UDK 62-76:621.89:531.44 Izvirni znanstveni članek ISSN 1580-2949 MTAEC 9, 36(1-2)43(2002) A. VEZJAK, J. VIŽINTIN: VPLIV MAZALNIH RAZMER NA TRIBOLOŠKO VEDENJE MATERIALOV ... VPLIV MAZALNIH RAZMER NA TRIBOLOŠKO VEDENJE MATERIALOV TESNILNIH OBROČEV V MEHANSKIH DRSNIH TESNILIH THE INFLUENCE OF LUBRICATING CONDITIONS ON THE TRIBOLOGICAL BEHAVIOUR OF FACE MATERIALS IN MECHANICAL SEALS Anton Vezjak, Jože Vižintin Univerza v Ljubljani, Center za tribologijo in tehnično diagnostiko, Bogišičeva 8, 1000 Ljubljana, Slovenija anton.vezjakŽctd.uni-lj.si Prejem rokopisa - received: 2001-09-18; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-11-10 Glavni problem pri razvoju mehanskih tesnil je tribološka konstrukcija tesnilnih obročev, ki poleg ostalega zajema izbiro materialov in določitev triboloških lastnosti para tesnilnih obročev znotraj delovnega območja. Na samo obratovanje mehanskega drsnega tesnila vpliva več dejavnikov, izmed katerih je mazanje eden izmed najvplivnejših. V prispevku obravnavamo vpliv različnih mazalnih razmer na tribološke parametre parov tesnilnih obročev. T. i. PV-preskuse, smoizvedli na računalniškokrmiljenem preskuševališču lastne konstrukcije, kjer smomed preskusom nadzorovali osem merilnih veličin. Kot preskusne materiale tesnilnih obročev smo uporabljali keramiko Al2O3, nerjavnojekloin grafit, ki smo jih dvojili v različnih kombinacijah. Preskušali smo v vodi iz vodovodnega omrežja (pHč7). Rezultati so pokazali, da različne mazalne razmere v tesnilu, ki so večinoma odvisne od obratovalnih parametrov, bistveno vplivajo na vrednosti triboloških parametrov, kot so koeficient trenja, obraba in zgornja meja obratovanja. To velja za vse preskušane pare materialov. Ključne besede: mehanska drsna tesnila, mazanje, trenje, obraba The most important aspect of development of the mechanical seals is the tribological design of the seal faces. Tribological design involves, among other things, the selection of materials and defining the tribological characteristics of the sealing pair within the working limits. The performance of a mechanical face seal depends on many factors, of which lubrication has one of the most crucial roles. In this paper the influence of various lubricating conditions on different tribological parameters is analysed. Short-interval PV tests were performed on a computer-controlled test rig of our own design, where eight parameters were monitored online. Commercially available alumina, stainless steel and carbon-graphite were tested in tap water. The results show that for all material pairs, tribological parameters such as the friction coefficient, the wear and the pressure-velocity limit are affected by the lubricating conditions in the sealing dam. Key words: mechanical seals, lubrication, friction, wear 1 UVOD Vedno ostrejše ekološke in varnostne zahteve glede puščanja silijo uporabnike in proizvajalce k nenehnem iskanju novih načinov tesnjenja, izpopolnjevanju konstrukcij ter uvajanju novih materialov v obstoječa tesnila in tesnilne sisteme. Eden izmed najučinkovitejših načinov tesnjenja vrtečih se gredi v industriji je izvedenoz mehanskimi drsnimi tesnili. Za njih je značilno, da primarno tesnjenje omogoča čelni kontakt dveh tesnilnih obročev, ki je geometrijsko analogen kontaktu, ki nastopa pri aksialnih drsnih ležajih. Eden izmed tesnilnih obročev je pri tem pritrjen v ohišje sistema, medtem ko se drugi obroč z gredjovrti. Prednost mehanskih drsnih tesnil je predvsem v manjši obrabi, manjši tvorbi toplote, nižji porabi energije, manjši potrebi po vzdrževanju in boljšem nadzoru nad puščanjem. Tesnilni obroči so v drsnem kontaktu izpostavljeni pojavom, kot so trenje, obraba, mazanje, korozija, hidro- dinamika in prenos toplote. Ker mora biti za učinkovito tesnjenje zadoščeno več merilom hkrati, je za tesnilne obroče primeren le omejen obseg materialov. V praksi namreč velja pravilo, da rajši izberemotesnilos slabšo konstrukcijo in dobro kombinacijo materialov kot pa tesniloz dobrokonstrukcijoin neprimernimi materiali tesnilnih obročev 1. V splošnem se smatra, da medij, ki ga tesnimo, pronica v tesnilno špranjo med obročema, kjer formira tankotekočinskoplast. Slednja zagotavlja mazanje in preprečuje nezaželen mehanski kontakt vršičkov hrapavosti med materialoma tesnilnih obročev. Mehanski kontakt se v večini primerov mehanskih drsnih tesnil kljub temu pojavi, če že ne med samim obratovanjem, npr. zaradi nihanja tlaka tesnjenega medija, pa prav gotovo pri zaganjanju in izklapljanju pogona sistema. Že zaradi samega dejstva, da je plast zelotanka, obstaja velika verjetnost, da bo v neki fazi obratovanja do takšnega kontakta prej ali slej prišlo 2-4. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 43 A. VEZJAK, J. VIŽINTIN: VPLIV MAZALNIH RAZMER NA TRIBOLOŠKO VEDENJE MATERIALOV Senzor vrtljajev 8-kanalni kondicioner signalov - PC-računalnik - Kartica za zajem podatkov - Programska oprema za nadzor jajevl =P Jermensko gonilo i 'i' i Ležaji - Termoelementi - 4 krat - Natezni senzor sile - Ultraminiaturni tlačni senzor sile - Senzor pomika Elektromotor ss II Slika 1: Shema preskuševališča Figure 1: Test-rig scheme ->. Merilni valj O Pri mehanskem kontaktu, tribološke lastnosti tesnilnih obročev določajo učinkovitost tesnjenja in trajnostno dobo tesnila. Zato je tribološka kompatibilnost med materiali in medijem pri drsenju v tesnilu zelopomemb-na. Tribološke lastnosti se vedno nanašajo na dvojico elementov, ki sta v kontaktu, zato je smiselno govoriti o triboloških lastnostih ne samo enega materiala, ampak kombinacije, ki nastopa v kontaktu. Med parametre, s katerimi navadno ovrednotimo tribološke lastnosti spadajo, koeficient trenja, obraba in mejni produkt tlak-hitrost (PVlim), ki je t. i. zgornja meja obratovanja dvojice materialov. V splošnem so tribološke lastnosti odvisne od obratovalnih razmer v tribološkem kontaktu, ki jih določajo tlak, hitrost, temperatura, lastnosti medija ipd. Omenjeni parametri po drugi strani določajo tudi režim mazanja, ki nastopi v tesnilni špranji. Vpliv mazanja na parameter PVlim je opisan v literaturi 5,6. V tem prispevku je predstavljen vpliv režimov mazanja na koeficient trenja in obrabo za različne dvojice materialov tesnilnih obročev. 2 EKSPERIMENTALNI DEL 2.1 Preskuševališče Preskuse smoizvajali na preskuševalnem sistemu, ki ga shematskoprikazuje slika 1. Podroben opis sistema je podan v literaturi 8,7. Za potrebe raziskav mehanskih drsnih tesnil smorazvili in izdelali posebnopreskusno glavo, ki smo jo montirali v pogonsko gred sistema. Slika 2 prikazuje preskusnoglavos preskusnim tesnilom in merilnimi mesti. Želeni povprečni tlak na tesnilni kontakt med obročema smo nastavljali z vijakom in vzmetmi, skladnoz enačbo9: kjer je ?p ŠMPa] tlačna razlika tesnjenja, B Š-] razbremenitvenorazmerje, K Š-] tlačni gradient preko tesnilne površine in psp ŠMPa] tlak vzmeti. Z namenom da bi izločili vpliv hidrostatičnega tlaka, sobili vsi preskusi izvedeni brez nadtlaka tesnjenega medija. Zgornji izraz (enačba 1) se zato reducira v obliko: pm = psp (2) Med preskusi smoz računalniškopodprtim merilnim sistemom za zajem podatkov sproti spremljali naslednje veličine (slika 2): temperaturomedija neposrednoob tesnilnem kontaktu (1), temperaturo mirujočega tesnilnega obroča (2), temperaturo v ležajih (3), aksialni pomik tesnilnega obroča (4), povprečno silo na tesnilni kontakt (5), moment trenja (6), vrtilno hitrost gredi (7) in povprečnokoličinopuščanja skozi tesnilnošpranjo(8). ?p(B-K) + ps (D Slika 2: Preskusna glava z merilnimi mesti Figure 2: Test chamber with measuring points 44 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 A. VEZJAK, J. VIŽINTIN: VPLIV MAZALNIH RAZMER NA TRIBOLOŠKO VEDENJE MATERIALOV ¦1 6000- 5000 lu 4000 & 3000 â 2000 ¦ 1000 p4=konst. P3=konst. P2=konst. Pi=konst. ___Preskus 4 ¦Preskus 3 .Preskus 2 Preskus 1 50 100 Čas Šmin] 150 Slika 3: Potek preizkusa Figure 3: Test procedure 0,035 0,030 cd 'jf 0,025 3 0,020 'S 0,015 0,010 0,005 0,000 1.0E-09 1.0E-08 1.0E-07 Hidrodinamični koeficient G Slika 4: Koeficient trenja v odvisnosti od režimov mazanja Figure 4: Friction coefficient and lubrication regimes L Mešano mazanje Tekočinsko mazanje Mejno J * l » V s « /\ f 4* Meritve znotraj PV obremenitve H | » \y i 1.0E-06 2.2 Materiali in način preskušanja Za preskušanje smo izbrali tesnilne obroče iz komercialne keramike Al2O3 domačega proizvajalca z različno gostoto (92, 96 in 99,7 %), nerjaveče jeklo W.NR.1.4024 in grafit s komercialno oznako ELLOR 25. Materiale smo dvojili med seboj v različnih kombinacijah. Vsi tesnilni obroči so bili mehansko obdelani z brušenjem in ročnim poliranjem na povprečno vrednost parametra hrapavosti Ra < 0,2 µm. Pri vseh preskusih je bil tesnjen medij voda iz om-režne vodovodne napeljave z vrednostjo pHč7, preskusi pa so potekali po spodaj opisanem postopku. Na začetku vsakega preskusa smoz vijakom in vzmetmi najprej nastavili želen povprečni tlak na tesnilno površino. Preskus smo pričeli pri 500 vrtljajih gredi na minuto, nato smo vrtljaje po določenih časovnih intervalih postopoma zviševali. Vrtljaje smo povečevali, dokler nismo dosegli ali zgornjo mejo obratovanja, kjer je prišlo do porušitve dvojenih materialov, ali maksi-malnovrtilnohitrost sistema. V primeru, da doporušitve materialov ni prišlo niti pri maksimalni vrtilni hitrosti gredi sistema, smotlak na tesnilnopovršinovišali in postopek z novimi pari preskušancev ponavljali do njihove porušitve (slika 3). Z omenjenim načinom preskušanja smo določili področje uporabnosti za posamezne pare materialov. 3 REZULTATI IN DISKUSIJA Zaradi geometrijske podobnosti obravnavamo mazanje v mehanskih drsnih tesnilih analogno kot pri aksialnih drsnih ležajih. Največkrat se za karakterizacijo razmer oz. režimov mazanja v mehanskih drsnih tesnilih uporablja brezdimenzijski delovni parameter G 10, ki ga včasih imenujemo tudi hidrodinamični koeficient G. Definiran je kot: kjer so ? ŠPas] dinamična viskoznost tesnjenega medija, V Šm/s] srednja drsna hitrost, b Šm] širina tesnilne površine in F ŠN] sila na tesnilno površino. Analizoin identifikacijorežimov mazanja, v našem primeru je mazivo tesnjena voda, smo opravili z uporabo diagramov koeficienta trenja v odvisnosti od delovnega parametra G. Primer takšnega diagrama za par keramika - nerjavnojekloprikazuje slika 4. Območje nizkih vrednosti parametra G je značilnoza suhoin mejno mazanje, medtem kosovišje vrednosti značilne za tekočinsko mazanje. Minimum krivulje oz. karakte-ristična vrednost delovnega parametra G pri prehodu iz mešanega režima mazanja v režim tekočinskega se spreminja, saj je odvisna od vrste dvojenih materialov, hrapavosti tesnilnih površin in konstrukcije tesnila 11. Natančen vpliv slednjih še ni popolnoma raziskan. 3.1 Koeficient trenja Zaradi specifičnega načina in pogojev preskušanja, ki zajemajospremembotlaka, hitrosti, hrapavosti zaradi obrabe, mazanje ipd., pri samem preskusu, primerjava koeficientov trenja v časovnih diagramih ni najbolj primerna. 0,05-S 0,04-1 u 0,03-8 W 0,02-0,01- ? PV=konst. J DG=konst. rtv - rf- rh +i G F (3) 92-92% 96-96% 99,7-99,7% 99,7%A1203 99,7%A1203 Al203 A1203 A1203 -njeklo -grafit Dvojeni materiali Slika 5: Povprečni koeficienti trenja za pare materialov v režimu mešanega mazanja (G = konst.) Figure 5: Average friction coefficients in a mixed lubrication regime MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 45 A. VEZJAK, J. VIŽINTIN: VPLIV MAZALNIH RAZMER NA TRIBOLOŠKO VEDENJE MATERIALOV 120 r-r 100 80 X a A2O3 x A2O3 -graft -n. eklo IV lesi ino ir sa ai nj e Tekočinsko mazanje a' ( V x\ \ i*\Č Č X cxČ| 1.0E-08 1.0E-07 Hidrodinamični koeficient G 1.0E-06 Slika 6: Stopnja obrabe parov v odvisnosti od mazalnih razmer v tesnilu Figure 6: Wear rate under different lubricating conditions Koeficiente trenja smozatoprimerjali v razmerah, ko sov tesnilni špranji nastopili enaki režimi mazanja. Na sliki 5 so prikazani povprečni koeficienti trenja različnih parov materialov v režimu mešanega mazanja. Najnižji povprečni koeficient trenja smo pri vzajemnem dvojenju keramičnih materialov izmerili pri parih 99,7% Al2O3 (0,025), najvišjega pa pri 92% Al2O3 (0,042). Relativnonizke absolutne vrednosti sopovsej verjetnosti posledica tvorbe tribo-plasti iz hidroksidov, ki deluje kot trdomazivomed obema keramičnima površinama 12. Glavna mehanizma trenja sta plastična deformacija 13,14 in mehanskozatikanje vršičkov hrapavosti površine 15. Višjemu koeficientu trenja pri keramiki z nižjogostotolahkopripišemovečji nehomogenosti mikrostrukture površine. Povprečni koeficient trenja parov 99,7% Al2O3 -nerjavnojeklo(0,035) je višji kot pri parih 99,7-99,7% Al2O3 (0,025), vendar nižji kot pri dvojenju preostalih dveh keramik (0,038 pri 96% in 0,042 pri 92% Al2O3). Razlog za to je večja adhezija za pare keramika - jeklo kot pri parih keramika-keramika 15. Zaradi znanih dobrih mazalnih lastnosti grafita 16,17 je povprečni koeficient trenja parov 99,7% Al2O3 - grafit od vseh kombinacij materialov najnižji (0,012). Za primerjavosov diagramu prikazani tudi povprečni koeficienti trenja pri konstantnem produktu tlak - drsna hitrost (PV), ki je merilo za termomehansko obremenitev kontakta. Bistvenovečjoobraboobročev smodobili pri preizkušanju parov 99,7% Al2O3 - nerjavnojekloin parov 99,7% Al2O3 - grafit. V področju nizkih PV-obremenitev je nastala obraba samo pri mehkejših obročih iz grafita in nerjavnega jekla, pri višjih PV-obremenitvah pa tudi na keramičnih obročih. Pri slednjem trdi obrabni delci keramike v tesnilni špranji delujejokot abrazivni material, kar privede dohitrega uničenja tesnilnega para. V takih razmerah, ki sov tesnilu nezaželeni, tekočinskega mazanja praktičnoni možnodoseči. Slika 6 prikazuje primerjavo stopnje obrabe jeklenih in grafitnih obročev pri nizkih PV-obremenitvah v odvisnosti od mazalnih razmer v tesnilu. Z diagrama lahko razberemo, da se tesnilni obroči iz nerjavnega jekla pri enakih razmerah mazanja bistveno bolj obrabljajo kot obroči iz grafita. Po vsej verjetnosti gre tona račun večje adhezije pri parih nerjavno jeklo-keramika kot pri parih grafit-keramika 19. Ker pri tekočinskem mazanju ni mehanskega kontakta obročev, obraba v tem področju ne nastane. 4 SKLEP S posebnim načinom preskušanja smo raziskali vpliv različnih razmer pri mazanju na tribološke lastnosti, kot sta koeficient trenja in obraba, za različne pare materialov tesnilnih obročev. Režime mazanja v tesnilu smoanalizirali z brezdimenzijskim parametrom G. Koeficient trenja in obraba dvojenih materialov sta na splošno v veliki meri odvisna od režima mazanja v tesnilni špranji, ki vpliva na delež mehanskih kontaktov vršičkov hrapavosti obeh materialov. Najnižje vrednosti koeficientov trenja v mešanem režimu mazanja, ki se največkrat pojavi v mehanskih drsnih tesnilih, smodosegli pri parih 99,7%Al2O3 -grafit, najvišje pa pri parih 92%-92% Al2O3. Za keramične pare je značilna nenadna porušitev površine materialov zaradi krhkega loma zrn mikro-strukture, medtem ko je prevladujoč obrabni mehanizem parov keramika-grafit in keramika-jeklo adhezija. Brez poznanja režimov mazanja v tesnilni špranji je zelo težko ovrednotiti materiale tesnilnih obročev, saj vrednosti koeficientov trenja in obrabe nihajo tudi do 300%. 3.2 Obraba Obrabo materialov smo ugotovili z analizo aksialnih pomikov pomičnega tesnilnega obroča. Pri keramičnih parih obrabe ni bilo mogoče zaznati z merjenjem pomikov vse do nenadnega uničenja površin zaradi termične preobremenitve. Značilen krhki lom zrn mikrostrukture na površini keramike 18 je glavni obrabni mehanizem, ki je ob tem nastopal. 5 LITERATURA 1 E. Mayer, Mechanical Seals, Butterworth & Co. (Publishers) Ltd, 1977, 96 2 N. M. Wallace, Basic concepts of seal function and design, Chapter in Mechanical seal practice for improved performance, (Ed.) J.D.Summers-Smith, 2nd ed., Mechanical Engineering Publications Ltd., London 1992, 3-35 3 B. S. Nau, Research in mechanical seals, Chapter in Mechanical seal practice for improved performance, (Ed.) J.D.Summers-Smith, 2nd ed., Mechanical Engineering Publications Ltd., London 1992, 186-213 46 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 A. VEZJAK, J. VIŽINTIN: VPLIV MAZALNIH RAZMER NA TRIBOLOŠKO VEDENJE MATERIALOV H. K. Muller, B. S. Nau, Fluid sealing technology, Marcel Dekker Inc., New York 1998, 215-272 A. Vezjak, J. Vižintin, The influence of the duty parameter G on the PV limit in mechanical seals, Proc. of the 16th Inter.Conf.on Fluid sealing, Brugge, Belgija 18.-20. sept. 2000, (Ed) R. K. Flitney, BHR Group Publication, Professional Engineering Publishing, London 2000, 411-420 A. Vezjak, J. Vižintin, The effect of operating conditions on the performance limit of mechanical seals, Proc.of the 9th Nordic Symp. on Tribology NORDTRIB 2000, Porvoo, Finska 11.-14. junij 2000 - Vol. 3, Espoo 2000, 1044-1053 M. Kalin, J. Vižintin, Rolling bearings and lubricants testing machine CTD-ML1, Journal of Mechanical Engineering, 45 (1997) 5-6, 239-247 A. Vezjak, J. Vižintin, Computer controlled test rig for tribological research of materials for mechanical seals, Mater. Tehnol. 34 (2000) 1-2, 99-102 K. Schoenherr, Design terminology for mechanical end face seals, Lubrication Engineering, 50 (1994) 11, 881-891 B. S. Nau, Hydrodynamic lubrication in Face seals, Proc. of the 3rd Inter. Conf. on Fluid Sealing, BHRA, Cambridge 1967, Paper E5. R. K. Flitney, B. S. Nau, Performance testing of mechanical seals, Proc. 13th Inter. Conf. on Fluid Sealing, (Ed.) Nau B. S., Kluwer Academic Publishers, London 1992, 441-466 G. W. Stachowiak, A. W. Batchelar, Engineering Tribology, Tribology series 24, Elsevier, 1993, 755 I. M. Hutchings, A. Edward, Tribology: Friction and wear of Engineering Materials, A division of Hodder and Stoughton, London 1992, 116-122 L. Esposito, A. Tucci, Microstructural dependence of friction and wear behaviours in low purity alumina ceramics, Wear, 205 (1997) 1-2, 88-96. K.-H. Zum Gahr, Microstructure and wear of materials, Tribology series 10, Elsevier, 1987, 90, 449 I. M. Hutchings, A. Edward, Tribology: Friction and wear of Engineering Materials, A division of Hodder and Stoughton, London 1992, 48-51 R. R. Paxton, Manufactured carbon: A self-lubricating material for mechanical devices, CRC Press Inc., 1979, 5-7 B. Gueroult, K. Cherif, State of the art review on friction and wear mechanisms of ceramics, Journal of the Canadian Ceramic Society, 63 (1994), 2, 132-142 R. L. Johnson, K. Schoenherr; Seal Wear, Chapter in Wear Control Handbook, (Eds.) M. B. Peterson and W. O. Winer, ASME, New York 1980, 727-753 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 47