwarzających wymiar pierwotny oraz do naprawy uszkodzonych części maszyn, metodą nakładania warstw chemoutwardzalnych.

Wprowadzenie

W procesie produkcji różnego rodzaju maszyn nie udaje się uzyskać jednakowej trwałości wszystkich ich części składowych. Zmusza to do stosowania procesów naprawy. Klasyczne metody regeneracji trących się części maszyn, ich niedociągnięcia i wady, takie jak: energochłonność, pracochłonność, konieczność stosowania specjalnych urządzeń pomocniczych, konieczność aplikowania obróbek cieplno-chemicznych, często ekologicznie kłopotliwych, prowadzą do małej popularności regeneracji części maszyn w praktyce remontów. Wymiana zużytego elementu (np. wału) na nowy jest kosztowna, a ponadto często wymaga czasochłonnego demontażu, montażu i ustawiania (w przypadku regenerowania tworzywem sztucznym nie zawsze jest to konieczne). Wszystko to powoduje rosnące zainteresowanie służb utrzymania ruchu innymi metodami (materiałami) regeneracyjnymi i technologiami ich stosowania.
Stosowanie tworzyw sztucznych w regeneracji części maszyn jest następstwem wielu ich cech i zalet, których nie mają dotychczas stosowane materiały klasyczne. Do nich należy zaliczyć przede wszystkim dużą łatwość formowania, nawet skomplikowanych nieraz kształtów, prostymi metodami bezodpadowymi. Naturalnie stosowanie tworzyw sztucznych ograniczone jest pewnymi ich cechami, które na przykład w porównaniu z cechami metali, uznać należy za wady, np.: mniejsza wytrzymałość oraz twardość, mniejsza odporność cieplna, wreszcie, co ważne jest w przypadku części pracujących przy tarciu ślizgowym, mniejszy współczynnik przewodzenia ciepła. Dodatkowe walory eksploatacyjne wynikające z właściwości tworzyw: duża zdolność tłumienia drgań, mały współczynnik tarcia, stwarzają możliwość szerokiego ich wykorzystania w procesach technologicznych regeneracji zużytych części maszyn.
Para ślizgowa typu czop-panewka należy do najbardziej rozpowszechnionych węzłów ślizgowych występujących w maszynach i urządzeniach. Proste łożyska poprzeczne można regenerować poprzez powlekanie tworzywem czopa i wymianę panwi (tulei). Obszar stosowalności poszczególnych tworzyw wyznaczają określone wartości nacisku jednostkowego oraz prędkości (ślizgania) [L. 2].
Poniżej (TAB. 1) przedstawiono opracowaną klasyfikację części maszyn i urządzeń, które można naprawiać i regenerować kompozytami epoksydowymi [L. 5].
Przebieg procesów technologicznych naprawy elementów uszkodzonych lub zużytych jest identyczny. Różnice mogą dotyczyć jedynie niektórych wartości liczbowych procesu, np. czasu przygotowania powierzchni, czasu i temperatury utwardzania, które to różnice wynikają z wielkości, kształtu i umiejscowienia uszkodzenia lub zużycia.
Technologia napraw i regeneracji kompozytami metalożywicznymi polega na nakładaniu na uszkodzone miejsce materiału, który uzupełni rodzimy materiał danej części, wypełni braki, zastąpi materiał wytarty czy zużyty oraz na nałożeniu warstwy ochronnej, cienkiej, ale skutecznie osłaniającej dany element przed działaniem korozji, erozji czy kawitacji.

Tabela 1. Klasyfikacja części maszyn i urządzeń nadających się do naprawy
Rodzaj uszkodzeniaNazwa części maszyn
  1. Usuwanie pęknięć i ubytków
  • kadłuby silników, korpusy skrzyni biegów, tłoki siłowników hydraulicznych, walce, rowki wpustowe,
  • prowadnice ślizgowe, obudowa ściętych gwintów itp.
  1. Usuwanie błędów produkcyjnych nowych elementów i wykańczanie ich
  • błędy produkcyjne, np. obróbki skrawaniem, dużych elementów o skomplikowanym kształcie,
  • wady odlewnicze,
  • wykonawstwo modeli, form, narzędzi, szablonów, sprawdzianów.
  1. Naprawa wałów i gniazd łożysk ślizgowych, łożyskowanie i tulejowanie
  • naprawa przez przywrócenie wymiarów nominalnych,
  • odbudowa gniazd panewek,
  • kształtowanie gniazd łożysk tocznych,
  • tulejowanie techniką wtrysku,
  • centrowanie drutami.
  1. Regeneracja ubytków erozyjnych, korozyjnych i kawitacyjnych
  • korpusy pomp, śruby, wirniki, zawory, zasuwy, dna sitowe wymienników ciepła, ślimaki, prowadnice ślizgowe, szyny prowadzące itp.
  1. Usuwanie przecieków, uszczelnianie
  • zbiorniki, pompy, rurociągi itp.
Ze względu na specyfikę i właściwości kompozytów z tworzyw sztucznych przeznaczone są one do regeneracji łożysk ślizgowych o stosunkowo małej prędkości obrotowej i niedużych obciążeniach. Tego typu węzły tarcia występują między innymi w maszynach włókienniczych, rolniczych i obrabiarkach. Przeciętnie stosowane są obciążenia w zakresie 500-1000 N przy prędkościach obrotowych 0,1-0,3 m/s i smarowanie jednokrotne smarem stałym.

Zakres i wyniki badań

Otrzymane w Instytucie kompozyty charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi, wytrzymałościowymi i tribologicznymi [L. 4]. Uzyskane wyniki badań laboratoryjnych i eksploatacyjnych określiły możliwości zastosowania tych kompozytów jako materiałów zastępujących rodzimy materiał naprawianego elementu.
Znając warunki pracy uszkodzonych lub zużytych części maszyn świadomie kształtowano właściwości kompozytów. W dużym stopniu skład chemiczny determinuje strukturę kompozytu i jest odpowiedzialny za szereg właściwości: mechanicznych, cieplnych i tribologicznych. Skład opracowanych tworzyw poddanych badaniom tribologicznym zamieszczono w TABELI 2.

Tabela 2. Składy opracowanych tworzyw poddanych badaniom tribologicznym
Lp.SkładnikiNazwa kompozytu
DIP-1DIP-2DIP-3
1Epidianxxx
2Utwardzaczxxx
3Proszek Fex--
4Proszek FeCr-x-
5Proszek AlFe--x
6Dodatki tiksotropowexxx
7Środki smarnex--
Właściwe dopasowanie kompozytu do materiału podłoża warunkuje dobrą adhezję, co bezpośrednio wpływa na wzrost trwałości naprawy.
Przed regeneracją uszkodzonych bądź zużytych części maszyn i przeprowadzeniem eksperymentu eksploatacyjnego przeprowadzono szereg badań tribologicznych w celu określenia odporności na zużycie kompozytów. Testy prowadzono na maszynie tribologicznej typu T-05 [L. 1, 3].
Próbki do badań przygotowywano w następujący sposób: kompozyt nakładano na odpowiednio przygotowany czop (rolkę) i po utwardzeniu szlifowano na żądany wymiar. Panewka (klocek) wykonana była z brązu łożyskowego. Zakładając przeznaczenie tej metody regeneracji dla łożysk ślizgowych słabo smarowanych i niezbyt silnie obciążonych (np. łożyska ślizgowe wałków farbiarskich maszyn włókienniczych), ustalono warunki badań:
  • nacisk jednostkowy - 9 MPa;
  • prędkość ślizgania - 0,27 m/s.
Próby wykonano przy jednokrotnym smarowaniu smarem łożyskowym ŁT4S3 na drodze 5000 m. Oprzyrządowanie badań pozwalało na zapis temperatury oraz wartości zużycia liniowego w procesie tarcia - pomiar ciągły. Dla porównania (RYS. l), przedstawiono zużycie liniowe czopów wykonanych ze stali 45 i zregenerowanych materiałami kompozytowymi: Unirep-3 i DIP-1, DIP-2, DIP-3.
Jak wynika z powyższego wykresu, optymalne właściwości wykazuje kompozyt, którego podstawowym proszkowym napełniaczem metalowym jest żelazo (DIP-1). Łączne zużycie liniowe pary trącej z tym kompozytem DIP-1 jest mniejsze niż zużycie pary z kompozytem zawierającym proszek Alfer (DIP-3) i co ważne - porównywalne do zużycia pary klasycznej stal 45-stop łożyskowy.
Rys. 1. Zużycie liniowe badanych skojarzeń czop-panew

Wreszcie na szczególne podkreślenie zasługuje fakt mniej intensywnego zużywania zregenerowanej warstwy kompozytem DIP-1 niż stali 45 w parze klasycznej. Nie trzeba chyba podkreślać faktu, że wyłoniony kompozyt regeneracyjny jest bardziej odporny na zużycie niż zagraniczny Unirep-3 (wynika to jednoznacznie z RYSUNKU 1).

Przykład praktycznej realizacji

Do badań eksploatacyjnych realizowanych w zakładach przemysłowych w toku normalnej produkcji wybrano elementy maszyn i urządzeń, pracujące w warunkach umiarkowanych obciążeń i prędkości oraz narażonych na działanie czynników zewnętrznych.
Kompozyt DIP-1 wdrożono do praktyki remontowej regenerując nim kilkadziesiąt czopów wałków maszyn włókienniczych, które pracują bez awarii i bez wyraźnych śladów zużycia Już od kilkunastu miesięcy. Zregenerowane kompozytem prowadnice płaskie obrabiarek (kilkanaście egzemplarzy) pracują bezawaryjnie już od ponad roku.
Poniżej przedstawiono na przykładzie wybranych przedsiębiorstw miejsce zastosowania kompozytu DIP-1 i DIP-3 (EPALF-9):
1. Zakłady Przemysłu Bawełnianego „UNIONTEX” w Łodzi
Urządzenie:włókiennicza maszyna farbiarska
Regenerowany element:czop łożyska ślizgowego wału transportującego farbowaną tkaninę - średnica 30 mm, długość 60 mm,
Materiał regenerujący:kompozyt DIP-1
Parametry pracy:temperatura pracy 80°C, prędkość 1,5-2,0 m/s, praca w środowisku wodnych roztworów barwników; charakter pracy łożyska: praca ciągła oraz w krótkich cyklach.
2. Przedsiębiorstwo Remontowe Obrabiarek Precyzyjnych „PONAR-REMO” w Koronowie
Urządzenie:tokarka
Regenerowany element:prowadnice suportu tokarek
Materiał regenerujący:kompozyt DIP-1
Parametry pracy:nacisk 20 - 50 kg/cm2, prędkość przesuwu do ok. 0,3 m/s, praca w środowisku cieczy chłodząco -smarującej
3. Fabryka Obrabiarek Precyzyjnych „AVIA” w Warszawie
Urządzenie:frezarka CNC
Regenerowany element:prowadnice suportu i stołu obrabiarki
Materiał regenerujący:kompozyt DIP-1
Parametry pracy:nacisk 20-40 kg/cm2, współpraca z tworzywem „Turcite B” firmy Schamban, prędkość przesuwu do ok. 0,3 m/s, praca w środowisku cieczy chłodząco-smarującej
4. Zakład Produkcji Elementów Spędowych Obuwia „Master” w Radomiu
Urządzenie:wtryskarka „Crom-26”
Regenerowany element:czop płyty środkowej
Materiał regenerujący:kompozyt EPALF-9
Parametry pracy:obciążenie statyczne ciągła praca w środowisku wodnym temperatura pracy płyty środkowej: - temp. zmienna od 10 do 50° C.

Osiągnięte rezultaty

W każdym z powyższych przypadków opracowane kompozyty DIP-1 i DIP-3 przeszły z powodzeniem pełny cykl badań eksploatacyjnych.
Powołując się na opinie służb technicznych przedsiębiorstw, w których zastosowano kompozyt DIP-1 do regeneracji elementów ślizgowych maszyn można stwierdzić, że opracowany materiał regeneracyjny cechuje:
  • dobra przyczepność do podłoża i dostateczna twardość,
  • dobra udarność - nie zaobserwowano pęknięć i wykruszeń,
  • duża odporność na zużycie,
  • dobra odporność chemiczna.
W przypadku regeneracji czopów wałów maszyny farbiarskiej kompozyt narażony jest na działanie agresywnego środowiska. Nie zaobserwowano negatywnego wpływu tego środowiska na właściwości kompozytu. Kompozyt pracował w następującym cyklu:
  • praca w cyklach krótkich - 8-godzinnych,
  • praca ciągła (ruch trzyzmianowy), maksymalny czas pracy: 140 godz.
Naprawione czopy łożysk ślizgowych pracują bezawaryjnie od października 1993 roku.
Zregenerowane prowadnice suportu i stołu w obrabiarkach - zakres obciążeń i parametry pracy zależne od rodzaju i konstrukcji obrabiarek, pracują bezawaryjnie od stycznia 1994 roku.
W eksploatacji obrabiarek nie stwierdzono „zatarć” prowadnic oraz innych niekorzystnych zmian.
W ramach testowania opracowanych materiałów zregenerowano kompozytem DIP-3 (EPALF-9) ubytki korozyjne czopa płyty środkowej wtryskarki Crom-26 z ZPESO „Master”. Zregenerowane elementy pracują bezawaryjnie we wtryskarce od października 1994 roku.

Podsumowanie

Zakres stosowania kompozytu metalożywicznego zależy od właściwości wytrzymałościowych i tribologicznych. Prowadzone badania tarciowo-zużyciowe wykazały możliwość i przydatność kompozytu do regeneracji powierzchni ślizgowych. Otrzymane kompozyty nadają się do zastosowania w tych parach, w których obciążenia są rzędu obciążeń stosowanych w badaniach. Uzyskane wyniki badań użytkowych potwierdzono w praktyce.
Jak wynika z przedstawionych rezultatów badań - opracowane kompozyty są na tyle dobre, że upoważniają do powszechnego ich stosowania w procesach regeneracji czopów w węzłach tarcia o podobnych warunkach pracy, jak wyżej opisane.

Praca wykonana w ramach Programu Celowego KBN nr 7 1377 91C.

Bibliografia

  1. Dasiewicz J., Janecki J.: „Badanie właściwości tribologicznych niektórych tworzyw metalożywicznych”. Tribologia 1/93, 1993.
  2. Dasiewicz J., Janecki J.: „Regeneracja czopa łożyska ślizgowego krajowymi materiałami kompozytowymi”. VII Krajowe Sympozjum Eksploatacji Urządzeń Technicznych, „Systemy Eksploatacji” Radom -Kozubnik 1993.
  3. Piekoszewski W., Szczerek M., Wiśniewski M.: „Eksperymentalne badania tarcia, zużycia i smarowania -metody i urządzenia”. Problemy Eksploatacji nr 3, 1992.
  4. Dasiewicz J., Drabik J., Janecki J.: „Kompozytowe materiały regeneracyjne”. Materiały konferencyjne. Regeneracja 95 Bydgoszcz.
  5. Dasiewicz J., Pawelec Z.: „Kompozyty metalożywiczne w procesie naprawy elementów maszyn”. Materiały konferencyjne Regeneracja '95 Bydgoszcz.