Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Karbonizace hřídelových těsnicích kroužků
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Karbonizace hřídelových těsnicích kroužků

Karbonizace hřídelových těsnicích kroužků je jev, který může způsobit únik oleje. Tento článek se zabývá výzkumem karbonizace a popisuje nově vyvinuté vhodné zkušební metody.

Hřídelové těsnicí kroužky mohou ztratit těsnicí schopnost za provozu, i když základní pryžová část zůstává pružná a dokonale se přimyká k povrchu hřídele. V takových případech může být příčinou netěsnosti karbonizace, k níž dochází na těsnicím břitu v místě styku. Karbonizace na těsnicím břitu zpravidla vzniká u takových materiálů těsnění, které se vyznačují vysokou tepelnou odolností, zejména u fluorokaučuků.
V některých případech si však těsnění, u nichž došlo ke karbonizaci těsnicího břitu, zachovají těsnicí vlastnosti a mohou být používána velmi dlouho. Nebylo možné rozhodnout, zda karbonizace byla skutečnou příčinou netěsnosti. Z toho důvodu byl zadán projekt na výzkum karbonizace a vývoj metody pro měření karbonizace v laboratorních podmínkách bez použití zkušebního zařízení na testování těsnění.

Zkušební podmínky

První část projektu, zaměřená na vyhodnocení karbonizace, začala zkouškou těsnění ve zkušebním stavu, pro niž bylo zvoleno těsnění satelitu diferenciálu s vnitřním průměrem 73,6 mm.
Při zkouškách byly použity tři druhy převodového oleje, které byly označeny A, B a C a lišily se úrovní tepelné odolnosti. Olej A je považován za tepelně stabilní s dobrou charakteristikou L-60, zatímco B a C představují dva systémy s nízkou tepelnou odolností stanovenou podle L-60.
Pro zkoušky byla zvolena fluorokaučuková pryž (FKM), která je kopolymerem s bis fenolovou vulkanizací.
Zkušební podmínky:
  • teplota oleje....110 oC;
  • otáčky hřídele....3500 min-1;
  • průměr hřídele....76,2 mm;
  • STBM (Shaft to bore misalignment)....0,254 mm;
  • DRO (Dynamic Run Out)....0,127 mm;
  • zkušební podmínky.... 24 hodin bez přestávky.
  • Tyto tvrdé zkušební podmínky byly zvoleny tak, aby došlo ke karbonizaci za nejkratší možnou dobu chodu. První posouzení těsnění zkoušených ve zkušebním stavu bylo provedeno po 225 hodinách. Těsnění, která byla ve styku s tepelně odolným olejem A, nevykazovala karbonizaci těsnicího břitu, zatímco u těsnění, která pracovala v olejích B a C s nízkou tepelnou odolností, byla zjištěna patrná karbonizace na těsnicím břitu. Žádné ze tří těsnění neztratilo své těsnicí vlastnosti a karbonizace zjištěná v malém rozsahu na těsněních, která pracovala v olejích B a C, nezpůsobila únik oleje. Zkouška ve zkušebním stavu pokračovala minimálně se šesti těsněními v každém typu oleje.
    Zkoušky těsnění ve zkušebním stavu prokázaly velmi velké rozdíly v životnosti těsnění, která pracovala v tepelně odolných olejích, a těsnění, jež byla ve styku s oleji s nízkou tepelnou odolností. I když byly zjištěny určité rozdíly v životnosti u těsnění s oleji B a C, vzhledem k rozptylu výsledků zkoušky životnosti nebylo možné zjistit významný rozdíl mezi oběma oleji z hlediska životnosti těsnění.
    Po každém zjištění netěsnosti byla provedena zkouška degradace oleje nedávno vyvinutou metodou Fourierovy transformace infračervené spektroskopie (FTIR). V případě indexu degradace oleje (ODI) bylo předpokládáno, že hodnoty poměru špiček karbonylu dosahují 1707 - 1713 cm-1 před určitou dobou chodu těsnění a po ní. Zkouška ukázala změnu ODI v průběhu zkoušky životnosti těsnění. K posouzení degradace aditiv oleje byla použita i analýza obsahu fosforu. Obě zkoušky prokázaly vysokou tepelnou odolnost oleje typu A.
    Vizuální kontrola po zkoušce těsnění ve zkušebním stavu prokázala, že u všech těsnění došlo ke karbonizaci v oblasti těsnicího břitu. Bylo však obtížné rozlišit úroveň karbonizace u těsnění pracujících v různých olejích. Teprve pozorování příčných řezů těsněním řádkovacím elektronovým mikroskopem (SEM) odhalilo rozdíly. Karbonizace těsnění, které pracovalo v oleji A po dobu 3091 hodin bez ztráty těsnicích schopností, se projevila pouze na povrchu stykové části těsnění. Těsnění testované v oleji B (netěsnost byla zjištěna po 1052 hodinách) vykázalo karbonizaci nejen na povrchu těsnicího břitu, ale i uvnitř materiálu. Stejný závěr byl učiněn u těsnění zkoušeného v oleji C, které ztratilo těsnicí schopnosti po 332 hodinách.
    Při rentgenové analýze příčného řezu plného materiálu těsnění a plochy v místě penetrace oleje byla zjištěna v oblasti penetrace přítomnost fosforu a síry, které fluorokaučuk neobsahuje. Penetrovaná oblast navíc obsahovala menší množství fluoru. Toto zjištění potvrdilo, že oleje B a C jsou mnohem agresivnější a reagují s polymerem fluorokaučuku. Je třeba upozornit, že hloubka penetrace oleje činila 100 - 200 µm neboli pouze cca 2,5 - 5,0 % tloušťky těsnicího břitu.

    Důsledky karbonizace

    Jestliže olej zkarbonizuje a ulpí na povrchu těsnění, neovlivní životnost těsnění a rozsah karbonizace nepřekročí určitou úroveň. Nejnebezpečnější stav z hlediska životnosti těsnění představuje penetrace oleje do materiálu, která vyvolá karbonizaci uvnitř pryže. V takovém případě gumový těsnicí břit ztrácí pružnost a nedokáže se přizpůsobit vibracím hřídele a ani jejím povrchovým nerovnostem, a tedy začne propouštět mazivo. V obou případech hraje tepelná odolnost oleje důležitou úlohu v procesu karbonizace a ztráty těsnicích vlastností.
    Zkouška ponorem měla zjistit vliv zkoušených olejů na vlastnosti pryže. I když teplota oleje ve vaně ve zkušebním stavu pro zkoušení těsnění činila 110 oC, teplota v místě pod těsnicím břitem byla ve skutečnosti mnohem vyšší. S ohledem na tyto skutečnosti bylo rozhodnuto, že zkouška pryže ponorem proběhne při dvou teplotách: 135 oC a 150 oC, přičemž provzdušňování oleje bude lépe odpovídat skutečným podmínkám při používání těsnění.
    U jednotlivých zkoušených olejů nebyly zjištěny velké rozdíly ve změnách objemu. Olej A vyvolal poněkud větší bobtnání než oleje B a C (cca 1 %), avšak tato skutečnost neumožňovala učinit závěr, že pryž v těchto olejích bobtná víc, ani nevysvětlovala příčinu větší penetrace oleje do pryže a doprovodnou karbonizaci. Ve skutečnosti nespočíval hlavní rozdíl ve velikosti bobtnání, nýbrž v tepelné odolnosti oleje a v jeho agresivitě.
    Zkouškou mikrotvrdosti nebyl zjištěn významný rozdíl mezi jednotlivými oleji při teplotě 135 oC, avšak při teplotě 150 oC zkoušky jasně ukázaly, že olej A je nejméně agresivní a olej B nejagresivnější. Zkouška mikrotvrdosti dokázala své možnosti při zjišťování karbonizace povrchu pryže při stárnutí oleje.
    Zotavení po zkoušce ohybem rovněž potvrdilo výsledky zjištěné zkouškou mikrotvrdosti. Pryž vystavená stárnutí v tepelně stálém oleji A vykazovala nejlepší výsledky. Uchovala si lepší pružné vlastnosti než pryž ponořená v olejích s nízkou tepelnou stálostí. Podle výsledků zkoušek působí olej C méně agresivně na fluorokaučukovou pryž než olej B. Index tepelné odolnosti (HRI-r) vypočtený na základě kinetiky zotavení po zkoušce ohybem ukázal, že zvýšení teploty o 15 oC může vyvolat přibližně trojnásobné snížení HRI-r.
    U změny prodloužení nebylo dosaženo shodných výsledků při teplotě 135 oC. Při teplotě 150 oC byly získány výsledky srovnatelné se závěry učiněnými na základě zkoušek mikrotvrdosti a zotavení po zkoušce ohybem. Pro ověření údajů získaných s oleji A, B a C, v nichž byl testován pouze materiál FKM, bylo vybráno pět směsí FKM, které se lišily odolností vůči základním aditivům. Předcházející zkoušky ukázaly, že základní aditiva - především aminy - působí velmi agresivně na fluorokaučuky. Lze předpokládat, že reakce aminů s fluorokaučuky je právě oním faktorem, který ovlivňuje karbonizaci oleje.
    Pro tuto zkoušku byly zvoleny dva běžně dostupné agresivní převodové oleje - olej D a tepelně odolný olej E. Grafy ukazují změnu vlastností pěti fluorokaučukových směsí při teplotě 150 oC v oleji D a v oleji E. Všechny zkoušky prokázaly rozdíly ve vlastnostech jednotlivých směsí a ukázaly, že u jedné směsi (FKM-2) došlo k větším změnám při bobtnání v oleji, zatímco u jiné směsi (FKM-5) byly zaznamenány menší změny. Bylo však obtížné učinit konečný závěr o karbonizaci, protože objemové změny FKM-5 byly velké. To se projevilo v rozdílných vlastnostech pryže - především v tvrdosti. Bobtnání mělo menší vliv na zotavení po zkoušce ohybem. Rozdíly v zotavení po zkoušce ohybem nebyly u jednotlivých směsí velké, a proto tato zkouška nemůže být doporučena pro zjišťování karbonizace.
    Z uvedených výsledků vyplývá, že nejlepší zkušební metodou, která charakterizuje karbonizaci, je zkouška mikrotvrdosti IRHD.

    Laboratorní zkušební metoda

    Proces stárnutí polymeru začíná na povrchu a postupuje směrem dovnitř materiálu. Vlastnosti pryže na povrchu se liší od vlastností pryže uvnitř, jak dokázali i jiní výzkumníci. Rozdíly v tvrdosti na povrchu a uvnitř materiálu vzorku vzrůstají s delší dobou stárnutí a s vyššími teplotami.
    Na stejném principu byla tedy vyvinuta metoda měření rozdílů mikrotvrdosti na povrchu desky a uprostřed příčného řezu deskou s využitím tvrdoměru IRHD podle ASTM D 415. Po odebrání vzorku o rozměrech 25 x 51 x 6,5 mm ze stejného materiálu byla provedena zkouška ponorem v oleji podle ASTM D 471. Od vzorku byl odříznut proužek o tloušťce 4 mm. Zvolená teplota stárnutí byla vyšší než v předcházejících zkouškách ponorem. Analýza metodou konečných prvků (FEA) ukázala, že teplota může ve skutečnosti dosáhnout 139 oC.
    Při předcházejících měřeních teploty bezprostředně pod těsnicím břitem při zkouškách těsnění ve zkušebním stavu, kdy těsnění podobné konstrukce mělo vnitřní průměr 95 mm, otáčky hřídele činily pouhých 2900 min-1 a teplota oleje ve vaně byla 150 oC, dosahovala teplota pod břitem více než 200 oC. Na základě tohoto zjištění byla pro tuto zkoušku zvolena teplota 166 oC.
    Mikrotvrdost byla měřena na dvou plochách - za prvé na boční ploše, která vznikla při odříznutí jednotlivých vzorků z plné desky, a za druhé na novém příčném řezu desky. Rozdíl mezi oběma měřeními vyjadřoval rozdíl tvrdosti na povrchu a uvnitř desky a představoval karbonizaci. Rozdíl v IRHD se nazývá "index karbonizace".

    Závěr

    Předpokládá se, že existují dva typy karbonizace. Při první ulpívá karbonizovaný olej na povrchu těsnění. Při druhém typu proniká olej do pryže a karbonizuje uvnitř pryžové části těsnění, což je z hlediska životnosti těsnění nejnebezpečnější případ.
    Pro posouzení karbonizace byla vyvinuta jednoduchá laboratorní metoda, kterou lze použít pro hodnocení pryžových směsí a olejů při zkoušce ponorem.
    K nespočtu doporučení, jak předcházet karbonizaci, patří mj. používání výhradně tepelně stálých olejů a gumových směsí, které nereagují se základní olejovou složkou a aditivy. Je důležité volit takovou konstrukci těsnění, která snižuje moment a teplotu pod břitem.

    Další články

    Převody/pohony/ložiska/spojky
    Výzkum/ vývoj
    Renovace a údržba

    Komentáře

    Nebyly nalezeny žádné příspěvky

    Sledujte nás na sociálních sítích: