Eksploatacja – działania dotyczące technicznych i organizacyjnych przedsięwzięć w zakresie uŻytkowania i obsługi.

W przedsiębiorstwach produkcyjnych działania w zakresie eksploatacji podejmuje dział (komorka) utrzymania ruchu.

Eksploatacja w przedsiębiorstwie produkcyjnym:
1. Sfera informacyjna (zarządzanie, kierowanie, organizacja, „logistyka”)
2. Sfera techniki (uniwersalne procesy fizyczne, techniki diagnozowania i rejestracji stanow maszyn i urządzeń, technologia napraw).
Podstawowe problemy: teoria połączeń, obsługa węzłow łoŻyskowych, obsługa zespołow przeniesienia napędu (przekładnie zębate, pasowe, łańcuchowe, sprzęgła, liny), technika uszczelnień, podstawy tribologii, podstawy automatyki, podstawy elektrotechniki.

Obiekty eksploatacji:
1.Obiekty eksploatacji w procesach produkcyjnych (głownie maszyny urządzenia) obsługiwane są przewaŻnie przez wykwalifikowany personel (niewłaściwe działania mogą doprowadzić do powstania powaŻnych problemow).
2.Obiekty eksploatacji zakwalifikowane jako „konsumpcyjne” przeznaczone dla osob niewykwalifikowanych muszą być zabezpieczone przed niewłaściwą obsługą.

Koszty eksploatacyjne
Korzyści płynące ze znajomość procesów zuŻywania i właściwości środkow smarujących w dziale utrzymania ruchu:
1. Możliwość ustalenia przyczyn powstania „awarii” maszyny lub urządzenia. Dzięki temu moŻna wdroŻyć postępowanie, które zapobiegnie powtornym uszkodzeniom tego samego rodzaju.
2. Eksploatując systemy techniczne często zachodzi konieczność zastąpienia zuŻytych środkow smarujących nowymi - trzeba wiedzieć jakimi. (ekologia, sprawność, kompatybilność)
3. W przypadku -, produkcja przebiega przez wiele urządzeń i maszyn technologicznych, dostarczonych przez wielu dostawcow – kaŻdy ma własne preferencje w doborze marki środków smarujących i standardowych części zamiennych dla swojego urządzenia lub maszyny.
4. MoŻliwość podjęcia skutecznych działań zapobiegawczych.

Koszty wymiany części uszkodzonych w wyniku oddziaływania procesow tribologicznych:
1. kopalnia miedzi – ponad 30.000.000PLN/rok,
2. samolot F16 – 900PLN/h,
3. platforma wiertnicza (tylko łoŻyska) – 7.000.000 PLN/rok.
Dodatkowo dochodzą koszty zakupu i magazynowania części i zespołow zapasowych.

Rodzaje tarcia
1.Statyczne (spoczynkowe)
2.Kinetyczne:
a. toczne,
b. ślizgowe:
- wewnętrzne,
- zewnętrzne,
c. ślizgowo-toczne:
- wewnętrzne,
- zewnętrzne.
Nadmierne koszty powstają w wyniku podejmowania niewłaściwych decyzji.

Tarcie suche (technicznie i fizycznie) występuje podczas kontaktu wzajemnie poruszających się powierzchni bez pośrednictwa środków smarujących.

Tarcie wzór w systemach technicznych:
F(t)=μ(t)N → μ ≠ const
F(t) = f(N,t,A,T,v,…)
Ft – siła tarcia, N – obciąŻenie, t- czas, A- powierzchnia,T- temperatura, v-prędkość

Smarowanie – zamiana tarcia zewnętrznego w tarcie wewnętrzne (graniczne, płynne, mieszane)

Smarowanie graniczne ma miejsce przewaŻnie podczas wzajemnego przemieszczania się powierzchni z niskimi prędkościami.
Powierzchnie trące rozdzielane są przez warstwy graniczne środka smarującego o zwiększonej lepkości.
Niska temperatura nie powoduje desorpcji cząsteczek z powierzchni trących. Dominuje umiarkowane zuŻycie ścierne.
W przypadku występowania „duŻych” naciskow lub „wysokiej”temperatury moŻe dochodzić do aktywacji zuŻywania adhezyjnego (zacierania).

Smarowanie graniczne w obecności olejow z dodatkami przeciwzatarciowymi:
Powierzchnie trące rozdzielane są przez warstwy trwale na nich utworzone w wyniku reakcji chemicznych (chemisorbcja) dodatkow do olejow.

Prawdopodobnie jest to reakcja polimeryzacji łańcuchów węglowodorów w obecności startych tlenkow Żelaza (czysta fizycznie powierzchnia metalu jest katalizatorem).

Dodatkową amorficzną nierozpuszczalną w oleju warstwę rozdzielającą tworzą przeciwzatarciowe dodatki do oleju zawierające cynk oraz warstwy korozyjne wytworzone przez działanie siarki pochodzącej z dodatkow do olejow

Smarowanie płynne prowadzi do separacji powierzchni współpracujących a tarcie wewnętrzne zachodzi w cieczy smarującej.

Rodzaje smarowania płynnego:
- Hydrodynamiczne w tym (Elastohydrodynamiczne).
- Gazodynamiczne.
- Hydrostatyczne.
- Gazostatyczne.
Występują układy mieszane Hydrostatyczne +Hydrodynamicze (np.: wały korbowe).

Smarowanie płynne – hydrodynamiczne

Smarowanie płynne prowadzi do separacji powierzchni trących a tarcie wewnętrzne zachodzi w cieczy smarującej.
Zachodzi tylko w przypadku wzajemnego ruchu powierzchni z prędkością
powyŻej 0,5m/s, w obecności dostatecznej ilości cieczy smarującej. (rownieŻ w łoŻyskach porowatych)
Charakteryzuje się niskimi wartościami wspołczynnika tarcia przewaŻnie poniŻej 0,01.
W duŻym stopniu ogranicza zuŻycie ścierne i adhezyjne na zimno.
MoŻe zachodzić w węzłach konforemnych i niekonforemnych z ruchem obrotowym i postępowym.

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

Głownym ograniczeniem smarowania hydrodynamicznego jest prędkość względna.
Zbyt mała prędkość względna prowadzi do zaniku smarującego filmu
olejowego i zatarcia węzła kinematycznego (lub nadmiernego ścierania).
Zbyt duŻa prędkość względna prowadzi przewaŻnie do przegrzania środka
smarującego i w efekcie do zatarcia węzła kinematycznego.

Smarowanie elastohydrodynamiczne (EHL) zachodzi przewaŻnie w węzłach niekonforemnych w obecności duŻych naciskow jednostkowych.
Pod wpływem duŻego nacisku powierzchnie stanowiące parę ślizgową odkształcają się spręŻyście. Odkształcenie spręŻyste powoduje obniŻenie wartości nacisku jednostkowego i umoŻliwia powstanie smarującego filmu olejowego dla określonej wartości prędkości względnej v.
Grubość filmu olejowego zawiera się w granicach od 0,1μm do 400 μm,
wartość wspołczynnik tarcia wynosi średnio 0,2 .

Węzły kinematyczne w ktorych zachodzi smarowanie elastohydrodynamiczne naraŻone są na zuŻycie zmęczeniowe (pitting) zatarcie (zuŻycie adhezyjne), w mniejszym stopniu na ścieranie.

W czasie smarowania EHL olej ulega szybkiej miejscowej degradacji względu na miejscowe występowanie duŻych prędkości, temperatury,ciśnienia.

Smarowanie mieszane.
Smarowanie w większości węzłow kinematycznych (przekładnie zębate, łoŻyska, ..) podlega więcej niŻ jednemu mechanizmowi. Często dwa lub więcej mechanizmow jest aktywnych jednocześnie. W takim przypadku zachodzi smarowanie mieszane. Jednocześnie mogą przebiegać procesy tarcia suchego i granicznego lub płynnego i granicznego.

Procesy tarciowe mogą płynnie lub skokowo przechodzić jeden w drugi podczas zmieniających się w czasie warunkow eksploatacji obiektu (rozruch, bieg stabilny, przeciąŻenia mechaniczne i termiczne, degradacja środkow smarowych).

Do zainicjowania tarcia mieszanego moŻe dojść np.: w przypadku obecności zanieczyszczeń o znacznych rozmiarach.

LEPKOSC

Podstawową właściwością (parametrem) ciekłych środkow smarujących (głownie olejow) jest:

LEPKOŚĆ

Gatunki olejow i smarow plastycznych roŻnią się między sobą lepkością.
Lepkość oleju kaŻdego z osobna zmienia się w zaleŻności od warunków w jakich się on znajduje.
Najistotniejsze czynniki wpływające na lepkość: temperatura, ciśnienie, prędkość ścinania, grubość filmu olejowego.

WaŻna zasada!

Im olej lub smar plastyczny posiada większą lepkość tym tworzy lepsze warunki smarowania (lepiej separuje powierzchnie poruszające się względem siebie w obecności oleju).

Bardziej lepki olej lub smar plastyczny wywołuje większe opory w trakcie ruchu a co za tym idzie powoduje zwiększone nagrzewanie i straty energii.
ZaleŻność lepkości od temperatury – wskaźnik lepkości (ASTM - slope)

Oleje podobnie jak inne ciecze zmniejszają swoją lepkość wraz ze wzrostem temperatury (prawie liniowo).

Zmniejszenie lepkości oleju moŻe doprowadzić do zatarcia węzła kinematycznego lub ograniczenia jego trwałości. W przypadku gdy jest to ciecz robocza mogą występować zaburzenia pracy urządzenia. (serwomechanizmy, sterowanie hydrauliczne, automatyczne skrzynie biegow)

Im mniejsze zmiany lepkości wraz ze zmianą temperatury wykazuje dany olej, tym większa jest jego wartość uŻytkowa.

ZaleŻność lepkości od ciśnienia

µ_p= µ_0*e^αP
µ0 –lepkość pod ciśnieniem atmosferycznym( dla olejow maszynowych od 30x10-3 do 180x10-3 Pas),
α- wspołczynnik lepkość-ciśnienie ( dla olejow maszynowych od 20x10-9 do 45x10-9 m2/N w 30oC),
P – ciśnienie

Ogolnie bardzo trudne zagadnienie lecz moŻna bez wątpienia stwierdzić Że wraz ze wzrostem ciśnienia ciecze są bardziej lepkie.
ZaleŻność lepkości od prędkości ścinania (gradientu prędkości względnej)
Ciecze newtonowskie – lepkość nie zaleŻy od prędkości ścinania (czysty olej - do u/h 105 [1/s])
Ciecze dylantacyjne – lepkość rośnie wraz z prędkością ścinania (zanieczyszczony olej)
Ciecze pseudoplastyczne – lepkość maleje wraz ze wzrostem prędkości ścinania (emulsje, ciecze zawierające długie łańcuchy polimerowe)

Klasyfikacja olejow wg SAE (Society of Automotiv Engineers) – norma przewiduje 11 podstawowych gatunkow olejow silnikowych i 7 podstawowych gatunkow olejow przekładniowych.

Oleje oznaczone literą „W” , np.: SAE 20W ze względu na umiarkowaną lepkość przeznaczone są do pracy w niskich temperaturach.

Oleje bez oznaczenia literą „W” ,np.: SAE 50 przeznaczone są do pracy w temperaturach powyŻej 0oC i zapewniają lepsze smarowanie w wysokich temperaturach.

Oleje oznaczane dwoma symbolami np.: SAE 20W/50 nazywane są uniwersalnymi lub wielosezonowymi. W niskich temperaturach właściwości takiego oleju odpowiadają olejowi SAE 20W a w wysokich olejowi SAE 50.

Jakość olejow:
wg API (USA) oznaczenie składa się z dwoch liter:
przeznaczenie oleju:
S-silniki benzynowe,
C-silniki diesla,

właściwości: kolejne litery w alfabecie odpowiadają wzrastającej jakości oleju. (nowoczesne oleje do silnikow benzynowych SL(2001), SM(2004);

do silnikow diesla CF,CG,CH,CI; CG-2 silniki 2 suwowe, CG-4 silniki 4 suwowe).

Wg ACEA (EU) oznaczenie składa się litery i cyfry:
przeznaczenie oleju:
S-silniki benzynowe,
C-silniki diesla,

Wg ACEA (EU) oznaczenie składa się litery i cyfry:
przeznaczenie oleju:
A - silniki benzynowe,
B - silniki diesla,
E – silniki diesla (cięŻkie) np.: sam. cięŻarowe, silniki stacjonarne, silnikiokrętowe.

Właściwości: najnowocześniejsze oleje oznaczone są cyfrą 5 (2002) np.:

ACEA A5, ACEA B5, ACEA E5

Okres wymiany oleju określa producent silnika w odpowiedniej
specyfikacji np.:
DC 229.5 określa wymiane oleju do 50000km (w cięŻarowych do 200000 km).(VW 502.00)
Głowna zasada uzupełniania środkow smarujących –nie mieszać.

Klasyfikacja jakościowa olejow przekładniowych dla pojazdow:
od GL - 1 (warunki łagodne) do GL – 6 (warunki bardzo trudne).

Zadania środkow smarujących:
- minimalizacja lub kontrola procesow tarciowych,
- minimalizacja lub kontrola procesow zuŻyciowych (korozja, zacieranie, ścieranie, …)
- odprowadzanie lub doprowadzanie ciepła,
- przenoszenie mocy,
- utrzymywanie poŻądanych właściwości podczas narastania procesu degradacji.
Rodzaje środkow smarujących ze względu na stan skupienia:
- ciekłe (oleje, smary plastyczne, emulsje),
- stałe,
- gazowe.

Olej – mieszanina oleju bazowego z dodatkami ( dodatki mogą stanowić do 10% objętości, olej bazowy – olej bez dodatkow)
Rodzaje olejow:
- Pochodzenie biologiczne
,(stosowane w przypadkach ryzyka skaŻenia – procesy produkcyjne Żywności, farmaceutykow, urządzenia medyczne)
- Pochodzenie poza biologiczne:
- mineralne - otrzymywane z ropy naftowej w procesie rafinacji, (najpowszechniejszy środek smarujący, stosowany w przypadku przeciętnych warunkow eksploatacji)
- syntetyczne – otrzymywane z cięŻkich olejow mineralnych w wyniku krakingu (węglowodorowe, silikonowe, organohalogenowe,

(kraking – rozkład długich łańcuchow węglowodorow na krotsze) (stosowane w specjalnych warunkach – niska temperatura do –90˚C, wysoka temperatura do 250˚C, ekstremalne naciski, odporność na działanie chemikaliow, tańsze gatunki zastępują oleje mineralne).

Smary plastyczne – koloidy, Żele lub zawiesiny zawierające w swojej włoknistej strukturze oleje mineralne lub syntetyczne (gąbka z olejem).

Zagęszczaczami są: przewaŻnie mydła (litowe, aluminiowe, wapniowe), bentonit, frakcje bitumiczne związki krzemu.

W skład smarow wchodzą niekiedy wypełniacze (głownie smary stałe) –grafit, MoS2, tlenki metali, talk, proszki metali miękkich, teflon, poliamid.

Zastosowanie smarow plastycznych:
- węzły kinematyczne z elementami poruszającymi się z niskimi i umiarkowanymi prędkościami zdolność separacji powierzchni pod obciąŻeniem stanowi 50% wartości odpowiadającej olejom mineralnym,
- węzły uszczelniające (moŻliwa odporność na działanie wody).
- moŻliwość pracy w wysokich temperaturach do 900˚C i niskich -75˚C.

Tylko niewielki ułamek objętości smaru plastycznego bierze udział w procesie smarowania.

Problemem jest określenie konsystencji smaru plastycznego mającej kluczowy charakter. Potocznie określa się smary jako twarde i miękkie, popularna jest klasyfikacji smarow plastycznych NLGI.

Klasyfikacja wg NLGI:

Smary plastyczne 000,00,0 – bardzo miękkie o niskiej lepkości do przekładni niskoobrotowych z tendencją do wyciekow, systemow centralnego smarowania.
Smary plastyczne 1,2,3 – stosuje się do łoŻysk tocznych; im większe łoŻysko tym twardszy smar plastyczny.
Smary plastyczne 2,3 – stosuje się standardowo do wolnoobrotowych łoŻysk ślizgowych obrotowych i liniowych.
Smary plastyczne 4,5,6 – posiadają dobre właściwości uszczelniające, przewaŻnie są odporne na działanie wody – przeznaczone są często do smarowania przekładni, lin i innych elementow otwartych.
Podczas wymiany smaru naleŻy zwrocić uwagę na konsystencję smaru i rodzaj zagęszczacza.

Degradacja smarow:

- utlenianie oleju,
- oddzielenie oleju od zagęszczacza - pod wpływem zbyt wysokiej temperatury (rzadki olej szybciej wypływa ze struktury ktorą tworzy zagęszczacz, struktura zagęszczacza moŻe ulec chwilowemu stopieniu).
Zagęszczacz moŻe tworzyć warstwę osadu na smarowanych powierzchniach. Temperatura moŻe ograniczyć trwałość smaru plastycznego: typowy smar litowy w temperaturze 40˚C moŻe pracować 20.000h, a w temperaturze 140˚C tylko 500h,
- rozpuszczenie zagęszczacza,
- zanieczyszczenie wodą – dotyczy zwłaszcza smarow z zagęszczaczem na bazie aluminium i sodu, smary z zagęszczaczem litowym są odporne na działanie wody.
- zanieczyszczenie produktami procesow tarciowych.

Emulsje olejowe – mieszanina oleju z inną cieczą, przewaŻnie wodą.

zastosowanie:
-ciecze obrobkowe (chłodzenie, smarowanie, zapobieganie korozji atmosferycznej w strefie obrobkowej).
- emulsje na bazie wody są przewaŻnie ognioodporne; układy smarujące w warunkach zagroŻenia zapłonem – głownie w instalacjach wydobywczych.
- ograniczenia stosowania wynikają z temperatury krzepnięcia i wrzenia wody i niskiej zdolności o przenoszenia obciąŻeń.

Dodatki uszlachetniające

- Substancje przeciwzuŻyciowe:
- modyfikatory tarcia obniŻają wspołczynnik tarcia nawet do 25% wartości wyjściowej – głownie związki kwasow tłuszczowych(sprzyjają adsorpcji cząsteczek oleju na smarowanej powierzchni),zawierają agresywne pierwiastki niemetaliczne (chlor, siarka, antymon, jod) reagują z czystą, gorącą powierzchnią metalu w procesie kontrolowanej korozji tworząc jednocześnie warstwę ochronną,
- dodatki przeciwzatarciowe (do 9% cięŻaru oleju) – związki fosforanow cynku (ZnDDP), reagując z metalowymi powierzchniami tworzą warstwę ochronną,
- dodatki przeciwzatarciowe (EP-Extreme Pressure do 17% cięŻaru) –zawierają agresywne pierwiastki niemetaliczne (chlor, siarka, antymon, jod) reagują z czystą, gorącą powierzchnią metalu w procesie kontrolowanej korozji tworząc jednocześnie warstwę ochronną,
- proszki smarow stałych (grafit, MoS2, teflon).
- Dodatki lepkościowe (związki wielkocząsteczkowe).
- Depresatory (obniŻają temperaturę płynięcia).
- Deaktywatory metali (wiąŻą cząsteczki metali unoszące się w oleju).
- Przeciwutleniacze (do 2% cięŻaru oleju) - olej utleniając się zwiększa swoją kwasowość i lepkość z jednoczesną utratą właściwości smarujących. Katalizatorami utlenienia są: cząsteczki metali, woda, produkty utleniania, tlen, promieniowanie jonizacyjne.
- Inhibitory korozji.
-inne (np.: substancje buforujące, regulatory kwasowości, d. przeciw pienieniu, d. myjące, d.deemuglujące).

Smary stałe
(grafit, talk, dwusiarczki - MoS2, teflon, metale miękkie, powłoki supertwarde)
Zalety smarow w postaci stałej w stosunku do smarow w postaci ciekłej:
- odporność na ekstremalnie wysokie temperatury,
- odporność na działanie proŻni,
- odporność na promieniowanie jonizacyjne,
- zmniejszone ryzyko wycieku.

Mechanizmy zużywania
Tarcie w systemach technicznych:

F=μN → μ ≠ const

F = f(N,t,A,T,v,…)

F – siła tarcia, N – obciążenie, t- czas, A- powierzchnia,

T- temperatura, v-prędkość

Powszechnie występujące mechanizmy zużywania:

- ścieranie,

- erozja i kawitacja,

- adhezja,

- zjawiska zmęczeniowe,

- korozja,

- obliteracja (zarastanie),

- doraźne mechaniczne (odkształcenie plastyczne, złamanie..),

- doraźne cieplne (utrata właściwości materiału, trwałe odkształcenie).

Podczas wspołpracujący elementow maszyn przeważnie aktywuje się jednocześnie więcej niż jeden mechanizm zużywania. (np. ścieranie, adhezja, korozja)

Proces ścierania jest zjawiskiem powszechnie występującym zachodzi głownie podczas kontaktu między ciałami stałymi w warunkach niedostatecznego smarowania (tarcie suche, graniczne). Skutkiem ścierania jest ubytek materiału (rownomierny), zmiana struktur geometrycznych powierzchni (np. zmniejszenie wartości parametrow chropowatości powierzchni) , czasami zmiana właściwości warstw wierzchnich w wyniku oddziaływania podwyższonej temperatury (np. odpuszczenie).

W przypadku znaczących rożnic twardości, intensywniejszemu ścieraniu podlega materiał o mniejszej twardości.

Zasada – im twardszy materiał tym bardziej odporny na ścieranie.

Intensywność ścierania zależy także od struktur geometrycznych powierzchni wspołpracujących (wysokość nierowności i ich kształt) oraz struktury warstwy wierzchniej .
Ścieranie (czyli usuwanie materiału) zachodzi w wyniku podprocesow:
- mikroskrawania (ścinania),
- bruzdowania (powtarzające się odkształcenia plastyczne → zgniot →kruchość → odspojenie),
- pękania,
- odłupywania elementow struktury ziarnistej (ceramika).

Produkty ścierania przedostają się często do medium smarującego i biorą dalszy udział w procesie ścierania jako „trzeci element”. Podprocesy ścierania uaktywniają się w zależności od właściwości mechanicznych elementow podlegających ścieraniu. (ostre twarde nierowności ścinają, obłe twarde nierowności bruzdują i mogą powodować pękanie, twarde obłe ziarna mogą zostać wgniecione w miękki materiał,…).

Produkty ścierania unoszone przez medium smarujące często oddziałują na wiele węzłow kinematycznych.

Kosztowne lub trudne do wymiany elementy maszyn chroni się przed zużyciem ściernym między innymi przez kojarzenie ich z elementami:

- twardości do 80% materiału chronionego,

- twardości od 80% do 100% - w przypadku konieczności długotrwałej wspołpracy.

W procesach produkcyjnych proces ścierania jest z reguły niepożądany i prowadzi do powstawania strat.
Wyjątkiem są procesy obrobki wykorzystujące mechanizmy ścierania (np.: szlifowanie, polerowanie, honowanie, obrobki przetłoczno – ścierne).

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

Natężenie procesu erozji zależy między innymi od:

- energii kinetycznej cząstek,

- kształtu cząstek,

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

- kąta padania,

- temperatury,

-właściwości otoczenia (gaz, ciecz, lepkość).

Podprocesy erozji:

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

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

- zmęczenie ( duży kąt padania, umiarkowana energia kinetyczna),

- skrawanie ( mały kąt padania, duża energia kinetyczna),

- topnienie (duży kąt padania, bardzo duża energia kinetyczna),

- degradacja siatki krystalicznej.

Krople cieczy mogą wywoływać zużycie erozyjne części maszyn pod warunkiem ich dostatecznej prędkości.

Maksymalne ciśnienie wywołane prze padającą kroplę pod kątem prostym:

p=ρ*vs*v

vs - prędkość dźwięku w padającej cieczy,

v – prędkość padania,

ρ – gęstość.

Kawitacja zachodzi na granicy ciał stałych i cieczy podczas gwałtownych zmian ciśnienia (w skali mikro i makro). Kawitacja prowadzi do nierownomiernego ubytku materiału ( wżery ) . Zmiany ciśnienia mogą powodować powstawanie i zapadanie się pęcherzy parowych. Gwałtowne zapadanie się pęcherzy parowych wywołuje fale uderzeniowe oddziałujące na powierzchnie ciała stałego.
Im ciecz charakteryzuje się większym napięciem powierzchniowym tym większe tworzą się pęcherze parowe o dużej energii.

Kawitacji najłatwiej zapobiegać przez dodatki zmniejszające napięcie powierzchniowe cieczy.

Kawitacja nasila się w zanieczyszczonych cieczach (występuje efekt synergii z procesem erozji).

Natężenie zmian kawitacyjnych zmienia się lokalnie w przypadku materiałow o niejednorodnej strukturze np.: żeliwo (tworzą się wyspy i zagłębienia).

Zużywanie adhezyjne ( zrastanie na zimno i 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 ślizgowego z dużymi naciskami jednostkowymi. Duże naciski jednostkowe powodują zbliżenie fragmentow powierzchni ślizgowych na odległość zasięgu działania sił molekularnych. Lokalnie tworzą się wiązania metaliczne między powierzchniami trącymi (narost). W dalszym etapie może dojść do oderwania się (dekohezji) fragmentu ciała o mniejszej wytrzymałości (krater).

Proces zużywania adhezyjnego powoduje wzrost wspołczynnika tarcia, prowadzi do szybkiego zniszczenia węzła kinematycznego.

Adhezja jest ‘katalizatorem zużywania’.

Zużywanie adhezyjne doprowadzające do lokalnego topnienia materiału nazywa się zacieraniem i prowadzi do trwałego unieruchomienia węzła kinematycznego.

Powierzchniowe zużycie zmęczeniowe (w tym pitting)- zachodzi w wyniku cyklicznego oddziaływania naprężeń stykowych (nacisku) i naprężeń termicznych, w warstwach wierzchnich węzłow kinematycznych (przeważnie smarowanych).

W wyniku superpozycji naprężeń wewnętrznych i naprężeń stykowych (duże wartości, EHL), 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.

Zużyciu zmęczeniowemu sprzyjają:

- wewnętrzne naprężenia rozciągające,

- „niedoskonałości powierzchni”, (mogą powstać podczas eksploatacji)

- 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.

Korozja – proces najczęściej rozumiany jako forma zużycia wywołana reakcjami chemicznymi między ciałami stałymi (np.:metale, tw. sztuczne, beton) i medium (wywołującym korozje) w postaci: gazu (np. powietrze, chlor), cieczy (np.: kwaśny deszcz, olej , woda morska), rzadko w postaci innego ciała stałego.

Korozja dotyczy zarowno powierzchni smarowanych jak i niesmarowanych.

W krajach rozwiniętych przemysłowo na zapobieganie i likwidację szkod wywołanych przez korozje przeznacza się do 4% PKB.

Niekiedy jako korozje przyjmuje się zespoł zjawisk zużyciowych takich jak reakcje chemiczne w połączeniu ze ścieraniem, adhezją, zmęczeniem erozją. Do tego wlicza się

także oddziaływanie organizmow żywych – korozja biologiczna.

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

Rodzaje korozji metali rożnią się między sobą sposobem inicjacji przepływu ładunku (korozja atmosferyczna, morska, naprężeniowa, międzykrystaliczna, …).

Korozja „sucha” zachodząca w gazach jest wyjątkiem i przebiega w mało intensywny sposob. Aktywuje się przeważnie w wysokich temperaturach.

Cienka skorodowana warstwa powstała w wyniku reakcji z gazami jest barierą pasywacyjną hamującą postęp procesu korozji.

Mechanizm korozji w środowisku kwaśnym:

Etap 1: Z powierzchni katody wolne jony wodoru H+ wychwytują elektrony zgodnie z reakcją 2e+2H+→2H,

Etap 2: Elektrony przenikają z anody do katody w wyniku tego jony cynku Zn2+ przechodzą do roztworu z powierzchni anody Zn→Zn2+2e.

Zwiększone stężenie jonow H+ przyspiesza korozję.

Rolę elektrolitu może spełniać wilgotne (powyżej 60%) powietrze zawierające gazy CO2, NOx, H2S, SO2.

Uwolniony w etapie pierwszym wodor może powodować korozję „wodorową” niektorych stopow metali. Atomy wodoru o niewielkich rozmiarach przenikają do sieci krystalicznej i tworzą w jej wnętrzu cząsteczki H2, co prowadzi do wywołania naprężeń wewnętrznych i kruchości.

Przepływ ładunku w obwodzie korozyjnym:

Anodę tworzy metal bardziej elektroujemny niż katoda.

Np. ogniwo Fe-katoda, Zn –anoda lub Cu – katoda, Fe –anoda. Anody i katody w obrębie jednej bryły metalicznej tworzą:

- granice struktur np.: ferryt-cementyt ( grafit odsłaniający się podczas korozji chroni żelazo przed dostępem jonow wodoru – żeliwo koroduje umiarkowanie ),

- obszary o rożnym stopniu umocnienia,

- zanieczyszczenia metaliczne i niemetaliczne.

W procesie korozji metali w środowiskach obojętnych (woda) lub zasadowych w reakcji katodowej występuje tlen: 2e+ .O2=O2-. W roztworach izolowanych od dostępu tlenu proces korozji ustaje po wyczerpaniu zapasu tlenu w roztworze.

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.

Odczyn pH środowiska – natężenie korozji

Im środowisko jest bardziej kwaśne pH<7 tym bardziej jest „agresywne” w stosunku do metali. Kwasy niszczą ochronną tlenkow powstałą w wyniku pasywacji, odsłaniając tym samym fizycznie czystą, aktywną chemicznie powierzchnię metalu (stale nierdzewne i kwasoodporne powlekają się tlenkiem chromu ktory jest nierozpuszczalny dla większości kwasow).

Aktywne jony np.: H+,Cl-, SO-2 przyśpieszają procesu 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 niektorych metali i stopow (np.:stopy aluminium).

Dodawanie do paliwa metanolu i etanolu ktore są higroskopijne stwarza ryzyko dostarczenia wody do silnika i jego osprzętu. Wraz z wodą przenikają tlen i jony wodoru powodujące w podwyższonej temperaturze korozję. Dodatki te powodują dodatkowo zmniejszenie wartości opałowej paliwa. Zwiększenie temperatury zwiększa natężenie korozji. Stężenie kwasow i zasad – natężenie korozji

Kwasy i zasady silnie stężone są mniej korozyjne niż kwasy i zasady słabo stężone. Dodatkowo stężone kwasy i zasady dobrym środkiem smarującym.

Stal w obecności stężonego kwasu np.: siarkowego lub azotowego praktycznie nie koroduje.

Zużycie tribio-chemiczne to proces niszczenia powierzchni w wyniku powtarzającej się sekwencji: korozja „sucha” → niszczenie mechaniczne warstewki ochronnej (pasywacji)

Niszczenie mechaniczne warstw korozyjnych może zachodzić w wyniku procesow zużywania: ściernego, erozji, kawitacji, adhezji.

Stężenie kwasow i zasad – natężenie korozji / natężenie zużycia adhezyjnego tworzenie okresowo niszczonych warstw pasywacyjnych w węzłach ruchowych

Stężenie kwasow i zasad „R”– natężenie korozji / natężenie zużycia adhezyjnego tworzenie okresowo niszczonych warstw pasywacyjnych w węzłach ruchowych. Stężenie R_optimum kwaśnych dodatkow do olejow zapobiega zużyciu adhezyjnemu przy jednoczesnym umiarkowanym zagrożeniu korozją

Ochrona przed korozją:

1. ochrona katodowa – chronione elementy podłącza się do ujemnego bieguna źrodła prądu stałego napięciu do 2V, biegun dodatni podłącza się do metalowej elektrody lub nierozpuszczalnej elektrody grafitowej,

2.ochrona protektorowa - chronione elementy podłącza się do bloku metalu bardziej elektroujemnego (anoda) niż metal chroniony (katoda) (np.: chronony element ze stali podłącza się do bloku z cynku, nakładanie powłok cynkowych płomieniowo lub galwanicznie). Po zanurzeniu w środowisku agresywnym korozyjnie – rozpuści się anoda. Anody należy okresowo wymieniać – jeśli to możliwe.

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

4. pasywacja „sztuczna” – anodowanie: zwiększanie grubości naturalnie występujących warstw tlenkowych w wyniku utleniania metali w kwasach (fosforowym, chromowym, azotowym,…) stosuje się powszechnie dla stopow lekkich.

5. stosowanie inhibitorow korozji blokujących dostęp do powierzchni chronionych aktywnych jonow.

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

Przyczyny uszkodzeń

Ocena występowania procesow zużyciowych na podstawie wyglądu powierzchni:

Powierzchnia gładka błyszcząca – powoli postępująca, rownomierna zmiana kształtu – proces ścierania (polerowanie), łuszczenie warstw korozyjnych.

Powierzchnia gładka matowa (chropowata w skali mikro, nierówności powierzchni do kilkunastu mikrometrow,) – powoli postępująca, rownomierna zmiana kształtu – proces ścierania z udziałem obiektow o średniej wielkości (do 0,05mm), mikro – pitting (zużycie zmęczeniowe o małym natężeniu), erozja, mikro – kawitacja.

Powierzchnia chropowata w skali makro – powoli postępująca, zmiana kształtu:

- proces ścierania z udziałem twardych obiektow o rozmiarach przekraczających 0,05mm (wytrącenia niemetaliczne, wykruszone fragmenty maszyn),

- proces erozji z udziałem obiektow średniej wielkości unoszonych w płynie.

Powierzchnia chropowata w skali makro – szybko postępująca, zmiana kształtu:

- procesy zużywania adhezyjnego w tym zacieranie (scuffing) (widoczne smugi nalepionego materiału na przynajmniej jednej z powierzchni trących i kratery „wżery” ),

- procesy zużywania zmęczeniowego (pitting) ( widoczne lokalne ubytki materiału).

Powierzchnia o nienaturalnej (metalicznej) barwie:

- korozja widoczny matowy nalot, słabo związany z podłożem, przeważnie zabarwiony czerwono lub brązowo, w przypadku agresywnego otoczenia nalot może przyjmować inne zabarwienie),

- nalot błyszczący silnie związany z podłożem może świadczyć o przegrzaniu części maszyny, orientacyjnie: (żołta do 250˚C, fioletowa do 280˚C, niebieska 310˚C, zielona do 350˚C)

Zużywanie łożysk tocznych

Pierścienie (wewnętrzny i zewnętrzny) oraz elementy toczne (kulki, rolki, baryłki,..) wykonane są ze stali zahartowanej do twardości od 58 HRC do 64 HRC. W łożyskach tocznych naciski dochodzą do 2 GPa. Temperatury pracy : do 120 oC – mocno obciążone, do 200 oC średnio obciążone, do 300 oC bardzo lekko obciążone.

Koszyki wykonuje się ze stali, brązu, tworzyw sztucznych w zależności od przeznaczenia.

6 krokow do rozpoznania zużycia łożysk tocznych

1. Analiza historii:

- Czy łożysko było wymontowywane?

- Kiedy zostało zamontowane i jak długo działało?

- Należy pomierzyć wymiary zewnętrzne łożyska i porownać wyniki zdanymi producenta.

- Sprawdzić otoczenie węzła łożyskowego w tym: wilgotność, wahania temperatury.

- Określić ktore elementy węzła nagrzewają się bardziej niż inne.

- Sprawdzić czy łożysko było eksploatowane zgodnie z przeznaczeniem np.: prędkość obrotowa, obciążenie, zabudowa.

- Sprawdzić czym łożysko było smarowane, czy obsługa ma odpowiednie kwalifikacje (wywiad z operatorami, dokumenty).

2. Inspekcja zewnętrznego i wewnętrznego pierścienia oraz

elementow tocznych dająca odpowiedzi na kolejne pytania:

- Czy występują czarne plamy (jeżeli tak to olej był zanieczyszczony wodą 0,05% wody w oleju obniża trwałość łożyska o 50%).

- Czy widoczne są oryginalne ślady szlifowania? (brak śladow szlifowania świadczy o poślizgu). (elementy mogą być lekko „spolerowane”).

- Czy na powierzchniach znajdują się wżery lub nierowności? (zużycie zmęczeniowe, adhezyjne).

- Czy na widoczne są pęknięcia?

- Czy łożysko ma „naturalną barwę”?. Zmiana koloru metalu świadczy o przegrzaniu „barwy nalotowe”, rownomierny czarny nalot świadczy o przypaleniu oleju.

- Czy kosz jest w całości i nie zdeformowany, wnęki są zużyte w sposób rownomierny?

3. Sprawdzić czy uszczelnienia są wdobrym stanie. Jeżeli nie to dlaczego?

4. Oddać olej/smar do analizy. Test warsztatowy na wodę (podgrzej niepalny element do 150 oC i upuść krople oleju – jeżeli natychmiast zacznie „skwierczeć” – olej jest zanieczyszczony wodą).

5. Sprawdźć ślady pozostawione przez elementy toczne. Czy są właściwe? Jeżeli nie to dlaczego?

6. Jeżeli trzeba zmierzyć twardość elementow łożyska.

Objawy zużycia odpowiednie do łożysk tocznych można zaobserwować w przypadku koł zębatych walcowych i stożkowych oraz niektorych rodzajow sprzęgieł.

Zużywanie śrub

Śruby podobnie ja inne elementy maszyn mogą ulec zniszczeniu w wyniku:

- obciążenia doraźnego (zerwanie gwintu, rdzenia śruby, głowy, odkształcenie plastyczne),

- zużycia zmęczeniowego ( Najczęściej zachodzi w wyniku zastosowania zbyt małego momentu podczas dokręcania śruby, siła dociskająca elementy w połączeniu jest okresowo mniejsza niż przykładana w czasie pracy maszyny siła rozdzielająca elementy połączenia; „nie bardziej bo się zerwie”. Taki stan rzeczy może doprowadzić do utraty kontroli nad obciążeniem poszczegolnych śrub mocujących dany element).

Większość uszkodzeń „awarii” jest następstwem sekwencji przyczyn.

Źrodła uszkodzeń w cyklu życia elementow systemow produkcyjnych:

Czynnik fizyczny – zmęczenie materiału, adhezja, ścieranie,...

Czynnik ludzki – niewłaściwa interwencja przez człowieka aktywująca

czynnik fizyczny. (Inżynier zaprojektował wał z materiału nieodpornego na korozje, nie przewidział występowania środowiska korozyjnego. Operator tokarki wykonał przejście z jednej średnicy wałka do drugiej ze zbyt małym promieniem niezgodnie z dokumentacją. Podczas montażu wał napędowy zamontowano nieosiowo z silnikiem.)

Czynnik systemowy – „ślepa organizacja” brak przeciwdziałania dla niewłaściwej interwencji człowieka w tym:

- błędna polityka kadrowa („inżynier to inżynier, energetyk, elektronik czy automatyk niewielka rożnica”),

- ignorowanie potrzeby ciągłego doskonalenia procedur. (np.: wraz z rozrastaniem się przedsiębiorstwa, zmianami technologicznymi).

Kategorie błędow wywołanych przez czynnik ludzki:

1. Błędy w procesie konstruowania:

Przeoczenie istotnych warunkow pracy maszyny lub urządzenia rzutujących na niezawodność. Przykładowe skutki: niewłaściwy dobor materiału, zbyt mała sztywność (niestabilna praca), koncentracja naprężeń, zwiększone ryzyko wypadku operatora maszyny (urządzenia).
Podejmowanie błędnych decyzji na podstawie ekstrapolacji warunków pracy maszyny (urządzenia) bez koniecznej analizy.

„Jeżeli reduktor działał bez zarzutu przenosząc moc 160kW to z pewnością będzie działał rownie dobrze przenosząc moc 180kW” – efekt uszkodzenie.

2. Błędy w procesie wytwarzania – niewłaściwe przygotowanie technologii, błędy operatorow maszyn, pracownikow montażu, pracownikow izb pomiarowych.

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

4.Błędy występujące podczas napraw i instalacji. („naprawić jak najszybciej”)

5. Błędy zarządzania będące następstwem niewłaściwego przepływu informacji. ( tendencja pracownikow do myślenia „to nie jest moj problem”, ”ktoś inny za to odpowiada” – nikt nie reaguje w odpowiednim czasie na narastający problem aż do momentu awarii wtedy: „ktoś inny popełnił błąd” ).

Przykładowy procentowy udział kategorii błędow związanych z czynnikiem ludzkim: ( dla procesu aparaturowego)

Konstrukcja -34%

Instalacji i naprawy -31%

Obsługa -24 %

Wytwarzanie – 7 %

Przepływ informacji – 4 %

W każdym przypadku rozkład może być inny. W większości przedsiębiorstw można wyodrębnić między 8 a 12 głownych przyczyn występowania awarii.

Błędy ludzkie są nieuniknione, pozostawione bez kontroli są często pierwotną przyczyną awarii i katastrof.

Większość społeczeństwa przecenia swoje możliwości fizyczne, psychiczne i intelektualne.

(„jestem lepszym kierowcą niż inni, może przeciętnym ale na pewno nie słabszym”)

Rodzaje analiz w systemach utrzymania ruchu:

1. CFA (Component failure analysis) – analiza skierowana na części maszyn i urządzeń prowadzących do zatrzymania lub spowolnienia procesu wytworczego. Wynikiem analizy jest identyfikacja czynnikow fizycznych doprowadzających do wyłączenia obiektu z ruchu.

2. RCI (Root cause investigation) - pogłębiona analiza FCA uzupełniona o analizę udziału czynnika ludzkiego w łańcuchu przyczynowoskutkowym.

3. RCA (Root cause analyses) - pełna analiza systemu utrzymania ruchu bazująca na analizach RCA uzupełniona o analizę systemu zarządzania i statystyczną analizę niezawodności. Analiza RCA powinna odkrywać słabości systemu utrzymania ruchu „pierwotne przyczyny”.

Celowość prowadzenia analiz:

1. FCA – odpowiada na pytania: dlaczego część lub zespoł uległy uszkodzeniu, jak zapobiegać takiej sytuacji w przyszłości.

2. RCI – pozwala zrozumieć udział głownych czynnikow ludzkich w powstawaniu grup uszkodzeń, podaje procedury mające zapobiec (redukować) podobne problemy. Koszt od 5 do 10 razy większy niż FCA.

3. RCA – działanie strategiczne prowadzące do reorganizacji sposobu zarządzania. Koszt większy niż 5 x RCI. (pozwala na utworzenie kategorii potencjalnych „niepożądanych sytuacji” i ich eliminowanie).

Wybor między FCA, RCI i RCA zależy głownie od:

1. Skali przedsiębiorstwa (im większe tym konieczna jest głębsza analiza, ale potencjalne

korzyści są większe).

2. Skutkow wystąpienia uszkodzeń lub sytuacji krytycznych (potencjalne zagrożenie życia lub zdrowia ludzi lub strat materialnych w wielkiej skali powinno prowadzić do głębszej analizy np. pożar rafinerii)

Pojęcie obsługi – czynności związane z podtrzymywaniem lub przywracaniem jego zdolności użytkowej.

- obsługa techniczna: wdrożenie do użytkowania ( np.: rozruch, sprawdzenie), wycofywanie z eksploatacji (np.: odłączenie, demontaż, przekazanie), konserwacja (np.: kontrola bieżąca), planowe naprawy.

- obsługa organizacyjna: transportowanie i przechowywanie.

Stan 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 (tak/nie).

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

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

Uszkodzenie – zdarzenie losowe powodujące przejście maszyny lub urządzenia w stan ograniczonej zdatności lub stan niezdatności.

Uszkodzenie może być naprawialne lub nienaprawialne. W przypadku uszkodzenia nienaprawialnego obiekt przechodzi w stan trwałej niezdatności

Istotność uszkodzenia – określa sposob postępowania organizacji w przypadku zaistnienia : krytyczne –wyłącza obiekt z eksploatacji, niezwłocznie podejmowane

są działania zabezpieczające otoczenie i jeżeli to możliwe przywrocenie do zdatności, ważne – niezwłocznie podejmowane są działania zabezpieczające otoczenie a przywrocenie obiektu do zdatności może być odłożone w czasie,

mało istotne – obiekt jest zdatny pomimo wystąpienia uszkodzenia (usterka).

Odtworzenie zdatności obiektu rozumianego jako ogniwo w łańcuchu może nastąpić w wyniku naprawy (remontu), lub wymiany.

Naprawialność 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).

Strategie eksploatacji:

1. Strategia planowo – zapobiegawcza. Działania przeprowadzane są wg planu. Podstawą planu może być czas pracy obiektu „resurs czasowy” lub ilość wykonanej pracy (przebieg w kilometrach, liczba wyprodukowanych sztuk, itp.). Obejmuje często tzw. „cykle remontowe” gdzie działania wykonywane są bez względu na ich „obiektywną technicznie” konieczność. Wszelkie działania w przedsiębiorstwie są kosztem. Plan i zakres działań eksploatacyjnych określają normatywy opracowane przez producenta lub użytkownika na podstawie analizy warunkow pracy obiektu i statystycznej analizy niezawodności (stanow gotowości).

2. Strategia diagnostyczna wg stanu obiektu. Działania eksploatacyjne podejmowane są po analizie informacji płynących z systemu diagnostycznego. Moduły systemu diagnostycznego zbierają dane niosące informacje o stanie obiektu on-line (data loggery) (np.: amplituda drgań, temperatura, ciśnienie,…) lub dane są wprowadzane przez personel okresowo.

3. Strategia mieszana – obecnie rozpowszechniająca się. Działania podejmowane planowo np.: wg resursu) mają ograniczony zakres do elementow niediagnozowalnych. Diagnozowalność podobnie jak naprawialność jest uwarunkowana głownie względami ekonomicznymi.