Uticaj kontaminirajudih čestica na     smanjenje radnog veka kotrljajnih     ležaja; pregled istraživanja     Ristid Marko...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjapovršinama i potreban im ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja2 POREKLO ČESTIČNE KONTAM...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja                         ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja3 TIPOVI KRHOTINA, MORFOL...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja   Tabela 1 Oblici i mogu...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjanastale u različitim proc...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaje uljni film najtanji (s...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja     Slika 5     Šematski...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaradni vek kotrljajnih lež...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja5 FAZE HABANJA I VIBRACIJ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjauslova [122, 140, 141, 14...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja     Povedanje hrapavosti...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja6 PONAŠANJE ČESTICA U KON...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjakojima su u kontaktu (sli...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjagde je     donja granica ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaPrema      teorijskim    ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja    Termička naprezanja d...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja                         ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaKrte čestice velike čvrst...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja7 ZAMOR MATERIJALA KOD PO...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaLokacija maksimalnog smic...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja8 ABRAZIVNO HABANJE KOTRL...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjadostupne u fino granulisa...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja8.2 KINEMATIKA KOTRLJAJNI...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaBroj pojava kontakata po ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja                         ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja                         ...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja          Slika 23    Sli...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja8.3.3 Transverzalna distr...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjatakođe imao malo vede hab...
Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja                         ...
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja   pregled istraživanja
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja pregled istraživanja

1,907 views

Published on

Published in: Travel, Business
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
1,907
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
13
Actions
Shares
0
Downloads
30
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Uticaj kontaminirajućih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja pregled istraživanja

  1. 1. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Ristid Marko1 91/09 Sažetak: Kontaminacija kontakata mašinskih elemenata od strane čvrstih čestica je ozbiljan problem u svim industrijskim sektorima. Čestice čija se veličina krede od nekoliko nanometara do nekoliko mikrometara su odgovorne za povedanje habanja i katastrofalne otkaze ležajeva, zupčanika, bregastih mehanizama, semeringa, i mašina. Habanja koja mogu da prouzrokuju takve kontaminacije su abrazija, površinski urezi, ljuspanje, zamor materijala, pa čak i struganje u zavisnosti od operacionih uslova i mehaničkih karakteristika čestica. Ulja i maziva često sadrže takve kontaminante, koji su ili generisani unutar mašine ili su uneti iz spoljnjeg okruženja. Kontaminirajude čestice mogu biti unesene u kontakt između kotrljajnih elemenata i oštetiti dodirne površine elemenata unutar ležaja. Veliki broj takvih pojedinačnih oštedenja može naneti veliku štetu kotrljajnim elementima i ležaju. Ključne reči: čestice, krhotine, kontaminacija, habanje, podmazivanje, kotrljajni ležajevi1 UVODPoslednjih decenija, čestična kontaminacija se smatra jednim od glavnih inženjerskih problema koja utičena pouzdanost mehanizama i mašina od nano do makro razmera *1-3]. Ni jedan industrijski sector nijeimun na ovaj problem, a pogotovu oni sektori industrije koji zahtevaju čisto okruženje za neometan rad.Primeri gde se zahteva veoma čisto okruženje su svi elementi koji se podmazuju i koji se nalazemeđusobno u relativnom kretanju (ležajevi, zupčanici, klipovi u motoru, semerinzi, itd), minijaturni uređajikao što su mikroelektromehanički sistemi, ventili, mehanizmi, mašine u prehambrenoj industriji, mašine ufarmaceutskoj industriji, elektronska industrija, aeronautička industrija, kao i mnoge druge inženjerskeprimene. Ulje u sistemu za podmazivanje uvek sadrži neki nivo čestične kontaminacije. Ulje može bitikontaminirano još u početku. Čestice takođe u toku rada mogu udi u sistem kroz oduške. Osim toga,čestice mogu biti generisane unutar mašinskog sistema habanjem ili korozionim procesom. Tokomperioda uhodavanja kotrljajnih i kliznih komponenata, čestična generacija moše biti vrlo visoka čak i uveoma čistom sistemu *4+. Zbog toga je važna efikasna filtracija tokom ovog perioda. Eksperimentalnirezultati pokazuju da jedan sat filtracije sa filterom od 3 µm tokom uhodavanja kotrljajnih ležajeva možesmanjiti i habanje i količinu samogenerisanih čestica do 10 puta *5]. Ali takva filtracija je skupa i verovatnonebi bila najbolje ekonomsko rešenje *6+. Ležajevi sa kotrljajnim elementima su pogotovo osetljivi naoštedenja prouzrokovana krhotinama koje se nalaze u ulju. Ovo je zbog toga što se kotrljaju po glatkim1 marko.a.ristic@gmail.com
  2. 2. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjapovršinama i potreban im je tanki razdvajajudi uljni film kako bi pravilno funkcionisali. Krhotine su običnovede od debljine uljnog filma; pa kada budu uhvadene u kontakt ošteduju dodirne površine. Ovo dovodi doinicijacije pukotina koje kasnije dovode do zamora materijala ili do intezivnog abrazivnog habanja.Eksperimentalni rezultati Nilsson-a [7+ pokazuju da abrazivno habanje prouzrokovano tvrdim česticamamože znatno izmeniti površinski profil prstena i kotrljajnih elemenata u ležaju. Čvrsti kontaminanti mogu poticati iz različitih izvora. Čestice mogu nastati u toku proizvodnih imontažnih procesa, mogu biti generisane habanjem, unete iz spoljne sredine, unete tokom održavanja ipopravke. Nesredna je činjenica da se u svim kontaktima među mašinskim elementima neprekidno nalazena hiljade miliona kontaminirajudih čestica, koje smanjuju radni vek dotičnih komponenata, mehanizama imašina. Problem kontaminacije čvrstim česticama je počeo da privlači pažnju poslednjih decenija, naročitoposle 1980-tih, što je dovelo do poboljšanja u čistodi i homogenosti čelika od kojih se izrađuju kotrljajniležajevi, povedanja njihove nosivosti, smanjenja širine tolerancijskih polja kao i celokupnu minijaturizacijuuređaja. Prva činjenica se odnosi na to da je prerani otkaz ležajeva usled površinskih nesavršenosti imikropukotina na površinama delova ležajeva i nehomogenosti materijala ležajeva stvar prošlosti, štodovodi u centar pažnje proučavanje drugih mehanizama otkaza kao što su oni koji su povezani sačesticama nečistode. Druga činjenica (opteredenja i širina tolerancije) znači da se uljni filmovi ukoncentrisanim kontaktima kao što su između kuglice ležaja i kotrljajne staze generalno smanjeni, što činikontakte ranjivijim na oštedenja usled delovanja čvrstih čestica. Treda činjenica (minijaturizacija) znači damale čestice sada imaju vedi uticaj zato što je njihov odnos veličine prema kontaktima uvedan. Moderna inženjerska praksa i istraživanje su dokazali štetan uticaj čvrstih čestica veličine od 0,1 do100 µm u tipičnim hidrodinamičkim ili gasnim uljnim filmovima veličine od nekoliko nanometara donekoliko mikrometara. Svaki put kada se čestica sabije u uzani procep između kontakata, ona napravilokalne brazde na kontaktnim površinama, koje su u najboljem slučaju elastične (povratne) a u najgoremslučaju plastične (trajne). Svako oštedenje koje se napravi na površinama zavisi od veličine, tvrdode, ikrtosti čestice, tvrdode površine, koeficijenta trenja između kontaktnog para čestica/površina, brzine, itipa kontakta: kotrljanje, klizanje, obrtanje ili neka kombinacija od ovih. Do sada su identifikovani i različitioblici oštedenja: izdubljenje, abrazija, lokalno termičko oštedenje, ljuspanje, raspadanje i trošenje. Površinsko izdubljenje je najčešda pojava koja se javlja usled dejstva čvrstih čestica *9-12] iproučavana je eksperimentalno *11, 12+ i teorijski uz pomod naponskih analiza *9, 10] i preko analizekonačnih elemenata *13-15+. Površinska abrazija nastala od kontaminirajudih čestica je takođe veomačesta i privukla je dosta pažnje u literaturi *8, 16-25+. Otkriveno je i da neka termalna oštedenja odfrikcionog zagrevanja, kao i izčezavanje uljnog filma u koncentrisanim kontaktima su takođe povezani saprisustvom kontaminirajudih čestica. Specifično, spekulisano je a i eksperimentalno demonstrirano daakumulacija čestica na ulazu u kontakt koji se podmazuje može da smanji snabdevanje kontakta uljnimmazivom, izčezavanje elastohidrodinamičkog filma pa čak i raspadanje i trošenje kontaktnih površina *1,3, 26-31+. Tipičan primer ove pojave je gomilanje i blokiranje ulaza elastohidrodinamičkog filma od stranečađi u dizel motorima *29-31] i motora koji koriste recirkulaciju izduvnih gasova. Osim toga kompresija iplastično smicanje čestica u elastohidrodinamičkom kontaktu se smatra odgovornim za frikcionozagrevanje i nastajanje termalnih brazdi [1, 3, 29, 30-37+, naročito kod kliznih kontakata. Frikcionozagrevanje je intezivnije kada veoma tvrde čestice prenose velike kontaktne pritiske *32-34+, čak i kada sučestice relativno male. Ipak, pokazano je teorijski da su metalne, elastične, meke čestice takođe opasnezbog velike efektivne zone trenja tokom njihove plastične deformacije *3, 29, 35-37]. Pored direktnog brazdanja i termalnog efekta od strane kontaminanata, takođe je i hemijskadegradacija tečnih lubrikanata od strane čestica veoma važna. Ovo dovodi do promene u efektivnojviskoznosti i takođe do promena u frikcionim performansama *38-40], ubrzanu oksidaciju ulja, koroziju,reakciju i neutralizaciju aditiva u lubrikantima kao što su ZDDP (Zn*(S2P(OEt)2]2) i drugi [31, 41-44]. Efekti kontaminacije na mehanizme mašina u smislu smanjenja radnog veka komponenata suintenzivno proučavane eksperimentalno *45-57+, i matematički *58-61+. Literatura koja se bavi čestičnomkontaminacijom je veoma velika, i najvedi deo istraživanja je obavljem nakon 1970-tih. Svaki pokušajprezentovanja dobre revizije tog rada u razumnoj količini prostora je veoma zahtevan zadatak. Ipak,uprkos važnosti problema, ovakvih literalnih revizija ima veoma malo *1-3, 62-65].Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 2
  3. 3. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja2 POREKLO ČESTIČNE KONTAMINACIJEČvrsti kontaminanti mogi poticati iz različitih internih ili eksternih izvora. Oni su obično sporedni proizvodirazličitih procesa uključujudi habanje čvrstih tela u različitim oblicima i pod različitim uslovima. Mogu senavesti slededa četiri izvora kontaminanata (neke kategorije se preklapaju).2.1 Unutrašnji izvori, izuzimajudi čestice nastale habanjemVeliki broj čestičnih fragmenata svih veličina i oblika obično ostaju u novo proizvedenom i novosklopljenom sistemu mehaničkih komponenata, kao što je na primer motor sa unutrašnjim sagorevanjem.Primeri uključuju sporedne proizvode proizvodnih procesa kao što su metalni opiljci i keramika poputsilicijum karbida od struganja ili izlivanja u peščanim kalupima, ljuspice farbe, rđa, i tako dalje *66]. Ovečestice su naročito opasne zato što su one obično poprilično velike (do nekoliko milimetara u veličini).Filtriranje ovakvih kontaminanata iz sistema je od velikog značaja, zbog čega na primer proizvođačiautomobila preporučuju prvu zamenu ulja u motoru ved nakon 1000 km. Nažalost ni nova ulja za podmazivanje nisu najbolji lek pošto i ona u sebi sadrže različite nečistode,uključujudi prljavštinu, prašinu, vlakna, metalne opiljke, metalne okside, itd *41+. Ovo potiče od tipičnogprocesa proizvodnje ulja koje uključuje mešanje sirovih materijala od različitih dobavljača koji sedopremaju u rezervoarima, istakanje u kontejnere, skladištenje, isporučivanje, itd. Najvedi proizvođačkotrljajnih ležajeva SKF, je izjavio 1991. *67+ da tipični rezervoar od 200 litara novog ulja u sebi sadrži višeod 1,1 milijarde čestica vedih od 5 µm; što je koncentracija od 5,5 miliona čestica po litru ulja (podpredpostavkom jednake preraspodele čestica u ulju). Šta više, po skorašnjem radu Dwyer Joyce-a [65],industrijska ulja sadrže 0,1-1,0 g/l čestica. Slika 1: Čestice u nekorišdenom motornom ulju (Kjer [68])Problem kontaminacije novog ulja je primeden barem od 1980-tih. Na primer, 1981. Kjer [68] je izneorezultate ferografske analize novog motornog ulja gde se primeduje veliki broj metalnih i nemetalnihčestica. To je uključivalo sferne čestice do 30 µm u veličini (slika 1(a)), metalne opiljke do 50 µm (slika1(b)), i nemetalne čestice nepravilnog oblika do 100 µm (slika 1(c)). Jones [69+ je 1983. pronašaogvozdene opiljke uz pomod ferografije u normalnim čistim lubrikantima za dizel motore i izneo da jenjihovo poreklo verovatno od katalizatora koji se koriste u procesu rafinacije, mada su slične česticeponovo dedektovane u ponovno prečišdenom ulju. Leng i Davies *70] 1988. su identifikovali viševarijanata opiljaka uz pomod ferografske i spektrometrijske analize korišdenog ulja iz dizel motoraproizvedenog i pakovanog u Južnoj Africi. Opiljci koji su pronađeni su bili od minerala kalcijuma veličine 30µm (slika 2(a)), minerala silicijuma do 25 µm (slika 2(b)), čestice dobijene habanjem (slika 2 (c)), čestice nabazi gvožđa 3-20 µm (slika 2 (d)), čestice od čistig hroma (slika (e)), veliki organski otpaci (slika 2 (f)), iostalo. Stachowiak je takođe u elaboratu *71+ 1991. opisao veliki broj raznovrsnih kontaminanata nađenihu nekorišdenim uljima.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 3
  4. 4. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Slika 2: Čestice u nekorišdenom mazivnom ulju za Dizel motore (Leng i Davies [70])2.2 Unutrašnje generisane, čestice koje potiču od habanjaUnutrašnje generisane čestice koje potiču od habanja su nastale kao deo raznoraznih procesa habanja[72-75+. To uključuje abraziju ( tvrde, grube i oštre čestice skidaju materijal sa mekše površine uz pomodmehanizma koji uključuje brazdanje, sečenje, cepanje, istiskivanje, udubljivanje i ostalo), odvajanje delidamaterijala sa površine uz pomod adhezije, erozija, površinski zamor kao kod ležajeva, piting kod zupčanikai forme katastrofalnog raspadanja usled zaribavanja. Primeri ovih čestica i njihovih izvora uključuju čeličnečestice nastale od pužnog zupčanika, aluminijum, bronza i bakar nastalih od puža i kudišta reduktora;silikati (prašina i pesak) nastali od livačkih kalupa itd.2.3 Spoljni izvoriVelike čestice (do milimetra u veličini) često ulaze u mehanički sistem zbog neefikasnog zaptivanja izmeđumehaničkog sistema i spoljnjeg okruženja, na taj način u sistem ulaze vazduh, prašina, pesak, balast saželezničkih šina, metalni opiljci, stakleni opiljci i drugo.2.4 Čestice unete tokom popravke i održavanja sistemaRaznovrsne velike čestice ulaze u sistem tokom procesa popravke i održavanja kao što je na primerzamena ulja, promena filtera, semeringa, itd.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 4
  5. 5. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja3 TIPOVI KRHOTINA, MORFOLOGIJA I KLASIFIKACIJAVeliki deo literature je posveden identifikaciji krhotina i čestica dobijenih habanjem radi svrhe pradenjastanja i analize habanja. Za čestice iz spoljnjeg izvora, ovo pomaže radi predviđanja rizika od oštedenja kaoi donošenja mera radi prevencija otkaza. Za čestice dobijene habanjem, automatska klasifikacija u smisluoblika, veličine, i površinske teksture može biti važna za pradenje stanja mašinskih elemenata, zakazivanjaremonta, dijagnozu problema. Klasifikacija čestica je uglavnom zasnovana na ferografiji [76] ikompjuterski podržanoj vizualizaciji i indedifikaciji *77+ sa numeričkom karakterizacijom morfologiječestica *71, 78].Morfologija čestica može biti specifikovana u funkciji oblika čestica, veličine, površinske topografije, boje idebljine [73+. Ovo obično zahteva skenirajudu elektronsku mikroskopiju (SEM) radi detaljne vizuelneinspekcije. Korisni morfološki vodiči *79, 80+ mogu razvrstati sledede tipove čestica (pogledati takođetabelu 1): sferne, nepravilne glatke ovalne, zdepaste i pločaste, vijugaste, spiralne, rascepke, rolne, niti ivlakna. Jednostavna klasifikacija u smislu oblika i detalja ivica je prezentovana od strane Roylance-a uelaboratu [77] (slika 3). Slika 3: Karakteristike oblika čestica i karakteristike ivica čestica (Roylance *77])Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 5
  6. 6. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Tabela 1 Oblici i moguda porekla čestica (Trevor *79], Knowandy [80]) Oblik čestice Tipičan naziv Neka moguda porekla Loptaste Zamor, trošenje metala Nepravilne glatke ovalne Atmosferska prašina Zdepaste Metalni opiljci; delidi ležaja, krhotine kamena Pločaste Metalni delidi; farba; bakar u mazivu Vijugave Metalni opiljci dobijeni tokom rezanja na visokim temperaturama u proizvodnji Rolne Verovatno slično kao i pločaste samo u rolovanoj formi Niti i vlakna Polimeri, pamuk, vunena vlakna; povremeno metal SEM je nezavisni alat za ocenjivanje čestica i on je naporan, skup, nedosledan i zahteva ekspertskoznanje. Ipak, SEM se obično kombinuje sa metodama numeričke karakterizacije, koje su bazirane naprotokolima za automatizaciju i kompjuterizaciju klasifikacije. Pogodni numerički opisi čestica koji seodnose na veličinu (prividnu površinu, dužinu, perimetar, i ekvivalentan prečnik) i spoljni oblik (odnosstrana, faktor oblika, konveksnost, izduženje, uvijenost, hrapavost, itd.) *77-83]. Razvijeno je nekolikotehnika za analizu slika kao što je opis granica čestica sa fraktalnom topografijom *69, 78] radikvantifikacije važnih karakteristika čestica, i radi predviđanja njihovog potencijalnog uticaja kao što je naprimer abrazivnost. Ipak, preliminarna, empirijska ocena na osnovu porekla čestica može dati dovoljnopodataka za procenu njihove veličine i oblika. Tabela 2 Tipovi čestica prema tvrdodi (dobijeno iz referenci [2], [67] iz tabele 6.1 iz [112]) Tip čestice Tvrdoda *HV+ Tip Izvor Veoma Do 40 Plastika, papir, drvo, tekstil, Eksterni za nemetalne meke biljna vlakna, čisti metali materijale; eksterni i poput zlata, srebra, bakra, interni za metalne olova, kalaja, aluminijuma, materijale nikla Meke, 55-280 Meki čelik, mesing, bronza, Kudišta, ležišne metalne aluminijum, bakar posteljice Tvrde, 700 Čelik (ležajevi i zupčanici); Otvrdnute površine metalne liveno gvožđe Tvrde, krte Obično do 1300 za Keramika (silicijum-karbid i Proizvodnja (pasta za keramiku mada može biti i silicijum-nitrid) i korund lepovanje, tocila za više brušenje, itd) Karakterizacija čestica i pradenje stanja radi razumevanja generisanja čestica *84, 86] je dostiglozadovoljavajudi nivo. Razvijeni su automatizovani sistemi za prepoznavanje obrazaca korišdenjemekspertskih baza podataka. Ipak, to ne može biti potpuno tačno zbog sličnosti nekih čestica koje suPonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 6
  7. 7. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjanastale u različitim procesima. Na primer, čestice sličnog izgleda mogu nastati pod uticajem različitihadhezivnih procesa habanja [87+. Mada ipak, čestice se mogu povezati sa specifičnim procesima habanja,ili zaptivnim neefikasnostima i pomodi u dijagnozi operacionih problema i prevenciji katastrofalnihoštedenja *73+. Nekoliko primera uključuju (a) strugotina ili trakasti metalni otpadak koji može nastati uprocesu mašinske obrade povezan sa abrazivnim habanjem, koji može biti rezultat delovanja tvrdih grubihoštrica i/ili tvrdih i oštrih otpadaka koji abrazivno deluju na mekšu površinu: (b) veliki, blokasti i nepravilnidelidi, koji nastaju usled trošenja materijala *73+ (tabele 1 i 2): i (c) sferni metalni delidi, koji sukarakteristika procesa mašinske obrade kao što su brušenje, mada takođe mogu nastati usled nekolikodrugih različitih procesa kao što de biti objašnjeno. Sferni delidi objašnjavaju nemogudnost automatskog sistema za prepoznavanje obrazaca da potpunozameni stručnog inženjera u toj oblasti. Specifično, nekoliko mehanizama je povezano sa nastajanjemsfernih čestica nastalih habanjem *88-92+ uključujudi trošenje kotrljajnih kontakata *84, 93-95], abrazija[91-96], habanje usled klizanja [97-99], kontaktna korozija [89, 100-102+, glačanje *103, 104], kavitacionaerozija [105], erozija usled električnog pražnjenja *98], i hemijske reakcije ( na primer, glikol (sredstvo zahlađenje) u reakciji sa aditivima u motornom ulju kao što su kalcijum-sulfat i ZDDP formira tvrde ‘uljanelopte’ u dizel motorima *106, 107+). Vedina od ovih procesa imaju zajedničke elemente, kao što su klizanjesa plastičnim deformacijama, frikciono zagrevanje pradeno naglim hlađenjem, velika brzina, oksidacija, idrugi. Izgleda da sferične čestice obično nastaju od primarnih čestica nastalih habanjem, koje su postalesferične usled termohemijskih akcija i/ili hemijskih reakcija. Uključujudi da su sferične čestice nosiociupozorenja procesa trošenja i nadolazedih otkaza, njihova karakterizacija u procesu pradenja je veomavažna. Ipak, kao što je predhodno objašnjeno, otkrivanje njihovog porekla zahteva više informacija osimizgleda, boje ili teksture. Dodatne informacije koje su potrebne je vrsta materijala. Različite metode *73, 75, 108+ se koriste za utvrđivanje materijala čestica uključujudi ferografiju [70,76, 109-111], spektroskopiju sa disperzijom energije, analizu emisije infra-crvenim i X zracima, itd. Morfologija čestica i indentifikacija materijala bi trebali, naravno da budu pradeni evaluacijom tvrdodečestica, što je glavna komponenta potencijala čestica da nanesu štetu. Generalno sposobnost čestica dananesu štetu je analogna njihovoj tvrdodi. Odnosno, čestice mekše od 40 HV se smatraju bezopasnim umnogim aplikacijama [63+ (mada ne i uvek po iskustvu nekih istraživača, što de kasnije biti objašnjeno).Korisna, generalna klasifikacija u pogledu tvrdode čestica je prikazana u Tabeli 2, koja je napravljena odreferenci [2] i [67] i Tabeli 6.1 reference [112].4 ŠKODLJIVI UTICAJI ČVRSTIH KONTAMINANATA NA KONCENTRISANE KONTAKTEVelika količina istraživačkog rada je opisala rizike kontaminacije čvrstim česticama u radu mašinskihelemenata. Ovo je dovelo do usavršavanja standarda o čistodi ulja, koji se zasnivaju na količini čestica igravimetrijskim analizama kao i usavršavanje protokola za formalizovanje ispitnih procedura, kako bi seizbegli otkazi hidrauličkih sistema pogotovo u avio industriji *113, 114+. Najvedi obim istraživanja su izvršiliinženjeri u industriji kotrljajnih ležaja, jer su kotrljajni ležajevi jedni od najoštedenijih elemenata zbogkontaminacije ulja. Istraživanje uticaja efekata čestica krhotina proteže se nekoliko decenija. Još 1927. godine, McKee[115+ je izmerio povedanje trenja u hidrodinamičkim ležajevima koje prouzrokuje kontaminacija ulja. Kakose trenje povedava tako se povedava i radna temperatura i habanje ležajeva, što su dokazali 1951. Roach[116], 1952. Rylander [117], 1965. Broeder i Heijnekamp [118]. Hirano i Yamamoto [119+ su 1959. Izvršilinekoliko testova sa kuglama i kontaminiranim uljem u kome su bile različite vrste mekih i tvrdih čestica.Pronašli su da čestive povedavaju habanje i da meke čestice (kao što je metalni prah) povedavaju trošenjetako što se nagomilavaju na ulazu u procep između kliznih ili kotrljajnih površina i blokiraju cirkulaciju izamenu ulja. U istraživanju obavljenom 1977, Fitzsimmons i Clevenger *120] su objavili da je habanjekoničnih kotrljajnih ležajeva u kontaminiranom ulju proporcionalno količini kantaminanata. U nepogodnoj situaciji, čestice krhotina mogu da blokiraju ulaznu zonu kontakta i smanje doturanjeulja kod kontakta kod koga se ostvaruje elastohidrodinamičko podmazivanje [121]. Kako se nedostatakulja kroz kontakt povedava tako se i pritisak povedava sve do maksimuma na izlaznoj zoni iz kontakta gdePonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 7
  8. 8. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaje uljni film najtanji (slika 4), površina prenošenja opteredenja je manja što takođe utiče i na mogudnostprenošenja opteredenja [122]. Slika 4 Kontaktni pritisak i debljina uljnog filma [123] Problem habanja kotrljajnih ležajeva od strane delida krhotina je stavljen u inženjersko razmatranje uautomobilskoj industriji od strane General Motors-a 1971. sa slededom izjavom *2, 62, 124+: ‘Prisustvonečistoda u kotrljajnim ležajevima je odgovorno za više od 90% otkaza kod kotrljajnih ležajeva; tamo gdese ležajevi održavaju čistim tokom montaže i podmazuju čistim uljem, gde su zaštideni preporučenimzaptivnim elementima, nebi trebalo očekivati ovakve probleme’. Avionska industrija je u još rizičnijoj situaciji. Wedeven *125] je u studiji 1979. godine izneo da ječestična kontaminacija glavni uzrok otkaza komponenata kod propulzionih sistema. U studiji objavljenoj1979. godine od strane Cunningham-a i Morgan-a [126+, iznešeno je da je uzročnik približno 20% svihotkaza ležajeva kod avionskih motora, transmisije i pomodnih uređaja kontaminacija od čestičnihkrhotina. SKF je 1991. godine izneo da je 14% svih otkaza kod ležajeva prouzrokovano kontaminacijom *67].Jasna izjava o efektu kontaminacije ulja na smanjenje radnog veka ležaja je izneta na 64. strani SKF-ovoggeneralnog kataloga: ‘Nekoliko kugličnih ležajeva 6305 sa i bez zaptivača je testirano u visokokontaminiranoj sredini (zupčasi prenosnik u kudištu sa pozamašnom količinom krhotina). Kod zaptivenihležajeva se nije javio otkaz, a testiranja su prekinuta iz praktičnih razloga nakon što su zaptiveni ležajeviradili i do 30 puta duže nego li što je bio eksperimentalni radni vek nezaptivenih ležajeva. Radni veknezaptivenih ležajeva bio je 0,1 od izračunatog L10…’ Konačno 2001. godine objavljeni rad od strane Ai-a[56+ uz pomod Timken Kompanije (USA), jednog od najvedih proizvođača kotrljajnih ležajeva, u kome jeizneto da je kontaminacija bila uzročnik otkaza u procenjenih 75% svih ležajeva koji su otkazali pre negošto su dostigli svoj garantovani radni vek.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 8
  9. 9. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Slika 5 Šematski prikaz Stribekove krive i njena povezanost sa režimima podmazivanja, vibracijama, i mehanizmina habanja; gornja slika: opisi vibracija i šeme, u kojima isprekidana linija pokazuje rotacione vibracije ( npr. neravnoteža, savijeno vratilo, odstupanje od saosnosti), puna linija pokazuje tranzitne vibracije (udari i rezonantni talasi); sredina: šematski prikaz mehanizma habanja; dole: Stribekova kriva sa koeficijentom trenja , brzina , viskoznost , opteredenje Inzvarendni rezultati u vezi smanjenja radnog veka ležajeva i hidrauličnih sistema od stranekontaminiranih mazivnih ulja su prezentovani u mnogim publikacijama – videti na primer slučajeve datena stranama 76-77 reference [41+. Na primer eksperimenti koji je izvršio Okamoto u elaboratu [127] 1972.godine pokazuju 80-90% smanjenja radnog veka kotrljajnih ležajeva kada se keramičke, silikonske igvozdene čestice konstantno dovode u sistem za podmazivanje ležajeva (brzinom od 12 mg/h).Pozamašan rad je posveden istraživanju efekata kontaminirajudih čestica na habanje motora saunutrašnjim sagorevanjem, naročito uticajima koji imaju pesak i prašina usisani zajedno sa vazduhom naklipne prstenove, košuljice cilindra, rukavce ležišta, i bregasta vratila *128, 129]. Rezultati pokazuju dakontaminirajude čestice različitih veličina i oblika, unete kroz filtere za vazduh ili ulje, kao i one generisaneunutar motora usled habanja i sagorevanja su veoma odgovorne za habanje motora. Takve studije su postavile još od 1960. godine u centar pažnje problem pravilne filtracije, kao glavninačin smanjenja kontaminacije od čvrstih čestica *130]. I zaista, benefiti pravilne filtracije ulja i vazduha suneosporivi (mada postoje određeni problemi sa ultra-finom filtracijom zbog povečanja gubitka energijeprilikom pumpanja ulja i odstranjivanja nekih aditiva iz sintetičkih ulja). U eksperimentalnom istraživanjuobjavljenom 1974. godine od strane Dalal-a u elaboratu [131] u saradnji sa SKF-om, pokazano je da sePonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 9
  10. 10. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaradni vek kotrljajnih ležajeva povedao nekoliko puta prilikom prelaska sa 10 µm filtracije na ultračistisistem. Povedanje radnog veka korišdenjem ultra fine filtracije takođe su pokazali 1979. Loewenthal iMoyer [46]; nekoliko godina kasnije (1982), Loewenthal je u elaboratu [48] koristio dvostepenu filtracijuna grupe jednorednih kugličnih ležajeva i došao do slededih zaključka u vezi sa njihovim otkazom: ‘ Ultrafina filtracija dovela je do dvostrukog povedanja radnog veka kotrljajnih ležajeva u odnosu kada jekorišdeno ulje filtrirano filtrima od 3 µm, i otprilike povedanje radnog veka tri puta nego li kada sukorišdeni filteri od 49 µm’. Jasno je da prema istraživanjima filtracija igra glavnu ulogu u smanjenju habanja mašinskih delova odstrane kontaminirajudih čestica i krhotina, i izbegavanju preranih otkaza. Šta više filteri se mogu koristiti udijagnostičke svrhe i pradenju stanja mašine u realnom vremenu uz pomod analize krhotina, i pradenjerazlika pritiska [132+. Pad pritiska u filtru znači njegovo zapušenje od strane čvrstih kontaminanata; ovo jeobično 0,2 bara kod novog ulja i novog filtra, a može dostidi vrednosti od 2,5 bara pre nego što dođe doneophodnosti promene filtra u hidrauličkom sistemu. Odgovajajuda finoda filtra za određenu namenu je od velike važnosti. Česta greška u ovoj oblasti jepogrešno razumevanje ocene efikasnosti filtera i njegove posledice na filtraciju. Prema ISO 4572standardu, filtar se može rangirati prema slededem odnosu: , gde su i brojevi čestica po jedinici zapremine (100 ml) fluida vedeg od µm u veličini koji ulaze i izlaze izfiltera, respektivno. Očigledno, ovaj odnos se odnosi na specifičnu veličinu čestica u mikrometrima, štoje naglašeno u indeksu u . Na primer, filter karakteristike znači da za svakih 200 česticaveličine 14 µm ( ) koje ulaze u filtar, očekuje se da od tih čestica samo jedna iz njega i izađe izfiltera. Ono što se češde komercijalno primenjuje je efikasnost filtera (u procentima), koji se definiše kao =(broj zadržanih čestica)/(broj čestica na ulazu) = . Na primer, efikasnost filtriranja zapredhodni primer od je =99,5%. Ovo nekome možda zvuči dosta dobro, ko možepredpostaviti da je efikasnost od 99,5%, što u nekom slučaju možda i nije potrebno. Ipak, koristedi =99,9% i tražedi beta, dobija se , što je pet puta bolje (ekvivalentno pet puta čistijem mazivu)nego li kod . Generalno korišdenjem date jednačine može se pokazati da filter sa efikasnošdu od99,9% je deset puta efikasniji u nego li filtar sa 99,0% efikasnošdu. Zbog čega se mora biti obazriv jer malarazlika u procentualnoj efikasnosti može značiti veliku razliku u kontaminaciji. Kao rezultat mnogih sličnih istraživanja, ISO je razvio univerzalni standard za merenje i označavanjenivoa kontaminacije u fluidima poznat kao ISO KOD čistode *137, 138], kao na primer kod 4406:99. Ovo namerenje broja i veličine čestica u uzorku fluida, pradeno dodavanjem ISO koda tome iz tabele. Kod sezatim upoređuje sa zadatim kodom za dati mehanički sistem, koji je određen na osnovu dozvoljenogstebena habanja i optimalnog radnog veka [139].Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 10
  11. 11. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja5 FAZE HABANJA I VIBRACIJE TOKOM RADNOG VEKA KOTRLJAJNIH LE@AJEVAProces habanja i zamora materijala kod kotrljajnih kontakata u kotrljajnim ležajevima tokom različitih fazaradnog veka šematski je prikazan na slici 6. Slika 6 Gornja slika: količina istrošenog materijala u ležaju počevši od faze uhodavanja pa do otkaza prouzrokovanog prevelikim trošenjem ili zamorom materijala. Donja slika: odgovarajuda evolucija rada ležaja počevši od perioda uhodavanja pa do otkaza prouzrokovanog zamorom materijala na kotrljajnim površinama i podpovršinama (fotografija: otkaz usled zamora materijala)5.1 Početak rada kotrljajnih ležajeva (uhodavanje)Pod pogodnim uslovima tokom početka rada, dolazi do efekta kotrljajnog poliranja ležajeva, uglavnom uzpomod plastične deformacije površinskih nepravilnosti. Efekat kotrljajnog poliranja se polako gubi kako sesmanjuje površinska hrapavost i dolazi do prelaska između mešovitog podmazivanja uelastohidrodinamičko podmazivanje. Proces uhodavanja može se ponovo aktivirati promenom radnihPonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 11
  12. 12. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjauslova [122, 140, 141, 142, 143+. Svaka deformacija neravnine u kotrljajnom ležaju tokom uhodavanjapredstavlja izvor vibracija.Mikro-abrazivno i klizno habanje kod kotrljajnih kontakata su delom odgovorni za izmene na kontaktnimpovršinama, za habanje kod kotrljajnih kontakata, i za formiranje čestičnih krhotina tokom uhodavanja[144+. Plastična deformacija prouzrokovana abrazijom i mikropukotine prouzrokovane zamorommaterijala su slabi izvor vibracija. Abrazivno habanje i površinska udubljenja prouzrokovani su česticama koje se nalaze u ulju tokomperioda uhodavanja ležaja *145]. Abrazivno habanje od strane kontaminirajudih čestica tokom uhodavanjaobično dovodi do povedanja hrapavosti i proizvodi još vedu količinu čestica i zbog toga smanjujemogudnost za stabilan rad ležaja *140+. Lomljenje čestica, abrazija koju izazivaju čestice, i pogoršanjekontaktne dinamike zbog povedanja hrapavost površina dovode do povedanja vibracija u kotrljajnomkontaktu. Tokom uhodavanja, naprezanja koja dovode do lokalnog trošenja u hrapavim oblastima, mogu dovestido pojave još vede hrapavosti. Mala dubina mikroudubljenja dovodi do malog zapreminskog gubitkamaterijala, ali proizvode puno malih krhotina. Mikropiting povedava nivo vibracija u ležaju, prekodinamike kontakta, zbog povedanja hrapavosti površina i povedanog sadržaja čestica u kontaktu. U zavisnosti od uslova kotrljanja tokom uhodavanja početna glatkoda površina se može ili povedati ilismanjiti.5.2 Habanje i zamor materijala kod kotrljajnih ležajeva pod stabilnim uslovima radaVedi deo radnog veka ležaja bi trebao da traje tokom perioda njegovog stabilnog rada, nakon periodauhodavanja. Uhodane površine imaju najvedu glatkodu i vibracije su na svom najnižem nivou. Radni uslovitokom perioda stabilnog rada konačno de odrediti da li de ležaj doživeti samo habanje kotrljajnihkontakata, ili de mehanizam habanja uznapredovati do zamora materijala (slika 6). Kao i kod uhodavanja, mikro-klizanje kod kotrljajnog kontakta je odgovorno za deo abrazivnoghabanja i klizajudeg trošenja i odvajanja čestica materijala, kao i formiranje čestičnih krhotina tokomperioda stabilnog rada [144]. Abrazivno habanje i površinska udubljenja mogu povedati hrapavost kotrljajnih površina i smanjitiradni vek ležaja *121, 146-150]. Lomljenje čestica, abrazija koju izazivaju čestice i povedana dinamikakontakta kao rezultat povedanja hrapavosti doprinose povedanju vibracija tokom perioda stabilnog rada.Kada ležaj radi iznad graničnih uslova habanja, ležaj de doživeti zamor materijala, odnosno naglopovedanje prskotina stvorenih od početnih mikropukotina. Dislokacija i formiranje pukotina kao i kasnijerelativno kretanje između naprslih površina dovode do povedanja vibracija.5.3 Ubrzano habanje i povedanje pukotina kod kotrljajnog kontakta i otkaz rada kotrljajnogležajaChoi i Liu [151] su podelili poslednju fazu procesa zamora materijala kod kotrljajnog kontakta na dvaperioda. Kod prvog perioda ne postoji značajan porast amplitude vibracija, kako se inicijacije pukotina injihovo širenje pojavljuju ispod površine. Drugi period pokazuje značajno povedanje amplitude vibracija,zbog formiranja i napredovanja ljuštenja materijala sa površine. Jednom iniciran i razvijen u lokalni otkaz usled pitinga, uslovi rada ležaja se pogoršavaju kroz formacijukrhotina dobijenih habanjem, povedanje hrapavosti površina, povedanja dinamičkih opteredenja i dolazido faze progresivnog pitinga i razvoja otkaza. Proces ubrzanog pitinga je praden povedanjem nivoavibracija, povedanjem brzine stvaranja krhotina, i povedanjem veličine krhotina *152].Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 12
  13. 13. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Povedanje hrapavosti povedava tangencijalne sile na kotrljajnim elementima u ležaju. Povedanje univou vibracija, površinske hrapavosti, i tangencijalnih sila u ležaju mogu dovesti do sekundarnihoštedenja kao što su pukotine kotrljajnih staza, koje obično potiču od vedih jama i udubljenja postepenodobijenih zbog zamora materijala, kao i lomove kaveza. U najgorem scenariju, lom kaveza dovodi doblokade kretanja kotrljajnih elemenata. Kotrljajni ležajevi koji rade u ulju kontaminiranom sa čvrstim česticama emituju šum i vibracije. Štoznači da se njihovo propadanje može akustički detektovati. Zapravo, analize vibracija se koriste kao alat zapradenje i zakazivanje remonta kako bi se izbegli katastrofalni kvarovi. Tipični primeri vibracija koji sejavljaju kod ležajeva koji rade u kontaminiranom ulju i mazivu mogu se videti na slici 7, uzeto iz referenci[133, 134]. Slični efekti zbog prisustva kontaminanata, kao što su povedano habanje i vibracije, pradeni su i koddrugih mašinskih elemenata kao što su zupčanici *135]. Sari je u elaboratu [136] eksperimentisao sacilindričnim zupčanicima koji rade u kontaminiranom ulju sa veoma finim česticama prašine, simulirajudiuslove koji postoje u pustinjama, kamenolomima i rudnicima. Ovi rezultati su pokazali povedanoabrazivno habanje i povedanje površinskih temperatura na bokovima zubaca, gde se javlja veliko klizanjekao što je u blizini podnožja zubaca. Ovakvi efekti su posmatrani u različitim mašinskim elementima, ipokazano je da je habanje vede ukoliko postoji klizanje. Slika 7 (a) Vibracije kod ležajeva nakon 60 minuta rada sa: (a) novim uljem; (b) ista kao (a) samo sa kontaminantnim česticama veličine 40 µm; (c) amplituda akustičnih šumova sa kontaminiranom masdu koja sadrži 0,02 masenih procenata kvarcne prašine; (d) isto kao (c) osim sa 10 puta vedom količinom prašine nego li u (c); (e) isto kao (c) osim sa 100 puta više prašine u odnodsu na (c). Slučajevi (c) i (e) uzeti od Akagaki [133]. Slučajevi (c) do (e) uzeti od Miettnen i Andersson *134]Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 13
  14. 14. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja6 PONAŠANJE ČESTICA U KONCENTRISANIM KONTAKTIMA Ponašanje kontaminirajudih čestica u koncentrisanim kontaktima dosta zavisi od njihove veličine i mehaničkih karakteristika, uklučijudi njihovu tvrdodu i krtost. Takođe to zavisi i od tvrdode dodirnih površina, njihovog koeficijenta trenja, kinematskih uslova kontakta (kotrljanje, klizanje, obrtanje ili kombinacija ovih). Na primer, kod kontakta kod koga dominira kotrljanje, izolirane čestice se ponašaju kao na slici 8, prema eksperimentalnom i teorijskom radu Dwyer- Joyce [2], Sayles [64], Ville i Nelias-a [11] između ostalih. Specifično, (a) elastične čestice (slika 8 (a)) se deformišu i postaju pljosnate njhova novodobijena debljina se smanjuje dok se ne izjednače pritisne sile deformanije i otpornosti materijala ( kod kontakta koji se podmazuju, ta debljina je obično ista kao i srednja vrednost debljine uljnog filma neporemedenog kontakta, prema eksperimentalnim rezultatima Wan-a i Spikes-a [26+); (b) lomljive čestice male tvrdode (slika 8 (b)) se rano lome još u zoni zahvata i proizvode male fragmente, koji mogu udubiti površine što zavisi od njihove maksimalne veličine u odnosu na prosečnu debljinu uljnog filma u tom kontaktu; (c) krte čestice velike tvdode (slika 8 (c)) se mogu slomiti kasnije u ulaznoj zoni i da proizvedu velike fragmenta, koji mogu potom udubiti kontaktne površine; i (d) male i tvrde (nekrte) čestice se ponašaju kruto (slika 8 (d)),Slika 8 Ponašanje čestica u kotrljajnim deformišudi elastično ili elastoplastično kontaktima u zavisnosti od karakteristika kontaktne površine ukoliko su te čestice vede materijala od kojih potiču (napravljeno iz od prosečne debljine uljnog filma u tom referenci [2] i [64]) kontaktu.6.1 Elastične česticeEksperimentalni rad na ponašanju elastičnih čestica u koncentrisanim kontaktima je fokusiran naelastohidrodinamičke, kotrljajne i kotrljajno/klizne kontakte *2], [11], [12], [50+. Ponašanje elastičnihčestica u dominirajude kotrljajnim kontaktima je predstavljeno na slici 9. Čestice malih modula elastičnosti(meke) se izdužuju pod pritiskom, a rezultujude trenje sa kontaktom dovodi do povedanja kontaktnogpritiska. To može dovesti do velikog, plitkog udubljenja čak i sa veoma mekim česticama, na primer satvrdodom od samo 40 HV, u zavisnosti od konačne veličine zazora kod kontakta *64+. Drugačije, kontaktnepovršine mogu primiti čestice elastično. Tvrde čestice, sa druge strane, obično de udubiti površine saPonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 14
  15. 15. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjakojima su u kontaktu (slika 9) sa ulegnudem koje se pojavljuje u oblasti gde je tvrdoda kontaktne površinemanja. Eksperimentalne dokaze spomenutih jamica dali su Ville i Nelias [11, 12+ čak i u kontaktu sa malimkliznim kretanjem. U svakom slučaju, udubljenje prouzrokovano elastičnim česticama zavisi od odnosaklizanje/kotrljanje u kontaktu, pri čemu se kod vedeg klizanja dobijaju i tanje čestice koje se deformišu. Slika 9 Mehanizmi deformacija kontaktnih površina od strane mekih elastičnih čestica (levo) i tvrdih elastičnih čestica (desno) u kotrljajnim kontaktima [2/2]Detaljno analitičko modeliranje ponašanja elastičnih čestica u kotrljajnim kontaktima je dato u elaboratuHamer-a [9, 10] u drugoj polovini 1980-tih. Hamerov model je prosto i efikasno analizirao kompresijuidealno plastičnog , kružnog diska (čestice) u elastičnom, asimetričnom, frikcionom kontaktu sa ravnimpovršinama između kontaktnih delova i korišden je za predviđanje početka ulegnuda. Dobijena jejednostavna jednačina, uz predpostavku nepokretnih kontaktnih površina, koja služi za procenu kritičneveličine čestice ili njene tvrdode, što bi dovelo do plastične deformacije kontaktnih površina delova *63] ( √ ) (1)gde su i efektivni prečnik i debljina spljoštene čestice, je koeficijent trenja između čestice ikontaktnih površina dela, je tvrdoda dela, je tvrdoda čestice. Jednačina (1) daje kritični odnos ⁄čestice. Pored ovoga se mogu napraviti i mape bezbednih i nebezbednih područja rada – na primer, Saylesu elaboratu [63+. Ova analiza je manje tačna za vede kritične odnose D/t. Sličnu jednačinu je dao i Ai *56],ponovo uz predpostavku nepokretnih kontaktnih površina ( ) [ ( √ )] (2)Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 15
  16. 16. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjagde je donja granica prečnika čestice sa kojim se izbegava udubljenje a je debljina uljnog filma (sličnoveličini u jednačini (1)). Poređenje rezultata jednačine (1) *63+ i jednačine (2) *56], i Harmera u elaboratu[10+ izvršio je Underwood (slika 2.13 reference *153]), koji je otkrio da jednačina (1) precenjuje ajednačina (2) potcenjuje kritično gledište odnosa u poređenju sa Hamerovim elastičnim modelom uelaboratu [10+, očigledno zato što su prve dve bazirane na nepokretnim kontaktnim površinama. Hamer-ov model je kasnije proširen kako bi pokrio plastične deformacije kontaktnih površinakotrljajnih kontakta [154] uz primenu Johnson-ovog kavitacionog modela (videti sekciju 6.3 reference[155+) kao i preko FEA analize. I ovaj prošireni model je ponovo korišden za konstruisanje mapabezbedne/nebezbedne zone rada sobzirom na zadatu maksimalnu tvrdodu čestica radi izbegavanjaoštedenja u odnosu na relativnu veličinu čestica (prečnik neformirane čestice podeljen sa debljinomuljnog filma (slika 10)) [154]. Numeričko modeliranje ponašanja mekih čestica je znatno poboljšano korišdenjem FEA analize. Ovo jeučinjeno početkom 1990-tih od strane Hamer-a i Hutchinson-a [154] i Dwyer-Joyce-a [2]. Nekoliko godinaranije, Ko i Ioannides [13+ su ved izvršili FEA analizu asimetričnog kontakta sfere (čestice) na ravnojpovršini a takođe i problem linijskog kontakta cilindra na ravnoj površini. Ipak, oni su koristili kontaktnipritisak izračunat preko Hamer-ovog modela za zadato opteredenje umesto da preko FEA analize rešedistribuciju pritiska. Ipak njihovi izračunati profili udubljenja su se dobro podudarili sa izmerenim tokomeksperimenta. Slika 10 Tipična mapa bezbedne/nebezbedne zone rada za elastične meke čestice u kontaktu sa kotrljanjem/klizanjem [3], [36]U drugoj polovini 1990-tih, Nikas [3+ je proširio teorijsko istraživanje Hamer-a, Dwyer-Joyce-a, Saayles-a, sanovim analizama elastoplastičnih udubljenja sa sferičnim elastičnim česticama, u linijskimelastohidrodinamičkim kontaktima kod kojih se javlja kotrljanje/klizanje. Uključeno je nekoliko novihelemenata kao što su sile u fluidu koje deluju na čestice kao i prelazno frikciono zagrevanje kada se česticaplastično deformiše između elastičnih površina koristedi teoriju termoelastičnosti i pomerajudi izvore toplote[29, 35, 36]. Nikas-ov teorijski pristup analiza u vezi frikcionog zagrevanja elastičnih čestica u koncentrisanimkontaktima potvrdio je teorijske rezultate Khonsari-a i Wang-a [33+, koji je izračunao temperaturne flaševe odnekoliko stotina stepeni Celzijusa sa prostim modelom neelastičnih, abrazivnih čestica.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 16
  17. 17. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaPrema teorijskim rezultatimaNikas-a u elaboratu [3, 29, 35, 37],kada sferična elastična čestica uđeu elastohidrodinamički kontakt,momentalno se lepi za površinu ukontaktu koji ima vedi koeficijenttrenja. Statičke i dinamičke sile ufluidu su dominantne od momentakada čestica uđe u zazor izmeđukontakta. Ipak, one brzo bivajusavladane od strane normalnih ifrikcionih sila koje deluju na česticuod strane kontaktnih površinaelemenata i čestica biva spljoštena.Kako se čestica vuče premakontaktu, ona se praktičnokompresuje i izdužuje.Deformisanje čestice dovodi dofrikcionog zagrevanja izmeđučestice i površina koncentrisanogkontakta kao i unutar čestice. Ovolokalizovano zagrevanje se prenosina površine kontaktnih elemenatakondukcijom i konvekcijom prekookolnog fluida. Zatim semaksimizira kako čestica ulazi uHercovu zonu kontakta, što jetakođe pradeno maksimizacijomkontaktnog pritiska na česticu *3, Slika 11 Distrubucije temperaturnih fleševa na dodirnim29, 35, 37]. Ova analiza pokazuje površinama, kontakta sa kotrljanjem/klizanjem,da se toplota koja se prenosi na elastohidrodinamičkim kontaktom, 0,52kontaktne površine rasipa u dubinu nakon hvatanja sferne meke elastične česticekoja je jednaka radijusu izvučenog od 20 , tvrdode 100 HV. Čestica je osam puta(finalnog) diska čestice i da je mekša od kontaktnih površina delova. Brzinatoplota koja se prenosi na fluid klizanja : 1 ; odnos klizanje/kotrljanje=1;zanemarljiva, kao i toplota koja je debljina filma 0,7 . Čestica se lepi zagenerisana unutar čestice od kontaktnu površinu 1, koja ima vedi koeficijentstrane plastičnog smicanja. U trenja, i klizi do površine 2. *3], [37]tipičnom kontaktu sa klizanjem ikotrljanjem koji se javlja među mašinskim elementima kao što su ležajevi i zupčanici, čestici je potrebandeo milisekunde do nekoliko milisekundi da prođe kroz kontakt. Prema tome, frikciono zagrevanje dovodinaglih temperaturnih fleševa i kratkotrajnih termičkih napona. U matematički kompleksnom modelu kojiuključuje trodimenzionalan termoelastični, tranzitni prenos toplote, temperaturno zavisne mehaničke itermičke osobine, i termička anizotropija, Nikas je u elaboratu [3, 37+ izračunao da temperaturni fleševiod elastičnih čestica premašuju 1000°C dobijeni za vreme jedne polovine milisekunde (slika 11). Kaorezultat toga dobijaju se vrela mesta, naročito na površinama na kojima se lepe čestice (grafik na slici 11),što može dovesti do, po Nikas-ovom terminu ‘lokalnog struganja’ *35+. Takva vrela mesta, koja su pradenasa plastičnim deformacijama, mogu izgledati kao glatka i sjajna (belo obojena) udubljenja, koja su takonastala zbog naglog zagrevanja do visokih temperatura što je pradeno naglim hlađenjem u kontaktu sauljem. Eksperimentalni dokazi ove pojave mogu se nadi u odeljku 12.4 (slučaj 4) Talliana *159], Ville-a iNelias-a [11, 12], i Ville-a u elaboratu [160] na izgledu udubljenja dobijenih od krhotina; eksperimentalnirezultati Zantopulos-a [161+ o habanju koničnih valjčanih ležajeva imaju takođe sličnosti sa ovim.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 17
  18. 18. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Termička naprezanja dobijena kao rezultat frikcionog zagrevanja mogu oštetiti kontaktne površine imogu potpuno dominirati među ostalim mehaničkim naponima *3, 36, 37], u zavisnosti od radnih uslova.Generalno, dominantnost termičkih napona nad mehaničkim naponima pokazana je u nekoliko studija, naprimer kao u referencama [162] i [163+. Kao što je predpostavljeno od strane Nikas-a u elaboratu [3, 37],visoko frikciono zagrevanje od strane čestičnih krhotina može dovesti do strukturnih promena kao što jetransformacija martenzita u austenit na 700-800°C. Ovo u kombinaciji sa brzim hlađenjem u kontaktimakoji se podmazuju dovešde do zaostalih napona i mogudnosti da se na površini pojave termo-pukotine.Površinske pukotine, kada se izlože tipičnom visokom pritisku elastohidrodinamičkih kontakta, mogunaglo da napreduju. Zapravo, u analitičkoj analizi termo-mehaničkih efekata u kontaktima sa visokimbrzinama klizanja, Marscher [164+ je spekulisao da veliki pritisni termički naponi mogu objasniti pojavupovršinskih pukotina sa talozima, koje mogu dovesti do ubrzanog habanja i trošenja. Osim toga, termičkinaponi od frikcionog zagrevanja dovode područje sa maksimalnim naponima bliže površini *165, 166+, štodovodi do inicijacije termo-pukotina kao što su one koje su posmatrane na ostruganim površinama. Nedavno je sproveden pokušaj eksperimentalne verifikacije rezultata koje je dobio Nikas u elaboratu[3, 29, 35-37] od strane Underwood-a [153] i Ruddyhoff-a u elaboratu [167] u kolaboraciji sa Nikas-om.Ispostavilo se da je zadatak veoma zahtevan, i pored napora i sredstava koji su uloženi. Razvijena jeaparatura za testiranje koja se sastojala od modifikovanog prstena u kome je ostvarivanoelastohidrodinamičko trenje, postavljenog na skupoj infracrvenoj kameri kako bi se pratilo zagrevanječestica. Nažalost, nisu mogli da se postignu potrebni uslovi tokom testiranja (čestice su bile isuviše tvrde,brzine čestica tokom zahvata su bile previše male, razmak frejmova na kameri je bio previše dugačak (6ms)). Ipak, zbog tehničkih razloga objašnjenih u referenci *153] (poglavlje 9) i [167] izmerene temperaturesu bile osetno niže od onih predviđenih. I pored toga, dalja poboljšanja u tehničkoj opremi i uzorcimačestica se priželjkuju kako bi se izvršila korektna komparacija između teorije i eksperimenata.6.2 Tvrde česticeČestice čija je tvrdoda oko ili iznad tvrdode površina delova koji su u kontaktu se smatraju tvrdim. Takvečestice su obično odgovorne za abrazivno habanje na površinama, koje se javlja tako što se česticeurezuju, klizaju i izrezaju brazde u materijalu. Generalno, razlikuju se dva tipa abrazivnog habanja [168]:habanje izbeđu dva i između tri tela. Kod abrazije između dva tela, čestice se utiskuju u mekšu površinu igrebu tvrđu površinu u kontaktu. Čestice koje se kotrljaju ili se tumbaju u klizajudim kontaktima i izazivajuseriju udubljenja su odgovorne za abraziju između tri tela.Utvrđeno je u nekoliko eksperimentalnih studija [2, 8, 21, 22, 65] da u kontaktima sa jednom dodirnompovršinom koja je mekša od druge, tvrde čestice se uglavnom utiskuju u mekšu površinu; osim toga akopostoji bilo kakvo klizanje između kontaktnih površina, utisnute čestice de ogrebati tvrđu površinu.Ovakva posmatranja pomažu u predviđanju tipa habanja i utvrđivanju koja komponenta de biti pod vedimrizikom da dođe do otkaza. Primer ovakvog habanja je abrazivno habanje železničkih šina: premadokazima koje je izneo Grieve [24+, čestice koje se utiskuju u mekše točkove i grebu tvrđu železničku šinusu odgovorne za habanje šina koje je 2,5 puta brže nego li habanje točkova. Ponašanje tvrdih (nekrtih) čestica u elastohidrodinamičkim kontaktima je generalno različito nego liponašanje elastičnih, zato što se tvrde čestice više opiru deformaciji. Pokazano je *2, 8+ da tvrde česticeteže da se otkotrljaju u centralnu ravnu zonu elastohidrodinamičkog kontakta pravedi udubljenja a da sezatim otkotrljaju do ivice kontakta pravedi brazde i ogrebotine (slika 12(b)). Oštedenje površineprouzrokovano u ovom slučaju zavisi od odnosa prosečne veličine čestica i prosečne debljine uljnog filma;prema Williams-u i Hyncica [21, 169], to kotrljanje se događa kada je pomenuti odnos manji od 2 (veličinačestica mora biti manja od dvostruke debljine uljnog filma). Šta više, intenzitet kotrljanja i brazdanja kodabrazije sa tri tela u kontaktu zavisi i od oblika čestica *170+, sa uticajnim parametrima kao što su odnosstranica, oštrina, i ispupčenost *171+. Prirodno, oštrije čestice imaju vedu verovatnodu da zaseču površinudelujudi kao rezni alat.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 18
  19. 19. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Mehanička akcija tvrdih čestica u koncentrisanim kontaktima je jasna za vizuelizaciju i shvatanje, ali termički efekti prouzrokovani njihovim frikcionim zagrevanjem, slični onima opisanim u predhodnom odeljku, nebi trebali da budu zanemareni. Ovo je podržano eksperimentalnim dokazima [32, 34, 156-158] i teorijskim izračunavanjima *1, 3, 29, 33-37+. Prema izračunavanjima (referenca [37]), temperaturni fleševi reda veličine nekoliko stotina stepeni Celzijusa mogu se očekivati u mnogim slučajevima veoma opteredenih, kliznih kontakata kod kojih se kotrljaju tvrde i čvrste čestice. Međutim, akcija tvrdih čestica nije uvek škodljiva. Primer za to je tipična pasta za zube, koja sadrži abrazivne čestice kako bi se ostvario bolji efekat čišdenja *172]. Literatura je puna studija o abrazivnom habanju, jer ova tema ima ozbiljne implikacije na proučavanje pouzdanosti mašina.Slika 12: Šema abrazivnog habanja u podmazanim kontaktima prouzrokovana česticama krhotina. (a) Dužine ogrebotina kod valjaka ležaja i spoljnjeg prstena *25]. (b) Vizuelizadija šeme abrazivnog habanja koje je prouzrokovano od krhotina [2], [8+ uz pomod testova kugle-na-disku koristedi abrazivni dijamantski prah 0,5-100 µm.6.3 Krte česticeKrte čestice male čvrstode kao što su kvarc, staklo, i čestice prašine se uglavnom raspadaju u početnojzoni zahvata koncentrisanog kontakta (slika 8 (b)) pre nego što kontaktne površine stupe u zahvat. Malifragmenti koji nastanu ulaze u kontakt, prouzrokujudi udubljenja, abraziju, a dešava se i da ne prouzrokujunikakvu štetu što zavisi od veličine *2, 173+. Ako dođe do nastanka štete, onda je ono obično u oblikuplitkih udubljenja sa stepenastim kosinama, koje su rezultat malih i oštrih fragmenata. Zbog plitkode imale veličine takvih udubljenja, njihovi zaostali naponi bide lokalizovani blizu površine. Ipak, stepenastekosine mogu biti inicijalni početak prskotina zato što primaju koncentraciju napona prilikom kotrljanja.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 19
  20. 20. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaKrte čestice velike čvrstode kao što su bor-karbid, aluminijumovi oksidi ili čestice silicijum-karbida razbijajuse kasnije u zoni zahvata (slika 8(c)), proizvodedi vede fragmente koji mogu dovesti do vedih udubljenja iližlebova, u zavisnosti od minimalnog zazora u kontaktu i brzine površina delova u kontaktu *2, 173]. Krtečestice velike čvrstode mogu plastično deformisati kontaktne površine pre nego što se raspadnu. Jednomkada se desi inicijalna prskotina, fragmenti de udi u kontakt gde mogu da prouzrokuju još vede oštedenješto zavisi i od njihove veličine, čvrstode lomljenja, i tvrdode kontaktnih površina.Nažalost, velike količine krtih čestica, uglavnom keramičkih i silikatnih, pronađene su u uzorcima maziva izrazličitih mehaničkih sistema *63+. U praksi, skoro sve keramičke krhotine izazvade štetu otvrtnutom čeliku[64+. Osim tvrdode čestica koje proizvode inicijalnu prskotinu na površini, dalja šteta zavisi od veličinečestice.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 20
  21. 21. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja7 ZAMOR MATERIJALA KOD POVRŠINA OŠTE]ENIH USLED DELOVANJA KRHOTINAPovršinska udubljenja i ogrebotine prouzrokovani usled delovanja čestičnih krhotina predstavljaju zoneplastične deformacije. Zbog toga su površinske ogrebotine okružene poljima sa zaostalim naponima sapodručjima koncentracije napona na ivicama tih udubljenja. Osim toga ogrebotine i udubljenjapredstavljaju geometrijske defekte, što znači da je njihova površina koja je pre toga bila glatka sadaporemedena. Kao rezultat toga, naponski maksimumi su daleko iznad normalnih maksimalnih napona kojise javljaju na tim površinama. Ovo je pokazano u mnogim eksperimentalnim istraživanjima, kao na primerSayles i Loannides [62] 1980. godine.Slika 13 pokazuje kontaktni pritisak i podpovršinski raspored smicajnih napona kada valjak prođe prekoudubljenja dubine 50 µm na suvom kontaktu. Maksimumi pritiska koji se javljaju na ramenima udubljenjavidljivi su na gornjem grafiku, sa maksimalnom vrednošdu koja prelazi maksimalni Hercov pritisak naglatkom kontaktu za otprilike 150%. Donji grafik na slici 13 pokazuje konture normalizovanog smicajnognapona ispod kontaktne površine. Upoređujudi područje gde je kontaktni pritisak blizak kaoonom na glatkom kontaktu sa područjem gde je pritisak veoma drugačiji zbog postojanjaudubljenja, koncentracija smicajnog napona blizu površine i blizu ramena udubljenja je očigledna.Posmatrana koncentracija smicajnog napona je u najčešdem broju slučajeva odgovorna za pojavuinicijalnih površinskih pukotina i njihovo kasnije širenje nakon određenog broja ciklusa promenenaprezanja. Slika 13 Teorijski pritisak kod suvog kontaktan (gornji grafik) i odgovarajudi normalizovani napon smicanja u podpovršini (konturne linije, donji grafik) kada valjak pređe preko udubljenja od 50 µm u prečniku *62]Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 21
  22. 22. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaLokacija maksimalnog smicajnog napona tokom kotrljanja iznad udubljenja zavisi od intenziteta i smeratrakcije (frikcije). Ville i Nelias [53+ eksperimentalno su otkrili da je kod klizajudih kontakta, maksimalnismicajni napon je lociran ispred udubljenja gledano u odnosu na smer klizanja ukoliko je udubljenje nasporijoj površini, a obrnuto ukoliko je udubljenje na bržoj površini. Slični rezultati su kasnije prezentovaniod strane Ville-a [160].Efekat udubljenja na koncentraciju napona je velik ne samo kod suvih ili graničnih kontakata nego takođei kod elastohidrodinamičkih kontakata, uprkos prigušnom efektu od strane uljnog filma. Ova pojava jeanalizirana u nekoliko numeričkih analiza i dobijeni su slični rezultati. Kod analize koju je sproveo Xu *58],na primer, konačni elementi su korišdeni za analizu udubljivanja površine od strane sfere, rezultujudetopološke promene su zatim unete u numerički solver sa tranzitnom, termičkom, elastohidrodinamičkomtačkastom kontaktu sa kotrljanjem/klizanjem, kome su dati kontaktni pritisak, debljina filma kako bi seizračunali naponi tokom prelaska preko udubljenja. Rezultati su pokazali nagle skokove pritiska namestima gde se uljni film stanjuje odnosno na ivicama udubljenja. Veliki naponi ispod površinskog sloja suuzrokovani zbog skokova pritiska, i maksimalni efektivni (Mises-ov) napon je približen površini, što jeočigledno povedalo rizik od ljuspanja i raspadanja i smanjenja očekivanog radnog veka pogođenekomponente. Osim toga, maksimalna temperatura izračunata u prisustvu udubljenja je bila nekoliko putaveda od one izračunate na glatkoj površini.Eksperimentalni dokazi ovakvih rezultata dati su od strane Nelias-a i Ville-a [55+. Interesantno, pronašli suda se koncentracija pritiska u udubljenim, podmazanim površinama javlja na prvoj ivici udubljenja kodgonjenih površina, a na zadnjoj ivici kod pogonskih površina. Uzimajudi obično veliki elastohidrodinamičkipritisak, naročito na krajevima udubljenja. Pod veoma visokim pritiscima, uljni filmovi su poznati po tomeda imaju veoma visoku viskoznost, ponašajudi se kao da su skoro u staklastom stanju, odnosno veomakruto. Zato u ovom slučaju uljni film ne može biti najbolji prigušivač. Jednom kada se površinska pukotina pojavi blizu udubljenja kod podmazanog kontakta na metalnoj površini, ona de se ili još više otvoriti, ili de biti naterana da se zatvori, što zavisi od smera trakcije u kontaktu. Ako je trakcija u istom smeru kao i kretanje površine, pukotina se zatvara pre nego se drugi deo u kontaktnom paru prekotrlja preko nje. Ako je trakcija u suprotnom smeru, pukotina se još više otvara. U ovom drugom slučaju ulje može udi u pukotinu i dovesti do Slika 14 Mehanizam otvaranja ili zatvaranja pukotine kapilarne akcije i prenošenja kod kontakta sa kotrljanjem/klizanjem, u elastohidrodinamičkog pritiska zavisnosti od površinske trakcije. Kada je trakcija unutar pukotine što još više u istom smeru kao i smer kretanja kontakta dovodi do njenog širenja [174] do (pogonska površina), pukotine se zatvaraju, u [178]. suprotnom (gonjena površina) pukotine se otvaraju [176]Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 22
  23. 23. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja8 ABRAZIVNO HABANJE KOTRLJAJNIH LE@AJEVA OD STRANE KONTAMINIRAJU]IH ČESTICAPRISUTNIH U ULJU ZA PODMAZIVANJE (EKSPERIMENTALNO ISPITIVANJE)Modeliranje procesa abrazivnog habanja od strane tvrdih čestica je veoma kompleksno. Mora se uzeti uobzir zarobljavanje čestica u kontaktu i kako one individualno i kolektivno uklanjaju materijal. Williams iHyncica [184+ razvili su geometrijski model čestice uhvadene između dve površine i pokazali kako se možedobiti ravnotežna orijentacija čestice. Dwyer-Joyce [179+ je koristio sličan pristup za predviđanje čestičneabrazije kod kugličnih ležajeva koristedi seriju empirijskih faktora kako bi modelirao zarobljavanje čestica iformiranje ogrebotina.Ovaj rad uzima u obzir dva aspekta ovog problema. Prvo, izvršena je eksperimentalna studija korišdenjemtestiranja ležajeva pri dugotrajnom i kratkotrajnom radu. Testovi pri dugotrajnom radu su korišdeni zadobijanje podataka o habanju; dok su testovi pri kratkotrajnom radu korišdeni za proučavanje mehanizmahvatanja čestica, njihovo kretanje, i kako proizvode abrazivne ogrebotine. Drugo, model habajudihprocesa je razvijen na osnovama ove observacije.8.1 EKSPERIMENTALNI PRISTUP8.1.1 Uzorci za testiranjeDva konična valjčana ležaja (SKF 29412 E) korišdeni su za proučavanje abrazivnog habanja (slika 15).Kretanje kod ovog ležaja se velikim delom sastoji od klizanja, pa je veoma podložan na oštedenja i habanjeod strane čestica. Prvi ležaj je testiran pri dugotrajnom radu kako bi se dobila merljiva distribucija habanjapreko cele kontaktne površine. Drugi ležaj je testiran pri kratkotrajnom radu. Ovaj test je izveden radiproučavanja mehanizma zarobljavanja čestica, prirode ponašanja zarobljenih čestica, i formacijeabrazivnih ogrebotina. Slika 15 Valjčani kotrljajni ležajevi korišdeni u ispitivanjuDa bi se dobilo abrazivno habanje ulju za podmazivanje dodata je prašina od sintatičkih dijamanata. Uljeje upumpavano prinudnom cirkulacijom u ležajeve. Veličina dijamantskih čestica bila je 6-8 µm sakockastim oblikom. Ovakve čestice su odabrane kao kontaminant iz dva razloga: prvo, zato što suPonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 23
  24. 24. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjadostupne u fino granulisanim veličinama, opsegu i obliku i drugo, zato što se nedeformišu prilikomprolaska kroz kontakt.8.1.2 Procedura testiranjaOba ležaja su testirana u režimu graničnog podmazivanja; aksijalno opteredenje je bilo 70 kN a rotacionabrzina 5,4 min-1. Pre testiranja, ležajevi su očišdeni u ultrazvučnom kupatilu. Kao dodatak, ulje ucirkulacionom sistemu je filtrirano filterom kapaciteta . Posle filtracije, filter je uklonjen i dodatoje 4 mg dijamantskih čestica po litru. Sistem je imao 6 litara ulja koje cirkuliše brzinom od 4 l/min.Temperatura ulja je držana na 40°C. Crtež aparature za testiranje se može nadi u referenci *185].Površine prstenova kod nekorišdenih ležajeva su relativno hrapave; nebi bilo mogude razlikovati abrazivneogrebotine od tragova dobijenih tokom mašinske obrade ležajeva. Zbog ovog razloga, testirani ležajevi suprvo podvrgnuti kratkom periodu uhodavanja od 150h sa finom prašinom od 0-5 µm u količini od 4 µg/l[187+. Ovo je omogudilo izglađivanje površina prstenova *186]. Ulje je zatim kontinualno filtrirano ostalih50 sati rada. Procedura je prekidana radi merenja površinskih mikroneravnina i njihovih profila. Konačno,ležaj je montiran na ispitni sto radi dodatnih 25 sati rada sa kontinualnom filtriranjem pre konkretnogtesta.Testiranje pri dugotrajnom radu ležaja izvršeno je u 8 ciklusa koji su trajali po 23,5 sati. Testiranje prikratkotrajnom radu izvršeno je u jednom ciklusu koji je trajao 8 sati.8.1.3 Metrologija uzorkaPre i posle testa, izmeren je oblik dodirnih površina oba ležaja na istoj poziciji, kako bi mogla da seizračuna dubina habanja. Skenirajudi elektronski mikroskop (SEM) je korišden nakon testa radi ispitivanjakontaktnih površina na ležaju koji je podvrgnut kratkotrajnom radu. Ispitivanje je korišdeno za brojanje imerenje dužina ogrebotina. Za merenje oblika individualnih ogrebotina korišden je AFM – Atomic ForceMicroscope. Sva merenja i izračunavanja su izvršena u skladu sa slikom 16. Slika 16 Koordinatni sistem i orijentacija korišdena za merenje i računanje. Radi izračunavanja, valjak i spoljnji prsten su podeljeni na preseka upravno na -osuPonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 24
  25. 25. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja8.2 KINEMATIKA KOTRLJAJNIH LE@AJAU slučaju kontakta valjak-spoljni prsten, izračunati su i klizanje i odvajanje materijala sa površina.Olofsson-ova metoda [188+ korišdena je za izračunavanje raspodele normalnog opteredenja, analizutangencijalnog kontakta i tangencijalno pomeranje. Izračunata je minimalna debljina uljnog filma pometodi Dowson i Higginson [189]. U oba kontakta valjak-spoljnji prsten i valjak-unutrašnji prsten, dolazi do klizanja. U kontaktu, postoje dvetačke sa čistim kotrljanjem kao što je prikazano na slici 15. Ove tačke su locirane na kotrljajnom konusukotrljajnog valjka. Sa obe strane kotrljajnih tačaka, dodi de do klizanja u jednom pravcu dok de izmeđunjih, dodi do klizanja u suprotnom pravcu.Šematski prikaz hvatanja čestice kod kontakta između prstena i valjka prikazan je na slici 17. Česticaveličine prvo biva uhvadena od strane kotrljajnih elemenata na polovini kontakta označenog sa .Može se takođe videti na toj slici da zona hvatanja zavisi i od deformacija površina. Ako je čestica uvučenau kontakt, doživede relativno klizanje i između prstena i valjka. Čestica de zbog toga klizati ili uz jednu ili uzdrugu površinu, respektivno. Veličina te klizajude distance zaviside od lateralne pozicije u kojoj je česticauhvadena. Slika 17 Šematski diagram čestice koja je uhvadena u kontakt između prstena i valjka, planski pogled (levo) i presek (desno)Dužina klizanja na kontaktnoj površini izračunata je kao | |, gde je polovina širine kontakta i jeklizanje. Dužina klizanja uhvadene čestice, , izračunata je preko | |. Slika 18 pokazujeizračunatu dužinu klizanja za kontakt spoljnji prsten-valjak kod SKF 29412 E ležaja. Dužina klizanja zavisi iod toga na kojoj površini se lepi čestica. Ako se čestica zalepi na bržoj površini, provešde krade vreme ukontaktu i zbog toga napraviti manju ogrebotinu na kontrapovršini. Maksimalna razlika u dužini klizanjaizmeđu valjka i spoljnjeg prstena je 7%, na unutrašnjim i spoljnjim ivicama zone hvatanja. Za pozicijuizmeđu njih, razlika je značajno manja. Zbog toga, prilikom izračunavanja u ovom istraživanju, iz razlogašto nije uvek jasno za koju površinu se lepi čestica, korišdena je samo dužina klizanja na spoljnjem prstenu. Slika 18 Dužina klizanja i za zonu hvatanja i za zonu kontakta na spoljnjem prstenu. Prilikom računanja zone hvatanja, predpostavljeno je da je veličina čestica 7 µm u prečnikuPonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 25
  26. 26. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjaBroj pojava kontakata po obrtaju vratila, , za svaki kotrljajni element određen je iz broja valjaka( ), i radijusa na tačkama čistog kotrljanja( , , ; za unutrašnji prsten, valjak, i spoljašnjiprsten, respektivno) (slika 19). Ovi radijusi su dobijeni merenjem i dati u tabeli 3, zajedno sa rezultatimaovih izračunavanja. Tabela 3 Podaci i rezultati broja kontaktnih događaja Komponenta Unutrašnji prsten Valjak Spoljnji prsten Radius [mm] =37,6 =8,3 =48,2 Broj kontaktnih 8,4 5,1 6,6 događaja, [-] Slika 19 Geometrija za izračunavanje broja kontakta po obrtajuZa unutrašnji prsten, valjak, i spoljnji prsten, respektivno, broj kontaktnih događaja je dat izrazima ( ) (3) ( ) (4) ( ) (5)8.3 EKSPERIMENTALNI REZULTATI8.3.1 Distribucija habanjaUklanjanje materijala kod ležaja koji je podvrgnut dugotrajnom radu prikazano na slici 20. Na mestimačistog kotrljanja, dubina habanja je mala, dok je kod područja sa maksimalnim klizanjem, habanje najvede.Slične distribucije se vide kod sva tri elementa.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 26
  27. 27. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Slika 20 Dubina habanja na unutrašnjem prstenu, valjku, i spoljnjem prstenu kod dugotrajnog testaProfil habanja na valjku je neobičan. Iznenađujude je to što je habanje valjka na spoljnjoj strani kontaktapribližno pet puta vede nego na unutrašnjoj (dok su očekivane dužine klizanja kod ta dva iste). Takođepostoji znatno manje habanje spoljnjeg prstena na spoljnjoj strani kontakta. Ovo sugeriše da se vedi deoabrazije odigrao na valjku. Kako grafici dužina ogrebotina opisanih kasnije (slika 25) pokazuju slične dužinei na valjku i na spoljnjem prstenu, ovo onda verovatno zavisi od broja čestica koje ulaze u kontakt, kolikomaterijala čestica odstranjuje, ili da li se čestica može utisnuti u suprotnu površinu.Može se videti da spoljnja strana profila habanja spoljnjeg prstena u boljoj korelaciji sa kontaktnomzonom nego li sa zonom hvatanja. Osim toga takođe se vidi da spoljnja strana profila habanja zaunutrašnji prsten u boljoj korelaciji sa profilom habanja valjka. Ovo indicira da čestice imaju tendenciju dase utisnu na površinu spoljnjeg prstena i da zatim ogrebu valjak. U referenci *189], izneto je da se utisnutečestice javljaju veoma proređeno na unutrašnjem prstenu a da se uopšte ne javljaju na valjcima. Utisnutečestice na spoljnjem prstenu su mnogo češde, pogotovu na spoljnjoj strani izvan spoljnje tačke čistogkotrljanja.Slika 21 pokazuje dubinu habanja profila kod ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu. Svrha ovog testa jebrojanje i karakterizacija abrazionih ogrebotina. Prema tome je osmišljen da bude test kod koga površinenisu okrnjene daljim habanjem. Slika pokazuje da je habanje minimalno na valjku i spoljnjem prstenu.Habanje je relativno veliko na unutrašnjem prstenu. Zbog toga je za ovaj element nemogude koristitimetod brojanja ogrebotina da bi se odredila količina čestica koje su učestvovale u habanju (zato što jeveliki broj ogrebotina ishaban nakon njihovog nastajanja).Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 27
  28. 28. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Slika 21 Dubina habanja na unutrašnjem prstenu, valjku, i spoljašnjem prstenu kod kratkotrajnog testa8.3.2 Morfologija ogrebotinaSlika 22 pokazuje SEM slike izgrebane površine na tri lokacije na površini valjka kod ležaja podvrgnutogdugotrajnom radu. Regije reaguju na različite nivoe klizanja unutar kontakta ležaja. U svakoj regiji, dužinaogrebotina su skoro konstantne. Ovo je očekivano, pošto je odstupanje veličina čestica dijamanata uska.Dužina ogrebotina uglavnom zavisi od pozicije na kojoj se čestica kliza u kontaktu (kao što je prikazano naslici 18). Ipak na slici 23(c), vide se neke veoma dugačke ogrebotine. One su mnogo duže od izračunatedužine klizanja. Ove ogrebotine mogu poticati od dijamantskih čestica koje su zarobljene između valjka ikaveza ili od ponovljenih kontakata sa trajno utisnutim česticama na nekom od prstenova podpredpostavkom da je valjak fiksiran u lateralnoj poziciji. Slika 22 Slike dobijene SEM mikroskopom. Ogrebotine nastale usled abrazionog habanja na površini valjka kod ležaja podvrgnutog dugotrajnom radu na tri lateralne pozicije: (a) , (b) , (c)Nekoliko ogrebotina na valjku i spoljnjem prstenu kod ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu izmereno jesa AFM mikroskopom. Izabrane su one ogrebotine koje su izgledale najvede na toj lateralnoj lokaciji. Zbogtoga, one bi trebalo da budu napravljene od strane vedih diamantskih čestica, i takođe da ne buduistrošene od naknadnog habanja nakon što su napravljene. Slike 23 i 24 pokazuju AFM slike za tri lokacijena valjku i na spoljnjem prstenu respektivno. Poprečni preseci svih ogrebotina su otprilike V oblika. Ogrebotine su dublje bliže kraju svog putovanja.širina ogrebotina je otprilike polovine veličine dijamantskih čestica. U svim slučajevima žlebovi su plitki(manje od 1 µm u dubini) što je iznenađujude sobzirom da su napravljeni od čestica veličine 6-8 µm.Odnos između izmerenog poprečnog preseka i veličine čestica je dalje analiziran u odeljku 8.4.3. Veličinaramena materijala sa obe strane ogrebotine je mala, najviše je 20% dubine žleba.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 28
  29. 29. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja Slika 23 Slike dobijene AFM mikroskopom i profili (poprečni preseci) ogrebotina dobijenih abrazivnim habanjem na tri različite pozicije valjka kod ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu. Razmak između horizontalnih linija je 100 nm kod sve tri slike Slika 24 Slike dobijene AFM mikroskopom i profili (poprečni preseci) ogrebotina dobijenih abrazivnim habanjem na tri različite pozicije spoljnjeg prstena kod ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu. Razmak između horizontalnih linija je 50 nm za slike sa pozicijom profila na 66 i 68 mm. Za sliku sa pozicijom profila na 74 mm razdaljina je 200 nm.Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 29
  30. 30. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja8.3.3 Transverzalna distribucija dužina ogrebotinaNa slici 25 je prikazan grafik dužina ogrebotina snimljen u oblasti transverzalnih pozicija valjka i prstenova.Ovi rezultati su dobijeni korišdenjem slika dobijenih SEM mikroskopom. Merene su one ogrebotine koje suizgledale neporemedene od naknadnog grebanja i habanja. Tipično, ovo je značilo snimanje dužihogrebotina sa naglašenim i čistim poprečnim presekom. Ogrebotine su takođe izabrane tako da buduokružene ogrebotinama sličnih dužina, kako bi se izbegla greška selektovanja i merenja ogrebotina koje sunastale usled dejstva ekstremnih čestica. U svim slučajevima, dužina ogrebotine je povezana sa količinomklizanja na toj lokaciji. Kod linija čistog kotrljanja, ogrebotine su najkrade, krade čak i od veličine jednečestice. Ogrebotine se kod spoljnjeg prstena javljaju izvan zone kontakta i izvan zone hvatanja čestice.Ovo se može objasniti dejstvom čestica vedih od 7 µm korišdenih za izračunavanje ulaza u kontaktu valjak-spoljnji prsten. Ili alternativno, kontakt i izračunavanje klizanja odstupaju od realnog kontakta valjak-prsten.Ogrebotine se javljaju na sva tri elementa ležaja. Zbog toga, nije samo slučaj da se čestice lepe na jednupovršinu i grebu drugu (u situacijama habanja između tri tela, čestica se lepi za mekšu površinu i grebetvrđu). Slika 25 Dužina ogrebotina na unutrašnjem prstenu, valjku, i spoljnjem prstenu kod ležaja podvrgnutom kratkotrajnom radu8.3.4 Transverzalna distribucija broja ogrebotinaSlika 26 pokazuje grafike broja ogrebotina snimljenih na različitim transverzalnim lokacijama na valjku ispoljnjem prstenu kod ležaja podvrgnutog kratkotrajnom radu. Cilj ovog merenja je odrediti da liodređena lokacija u ležaju favorizuje hvatanje čestica.Podaci su korišdeni samo kao vodič mehanizma hvatanja pošto je mogude da su neke ogrebotine izlizaneili narušene od naknadnih promena. Iz ovog razloga, brojanje nije izvršeno na unutrašnjem prstenu, poštose on istrošio na dubljem nivou od nivoa dubine pojedinačne ogrebotine (slika 20). Spoljni prsten jePonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 30
  31. 31. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanjatakođe imao malo vede habanje tokom kratkotrajnog rada. Najbolje rezultate dao je valjak. Važno jenapomenuti da nije samo zona kontakta ta koja postaje ogrebana nego se šteta javlja takođe i u zonihvatanja čestice (slika 17). Interesantno je broj udubljenja na spoljnjem prstenu malo niži kod linija čistogkotrljanja. Ovo je neobično zato što vedina očekuje da je kotrljajni kontakt skloniji hvatanju čestica *190,191] nego li kontakt sa kotrljanjem i klizanjem. Slika 26 Broj poprečnih ogrebotina na valjku i spoljnjem prstenu kod kratkotrajnog rada8.4 ANALIZE EKSPERIMENTALNIH REZULTATA8.4.1 Hvatanje čestica Poznati su, i koncentracija čestica i broj kontakata ostvaren u svakoj tački na površinama kotrljajnihelemenata. U osnovama ovog i eksperimentalnih rezultata datih u sekciji 8.3.4, mogude je izračunativisinu hvatanja, koja opisuje debljinu uljnog filma koji sadrži čestice koje su uvučene u kontakt. Ovo jeopisano u smislu odnosa hvatanja, . Ipak, sve čestice sadržane u sloju ulja debljine su uvučene ukontakt (prikazano šematski na slici 27). Slika 27 Visina hvatanja za valjak i prstenBroj ogrebotina po jedinici oblasti, , je onda dat preko (6)Gde je broj čestica po jedinici zapremine i je ukupni broj doživljenih kontakata. Masa individualnedijamantske čestice je određena uz pomod predpostavke da je čestica kubična sa dijagonalnom dužinom . OndaPonašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 31
  32. 32. Uticaj kontaminirajudih čestica na smanjenje radnog veka kotrljajnih ležaja; pregled istraživanja ⁄ (7) ⁄Gde je gustina dijamanta, je masena koncentracija čestica. Tokom jednog obrtaja vratila, svepovršine dožive broj kontaktnih događaja, rotaciona brzina, , i dužina trajanja ispitnog rada, .Iz ovoga odnos hvatanja se može izračunati kao ⁄ ( ) (8)Korišdenjem jednačine (6) i izračunavanjem srednje vrednosti broja udubljenja po jedinici površine zavaljak i spoljnji prsten, na osnovama rezultata datim na slici 26, mogude je izračunati srednji odnoshvatanja za svaku komponentu. Za valjak i spoljnji prsten, podaci i rezultati takvog izračunavanja dati su utabeli 4. Tabela 4 Podaci i izračunavanja za srednji odnos hvatanja, ̅ , za valjak i spoljnji prsten (koristedi , ⁄ , , , ) Komponenta ̅ Valjak 2876 5,1 1,8 Spoljnji prstem 414 6,6 0,2Odnos hvatanja se uzima sa predpostavkom da sve čestice u nadolazedem uljnom sloju debljine bivajuuhvadene u kontakt. Ovo pojednostavljuje zadatak pošto su ova merenja teška za ostvarivanje i mogu sesamo smatrati približnim. Kako god, odnos hvatanja trebao bi da bude isti za obe komponente, kako de čestica koja ulazi ukontakt napraviti udubljenje na obe komponente. Prilikom ovog računanja predpostavlja se da su uslovihvatanja isti za oba kontakta: valjak/unutrašnji prsten i valjak/spoljnji prsten. Pošto je spoljnji prsten višeistrošen od valjka (slika 21), verovatnije je da de se rezultat u realnosti bolje slagati sa valjkom nego li saspoljnjim prstenom.Broj čestica po jedinici zapremine ulja u cirkulacionom sistemu je . Zona kontakta izmeđuvaljka i spoljnjeg prstena je , izračunato prema sekciji 8.2. Korišdenjem metoda računanjaopisanog u ovoj sekciji, broj uhvadenih čestica u bilo kom trenutku je poznat. Rezultati su dati u tabeli 5 zaodnose hvatanja, , od 1,0 i 1,8. Ako predpostavimo de se celokupno opteredenje ležaja prenosi prekoovih zarobljenih čestica, onda bi normalni pritisak bio barem 10 TPa. Ovo je daleko više od tvrdode ipovršinske otpornosti koju može preneti čelik od kog je naprevljen ležaj, što indicira da bi čestice bilepotpuno utisnute u metal. Prema tome pri ovim koncentracijama čestica skoro svo opteredenje se prenosipreko uljnog filma i nije mogude da čestice izvrše promenu u debljini uljnog filma. Tabela 5 Broj dijamantskih čestica prisutnih u svakom trenutku u kontaktnom području i području hvatanja za dva različita odnosa hvatanja Broj čestica prisutnih u svakom trenutku Zona kontakta 0,5 0,9 Zona hvatanja 4,0 7,2Ponašanje materijala u eksploatacijiRistid Marko 91/09 32

×