PL226168B1 - Zelazne lozyska porowate z mikrosegmentami wykonanymi technika laserowa na ich powierzchni slizgowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku są żelazne łożyska porowate z mikrosegmentami wykonanymi techniką laserową na ich powierzchni ślizgowej, co korzystnie wpływa na poprawienie właściwości wytrzymałościowych i eksploatacyjnych, podobnie jak i odpowiednie dobranie oleju smarowego do ich nasączania. Mikrosegmenty wykonuje się wzdłuż tworzącej walca do 8 mikrosegmentów (ścieżek) rozłożonych na obwodzie otworu, co podczas montażu w węźle tribologicznym umożliwia ich dowolne ustawienie. W przypadku małej liczby segmentów - do 4 wszystkie korzystnie powinny być usytuowane po stronie obciążonej łożyska, tzn. po stronie występowania hydrodynamicznego "klina smarującego" generującego odpowiedni rozkład ciśnienia równoważącego obciążenie zewnętrzne łożyska.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku są żelazne łożyska porowate z mikrosegmentami wykonanymi techniką laserową na ich powierzchni ślizgowej. Opisywany wynalazek kwalifikowany jest w dziedzinie budowy i eksploatacji maszyn - tribologii.

W literaturze przedmiotu znane są przykłady konstruowania łożysk segmentowych, tzn. takich, w których powierzchnia ślizgowa porowatego łożyska posiada wbudowane segmenty z materiału litego o długości odpowiadającej długości łożyska. Rozwiązanie takie prowadzi do zwiększenia nośności łożyska, ale równocześnie bardzo zmniejsza porowatość całkowitą i otwartą. W rezultacie zmniejsza pojemność olejową łożyska, przyczyniając się do znacznego zmniejszenia trwałości łożyska, limitowanej głównie ilością zgromadzonej w porowatej strukturze substancji smarującej. Ponadto jest to konstrukcja skomplikowana technologicznie, trudna do wykonania i podrażająca znacznie tak produkowane łożyska. Prawdopodobnie dlatego łożysk takich w kraju nie produkuje się, nawet takich, które posiadają bardzo duże gabaryty. W literaturze wymieniane są również inne konstrukcyjne sposoby zwiększania nośności i trwałości łożysk porowatych, np. ich wytwarzanie z materiałów o różnej porowatości (wysokoporowatego na nieobciążonej stronie, niskoporowatego na stronie obciążonej, co również jest skomplikowane technologicznie) lub też wykonywanie rowków metodą obróbki skrawaniem (np. spiralnie na powierzchni ślizgowej) spełniających m.in. funkcję „kieszeni” smarowniczych.

Z literatury przedmiotu wynika, że dotychczas nie są znane łożyska porowate z mikrosegmentami (ścieżkami) na powierzchni ślizgowej, wykonanymi techniką laserową, aby w ten sposób uzyskać zwiększenie trwałości i nośności, także przez zastosowanie odpowiednio dobranego oleju smarowego do ich nasączania.

Istotą wynalazku są żelazne łożyska porowate charakteryzujące się tym, że na ich powierzchni ślizgowej znajduje się wykonane techniką laserową do 8 mikrosegmentów wzdłuż tworzącej walca rozłożonych na obwodzie otworu.

Korzystnie, gdy liczba segmentów jest mniejsza lub równa 4 to wszystkie są usytuowane po stronie obciążonej łożyska, tzn. po stronie występowania hydrodynamicznego „klina smarującego”.

Korzystnie gdy mikrosegmenty mają głębokość poniżej 2 pm.

W związku z tym przedmiotem wynalazku są żelazne porowate łożyska ślizgowe (tuleje), na których powierzchni ślizgowej (wewnętrznej) wykonuje się wzdłuż tworzącej walca do 8. mikrosegmentów (ścieżek) rozłożonych (gdy jest ich 5:8) na obwodzie otworu, co podczas montażu w węźle tribologicznym umożliwia jej dowolne ustawienie. W przypadku małej liczby segmentów (do 4.) wszystkie korzystnie powinny być usytuowane po stronie obciążonej łożyska, tzn. po stronie występowania hydrodynamicznego „klina smarującego” generującego odpowiedni rozkład ciśnienia równoważącego obciążenie zewnętrzne łożyska. Proces wytwarzania mikrosegmentów (ścieżek) za pomocą laserowej wiązki ma na celu zwiększenie twardości i częściowe zmniejszenie porowatości modyfikowanych obszarów poprzez delikatne nadtopienie wierzchołków nierówności i dzięki temu zwiększenie nośności łożyska. Mikrosegmenty (ścieżki) mogą mieć głębokość poniżej 2 pm, dzięki czemu nie „zabierają” łożysku objętości niezbędnej do nasycenia olejem i nie stanowią progu zakłócającego rozkład ciśnienia w filmie olejowym, równoważącego obciążenie zewnętrzne łożyska, a ponadto mogą one spełniać funkcję „mikrokieszeni” smarowniczych.

Wyniki badań wykazały, że dzięki mikrosegmentom wykonanym techniką laserową na powierzchni ślizgowej łożysk porowatych uzyskuje się widoczne zwiększenie ich nośności. W badanym przypadku tulei nasączonych olejami 0-3 (Hipol 15F 85W/90), 0-26 (Mobilube 1SHC 75W/90) lub 0-30 (55%/45% - PAO8/PAO40) wyniosło ono nawet 50% , w porównaniu z takimi samymi standardowymi tulejami żelaznymi zawierającymi 2,5% Cu, ale bez tych segmentów. W odniesieniu do standardowo stosowanych olejów do nasączania porowatych łożysk tj . przykładowo Antykolu TS120 lub Ktoberalfa DH3-100 zwiększenie jest wielokrotne. Trwałość takich tulei była większa od tulei standardowych i znacznie większa od tulei z makrosegmentami z materiału litego. W pierwszym przypadku ze względu na mniejsze ich zużycie i bardziej stabilną pracę związaną z równomierną cyrkulacją oleju w szczelinie smarowej, a w drugim przede wszystkim ze względu na dodatkową objętość oleju znajdującą się pod mikrosegmentami (ścieżkami), której nie zajęły segmenty z materiału litego. Takie tuleje (typ ST-1-x) pozwalały przy smarowaniu olejem 0-3 osiągnąć iloczyn P_gr · v przekraczający nawet

PL 226 168 B1 wartość 5,75 MPa · m · s^- , tzn. wartość prawie trzy razy większą od zakresu wymaganego dla standardowych żelaznych łożysk ślizgowych smarowanych takimi olejami jak Antykol TS120 lub Ktoberalfa

DH3-100 (p · v = 0,9 ... 2,1 MPa · m · s^-1) , przy równocześnie niskich wartościach temperatury pracy (T < 80°C i małym współczynniku tarcia (μ « 0,01). Przekroczona została również wartość p · v = 5,4 MPa · m · s^-1 osiągana przez łożyska porowate ze strefami o zmniejszonej porowatości, głównie z segmentami z materiału litego. W teście trwałościowym trwającym ponad 400 godzin bez zatarcia, pod obciążeniem 2000 N co oznaczało pgr · v = 5,24 MPa · m · s^-1 zużycie liniowe tych tulei smarowanych olejem Hipol (0-3) wyniosło zaledwie 3 μm, współczynnik tarcia μ « 0,008 a temperatura T « 70°C. Dzięki temu można liczyć się z oszczędnościami energii potrzebnej do napędzenia mechanizmów, w których będą zastosowane opisane we wniosku tuleje z mikrosegmentami wykonanymi techniką laserową. Jeszcze większe oszczędności wynikają z procesu produkcji tych tulei w porównaniu ze skomplikowanym procesem produkcji tulei z segmentami z materiału litego.

W przykładzie 1 przedstawiono metodykę wykonywania mikrosegmentów (ścieżek) laserem Mikrosegmenty (ścieżki) wykonano przykładowo laserem CO2 Lumenics VFA 2500 o mocy

P = 0,83 kW, przy prędkości przesuwu lasera w osi pionowej i poziomej v = 2000 mm/min i średnicy plamki wiązki 5 mm. Ze względu na rozmiary tulei 025/035 x 20 mm i ograniczony dostęp do powierzchni ślizgowej wiązka lasera działała pod kątem 45° do tej powierzchni. Tulejka została zamocowana pod kątem 45° do stołu w obrotowym uchwycie. Aby zapewnić stałą wielkość plamki lasera w czasie przesuwu w osi poziomej wzdłuż powierzchni ślizgowej (tworzącej walca) przem ieszczał się on z tą samą prędkością wzdłuż osi pionowej (w górę). Przesuwy w osi pionowej i poziomej odbywały się na dystansie ok. 8,5 mm, co na pochylonej powierzchni wewnętrznej tulei dało odległość między środkami plamki w momencie startu i zatrzymania wiązki na poziomie ok. 12 mm. Uwzględniając promień plamki, całkowita długość ścieżki laserowej wynosiła ok. 17 mm (rysunki poniżej).

Wykonanie ścieżek na całej długości tulei (20 mm) powodowało niszczenie struktury materiału tulei przy krawędziach, dlatego zdecydowano się zachować ok. 1,5 mm odstępu od krawędzi po obu stronach tulei, co równocześnie zapewniało skuteczniejsze smarowanie w tym krawędziowym obszarze łożyska (lepszy dopływ oleju z porowatej struktury).

Po wykonaniu jednej ścieżki następował obrót tulei o 45° wokół jej osi symetrii, z jednoczesnym powrotem lasera w położenie wyjściowe. W ten sposób obracając tuleją o 360° wykonano osiem ścieżek laserowych (rysunki poniżej) o głębokości poniżej dwóch mikrometrów (może być w takiej tulei mniej ścieżek).

PL 226 168 B1

Ścieżki wykonane wiązką lasera CO₂ na powierzchni ślizgowej tulei 025/o35 x 20 mm a) model numeryczny, b) rzeczywista tuleja.

W wyniku modyfikacji warstwy wierzchniej „ścieżek” laserem CO2 wystąpiły znaczne zmiany, m.in. twardości i porowatości materiału w obrębie mikrosegmentów (ścieżek) na głębokość dochodzącą do 40 gm. Badanie mikrotwardości wgłębnikiem Vickersa dowiodło, że w omawianym przypadku twardość materiału przy powierzchni ślizgowej tulei wzrosła nawet trzykrotnie w porównaniu z materiałem rodzimym. Zaobserwowano również w obszarze modyfikowanym laserem lokalne zmniejszenie porowatości powierzchniowej, ocenianej jako udział powierzchni porów do powierzchni całkowitej mikrosegmentu, z ok. 20% do ok. 10%. Podobne zmiany porowatości są również w przekroju poprzecznym mikrosegmentu (ścieżki), co przedstawiono na poniższym rysunku.

Przekrój poprzeczny ścieżki wykonanej laserem CO2.

W przykładzie 2 przedstawiono metodykę i wyniki badań na maszynie PŁS-01

Badania obciążalności porowatych łożysk ślizgowych T-1-x (bez mikrosegmentów) i ST-1-x (z mikrosegmentami) wykonano dla trzech prędkości obrotowych tj.: n1 = 600 obr/min (v1 = 0,79 m/s); n2 = 1000 obr/min (V2 = 1.31 m/s) i n3 = 1400 obr/min. (v3 = 1,83 m/s). Obciążenie było zwiększane stopniowo (skokowo) każdorazowo po ustabilizowaniu (i/lub spadku) oporów ruchu i temperatury łożyska. Skok zmian obciążenia wynosił każdorazowo 0,4 MPa. Jako nacisk graniczny (pgr) uznano taki, który poprzedził nacisk powodujący zacieranie (pz). Jako kryterium zatarcia przyjęto następujące parametry: gwałtowny wzrost oporów ruchu, tzn. gdy moment tarcia Mt>2 Nm i współczynnik tarcia g>0,3; praca łożyska była niestabilna, tzn. gdy występowały wahania, skoki parametrów pracy (chwilowe przycieranie itp.); temperatura łożyska gwałtownie rosła do T>200 ... 220°C. Badano przykładowo standardowe żelazne łożyska spiekane zawierające 2,5% Cu, bez modyfikowanych laserowo segmentów (T-1-x) i takie same łożyska z segmentami (ST-1-x). W wyniku działania promieniowania laserowego nastąpiło częściowe przetopienie materiału wierzchołków nierówności w obszarze modyfikowanym i zmniejszenie przez to porowatości powierzchniowej lokalnie nawet do dziesięciu procent. Twardość obszaru zmodyfikowanego wzrosła nawet trzykrotnie, w porównaniu z materiałem rodzimym. Strefa wpływu oddziaływania lasera sięgała ok. 40 gm w głąb.

PL 226 168 B1

Efekt wpływu zmodyfikowanych segmentów tulei ST-1-x, w porównaniu z tulejami T-1-x bez takich segmentów, nośność łożysk przedstawiono przykładowo na poniższych rysunkach. Tuleje smarowane były (nasączane w ok. 97-98%) olejami: Hipol 15F 85 W/90 (0-3), Mobilube 1SHC 75 W/90 (0-26) i 0-30 tj. mieszanina 55%/45% mas. olejów bazowych PAO-8 i PAO-40. Wyniki tych badań odniesiono również do realnego stanu, przy stosowaniu olejów powszechnie zalecanych do smarowania porowatych łożysk ślizgowych, np. K^beralfa DH3-100 (dla n - 1000 obr/min: p_gr = 0,94 i p_gr · v = 1,22 MPa · m · s^-1) lub Antykol TS120 (dla n = 1000 obr/min: p_gr = 1,18 MPa i p_gr · v = 1,54 MPa · m · s^-1) . Wartości te zaledwie mieszczą się w zakresie wartości p · v = 0,9 ... 2,1 MPa · m · s^-1 powszechnie uznanego za odpowiedni dla standardowych porowatych łożysk ślizgowych (T-1-x). Przedział ten zaznaczono przerywanymi liniami, natomiast zaznaczone punkty dotyczą wartości pgr i pgr · v uzyskanych w tych badaniach dla Antykolu TS120 (kropki) i Ktoberalfa (krzyżyki).

Τ-1-χ ST-1-χ

Τ-1-χ ·5Τ-1-χ

Wpływ mikrosegmentów tulei ST-1-χ na wzrost iloczynu p_g-v przy 1000 obr/min.

Wpływ mikrosegmentów tulei ST-1-χ na wzrost przy 1000 obr/min,

Wykonanie techniką laserową mikrosegmentów (ścieżek) na powierzchni ślizgowej tulei (typ ST-1-x) spowodowało widoczny wzrost nośności, w porównaniu z tulejami bez wspomnianych mikrosegmentów (T-1-x), przy zachowaniu praktycznie takiej samej trwałości, a nawet wyższej. Wzrost nośności łożysk ST-1-x smarowanych olejami przekładniowymi występował w całym zakresie stosowanych prędkości (600 obr/min * 1400 obr/min) i wynosi od kilkunastu do kilkudziesięciu procent.

Największy przyrost nośności w omawianych badaniach zaobserwowano dla tulei nasączonych olejem

0-30, ok. 50% przy 1000 obr/min. Uzyskane wartości iloczynu pgr · v nawet powyżej 5,75 MPa · m · s^-1 są ok. 2,5 raza większe od standardowego zakresu wymaganego dla tego typu żelaznych łożysk śli-1 zgowych (p · v = 0,9 ... 2,1 MPa · m · s^-) przy niskich wartościach temperatury (T<80°C) i bardzo ma-1 łym współczynniku tarcia (μ « 0,01). Osiągana jest również wartość p· v = 5,4 MPa · m · s^- dotycząca łożysk porowatych ze strefami o zmniejszonej porowatości (np. z segmentami z materiałów litych).

Claims (3)

1. Żelazne łożyska porowate, znamienne tym, że na ich powierzchni ślizgowej znajduje się wykonane techniką laserową do 8 mikrosegmentów wzdłuż tworzącej walca rozłożonych na obwodzie otworu.

2. Łożyska według zastrz. 1, znamienne tym, że gdy liczba segmentów jest mniejsza lub równa 4 to wszystkie są usytuowane po stronie obciążonej łożyska, tzn. po stronie występowania hydrodynamicznego „klina smarującego”.

3. Łożyska według zastrz. 1, znamienne tym, że mikrosegmenty mają głębokość poniżej 2 μm.