Kaip tribologija veikia jūsų pneumatinės sistemos veikimą?

Ar kada nors teko stebėti, kaip dėl netikėto įrangos gedimo išauga jūsų gamybos sąnaudos? Man taip yra buvę. Kaltininkas dažnai slypi nematomame paviršiaus sąveikos pasaulyje. Kai pneumatinėse sistemose susiduria du paviršiai, trintis tampa jūsų didžiausiu priešu arba didžiausiu sąjungininku.

Tribologija¹-trinties, dilimo ir tepimo mokslas tiesiogiai veikia pneumatinių sistemų veikimą, nes turi įtakos energijos vartojimo efektyvumui, komponentų eksploatavimo trukmei ir eksploataciniam patikimumui. Supratus šiuos pagrindinius principus, techninės priežiūros išlaidas galima sumažinti iki 30%, o įrangos tarnavimo laiką pailginti keleriais metais.

Praėjusį mėnesį lankiausi Bostone esančioje gamykloje, kurioje belaidžiai cilindrai sugedo kas kelias savaites. Techninės priežiūros komanda buvo suglumusi, kol neištyrėme tribologinių veiksnių. Iki šio straipsnio pabaigos suprasite, kaip taikyti tribologijos pagrindus sprendžiant panašias problemas savo sistemose.

Turinys

• Kulono trinties patikrinimas: Kaip galima patikrinti šį dėsnį realiose programose?
• Paviršiaus šiurkštumo klasės: Kokie standartai svarbūs pneumatiniams komponentams?
• Ribinis tepimas: Kodėl šis mechanizmas labai svarbus pneumatinėms sistemoms?
• Išvada
• DUK apie tribologiją pneumatinėse sistemose

Kulono trinties patikrinimas: Kaip galima patikrinti šį dėsnį realiose programose?

Šiuolaikinės trinties analizės pagrindą sudaro Kulono dėsnis, tačiau kaip patikrinti jo taikymą realiose pneumatinėse sistemose? Šis klausimas turi didelę reikšmę komponentų elgsenos prognozavimui.

Kulono trinties dėsnis² galima patikrinti pneumatiniuose įrenginiuose atliekant kontroliuojamos apkrovos bandymus, kai trinties jėga (F) lygi trinties koeficientui (μ), padaugintam iš normalinės jėgos (N). Ši priklausomybė išlieka tiesinė, kol įvyksta medžiagos deformacija arba suyra tepimas, todėl ji yra labai svarbi prognozuojant cilindrų be lazdelių veikimą.

Prisimenu, kaip dirbau su automobilių dalių gamintoju Mičigane, kuris negalėjo suprasti, kodėl jų valdomi bepakopiai cilindrai veikia nenuosekliai. Atlikome paprastą Kulono patikros bandymą ir nustatėme, kad jų numanomas trinties koeficientas buvo beveik 40%. Ši vienintelė įžvalga pakeitė jų požiūrį į techninę priežiūrą.

Praktiniai tikrinimo metodai

Kulono dėsniui patikrinti nereikia sudėtingos įrangos - tik metodiško požiūrio:

1. Statinis bandymas: Judesiui pradėti reikalingos jėgos matavimas
2. Dinaminis testavimas: Pastoviam greičiui išlaikyti reikalingos jėgos matavimas
3. Kintamos apkrovos bandymas: Linijiškumo patvirtinimas esant skirtingoms normalinėms jėgoms

Veiksniai, turintys įtakos trinties koeficiento tikslumui

Dažniausiai pasitaikančios klaidingos nuostatos atliekant trinties bandymus

Tikrinant Kulono dėsnį pneumatinėse sistemose, gali būti padaryta keletas klaidingų išvadų:

Pastovaus trinties koeficiento prielaida

Daugelis inžinierių daro prielaidą, kad trinties koeficientas išlieka pastovus visomis sąlygomis. Iš tikrųjų jis kinta priklausomai nuo:

• Greitis: Statinis koeficientas skiriasi nuo dinaminio koeficiento
• Temperatūra: Dauguma medžiagų pasižymi nuo temperatūros priklausančia trintimi
• Kontaktinis laikas: Ilgesnis kontaktas gali padidinti statinę trintį
• Paviršiaus būklė: Dėvėjimasis ilgainiui keičia trinties charakteristikas

Nepastebėti "Stick-Slip" reiškiniai

Perėjimas tarp statinės ir dinaminės trinties dažnai sukelia trūkčiojantį judesį, vadinamą klijuoti-slysti³:

1. Komponentas nejuda (taikoma statinė trintis)
2. Jėga didėja, kol prasideda judėjimas
3. Trintis staiga sumažėja iki dinaminio lygio
4. Komponentas pagreitina
5. Jėga mažėja, komponentas lėtėja
6. Ciklo pasikartojimai

Šis reiškinys ypač aktualus mažais greičiais veikiantiems pneumatiniams cilindrams be lazdelių.

Paviršiaus šiurkštumo klasės: Kokie standartai svarbūs pneumatiniams komponentams?

Paviršiaus šiurkštumas turi didelę įtaką pneumatinių komponentų veikimui, tačiau į kokius matavimo standartus turėtumėte atkreipti dėmesį? Atsakymas priklauso nuo taikymo srities ir komponento tipo.

Pneumatinių komponentų paviršiaus šiurkštumo klasės paprastai svyruoja nuo Ra 0,1-1,6 μm⁴, kai svarbiausiems sandarinimo paviršiams reikia lygesnės apdailos (0,1-0,4 μm), o guolių paviršiams reikia specifinio šiurkštumo profilio (0,4-0,8 μm), kad jie išlaikytų tepalą ir kartu sumažintų trintį bei dilimą.

Per gedimų šalinimo vizitą Viskonsine esančioje maisto perdirbimo gamykloje sužinojau, kad jų cilindrų be lazdelių gedimai atsirado dėl neteisingų paviršiaus specifikacijų. Techninės priežiūros komanda pakeitė sandariklius standartiniais komponentais, tačiau dėl paviršiaus šiurkštumo neatitikimo sparčiau dėvėjosi. Supratus šiurkštumo standartus būtų išvengta šios brangiai kainuojančios klaidos.

Kritiniai paviršiaus šiurkštumo parametrai

Nors Ra (vidutinis šiurkštumas) paprastai nurodomas, kiti parametrai suteikia svarbios informacijos:

1. Rz (didžiausias aukštis): Skirtumas tarp aukščiausios viršūnės ir žemiausio slėnio
2. Rsk (Skewness): Nurodo, ar profilyje yra daugiau viršūnių, ar slėnių.
3. Rku (Kurtozė): Apibūdina profilio aštrumą
4. Rp (didžiausias viršūnės aukštis): Svarbu pirminiam kontaktui ir įsibėgėjimui

Paviršiaus šiurkštumo reikalavimai pagal sudedamosios dalies tipą

Matavimo metodai ir jų taikymas

Skirtingi matavimo būdai suteikia skirtingą įžvalgą apie paviršiaus charakteristikas:

Kontaktiniai metodai

• Stylus profilometrai: Standartinis Ra matavimo būdas, tačiau gali pažeisti jautrius paviršius.
• Nešiojamieji šiurkštumo testeriai: Patogu naudoti lauke, bet ne taip tiksliai

Nekontaktiniai metodai

• Optinė profilometrija: Puikiai tinka minkštoms medžiagoms arba gataviems komponentams
• Lazerinis skenavimas: Pateikiami didelės skiriamosios gebos 3D paviršiaus žemėlapiai
• Atominės jėgos mikroskopija: Kritinių paviršių nano mastelio analizei

Paviršiaus šiurkštumo kitimas per sudedamosios dalies eksploatavimo laikotarpį

Paviršiaus šiurkštumas nėra statiškas - jis kinta per visą komponento gyvavimo ciklą:

1. Gamybos etapas: Pirminė apdirbta arba šlifuota apdaila
2. Įsibėgėjimo laikotarpis: Viršūnės nusidėvi, sumažėja šiurkštumas
3. Pastovus veikimas: Stabilizuotas šiurkštumo profilis
4. Dėvėjimosi pagreitis: Didėjantis šiurkštumas signalizuoja apie artėjantį gedimą

Stebint šiuos pokyčius galima iš anksto įspėti apie komponentų gedimus, ypač kritinėse bepiločių pneumatinių cilindrų srityse.

Ribinis tepimas: Kodėl šis mechanizmas labai svarbus pneumatinėms sistemoms?

Ribinis tepimas yra plona riba tarp priimtino veikimo ir katastrofiško gedimo pneumatinėse sistemose. Suprasti šį mechanizmą labai svarbu, kad būtų galima tinkamai atlikti techninę priežiūrą ir projektuoti.

Ribinis tepimas atsiranda, kai esant didelei apkrovai arba nedideliam greičiui du paviršius atskiria plona molekulinė tepalo plėvelė. Šis režimas labai svarbus pneumatinėse sistemose, nes apsaugo komponentus paleidimo, mažo greičio veikimo ir didelės apkrovos atvejais, kai neįmanoma išlaikyti visiško skysčio plėvelės sutepimo.

Neseniai konsultavausi su pakuočių įrangos gamintoju Kalifornijoje, kurio magnetinių cilindrų be lazdelių sandarinimo sistema anksčiau laiko sugedo. Jų inžinieriai parinko tepalą tik pagal klampumą, neatsižvelgdami į ribines tepimo savybes. Perėjus prie tepalo su geresniais ribiniais priedais, sandariklio tarnavimo laikas pailgėjo tris kartus.

Keturi tepimo režimai

Kad suprastume ribinio tepimo svarbą, turime jį įvertinti kontekste:

1. Ribinis tepimas: Paviršiaus asperijos, turinčios tiesioginį sąlytį, apsaugotos tik molekulinėmis plėvelėmis
2. Mišrus tepimas: Dalinė skysčio plėvelė su tam tikru asperitų kontaktu
3. Elastohidrodinaminis tepimas: Plona skysčio plėvelė su paviršiaus deformacija
4. Hidrodinaminis tepimas: Visiškas atskyrimas skysčio plėvele

Ribinio tepimo mechanizmai

Kaip tiksliai ribinis tepimas apsaugo paviršius? Kartu veikia keli mechanizmai:

Adsorbcija

Polinės tepalo molekulės prisitvirtina prie metalo paviršių ir sukuria apsauginius sluoksnius:

1. Poliarinė galvutė priglunda prie metalo paviršiaus
2. Nepoliarinė "uodega" tęsiasi į išorę
3. Šios suvienodintos molekulės yra atsparios įsiskverbimui
4. Gali susidaryti keli sluoksniai, užtikrinantys geresnę apsaugą

Cheminė reakcija

Kai kurie priedai reaguoja su paviršiais ir sudaro apsauginius junginius:

• ZDDP (cinko dialkilditiofosfatas)[^5]: Sudaro apsauginį fosfatinį stiklą
• Sieros junginiai: Sukurti geležies sulfido apsauginius sluoksnius
• Riebalų rūgštys: Reaguoja ir ant paviršių sudaro metalinius muilus

Tepalų parinkimas ribinėms sąlygoms

Pneumatiniams komponentams, pvz., cilindrams be lazdelių, kurie dažnai veikia ribinėmis sąlygomis:

Pneumatinių sistemų ribinio tepimo optimizavimas

Maksimaliai pailginti sudedamųjų dalių tarnavimo laiką gerinant ribinį tepimą:

1. Paviršiaus paruošimas: Kontroliuojamas šiurkštumas sukuria tepalų rezervuarus
2. Priedų parinkimas: Priedų atitikimas medžiagų poroms ir darbo sąlygoms
3. Tepimo intervalai: Dažniau nei tepant visą plėvelę
4. Užterštumo kontrolė: Kietosios dalelės stipriau pažeidžia ribines plėveles nei skysčio plėvelės
5. Temperatūros valdymas: Ribinių priedų veiksmingumas priklauso nuo temperatūros

Išvada

Norint optimizuoti pneumatinės sistemos veikimą, labai svarbu suprasti tribologijos pagrindus - Kulono trinties patikrinimą, paviršiaus šiurkštumo standartus ir ribinio tepimo mechanizmus. Taikydami šiuos principus, galite gerokai sumažinti techninės priežiūros išlaidas, pailginti komponentų tarnavimo laiką ir padidinti veiklos patikimumą.

DUK apie tribologiją pneumatinėse sistemose