plik

KSPLOATACJA

RZĄDZEŃ

ECHATRONICZNYCH

1. P

OJĘCIE EKSPLOATACJI

OBSZARY EKSPLOATACJI

WŁASNOŚCI OBIEKTU EKSPLOATACJI

KSPLOATACJA

- działania dotyczące technicznych i organizacyjnych przedsięwzięć w zakresie użytkowania i obsługi

konstruowanie  wytwarzanie  użytkowanie utylizacja

BSZARY EKSPLOATACJI



sfera informacyjna (zarządzanie, kierowanie, organizacja, logistyka)



sfera techniki (techniki diagnozowania i rejestracji stanów maszyn, teoria połączeń, obsługa węzłów
łożyskowych, obsługa zespołów przeniesienia napędu, technika uszczelnień, podstawy tribologii, podstawy
automatyki, podstawy elektrotechniki)



oddziaływanie na środowisko zewnętrzne obiektu eksploatacji (emisja substancji, emisja energii,
bezpieczeństwo)

ODZIAŁ OBIEKTÓW EKSPLOATACJI



Obiekty eksploatacji w procesach produkcyjnych (głównie maszyny, urządzenia) obsługiwane są przeważnie
przez wykfalifikowany personel (niewłaściwe działania mogą prowadzić do poważnych następstw)



Obiekty eksploatacji zakwalifikowane jako konsumpcyjne - przeznaczone dla osób niewykwalifikowanych
musza być zabezpieczone przed niewłaściwą obsługą.

ŁASNOŚCI OBIEKTU EKSPLOATACJI



Stan techniczny (w danej chwili)



Trwałość



Niezawodność (zdolność do realizacji zadań)



Funkcjonalność (sprzyjanie użytkownikowi)



Obsługiwalność



Naprawialność



Diagnozowalność

(dostępność

informacji

o stanie technicznym

OSZTY EKSPLOATACJI



koszty napraw



części zamienne



koszty utrzymania



koszty powstałe w wyniku podejmowania
niewłaściwych decyzji



koszty zakupu i magazynowania części

2. R

ODZAJE TARCIA

SKĄD SIĘ BIERZE TARCIE

(

NIEMETALI

W WARUNKACH EKSTREMALNYCH

W SYSTEMACH TECHNICZNYCH

ODZAJE TARCIA



Statyczne (spoczynkowe)



Kinetyczne:



toczne



ślizgowe

o wewnętrzne
o zewnętrzne



ślizgowo-toczne

RODKI SMARUJĄCE



oleje



gazy



produkty korozji



związki

chemiczne

połączone

fizycznie

lub

chemicznie zpowierzchniami
trącymi

TOPY ŁOŻYSKOWE



ograniczona lub bardzo duża
twardość



dobre

przewodnictwo

cieplne



metale miękkie w twardej
osnowie (stopy miedziowo-
ołowiowe)



porowatość

ARCIE SUCHE

– występuje podczas kontaktu wzajemnie poruszających się powierzchni bez pośrednictwa środków

smarujących

ARCIE ZEWNĘTRZNE

- zachodzi na styku wierzchołków najwyższych nierówności. Wierzchołki będące w statycznym

kontakcie  ulegające  postępującym  odkształceniom  sprężystym  i  plastycznym,  aż  do  chwili,  w  której  rzeczywista
powierzchnia  styku  jest  wystarczająca  do  przeniesienia  obciążenia.  Wartości  nacisku  w  strefie  styku  są
charakterystyczne  dla  pary  trącej.  Dla  metali  i  ceramiki  wartość  nacisków  uplastyczniających  jest  stała  i  zbieżna  z
twardością.

ARCIE NIEMETALI

- podczas styku polimerów lub styku polimer-metal występuje tworzenie złączy adhezyjnych

podobnie jak w ciałach metalicznych. Materiały polimerowe odkształcają się lepko sprężyście. Odkształcenie nie jest
proporcjonalne do wartości nacisku i może być zmienne w czasie.

IŁA TARCIA

– siła styczna do powierzchni inicjująca ruch. Jej wartość jest zależna głównie od siły niezbędnej do ścięcia

połączeń adhezyjnych występujących w strefie rzeczywistego styku. Zależy w systemach technicznych od:



temperatury



czasu



prędkości



obciążenia



pola powierzchni

3. S

MAROWANIE GRANICZNE

PŁYNNE

MIESZANE

MAROWANIE

– zamiana tarcia zewnętrznego w tarcie wewnętrzne



GRANICZNE

- ma przeważnie miejsce podczas wzajemnego przemieszczania się powierzchni z niskimi

prędkościami.



PŁYNNE

- prowadzi do separacji powierzchni współpracujących. Tarcie wewnętrzne zachodzi w cieczy

smarującej. Zachodzi tylko w obecności dostatecznej ilości cieczy smarującej, przy prędkościach powyżej
0,5m/s. Charakteryzuje się niskimi wartościami współczynnika tarcia, poniżej 0,01. Rodzaje:



hydrodynamiczne    -  występuje,  gdy  ruch  względny  trących  powierzchni  powoduje  wytworzenie
ciśnienia  środka  smarnego,  które  rozdziela  te  ciała.  Zakres  stosowania  ograniczony  prędkością
względną  (zbyt  mała  prowadzi  do  zaniku  filmu  i  zatarcia  węzła,  zbyt  duża  do  przegrzania  środka
smarującego i zatarcia węzła kinematycznego)



elastohydrodynamiczne  –  zachodzi  przeważnie  w  węzłach  niekonforemnych  w  obecności  dużych
nacisków  jednostkowych.  Pod  wypływem  dużego  nacisku  powierzchnie  stanowiące  parę  ślizgową
odkształcają  się  sprężyście,  co  powoduje  zmniejszenie  wartości  nacisku  jednostkowego  i  umożliwia
powstanie smarującego filmu olejowego (grubość od 0,1µm÷400µm,  µ=0,2) dla określonej wartości
prędkości względnej. Węzły takie narażone są na pitting i zatarcie, w mniejszym stopniu na ścieranie.
W  czasie  smarowania  olej  ulega  szybkiej  miejscowej  degradacji,  ze  względu  na  miejscowe
występowanie dużych prędkości, temperatury, ciśnienia.



gazodynamiczne



hydrostatyczne



gazostatyczne



IESZANE

- W większości węzłów smarowanie podlega więcej niż jednemu mechanizmowi. Jednocześnie mogą

zachodzić procesy tarcia suchego i granicznego lub płynnego i granicznego (np. w przypadku występowania
zanieczyszczeń o dużych rozmiarach); mogą płynnie lub skokowo przechodzić jeden w drugi.

Grubość filmu olejowego zwiększa się wraz z lepkością oleju i prędkością względną a maleje wraz ze wzrostem
nacisku P.

ℎ ≈ 𝑓 (

𝜂 ∙ 𝑣

𝑃

)

4. M

ECHANIZMY ZUŻYWANIA

(

ŚCIERANIE

EROZJA

KAWITACJA

ADHEZJA

POWIERZCHNIOWE ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE

)

OWSZECHNIE WYSTĘPUJĄCE MECHANIZMY ZUŻYWANIA



ścieranie



erozja i kawitacja



adhezja



zjawiska zmęczeniowe



korozja



obliteracja (zarastanie)



doraźne mechaniczne (odkształcenie plastyczne,
złamanie itp.)



doraźne cieplne (utrata właściwości materiału,
trwałe odkształcenie

Podczas współpracy elementów maszyn przeważnie aktywuje się jednocześnie więcej niż jeden mechanizm zużywania.
Nie ma reguły określającej natężenie zużywania

a. Ś

CIERANIE

– zjawisko powszechnie występujące głównie podczas kontaktu między ciałami stałymi w warunkach

niedostatecznego smarowania (tarcie suche, graniczne). W przypadku znaczących różnic twardości,
intensywniejszemu ścieraniu podlega materiał o mniejszej twardości .

KUTKI



ubytek materiału (równomierny)



zmiana struktur geometrycznych powierzchni (np. zmniejszenie wartości parametrów chropowatości
powierzchni)



zmiana właściwości warstw wierzchnich w wyniku oddziaływania podwyższonej temperatury (np.
odpuszczenie)

ZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA NATĘŻENIE

ODPROCESY



im mniejsza twardość tym intensywniej
przebiega ścieranie



struktury

geometryczne

powierzchni

współpracujących



struktura warstwy wierzchniej



mikroskrawanie (ścinanie)



bruzdowanie (powtarzające się odkształcenia
plastyczne, zgniot, kruchość, a następnie
odspojenie)



pękanie



odłupywanie elementów struktury ziarnistej
(ceramika)

Produkty ścierania często przedostają się do medium smarującego i biorą dalszy udział w procesie ścierania jako „trzeci
element”. Podprocesy ścierania uaktywniają się w zależności od właściwości mechanicznych elementów podlegających
ścieraniu (ostre twarde – ścinanie; obłe twarde – bruzdowanie, pękanie, wgniecenia).

b. E

ROZJA

– wywołuje ubytek materiału wywołany przez „uderzenia” cząstek stałych o powierzchnie ciała stałego.

ZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA NATĘŻENIE

ODPROCESY



energia kinetyczna cząstek



kształt cząstek



właściwości mechaniczne cząstek i ciała stałego
narażonego na oddziaływanie erozji (twardość,
udarność)



kąt padania



temperatura



właściwości otoczenia (gaz, ciecz, lepkość



pękanie (kruchy materiał, duży kąt padania,
duża energia kinetyczna)



odkształcenie plastyczne (ciągliwy materiał,
umiarkowany kąt padania, duża energia
kinetyczna)



zmęczenie (duży kąt padania, umiarkowania
energia kinetyczna)



skrawanie (mały kąt padania, duża energia
kinetyczna)



topnienie (duży kąt padania, bardzo duża
energia kinetyczna)



degradacja siatki krystalicznej

c. K

AWITACJA

– zachodzi na granicy ciał stałych i cieczy podczas gwałtownych zmian ciśnienia (w skali mikro i makro).

Prowadzi do nierównomiernego ubytku materiału (wżery). Gwałtowne zmiany ciśnienia mogą powodować
powstawanie i zapadanie się pęcherzy parowych, co wywołuje fale uderzeniowe oddziałujące na powierzchnie ciała
stałego. Im ciecz charakter charakteryzuje się większym napięciem powierzchniowym tym większe tworzą się pęcherze
parowe o dużej energii.

Kawitacji najłatwiej zapobiegać przez dodatki zmniejszające napięcie powierzchniowe cieczy. Nasila się ona w
zanieczyszczonych cieczach (synergia z procesem erozji). Natężenie zmian kawitacyjnych zmienia się lokalnie w
przypadku materiałów o niejednorodnej strukturze (np. żeliwo).

d. A

DHEZJA

UŻYWANIE ADHEZYJNE

– zrastanie na zimno i na gorąco – prowadzi do ubytku materiału i jednocześnie przenoszenia

materiału między parą ślizgową. Na powierzchni o większej wytrzymałości pojawiają się nalepienia (narost), na
powierzchni o mniejszej wytrzymałości kratery. W przypadku powierzchni o zbliżonej wytrzymałości kratery i
nalepienia pojawiają się obok siebie.

Zużycie adhezyjne występuje podczas tarcia z dużymi naciskami jednostkowymi. Duże naciski jednostkowe powodują
zbliżenie fragmentów powierzchni ślizgowych na odległość zasięgu działania sił molekularnych. Lokalnie tworzą się
wiązania metaliczna między powierzchniami trącymi (narost). W dalszym etapie może dojść do oderwania się
(dekohezji) fragmentu ciała o mniejszej wytrzymałości (krater).

e. P

OWIERZCHNIOWE ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE

Powierzchniowe  zużycie  zmęczeniowe  –  w  tym  pitting  –  zachodzi  w  wyniku  cyklicznego  oddziaływania  naprężeń
stykowych  (nacisku)  i  naprężeń  termicznych,  w  warstwach  wierzchnich  węzłów  kinematycznych  (przeważnie
smarowanych). W wyniku superpozycji naprężeń wewnętrznych i naprężeń stykowych oraz ich redystrybucji, dochodzi
do lokalnych przekroczeń wytrzymałości i powstawania mikropęknięć. W kolejnej fazie mikropęknięcia propagują w
wyniku  działania  karbu  i  ciśnienia  oleju.  W  ostatniej  fazie  fragment  materiału  zostaje  odspojony  od  powierzchni
tworząc krater.

ZYNNIKI SPRZYJAJĄCE ZUŻYCIU ZMĘCZENIOWEMU



wewnętrzne naprężenia rozciągające



niedoskonałości powierzchni



wady podpowierzchniowe



granice strukturalne pod powierzchnią styku



oleje EP z dodatkami przeciwzatarciowymi

Kontrola cieczy smarujących krążących w obiegu pozwala na wykrycie odspojonych w procesie zużywania cząstek
części maszyn. Na podstawie liczby odspojonych cząstek oraz ich rozmiaru, kształtu można wnioskować o
zachodzących w maszynie mechanizmach zużycia i ich natężeniu.

5. K

OROZJA

– proces najczęściej rozumiany jako forma zużycia wywołana reakcjami chemicznymi między ciałami stałymi

i medium w postaci gazu (powietrze, chlor), cieczy (kwaśny deszcz, olej, woda morska) lub rzadko w postaci innego
ciała stałego. Dotyczy zarówno powierzchni smarowanych jak i niesmarowanych. Niekiedy jako korozję przyjmuje się
zespół zjawisk zużyciowych takich jak reakcje chemiczne w połączeniu ze ścieraniem, adhezją, zmęczeniem i erozją. Do
tego wlicza się także oddziaływanie organizmów żywych.

Procesu korozyjne metali wiążą się z przepływem ładunku elektrycznego, zwykle w obecności wilgoci.

Korozja „sucha”, „gazowa” – wyjątek, zachodzi w mało intensywny sposób, aktywuje się przeważnie w wysokich
temperaturach. Cienka skorodowana warstwa powstała w wyniku reakcji z gazami jest barierą pasywacyjną hamującą
postęp procesu korozji.

ECHANIZM KOROZJI

1. Z powierzchni katody wolne jony wodoru H

wychwytują elektrony zgodnie z reakcją 2e+2h

2H

2. Elektrony przenikają z anody do katody, w wyniku tego jony cynku Zn

przechodzą do roztworu z powierzchni

anody ZnZn

+2e



Zwiększone stężenie jonów H

przyspiesza korozję. Rolę elektrolitu może spełniać wilgotne (ponad 60%)

powietrze zawierające gazy CO

, NO

, H

S, SO



Uwolniony w pierwszym etapie wodór może powodować korozję „wodorową” niektórych stopów metali.
Atomy wodoru o niewielkich rozmiarach przenikają do sieci krystalicznej i tworzą w jej wnętrzu cząsteczki H

co prowadzi do wywołania naprężeń wewnętrznych i kruchości.



W procesie korozji metali w środowiskach obojętnych (woda) lub zasadowych w reakcji katodowej występuje
tlen. W roztworach izolowanych od dostępu tlenu proces korozji ustępuje po wyczerpaniu zapasu tlenu.



Woda morska jest uboga w tlen i jest lekko alkaliczna – elementy maszyn znajdujące się głęboko ulegają
powolnej korozji, te obmywane okresowo przez wodę korodują szybko.

DCZYN P

ŚRODOWISKA

–

NATĘŻENIE KOROZJI



im środowisko bardziej kwaśne (pH<7) tym jest bardziej agresywne w stosunku do metali. Kwasy niszczą
ochronną warstwę tlenków powstałą w wyniku pasywacji, odsłaniając fizycznie czystą, aktywną chemicznie
powierzchnie metalu



aktywne jony np. H

, Cl

, SO

-2

przyspieszają procesy korozyjne niszcząc warstwy pasywacyjne lub wnikając w

nieciągłości warstw pasywacyjnych



uwolnione cząsteczki wodoru reagują z tlenem w wyniku czego powstaje woda zwiększając wilgotność



środowisko alkaliczne powoduje szybką korozję tylko niektórych metali i stopów



kwasy i zasady silnie stężone są mniej korozyjne niż kwasy i zasady słabo stężone. Stężone kwasy i zasady są
dobrym środkiem smarującym – stal w obecności stężonego kwasu np. siarkowego lub azotowego praktycznie
nie koroduje.

UŻYCIE TRIBO

CHEMICZNE

– proces niszczenia powierzchni w wyniku powtarzającej się sekwencji niszczenia

mechanicznego warstwy ochronnej (pasywacji) i korozji „suchej”.

CHRONA PRZED KOROZJĄ



ochrona katodowa – chronione elementy podłącza się do ujemnego bieguna źródła prądu stałego o napięciu
do kilkudziesięciu V, biegun dodatni podłącza się do metalowej elektrody lub nierozpuszczalnej elektrody
grafitowej



ochrona protektorowa – chronione elementy podłącza się do bloku metalu bardziej elektroujemnego (anoda)
niż metal chroniony (katoda). Po zanurzeniu w środowisku agresywnym korozyjnie rozpuści się anoda. Anody
należy okresowo wymieniać.



metaliczne i niemetaliczne powłoki ochronne – blokują dostęp do powierzchni chronionej aktywnych jonów
i tlenu (niklowanie, miedziowanie, chromowanie, nakładanie powłok polimerowych). Powłoki metaliczne z
metali odpornych na korozję po utracie szczelności zwiększają natężenie procesu korozji stając się katodą.



pasywacja „sztuczna” – anodowanie: zwiększanie grubości naturalnie występujących warstw tlenkowych w
wyniku utleniania metali w kwasach – stosuje się powszechnie do stopów lekkich



inhibitory korozji – blokują dostęp do powierzchni chronionych aktywnych jonów



modyfikacja struktury warstwy powierzchniowej – osadzanie powłok plazmowo, bombardowanie jonami
fluoru, boru itp.

6. W

ŁAŚCIWOŚCI CIEKŁYCH ŚRODKÓW SMARUJĄCYCH

–

LEPKOŚĆ

EPKOŚĆ

– podstawowa właściwość (parametr) ciekłych środków smarujących (głównie olejów). Gatunki olejów i

smarów plastycznych różnią się między sobą lepkością. Lepkość oleju zmienia się w zależności od stanu w jakim się on
znajduje. Najistotniejsze czynniki wpływające na lepkość to temperatura i ciśnienie. Większa lepkość tworzy lepsze
warunki smarowania oraz napędu, jednocześnie stwarza większe opory w trakcie ruchu – a więc zwiększone
nagrzewanie i straty energii.

EPKOŚĆ DYNAMICZNA

EPKOŚĆ KINEMATYCZNA

𝜂 =

𝜏

𝑢

ℎ

⁄



- lepkość dynamiczna [Pas]



- naprężenie ścinające ciecz [Pa]

u/h – gradient prędkości względnej [1/s]

𝜈 =

𝜂
𝜌



- lepkość kinematyczna [m

/s]

Ρ – gęstość [kg/m

]

ALEŻNOŚĆ LEPKOŚCI OD TEMPERATURY

ALEŻNOŚĆ LEPKOŚCI OD CIŚNIENIA



oleje zmniejszają swoją lepkość wraz ze
wzrostem temperatury (prawie liniowo)



zmniejszenie  lepkości oleju może  prowadzić do
zatarcia węzła kinematycznego lub ograniczenia
jego  trwałości.  W  przypadku  gdy  jest  to  ciecz
robocza  mogą  występować  zaburzenia  pracy
urządzenia



im mniejsze zmiany lepkości wraz ze zmianą
temperatury tym większa jest wartość użytkowa
danego oleju

𝜂

𝑝

= 𝜂

𝑒

𝛼𝑃

[Pas]



– lepkość pod ciśnieniem atmosferycznym



- współczynnik lepkość-ciśnienie

P – ciśnienie
Wraz ze wzrostem ciśnienia ciecze są bardziej lepkie

7. Ś

RODKI SMARUJĄCE

(

DEGRADACJA SMARÓW

DODATKI USZLACHETNIAJĄCE

RODZAJE

)

EGRADACJA SMARÓW



utlenianie oleju



oddzielenie oleju od zagęszczacza – pod wpływem zbyt wysokiej temperatury (rzadki olej szybciej wypływa ze
struktury, którą tworzy zagęszczacz, struktura zagęszczacza może uleć chwilowemu stopieniu). Zagęszczacz
może tworzyć warstwę osadu na smarowanych powierzchniach, temperatura może ograniczyć trwałość smaru
plastycznego



rozpuszczanie zagęszczacza



zanieczyszczenie wodą – dotyczy zwłaszcza smarów z zagęszczaczem na bazie aluminium i sodu, smary z
zagęszczaczem litowym są odporne na działanie wody



zanieczyszczenie produktami procesów tarciowych

ALETY SMARÓW W POSTACI STAŁEJ



odporność na ekstremalnie wysokie temperatury



odporność na działanie próżni



odporność na promieniowanie jonizacyjne



zmniejszone ryzyko wycieku

ODATKI USZLACHETNIAJĄCE



substancje przeciwzużyciowe:



modyfikatory tarcia – obniżają tacie
nawet do 25% wartości wyjściowej –
głównie związki kwasów tłuszczowych



dodatki przeciwzatarciowe do 9%
ciężaru oleju – związki fosforanów
cynku,

reagują

metalowymi

powierzchniami

tworząc

warstwę

ochronną



dodatki przeciwzatarciowe EP do 17%
ciężaru oleju – Extreme Pressure –
zawierają

agresywne

pierwiastki

metaliczne reagujące z czystą, gorącą
powierzchnią

metalu

procesie

kontrolowanej

korozji,

tworząc

jednocześnie warstwę ochronną



proszki smarów stałych – grafit, MoS

teflon



dodatki

lepkościowe

–

związki

wielkocząsteczkowe

–

pod

wpływem

temperatury przechodzą z koloidu do postaci
rozpuszczającej się w oleju



depresatory – obniżają temperaturę płynięcia



deaktywatory metali – wiążą cząsteczki metali
unoszące się w oleju



przeciwutleniacze do 2% ciężaru oleju – olej
utleniając się zwiększa swoją kwasowość z
jednoczesną utratą właściwości smarujących



inhibitory korozji



inne

(substancje

buforujące,

regulatory

kwasowości, dodatki przeciw pienieniu, myjące,
deemulgujące)

8. P

RZYCZYNY USZKODZEŃ

RÓDŁA USZKODZEŃ W CYKLU ŻYCIA ELEMENTÓW SYSTEMÓW PRODUKCYJNYCH



czynnik fizyczny – zmęczenie materiału, adhezja, ścieranie



czynnik ludzki – niewłaściwa interwencja przez człowieka aktywująca czynnik fizyczny



czynnik systemowy – brak przeciwdziałania dla niewłaściwej interwencji człowieka, w tym:



błędna polityka kadrowa



ignorowanie potrzeby ciągłego doskonalenia procedur

ŁĘDY WYWOŁANE PRZEZ CZYNNIK LUDZKI



błędy w procesie konstruowania - przeoczenie istotnych warunków pracy maszyny lub urządzenia rzutujących
na niezawodność (niewłaściwy dobór materiału, zbyt mała sztywność, koncentracja naprężeń), podejmowanie
błędnych decyzji na podstawie ekstrapolacji warunków pracy maszyny bez koniecznej analizy (przeciążanie
maszyn)



błędy w procesie wytwarzania – niewłaściwe przygotowanie technologii, błędy operatorów maszyn,
pracowników montażu, pracowników izb pomiarowych.



błędy użytkowania – zachodzą w przypadkach eksploatowania maszyny lub urządzenia w warunkach
nieakceptowanych przez producenta.



błędy występujące podczas napraw i instalacji



błędy zarządzania będące następstwem niewłaściwego przepływu informacji

TAN TECHNICZNY MASZYNY LUB URZĄDZENIA



zdatności (stan dobry, zużycie dopuszczalne) - dla danego stanu pracy wszystkie wartości cech mierzalnych
zawierają się w dopuszczalnych granicach a cechy niemierzalne przyjmują ustalone wartości logiczne



częściowej zdatności (stan dopuszczalny, ograniczone parametry użytkowe, zużycie graniczne)



niezdatności (stan niedopuszczalny, zużycie krytyczne np.: zatrzymanie pracy, zagrożenie dla otoczenia)

APRAWIALNOŚĆ OBIEKTU

- podatność na naprawę - jest określeniem subiektywnym. Naprawialność określają czynniki:



techniczne (ograniczenia techniczne występują przeważnie w procesach regeneracji),



ekonomiczne (w największym stopniu),



formalne (przepisy zabraniające lub ograniczające naprawy)