UDK 62-76:621.89 ISSN 1318-0010 Izvirni znanstveni članek MATER. TEHNOL. 34(3-4)143(2000) PARAMETER PVlim KOT MERILO ZA OVREDNOTENJE MATERIALOV TESNILNIH OBROČEV V MEHANSKIH DRSNIH TESNILIH PARAMETER PVlim AS A FACE MATERIAL EVALUATION CRITERIA OF MECHANICAL SEALS Anton Vezjak1, Jože Vižintin1, Martina Oberžan2 center za tribologijo in tehnično diagnostiko, Bogišičeva 8, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Elektroelement Izlake, d.d., Obrezija 5, 1411 Izlake, Slovenija Prejem rokopisa - received: 1999-11-16; sprejem za objavo - accepted for publication: 1999-12-20 Merilo za ovrednotenje parov materialov tesnilnih obročev mehanskih drsnih tesnil še ni standardizirano. Najpogostejši način ovrednotenja je določitev mej obratovanja oziroma mejnega produkta tlak-hitrost (PVum). Le-ta je poleg fizikalnih lastnosti obeh materialov odvisen od mazanja, konstrukcije tesnila in delovnih parametrov. Literatura navaja zelo malo informacij o zvezi med PVum in omenjenimi faktorji. V našem prispevku obravnavamo vpliv mazanja na parameter PVum. Preizkušali smo različne vrste materialov pod različnimi tribološkimi obremenitvami oziroma pri različnih vrednostih parametrov PV. Preizkusi so pokazali, da način mazanja, ki je v tesnilni špranji, bistveno vpliva na vrednosti parametra PVum in s tem na trajnostno dobo tesnila. Ključne besede: PVum, mehanska drsna tesnila, mazanje Seal face evaluation criteria have not been standardized yet, however, the most common approach for seal face evaluation is to determine a performance limit or parameter PVum. Beside physical properties of both seal faces parameter PVum is influenced by lubrication, seal design and operating conditions.The literature contains very little information on the relationship of PViim to this influence factors. In our study the influence of different lubrication regime on the parameter PVum has been investigated. For this purpose we have tested several materials under different tribological loading or different values of parameter PV. The results have shown that certain regime of lubrication which occurs in sealing gap has great influence on values of parameter PVum and therefore on seal life. Key words: PVum, mechanical seals, lubrication 1 UVOD Materiali tesnilnih obročev so ključni del mehanskega drsnega tesnila, saj so v kontaktu izpostavljeni fenomenom, kotso trenje, obraba, mazanje, korozija, hidrodinamika in prenos toplote1. Izbira materialov tesnilnih obročev je zato pomembna, saj neposredno določa trajnostno dobo in zanesljivost delovanja tesnila. Delovanje mehanskih drsnih tesnil pa ni odvisno samo od izbire materialov, ampak tudi od dejavnikov, ki upoštevajo konstrukcijo tesnila in delovne razmere. Prav zaradi te dodatne kompleksnosti pa žal nobeden izmed preskusov za ovrednotenje delovanja tesnil v industriji ni bil standardiziran25. Najpogostejši način ovrednotenja mehanskih drsnih tesnil je določevanje zgornje meje obratovanja oziroma določitev mejnega produkta tlak-drsna hitrost (PVlim). Produkt PV je po definiciji merilo za ustvarjeno torno toploto v tribološkem kontaktu6, kot to nakazujeta enačbi (1) in (2). Ptr — = PV-\i (1) A Ptr PV = — (2) A\i kjer pomenijo: P ŠPa] povprečni tlak v tribološkem kontaktu, V Šm/s] povprečna drsna hitrost, Ptr ŠW] moč trenja, A Šm2] površina kontakta in Ši povprečni koeficienttrenja. Mejni produkt PVlim je torej merilo za največjo dopustno ustvarjeno torno toploto, ki jo materiala v tribološkem kontaktu še preneseta. V primeru mehanskih drsnih tesnil pa ima PVlim mnogo širši pomen, saj določa poleg dopustne torne toplote tudi tiste pogoje, pri katerih tesnilo izgubi svojo funkcionalnost in prekomerno pušča. PVlim je odvisen od fizikalnih lastnosti dvojenih materialov, mazanja, konstrukcije tesnila in delovnih razmer. Informacij o zvezah med omenjenemi parametri in PVlim v literaturi praktično ni oziroma so zelo skromne1. Trajnostno dobo tesnila v veliki meri določajo razmere pri mazanju v tesnilni špranji3. Zato je pomembno, da znamo določiti, kakšen način mazanja nastopa v danem trenutku. To nam omogoča uporaba brezdimenzijskega hidrodinamičnega koeficienta G (enačba 3)1J. ¦n-V-b G = -±—- (3) F MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4 143 A. VEZJAK ET AL.: PARAMETER PViim KOT MERILO ZA OVREDNOTENJE... 0,020 0.0E-KX) 1.0E-08 2.0E-08 3.0E-08 4.0E-08 Slika 1: Režimi mazanja v mehanskih drsnih tesnilih Figure1: Lubrication regimes in face seals kjer so r| ŠPas] dinamična viskoznosttesnjenega medija, V Šm/s] srednja drsna hitrost, b Šm] širina tesnilne površine in F ŠN] sila na tesnilno površino. Režime mazanja nam v diagramu koeficient trenja-G prikazuje slika 1. V tem prispevku bomo prikazali kvalitativno in kvantitativno ovrednotenje materialov za tesnilne obroče in določili vpliv delovnih razmer ter režimov mazanja na parameter PVlim. 2 EKSPERIMENTALNI DEL 2.1 Preizkuševališče Preizkuse smo izvajali na preizkuševališču CTD-ML1, ki ga shematsko prikazuje slika 2. Podroben opis preizkuševališča je podan v literaturi8. Za raziskavo materialov za mehanska drsna tesnila smo razvili posebno preskusno glavo, ki jo prikazuje slika 3. S sodobnim računalniško vodenim merilnim sistemom, s katerim je opremljeno preizkuševališče, smo med preizkušanjem nadzirali osem merilnih veličin (slika 3). SMZČ'ČTjfjfrl ¦ž «-Či- ¦JP>h+> K4fK+zi:Č.ATWüi6Ein hi|4ri Zi MiZh> ¦" •". *>th Hn-*i n1 >J!MLiiČ:gu'IL' -.-¦ F- ¦ Mriizn HTiin irii Jadn ririi-n I idi1' |Senzor pomika LVDT Slika 2: Shema preizkuševališča CTD-ML1 Figure 2: CTD-ML1test rig ufi Preskusno tesnilo Test seal Tesnjen medij Process fluid Slika 3: Preskusna glava Figure 3: Testchamber Mirti vi| Merjene veličine: 1-temperatura medija 2-temperatura obroča 3-temperatura ležaj ev 4-pomik obroča 5-skupna sila na obroč 6-skupna silo trenja v tesnilu in ležaj ih 7-število vrtljajev gredi 8-količina puščanja tesnilnega sistema 144 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4 A. VEZJAK ET AL.: PARAMETER PViim KOT MERILO ZA OVREDNOTENJE... 2.2 Materiali in način preizkušanja Za preizkušanje smo izbrali komercilano keramiko AI2O3 domačega proizvajalca z različno gostoto (92, 96 in 99,7%), nerjaveče jeklo C4171 in grafits komercialno oznako ELLOR 25. Število opravljenih preizkusov in način dvojenja materialov prikazuje preglednica 1. Preglednica 1: Število opravljenih preizkusov in način dvojenja materialov Material AI2O3 Skupaj obročev Material 99,7% 96,0% 92,0% AI2O3 99,7% 5 1 26 96% 13 26 92% 6 12 Nerjaveče jeklo 10 10 Grafit 8 8 Preizkušanci so bili izdelani v obliki obročev z notranjim premerom 22 mm in zunanjim 32 mm ter debelino -7mm. Obroče smo pred vsakim preizkusom montirali v eno in isto ohišje tesnila. Tako smo izločili morebitni vpliv konstrukcije tesnila. Vsi tesnilni obroči so bili mehansko obdelani z brušenjem in ročnim poliranjem. Preizkušali smo v vodi iz omrežne vodovodne napeljave s povprečno vrednostjo pHčl. Na začetku vsakega preizkusa smo z vijakom in vzmetmi nastavili neki tlak na tesnilno površino. Preizkus smo pričeli pri 500 min1 vrtljajih gredi, nakar smo vrtljaje po določenih časovnih intervalih postopoma zviševali (slika 4). Vrtljaje smo zviševali vse, dokler ni prišlo do izpolnitve enega izmed naslednjih meril: - prekinitev tekočinskega filma v tesnilni špranji in s tem skokovit porast momenta trenja - porušitve materialov (termična razpoke, prekomerna obraba) - dinamične nestabilnosti tesnilnega kontakta š"stick-slip"-efekt, fazna sprememba ipd) prekomerno puščanje. Ko je bil izpolnjen eden ali več izmed omenjenih meril, smo smatrali, da smo dosegli zgornjo mejo obratovanja (PViim), in preizkus ustavili. Če med preizkusom ni prišlo do izpolnitve enega izmed zgornjih naštetih meril niti pri maksimalnih vrtljajih preskusnega sistema (6200 min1), smo preizkus ustavili, nastavili večji tlak vzmeti ter preizkus z novim parom tesnilnih obročev ponovili na enak način. S takšnim načinom preizkušanja smo dobili točke PViim za različne delovne razmere. 3 REZULTATI IN DISKUSIJA 3.1 Krivulje PVum S preizkusi dobljene zgornje meje obratovanja za posamezne kombinacije materialov prikazuje slika 5. Za vse pare materialov je značilno, da se parameter PVum spreminja v odvisnosti od tlaka in hitrosti2. V področju visokih tlakov in nizkih hitrosti so vrednosti PViim nižje kot v področju nizkih tlakov in visokih hitrosti. Najnižje vrednosti parametra PVum dobimo po pričakovanju pri dvojenju 92-92% Al203 keramike. Kombinacija materialov 96-96% Al203 in 99,7-99,7% AI2O3 nam dasta praktično enak oddziv, kar potrjuje na več mestih tudi literatura910. Vrednosti PVum so pri zadnjih dveh parih za cca 50% višje kotpri parih 92% AI2O3 . Bistveno višje vrednosti PVum dobimo za pare 99,7% AI2O3 - nerjaveče jeklo in še posebej za 99,7%Al203 - grafit, kjer smo za krivuljo PVum določili le eno točko. 3.2 Vpliv mazanja na parameter PVum Delovne razmere ne vplivajo samo na parameter PVum, ampak tudi na potek hidrodinamičnega koeficienta G. Slika 6 nam prikazuje vpliv obremenitve na hidrodinamični koeficientza pare nerjaveče jeklo-99.7%Al203. Razberemo lahko, da se pri visokih tlakih in nizkih hitrostih nahajamo na področju mejnega mazanja, pri nižjih tlakih ter visokih hitrostih pa hidrodinamičnega mazanja. Z drugimi besedami lahko rečemo, da ni vseeno, če dosežemo tribološko obremenitev PV npr. 4 MPa.m/s pri tlaku 4 MPa in hitrosti 1 m/s ali pri tlaku 0,4 MPa in hitrosti 10 m/s. 6000 -, 5000 - 1,6 "c 4000 - S. 1.2 E, ¦s: 1.0 j5 °-8 ¦e p=konst. > 2000 • 0,6 0,4 1 0,2 0 - ( ) 50 Ča s trajan 1C a Šmin] 0 150 0,0 4 6 Hitrost v Šm/s] Slika 4: Diagram poteka preizkusa Figure 4: Testprocedure Slika 5: Krivulje PVum Figure 5: PVum curves MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4 145 A. VEZJAK ET AL.: PARAMETER PVlim KOT MERILO ZA OVREDNOTENJE… Slika 6: Vpliv obremenitve na potek hidrodinamičnega koeficienta G Figure 6: The effectof seal face pressure on G Ugotovitev in potrditev, da sta oba parametra - PVlim in G - odvisna od delovnih razmer, namiguje k morebitni njuni medsebojni povezavi. Analiza hidrodinamičnih koeficientov G pri posameznih preizkusih, v trenutku ko je bilo izpolnjeno merilo za PVlim, je privedla do rezultatov, prikazanih na sliki 7. Vidimo, da lahko zgornjo mejo obratovanja PVlim določenega para materialov s primernim mazanjem kar za nekajkratpomaknemo k višjim vrednostim. Na osnovi teh rezultatov lažje razumemo, od kod lahko izvira nekoeksistenca vrednosti PVlim, ki jih navaja literatura za enake pare materialov7. 4 SKLEPI Na osnovi rezultatov in diskusije lahko povzamemo naslednje sklepe: Določanje zgornjih mej obratovanja PVlim s stopnjevanjem drsne hitrosti med preizkusom je učinkovita metoda za ovrednotenje materialov tesnilnih obročev mehanskih drsnih tesnil. Čeprav rezultati, zaradi ne doseganja stacionarnega stanja med prehodi na višjo hitrost, niso čisto natančni, nam dajo dobro kvalitativno in kvantitativno primerjavo med različnimi pari materialov. Parameter PVlim, ne glede na vrsto dvojenih materialov, ni konstanta, temveč je v veliki meri odvisen od delovnih razmer. PVlim je močno odvisen od hidrodinamičnega koeficienta G, ki določa režim mazanja v tesnilni špranji. Z ustreznim režimom mazanja se lahko vrednosti PVlim 0,0E+00 2.0E-08 4.0E-08 6.0E-08 8.0E-08 1.0E-07 Hidrodinamični koeficient G Slika 7: Vpliv mazanja na parameter PVlim Figure 7: The effectof G on parameter PVlim spremenijo tudi do 250%, s tem pa tudi trajnostna doba mehanskega drsnega tesnila. 5 PREDLOG ZA NADALJNJE DELO V nadaljnjih raziskavah bi bilo treba poiskati zvezo med dobljenimi eksperimentalnimi rezultati in teorijo hidrodinamičnega mazanja. S tem bi se na široko odprla možnost, da bi na osnovi rezultatov PVlim v suhih razmerah preizkušanja matematično modelirali potek parametra PVlim pri mazanju. 6 LITERATURA 1 A.O. Lebeck, Principles and Design of Mechanical Face Seals, John Wiley & Sons, 1991, 19, 426, 394 2 G.S. Buck, ASLE Trans., 23 (1980) 3, 244-252 3 R. Divakar, Materials Engineering, (section 15) Jahanmir, S. (Ed.), Friction and wear of ceramics, Marcel Dekker Inc., New York, 6, 1994, 357-381 4 I.Etsion, T.N.Strom, Mechanical Design and Systems Handbook, (section 27.9) Ed. H. A. Rothbart, McGraw-Hill, New York, 1985 5 R.L. Johnson, K. Schoenherr, Wear Control Handbook, (Section: Seal Wear), M.B.Peterson and W.O.Winer (Eds.), ASME, New York, 1980, 727-753 6 K. Schoenherr, Lub. Eng., 50 (1994) 11, 881-891 7 ProductReview: Mechanical Seals, Industrial Lubrication and Tribology, 44 (1992) 6, 6-23 8 M. Kalin, J. Vižintin, Journal of Mechanical Engineering, 45 (1996) 5-6, 239-247 9 R. Wallis, Ceramic used in mechanical seals, Application of Engineering Ceramics-Non ic Engine Applications, Proc. seminar held at Inst.Mech.Engrs., London, February 26th, 1986, London, MEP, 1986, 3 10 D. Zeus, Ceram.Forum Int./ Ber.DKG 68 (1991) 1/2, 31 146 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4