UDK 62-76:531.44:519.68 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 34(1-2)099(2000) RAČUNALNIŠKO KRMILJENO PREIZKUŠEVALIŠČE ZA RAZISKAVO MATERIALOV MEHANSKIH DRSNIH TESNIL COMPUTER CONTROLLED TEST RIG FOR TRIBOLOGICAL RESEARCH OF MATERIALS FOR MECHANICAL SEALS Anton Vezjak, Jože Vižintin Center za tribologijo in tehnično diagnostiko, Bogišičeva 8, 1000 Ljubljana, Slovenija Prejem rokopisa - received: 1999-11-16; sprejem za objavo - accepted for publication: 1999-12-20 Mehanska drsna tesnila spadajo med dinamična gredna tesnila. Primarno tesnjenje omogoča drsni kontakt dveh tesnilnih obročev, ki je geometrijsko analogen kontaktu pri aksialnih drsnih ležajih. Glavni poudarek pri razvoju teh tesnil je na tribološki konstrukciji tesnilnih obročev. Ti so v drsnem kontaktu izpostavljeni fenomenom, kot so trenje, obraba, mazanje, kemična interakcija s tesnjenim medijem (korozija), hidrodinamika in prenos toplote. Izbira materialov tesnilnih obročev je zato zelo pomembna, saj neposredno določa trajnostno dobo in zanesljivost delovanja tesnil. Da lahko določeno dvojico materialov tesnilnih obročev ovrednotimo, moramo delovanje kar se da dobro poznati. Preizkusi na triboloških modelnih preizkuševališčih zaradi specifičnosti geometrije kontakta in razmer pri obratovanju ponavadi ne dajo s prakso primerljivih rezultatov. Zato je za ovrednotenje materialov in delovanja tesnil v večini primerov še vedno potrebno preizkušanje na dragih realnih sistemih. V prispevku je predstavljeno preizkuševališče s preskusno glavo lastne konstrukcije, kjer lahko simuliramo realne razmere obratovanja mehanskih drsnih tesnil. Opremljeno je s sodobnim računalniškim sistemom za sprotni nadzor in krmiljenje osmih merilnih parametrov, kar nam omogoča natančen vpogled v razmere v tesnilu med preizkusom in s tem razumevanje delovanja tesnila. Ključne besede: mehanska drsna tesnila, preskušanje, tribologija, materiali tesnilnih obročev Mechanical seals are dynamic shaft seals in which primary sealing takes place between surfaces in sliding contact of two mated seal faces. The mostimportantaspectof developmentof mechanical seal is the tribological design of the seal faces. Seal faces are exposed to severe conditions which are determined with phenomena such as friction, wear, lubrication, chemical interaction with sealing fluid (corrosion), hydrodynamics and heat transfer. Therefore seal life and reliability are very much influenced by seal face material selection. For purpose to evaluate certain seal face material pair performance and therefore conditions in the seal must be well known. Results of testing on tribological models due to specific contact geometry and operating conditions are not satisfactory for practical comparable applications. Therefore testing on expensive real systems are still required for seal material evaluation in the most cases. In the paper test rig of our own design is presented on which we simulate real operating condition of mechanical seals. The test rig is equipped with advance computer system for on-line control and monitoring of eight measured parameters which enables detail determination of conditions during seal testing and better understanding of seal performance. Key words: mechanical seals, testing, tribology, seal face materials 1 UVOD Mehanska drsna tesnila se uporabljajo v širokem spektru delovnih razmer v najrazličnejših mehanskih sistemih, kot so: črpalke, kompresorji, mešalniki, ipd.1-3. Najpomembnejša funkcija mehanskih drsnih tesnil je zagotoviti varno in zanesljivo tesnjenje delovnega medija. Tesnilni obroči so najbolj kritični del tesnila, saj so v tribološkem kontaktu izpostavljeni neugodnim razmeram. Le-te določajo visoki tlaki, visoke relativne drsne hitosti, visoke temperature in kemična interakcija s tesnjenim medijem. Tesnjenje pa ne določajo samo lastnosti uporabljenih materialov, ampak tudi dejavniki, ki vključujejo konstrukcijo in delovne razmere1,4,5. Nepričakovane predčasne poškodbe in nepredvidljiva nizka trajnostna doba v nekaterih primerih kažejo, da razumevanje delovanja mehanskih drsnih tesnil še ni v celoti razjasnjeno3,6-8. Z namenom, da bi povečali razumevanje triboloških mehanizmov v tesnilni špranji, da bi pravilno ovrednotili materiale tesnilnih obročev in da bi povečali zgornje meje obratovanja mehanskih drsnih tesnil, je potrebna natančna raziskava njihovega vedenja med delovanjem9,10. Ponavadi se za tribološko raziskavo materialov tesnilnih obročev uporabljajo standardni ali modificirani modelni preskusi, kotsta "valjček-disk"11-14 in "štiri-krogelni" preskus15-18, vendar imajo le-ti omejeno uporabo. Omejitve so povezane predvsem s specifičnostjo geometrije kontakta in z dinamičnimi karakteristikami tesnilnega sistema, zato rezultati preizkušanj v veliki meri niso zadovoljivi za prakso. Po drugi strani pa imajo mehanski sistemi v realnih razmerah poleg visoke cene še omejitev dostopa merilne opreme do komponent tesnila9. Posebno in obenem glavno vlogo pri razvoju ter sedanjem razumevanju osnov delovanja mehanskih drsnih tesnil imajo namenska preizkuševališča9,19-22. Namen prispevka je predstaviti laboratorijsko preizkuševališče s preskusno glavo in možnosti računal-niško podprtega merilnega sistema pri nadziranju ter MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 99 A. VEZJAK, J. VIŽINTIN: RAČUNALNIŠKO KRMILJENO PREIZKUŠEVALIŠČE ZA RAZISKAVO... ovrednotenju delovanja mehanskih drsnih tesnil. Upo-rabnostpreizkuševališča in merilnega sistema je prikazana z analizo enega preizkusa. 2 OPIS PREIZKUŠEVALIŠČA Kotizhodišče za zasnovo koncepta preizkušanja mehanskih drsnih tesnil nam je rabilo preizkuševališče CTD-ML123, ki ga prikazuje slika 1. Preizkuševališče je namenjeno za široko področje delovnih razmer, kar omogoča, da se zelo približamo razmeram pri realnih mehanskih sistemih. Uporaba in namen preizuševališča je odvisna od izvedbe preskusne glave, ki je pritrjena na pogonsko gred. Preizkuševališče, ki je opremljeno s sodobnim računalniškim sistemom, omogoča nadzor in krmiljenje osmih merjenih veličin. Shemo nadzora in krmiljenja preizkuševališča prikazuje slika 2. Za potrebe raziskav materialov mehanskih drsnih tesnil smo razvili ustrezno preskusno glavo (slika 3). Slika 1: Preizkuševališče CTD-ML1 Figure 1: Testrig CTD-ML1 Slika 2: Shema nadzora in krmiljenja preizkuševališča Figure 2: Computer control and monitoring scheme of the test rig Slika 3: Preskusna glava in izvedba preskusnega tesnila Figure 3: Testchamber and testseal layout 100 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 A. VEZJAK, J. VIŽINTIN: RAČUNALNIŠKO KRMILJENO PREIZKUSEVALIŠ ČE ZA RAZISKAVO... Zaradi fleksibilno zasnovane konstrukcije in skrbno izbranih materialov nam preskusna glava omogoča: – raziskavo mehanizmov trenja, obrabe in mazanja v mehanskih drsnih tesnilih – raziskavo vplivov obdelave tesnilnih obročev na razmere v tesnilni špranji – preskušanje novih materialov – preskušanje primernosti in funkcionalnosti neke konstrukcije mehanskih drsnih tesnil – trajnostne preskuse materialov tesnilnih obročev – raziskavo vplivov različnih medijev na funkcional-nostin vedenje tesnila, ... Med preizkušanjem lahko spremljalmo naslednje merilne veličine (slika 3): – temperaturo tesnjenega medija v okolici zunanjega premera tesnilnih obročev (1) – temperaturo primarnega (mirujočega) tesnilnega obroča (2) – temperaturo ležajev (3) – temperaturo okolice – pomik primarnega tesnilnega obroča (4) – skupno silo na primarni tesnilni obroč (5) – skupno silo trenja v tesnilu in ležajih (6) – število vrtljajev gredi (7) in – količino puščanja tesnilnega sistema (8). 99,7% Al2O3. Tlak na tesnilno površino na začetku preizkusa je bil 0,55 MPa. Vrtilno hitrost smo med preizkusom stopnjsko povečevali, kotprikazuje potek na sliki 5a. Tesnilna obroča sta bila potopljena v vodo s pH?7. Zajem merilnih veličin je bil vsakih 30s s hirostjo vzorčenja 10000 točk/s. Vsaka točka v diagramu pomeni povprečje 1000 izmerjenih točk. V prvem delu preizkusa (pri 500 min-1) je moment trenja padal. Vzrok zato je bil zmanjšanje normalne sile na tesnilno površino, ki je posledica obrabe zaradi utekanja površin. Da je pri tem delu res prišlo do sicer minimalne obrabe, kaže tudi pomik obroča v pozitivno smer (slika 5b). Pri prehodu na višjo vrtilno hitrost so se razmere v tesnilnem kontaktu spremenile. Normalna sila in pomik obroča sta se sorazmerno ustalila, zato se je ustalil tudi moment trenja. Iz spremembe naklona poteka temperature obroča (slika 5c) je razvidno, da se je povečala generacija torne toplote kljub ugodnemu poteku momenta trenja. Pri nadaljnjem povečevanju vrtilne hitrosti gredi je usmerje-nostmerilnih veličin analogna, vse dokler nismo dosegli kritične količine ustvarjene torne toplote. Le-ta povzroči porušitev tesnilne površine materialov obročev. Pri keramičnih obročih iz Al2O3 smo opazili, da je prišlo do razpok in odstopanja zrn na tesnilni površini, kar je 3 PRIMER REZULTATOV PREIZKUŠANJA Uporabnostin učinkovitostpreskusne glave ter merilnega sistema je prikazana na primeru raziskave obratovalnih mej materialov za tesnilne obroče. Slika 4 prikazuje potek preizkusa za določevanje zgornje meje obratovanja (PVlim) za izbran par materialov tesnilnih obročev. Na začetku preizkusa smo preko vijaka in vzmeti nastavili določen tlak na tesnilno površino in stopenjsko povečevali drsno hitrost v kontaktu obročev. Hitrost smo povečevali, vse dokler ni prišlo do takih obratovalnih razmer, pri katerih je tesnilo izgubilo svojo funkcionalnostin začelo prekomerno puščati. Slika 5 prikazuje potek povprečnih vrednosti izmerjenih veličin pri dvojenju dveh tesnilnih obročev iz Slika 4: Potek preizkusa za določevanje PVlim Figure 4: Testprocedure for PV test 30 40 50 60 Čas Šmin] Slika 5: Potek posameznih veličin med preizkusom Figure 5: Measured parameters during the test MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 101 A. VEZJAK, J. VIŽINTIN: RAČUNALNIŠKO KRMILJENO PREIZKUŠEVALIŠČE ZA RAZISKAVO… Slika 6: Režimi mazanja med preizkusom Figure 6: Lubrication regimes during the PV test povzročilo spremembo obrabnega mehanizma18,24-26. Praktično so vsi merjeni parametri to spremembo zaznali. Omenjeni diagrami nam neposredno zelo malo povedo o mazalnih razmerah v tesnilni špranji, ki so ključnega pomena za razumevanje delovanja mehanskih drsnih tesnil. Zato smo uporabili dodatno veličino -hidrodinamični koeficient G2,3. Hidrodinamični koefi-cientje brezdimenzijsko število, ki ga določajo viskoznost medija, drsna hitrost, sila na tesnilno površino in dimenzije obročev. Z analizo diagramov koeficient trenja µ - G lahko določimo režim mazanja v tesnilni špranji. Slika 6 prikazuje diagram µ-G za prej omenjeni preizkus. Iz diagrama lahko razberemo, da z višanjem vrtilne hitrosti prehajamo iz mejnega v tribološko ugodnejše mešano mazanje. Naj poudarimo, da gre pri tem za povprečni režim mazanja v tesnilni špranji in da se lahko na različnih mestih tesnilne površine istočasno pojavijo različni režimi mazanja. To pomeni, da je delež mehanskih kontaktov vršičkov hrapavosti obeh površin, ki se sicer z večanjem vrtilne hitrosti zmanjšuje, vedno navzoč. S tem pa glavni vir ustvarjanja torne toplote, ki ga predstavljajo ti lokalni mikrokontakti3. Na osnovi tega lahko razložimo prej omenjeno povečanje temperature, kljub zmanjšanju momenta trenja. Iz analize navedenega primera je razvidno, kako pomembno je spremljanje čim večjega števila parametrov med obratovanjem. Praktično edino na ta način lahko z nekoliko večjo zanesljivostjo razložimo kompleksno dogajanje v tesnilni špranji. 4 SKLEP Na predstavljenem primeru se je izkazalo, da je preizkuševališče nadvse primerno za raziskavo delovanja in razlago mehanizmov v mehanskih drsnih tesnilih. Sodobni računalniški merilni sistem, ki omogoča sprotni nadzor merjenih parametrov in krmiljnje preizkusov, bistveno prispeva k zanesljivosti in učinkovitosti ovrednotenja tesnila. Na preizkuševališču je možno simulirati realne delovne razmere v širokem spektru. Preskusna glava se je izkazala primerna za preizkušanje mehanskih drsnih tesnil različnih dimenzij in različnih konstrukcijskih izvedb. Zaradi skrbne izbire materialov, iz katerih je izdelana preskusna glava, je mogoče preizkušanje tudi v različnih medijih. Preizkuševališče s preskusno glavo uspešno uporabljamo pri raziskavah in razvoju novih materialov ter konstrukcij mehanskih drsnih tesnil, ki jih financira industrija. 5 LITERATURA 1 E. Mayer, Mechanical Seals, Butterworth & Co. (Publishers) Ltd, 1977, 1-9, 14 2 ProductReview: Mechanical Seals, Industrial Lubrication and Tribology, 44 (1992) 6, 6-23 3 A.O.Lebeck, Principles and Design of Mechanical Face Seals, John Wiley & Sons, 1991, 1-2, 16, 18, 139, 394 4 R. Divakar, Materials Engineering, Jahanmir, S.( Ed.), Friction and wear of ceramics, section 15, Marcel Dekker Inc., New York, 6, 1994, 357-381 5 A.O., Lebeck, Dynamic seals, Tribology Data Handbook, section 66, Ed. E. R. Booser, CRC Press, 1997, 734-757 6 R.K. Flitney, B.S.Nau, Proc. Inst. Mech. Eng. Part A, 201 (1987) A1, 17-28 7 B.S. Nau, Tribol. Int., 19 (1986) 4, 183-186 8 P.A. Conner, M.T. Thew, Industrial Lubrication and Tribology, 47 (1995) 2, 4-11 9 M.W. Williams, V.J. Pilletteri, Lubrication Engineering, 52 (1996) 11, 809-815 10 L.A.Young, A.O. Lebeck, ASME Journal of Lubrication Technology, 104 (1982) 4, 439-448 11 P. Andersson, O. Ylostalo, Mater.Sci.and Eng. A, A109 (1989) 1-2, 407-413 12 Y.M. Chen, B. Rigaut, F. Armanet, Lub. Eng., 47 (1991) 7, 531-537 13 L. Esposito, G. Nicoletto, A. Tucci, A. Salomoni, Key Engineering Materials, 132-136 (1997) 3, 1528-1531 14 M.G. Gee, Surfaces and Interfaces. Joint Meeting Institute of Ceramics and Society of Glass technology Birmingham, October23-24, 1990, Institute of Ceramics; Br.Ceram.Proc., 1991, 48, 11-24 15 D.E. Deckman, S. Jahanmir, S.M. Hsu, Wear of Materials, Int. Conf. on Wear of Materials Orlando, April 7.-11., 1991, Ludema, K.C., Bayer, R.G.( Eds.), ASME 1991, 359-366 16 R.S. Gates, S.M. Hsu, E.E. Klaus, Tribol Trans, 32 (1989) 3, 357-363 17 H. Kim, D. Shin, T.E. Fischer, Proceedings of the Japan International Tribology Conference. III, Nagoya, 29.10.-1.11.1990, Japan Society of Tribologists, 1990, 1437-1442 18 Y.S.Wang, S.M. Hsu, R.G. Munro, Lub. Eng., 47 (1991) 1, 63-69 19 R.Metcalfe, R.D. Watson, Lub. Eng., 39 (1983) 3, 275-284 20 A.J. Ryde-Weller, M.T. Thew, R. Wallis, Proceedings of the 12th International Conference on Fluid Sealing, Brighton, UK, May 10-12,1989, BHRA, 1989, 343-366 21 J.A.Silvaggo, M.J. Lipski, K. Van Bramer, Lub. Eng., 43 (1987) 6, 433-439 22 L.C. Erickson, A. Blomberg, S. Hogmark, S. Bratthal, Tribol. Int., 26 (1993) 2, 83-92 23 M. Kalin, Master thesis, Faculty of Mech. Engineering, Ljubljana, 1996 24 J.F. Braza, H.S. Cheng, M.E. Fine, A.K. Gangopadhyay, L.M. Keer, R.E. Worden, Tribol.Trans., 32 (1989) 1, 1-8 25 F. Xiong, R.R. Manory, L. Ward, M. Terheci, S. Lathabai, Journal of the American Ceramic Society, 80 (1997) 5, 1310-1312 26 S. Kim, K. Kato, K. Hokkirigawa, J. JSLE Int.Ed., 8 (1987) 123-128 102 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2