A. VEZJAK, J. VI@INTIN: RA^UNALNI[KO KRMILJENO PREIZKU[EVALI[^E ZA RAZISKAVO…

RA^UNALNI[KO KRMILJENO PREIZKU[EVALI[^E ZARAZISKAVO MATERIALOV MEHANSKIH DRSNIH

TESNIL

COMPUTER CONTROLLED TEST RIG FOR TRIBOLOGICALRESEARCH OF MATERIALS FOR MECHANICAL SEALS

Anton Vezjak, Jo`e Vi`intinCenter za tribologijo in tehni~no diagnostiko, Bogi{i~eva 8, 1000 Ljubljana, Slovenija

Prejem rokopisa - received: 1999-11-16; sprejem za objavo - accepted for publication: 1999-12-20

Mehanska drsna tesnila spadajo med dinami~na gredna tesnila. Primarno tesnjenje omogo~a drsni kontakt dveh tesnilnihobro~ev, ki je geometrijsko analogen kontaktu pri aksialnih drsnih le`ajih. Glavni poudarek pri razvoju teh tesnil je na tribolo{kikonstrukciji tesnilnih obro~ev. Ti so v drsnem kontaktu izpostavljeni fenomenom, kot so trenje, obraba, mazanje, kemi~nainterakcija s tesnjenim medijem (korozija), hidrodinamika in prenos toplote. Izbira materialov tesnilnih obro~ev je zato zelopomembna, saj neposredno dolo~a trajnostno dobo in zanesljivost delovanja tesnil. Da lahko dolo~eno dvojico materialovtesnilnih obro~ev ovrednotimo, moramo delovanje kar se da dobro poznati. Preizkusi na tribolo{kih modelnih preizku{evali{~ihzaradi specifi~nosti geometrije kontakta in razmer pri obratovanju ponavadi ne dajo s prakso primerljivih rezultatov. Zato je zaovrednotenje materialov in delovanja tesnil v ve~ini primerov {e vedno potrebno preizku{anje na dragih realnih sistemih. Vprispevku je predstavljeno preizku{evali{~e s preskusno glavo lastne konstrukcije, kjer lahko simuliramo realne razmereobratovanja mehanskih drsnih tesnil. Opremljeno je s sodobnim ra~unalni{kim sistemom za sprotni nadzor in krmiljenje osmihmerilnih parametrov, kar nam omogo~a natan~en vpogled v razmere v tesnilu med preizkusom in s tem razumevanje delovanjatesnila.

Klju~ne besede: mehanska drsna tesnila, presku{anje, tribologija, materiali tesnilnih obro~ev

Mechanical seals are dynamic shaft seals in which primary sealing takes place between surfaces in sliding contact of two matedseal faces. The most important aspect of development of mechanical seal is the tribological design of the seal faces. Seal facesare exposed to severe conditions which are determined with phenomena such as friction, wear, lubrication, chemical interactionwith sealing fluid (corrosion), hydrodynamics and heat transfer. Therefore seal life and reliability are very much influenced byseal face material selection. For purpose to evaluate certain seal face material pair performance and therefore conditions in theseal must be well known. Results of testing on tribological models due to specific contact geometry and operating conditions arenot satisfactory for practical comparable applications. Therefore testing on expensive real systems are still required for sealmaterial evaluation in the most cases. In the paper test rig of our own design is presented on which we simulate real operatingcondition of mechanical seals. The test rig is equipped with advance computer system for on-line control and monitoring ofeight measured parameters which enables detail determination of conditions during seal testing and better understanding of sealperformance.

Key words: mechanical seals, testing, tribology, seal face materials

1 UVOD

Mehanska drsna tesnila se uporabljajo v {irokemspektru delovnih razmer v najrazli~nej{ih mehanskihsistemih, kot so: ~rpalke, kompresorji, me{alniki, ipd.1-3.Najpomembnej{a funkcija mehanskih drsnih tesnil jezagotoviti varno in zanesljivo tesnjenje delovnegamedija. Tesnilni obro~i so najbolj kriti~ni del tesnila, sajso v tribolo{kem kontaktu izpostavljeni neugodnimrazmeram. Le-te dolo~ajo visoki tlaki, visoke relativnedrsne hitosti, visoke temperature in kemi~na interakcija stesnjenim medijem.

Tesnjenje pa ne dolo~ajo samo lastnosti uporabljenihmaterialov, ampak tudi dejavniki, ki vklju~ujejokonstrukcijo in delovne razmere1,4,5.

Nepri~akovane pred~asne po{kodbe in nepredvidljivanizka trajnostna doba v nekaterih primerih ka`ejo, darazumevanje delovanja mehanskih drsnih tesnil {e ni vceloti razjasnjeno3,6-8. Z namenom, da bi pove~ali razu-mevanje tribolo{kih mehanizmov v tesnilni {pranji, da bi

pravilno ovrednotili materiale tesnilnih obro~ev in da bipove~ali zgornje meje obratovanja mehanskih drsnihtesnil, je potrebna natan~na raziskava njihovega vedenjamed delovanjem9,10.

Ponavadi se za tribolo{ko raziskavo materialovtesnilnih obro~ev uporabljajo standardni ali modificiranimodelni preskusi, kot sta "valj~ek-disk"11-14 in "{tiri-krogelni" preskus15-18, vendar imajo le-ti omejeno upora-bo. Omejitve so povezane predvsem s specifi~nostjogeometrije kontakta in z dinami~nimi karakteristikamitesnilnega sistema, zato rezultati preizku{anj v velikimeri niso zadovoljivi za prakso. Po drugi strani pa imajomehanski sistemi v realnih razmerah poleg visoke cene{e omejitev dostopa merilne opreme do komponenttesnila9. Posebno in obenem glavno vlogo pri razvoju tersedanjem razumevanju osnov delovanja mehanskihdrsnih tesnil imajo namenska preizku{evali{~a9,19-22.

Namen prispevka je predstaviti laboratorijskopreizku{evali{~e s preskusno glavo in mo`nosti ra~unal-ni{ko podprtega merilnega sistema pri nadziranju ter

MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 99

UDK 62-76:531.44:519.68 ISSN 1580-2949Strokovni ~lanek MATER. TEHNOL. 34(1-2)099(2000)

ovrednotenju delovanja mehanskih drsnih tesnil. Upo-rabnost preizku{evali{~a in merilnega sistema jeprikazana z analizo enega preizkusa.

2 OPIS PREIZKU[EVALI[^A

Kot izhodi{~e za zasnovo koncepta preizku{anjamehanskih drsnih tesnil nam je rabilo preizku{evali{~eCTD-ML123, ki ga prikazuje slika 1. Preizku{evali{~e jenamenjeno za {iroko podro~je delovnih razmer, karomogo~a, da se zelo pribli`amo razmeram pri realnihmehanskih sistemih. Uporaba in namen preizu{evali{~aje odvisna od izvedbe preskusne glave, ki je pritrjena napogonsko gred.

Preizku{evali{~e, ki je opremljeno s sodobnimra~unalni{kim sistemom, omogo~a nadzor in krmiljenjeosmih merjenih veli~in. Shemo nadzora in krmiljenjapreizku{evali{~a prikazuje slika 2.

Za potrebe raziskav materialov mehanskih drsnihtesnil smo razvili ustrezno preskusno glavo (slika 3).

A. VEZJAK, J. VI@INTIN: RA^UNALNI[KO KRMILJENO PREIZKU[EVALI[^E ZA RAZISKAVO…

100 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2

Slika 3: Preskusna glava in izvedba preskusnega tesnilaFigure 3: Test chamber and test seal layout

Slika 2: Shema nadzora in krmiljenja preizku{evali{~aFigure 2: Computer control and monitoring scheme of the test rig

Slika 1: Preizku{evali{~e CTD-ML1Figure 1: Test rig CTD-ML1

Zaradi fleksibilno zasnovane konstrukcije in skrbnoizbranih materialov nam preskusna glava omogo~a:

– raziskavo mehanizmov trenja, obrabe in mazanja vmehanskih drsnih tesnilih

– raziskavo vplivov obdelave tesnilnih obro~ev narazmere v tesnilni {pranji

– presku{anje novih materialov– presku{anje primernosti in funkcionalnosti neke

konstrukcije mehanskih drsnih tesnil– trajnostne preskuse materialov tesnilnih obro~ev– raziskavo vplivov razli~nih medijev na funkcional-

nost in vedenje tesnila, ...Med preizku{anjem lahko spremljalmo naslednje

merilne veli~ine (slika 3):– temperaturo tesnjenega medija v okolici zunanjega

premera tesnilnih obro~ev (1)– temperaturo primarnega (mirujo~ega) tesnilnega

obro~a (2)– temperaturo le`ajev (3)– temperaturo okolice– pomik primarnega tesnilnega obro~a (4)– skupno silo na primarni tesnilni obro~ (5)– skupno silo trenja v tesnilu in le`ajih (6)– {tevilo vrtljajev gredi (7) in– koli~ino pu{~anja tesnilnega sistema (8).

3 PRIMER REZULTATOV PREIZKU[ANJA

Uporabnost in u~inkovitost preskusne glave termerilnega sistema je prikazana na primeru raziskaveobratovalnih mej materialov za tesnilne obro~e.

Slika 4 prikazuje potek preizkusa za dolo~evanjezgornje meje obratovanja (PVlim) za izbran par mate-rialov tesnilnih obro~ev. Na za~etku preizkusa smopreko vijaka in vzmeti nastavili dolo~en tlak na tesnilnopovr{ino in stopenjsko pove~evali drsno hitrost vkontaktu obro~ev. Hitrost smo pove~evali, vse dokler nipri{lo do takih obratovalnih razmer, pri katerih je tesniloizgubilo svojo funkcionalnost in za~elo prekomernopu{~ati.

Slika 5 prikazuje potek povpre~nih vrednostiizmerjenih veli~in pri dvojenju dveh tesnilnih obro~ev iz

99,7% Al2O3. Tlak na tesnilno povr{ino na za~etkupreizkusa je bil 0,55 MPa.

Vrtilno hitrost smo med preizkusom stopnjskopove~evali, kot prikazuje potek na sliki 5a. Tesnilnaobro~a sta bila potopljena v vodo s pH∼7. Zajemmerilnih veli~in je bil vsakih 30s s hirostjo vzor~enja10000 to~k/s. Vsaka to~ka v diagramu pomeni povpre~je1000 izmerjenih to~k. V prvem delu preizkusa (pri 500min-1) je moment trenja padal. Vzrok zato je bilzmanj{anje normalne sile na tesnilno povr{ino, ki jeposledica obrabe zaradi utekanja povr{in. Da je pri temdelu res pri{lo do sicer minimalne obrabe, ka`e tudipomik obro~a v pozitivno smer (slika 5b). Pri prehodu navi{jo vrtilno hitrost so se razmere v tesnilnem kontaktuspremenile. Normalna sila in pomik obro~a sta sesorazmerno ustalila, zato se je ustalil tudi moment trenja.Iz spremembe naklona poteka temperature obro~a (slika5c) je razvidno, da se je pove~ala generacija tornetoplote kljub ugodnemu poteku momenta trenja. Prinadaljnjem pove~evanju vrtilne hitrosti gredi je usmerje-nost merilnih veli~in analogna, vse dokler nismo doseglikriti~ne koli~ine ustvarjene torne toplote. Le-ta povzro~iporu{itev tesnilne povr{ine materialov obro~ev. Prikerami~nih obro~ih iz Al2O3 smo opazili, da je pri{lo dorazpok in odstopanja zrn na tesnilni povr{ini, kar je

A. VEZJAK, J. VI@INTIN: RA^UNALNI[KO KRMILJENO PREIZKU[EVALI[^E ZA RAZISKAVO…

MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2 101

Slika 4: Potek preizkusa za dolo~evanje PVlimFigure 4: Test procedure for PV test

Slika 5: Potek posameznih veli~in med preizkusomFigure 5: Measured parameters during the test

povzro~ilo spremembo obrabnega mehanizma18,24-26.Prakti~no so vsi merjeni parametri to spremembozaznali.

Omenjeni diagrami nam neposredno zelo malopovedo o mazalnih razmerah v tesnilni {pranji, ki soklju~nega pomena za razumevanje delovanja mehanskihdrsnih tesnil. Zato smo uporabili dodatno veli~ino -hidrodinami~ni koeficient G2,3. Hidrodinami~ni koefi-cient je brezdimenzijsko {tevilo, ki ga dolo~ajo viskoz-nost medija, drsna hitrost, sila na tesnilno povr{ino indimenzije obro~ev. Z analizo diagramov koeficienttrenja µ - G lahko dolo~imo re`im mazanja v tesnilni{pranji. Slika 6 prikazuje diagram µ-G za prej omenjenipreizkus.

Iz diagrama lahko razberemo, da z vi{anjem vrtilnehitrosti prehajamo iz mejnega v tribolo{ko ugodnej{eme{ano mazanje. Naj poudarimo, da gre pri tem zapovpre~ni re`im mazanja v tesnilni {pranji in da se lahkona razli~nih mestih tesnilne povr{ine isto~asno pojavijorazli~ni re`imi mazanja. To pomeni, da je dele`mehanskih kontaktov vr{i~kov hrapavosti obeh povr{in,ki se sicer z ve~anjem vrtilne hitrosti zmanj{uje, vednonavzo~. S tem pa glavni vir ustvarjanja torne toplote, kiga predstavljajo ti lokalni mikrokontakti3. Na osnovi tegalahko razlo`imo prej omenjeno pove~anje temperature,kljub zmanj{anju momenta trenja.

Iz analize navedenega primera je razvidno, kakopomembno je spremljanje ~im ve~jega {tevila para-metrov med obratovanjem. Prakti~no edino na ta na~inlahko z nekoliko ve~jo zanesljivostjo razlo`imokompleksno dogajanje v tesnilni {pranji.

4 SKLEP

Na predstavljenem primeru se je izkazalo, da jepreizku{evali{~e nadvse primerno za raziskavo delovanjain razlago mehanizmov v mehanskih drsnih tesnilih.Sodobni ra~unalni{ki merilni sistem, ki omogo~a sprotninadzor merjenih parametrov in krmiljnje preizkusov,bistveno prispeva k zanesljivosti in u~inkovitostiovrednotenja tesnila. Na preizku{evali{~u je mo`nosimulirati realne delovne razmere v {irokem spektru.

Preskusna glava se je izkazala primerna za preizku{anjemehanskih drsnih tesnil razli~nih dimenzij in razli~nihkonstrukcijskih izvedb. Zaradi skrbne izbire materialov,iz katerih je izdelana preskusna glava, je mogo~epreizku{anje tudi v razli~nih medijih. Preizku{evali{~e spreskusno glavo uspe{no uporabljamo pri raziskavah inrazvoju novih materialov ter konstrukcij mehanskihdrsnih tesnil, ki jih financira industrija.

5 LITERATURA

1 E. Mayer, Mechanical Seals, Butterworth & Co. (Publishers) Ltd,1977, 1-9, 14

2 Product Review: Mechanical Seals, Industrial Lubrication andTribology, 44 (1992) 6, 6-23

3 A.O.Lebeck, Principles and Design of Mechanical Face Seals, JohnWiley & Sons, 1991, 1-2, 16, 18, 139, 394

4 R. Divakar, Materials Engineering, Jahanmir, S.( Ed.), Friction andwear of ceramics, section 15, Marcel Dekker Inc., New York, 6,1994, 357-381

5 A.O., Lebeck, Dynamic seals, Tribology Data Handbook, section 66,Ed. E. R. Booser, CRC Press, 1997, 734-757

6 R.K. Flitney, B.S.Nau, Proc. Inst. Mech. Eng. Part A, 201 (1987)A1, 17-28

7 B.S. Nau, Tribol. Int., 19 (1986) 4, 183-1868 P.A. Conner, M.T. Thew, Industrial Lubrication and Tribology, 47(1995) 2, 4-11

9 M.W. Williams, V.J. Pilletteri, Lubrication Engineering, 52 (1996)11, 809-815

10 L.A.Young, A.O. Lebeck, ASME Journal of Lubrication Technology, 104(1982) 4, 439-448

11 P. Andersson, O. Ylostalo, Mater.Sci.and Eng. A, A109 (1989) 1-2,407-413

12 Y.M. Chen, B. Rigaut, F. Armanet, Lub. Eng., 47 (1991) 7, 531-53713 L. Esposito, G. Nicoletto, A. Tucci, A. Salomoni, Key EngineeringMaterials, 132-136 (1997) 3, 1528-1531

14 M.G. Gee, Surfaces and Interfaces. Joint Meeting Institute ofCeramics and Society of Glass technology Birmingham,October23-24, 1990, Institute of Ceramics; Br.Ceram.Proc., 1991,48, 11-24

15 D.E. Deckman, S. Jahanmir, S.M. Hsu, Wear of Materials, Int. Conf.on Wear of Materials Orlando, April 7.-11., 1991, Ludema, K.C.,Bayer, R.G.( Eds.), ASME 1991, 359-366

16 R.S. Gates, S.M. Hsu, E.E. Klaus, Tribol Trans, 32 (1989) 3,357-363

17 H. Kim, D. Shin, T.E. Fischer, Proceedings of the JapanInternational Tribology Conference. III, Nagoya, 29.10.-1.11.1990,Japan Society of Tribologists, 1990, 1437-1442

18 Y.S.Wang, S.M. Hsu, R.G. Munro, Lub. Eng., 47 (1991) 1, 63-6919 R.Metcalfe, R.D. Watson, Lub. Eng., 39 (1983) 3, 275-28420 A.J. Ryde-Weller, M.T. Thew, R. Wallis, Proceedings of the 12th

International Conference on Fluid Sealing, Brighton, UK, May10-12,1989, BHRA, 1989, 343-366

21 J.A.Silvaggo, M.J. Lipski, K. Van Bramer, Lub. Eng., 43 (1987) 6,433-439

22 L.C. Erickson, A. Blomberg, S. Hogmark, S. Bratthal, Tribol. Int., 26(1993) 2, 83-92

23 M. Kalin, Master thesis, Faculty of Mech. Engineering, Ljubljana,1996

24 J.F. Braza, H.S. Cheng, M.E. Fine, A.K. Gangopadhyay, L.M. Keer,R.E. Worden, Tribol.Trans., 32 (1989) 1, 1-8

25 F. Xiong, R.R. Manory, L. Ward, M. Terheci, S. Lathabai, Journal ofthe American Ceramic Society, 80 (1997) 5, 1310-1312

26 S. Kim, K. Kato, K. Hokkirigawa, J. JSLE Int.Ed., 8 (1987) 123-128

A. VEZJAK, J. VI@INTIN: RA^UNALNI[KO KRMILJENO PREIZKU[EVALI[^E ZA RAZISKAVO…

102 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 1-2

Slika 6: Re`imi mazanja med preizkusomFigure 6: Lubrication regimes during the PV test