Model kalibracji

Podstawowym założeniem projektowym opracowanego urządzenia do badania erozji uderzeniowej była realizacja testów w szerokim zakresie zmienności parametrów.

Zużywanie erozyjne to złożony proces uzależniony od wielu czynników, m.in.: rodzaju i ilości materiału ściernego, prędkości mieszaniny ścierniwa i powietrza, kąta natarcia strugi oraz temperatury. Precyzyjne prognozowanie odporności erozyjnej materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych wymaga dokładnego sterowania parametrami symulowanego procesu erozji. Wartości parametrów takich jak: odległość próbki od dyszy, kąt natarcia strugi ścierniwa, długość i średnica dyszy są niezależne od rodzaju zastosowanego ścierniwa oraz ciśnienia powietrza wykorzystywanego podczas testów.

Zużywanie erozyjne występuje w różnych warunkach eksploatacji, gdzie ścierniwem jest

257 Z. Piątkiewicz, H. Szlumczyk, K. Janerka: Badania wielkości przepływowych urządzeń transportu pneumatycznego. Krzepnięcie Metali i Stopów Nr 25, 1995, s. 117–122.

zespół filtrów ceramicznych

komora pomiarowa

komora osadcza

przegrody

rura spustowa

190

piasek, popiół oraz cząsteczki skał. Symulując warunki zużywania erozyjnego, ściśle związane z konkretną aplikacją, należy stosować różne materiały ścierne takie jak: tlenek glinu, piasek kwarcowy, węglik krzemu, tlenek żelaza oraz piasek szklany. Dostępna aparatura wykorzystywana w testach erozyjnych skalibrowana jest pod jeden rodzaj materiału ściernego. Opracowane urządzenie zostało skalibrowane bazowo do badań erozyjnych z zastosowaniem tlenku glinu. Funkcjonalność zaprojektowanego modułu dozowania ścierniwa umożliwia jednak również realizację testów z zastosowaniem różnych erodentów.

Ponieważ materiały ścierne różnią się gęstością, wielkością oraz masą cząstek, stosowanie innych ścierniw niż Al2O3 wymaga ponownej kalibracji aparatury. Po zmianie materiału ściernego należy zweryfikować wydatek oraz prędkość strugi ścierniwa, ponieważ parametry te wpływają na intensywność zużywania erozyjnego. W celu wzorcowania urządzenia zaprojektowano moduł kalibracyjny wykorzystywany w pomiarach prędkości strugi ścierniwa metodą double-disc oraz moduł kontroli wydatku erodenta. Informacje zgromadzone podczas kalibracji urządzenia z zastosowaniem różnych materiałów ściernych są wykorzystywane do budowania bazy wiedzy. Dzięki uzyskanym informacjom, podczas weryfikacji parametrów procesu erozji, można łatwiej dobrać odpowiednią wartość ciśnienia powietrza przy danym materiale ściernym, aby uzyskać zadaną prędkość strugi przy wylocie z dyszy. W czasie trwania testów erozyjnych elementy instalacji opracowanej aparatury, m.in.: dysza, komora mieszania, przewody powietrzne narażone są na negatywne oddziaływanie materiału ściernego. Erodent wywołuje stopniową zmianę geometrii instalacji, która wpływa na prędkość strugi mieszaniny. Dlatego moduły kalibracji mogą być również wykorzystywane do okresowej kontroli prędkości oraz wydatku ścierniwa.

7.3.1. Kalibracja prędkości strugi ścierniwa

Jednym z głównych parametrów wpływających na intensywność zużywania erozyjnego jest prędkość mieszaniny ścierniwa i powietrza, z jaką struga oddziałuje na erodowany element. Przed przystąpieniem do badań należy dokonać kalibracji urządzenia, aby wyznaczyć prędkość strugi mieszaniny. Do powszechnie stosowanych metod, które umożliwiają wyznaczenie tego parametru, możemy zaliczyć: metodę double-disc, pomiar techniką wizyjną z wykorzystaniem szybkiej kamery oraz laserowy pomiar prędkości metodą Dopplera. Najczęściej stosowanym narzędziem do wyznaczania prędkości ścierniwa, zalecanym przez normę ASTM G 76, jest metoda double-disc. Do celów kalibracji został opracowany przez autora moduł pomiarowy (rys. 85). Składa się on z zespołu dwóch dysków, górnego i dolnego, połączonych trzpieniem. Dyski osadzone są na wałku wysokoobrotowego

191

silnika, który dla zabezpieczenia przed niekorzystnym oddziaływaniem materiału ściernego podczas testów został umieszczony w szczelnej obudowie. Zestaw dysków oraz napęd zamocowane są do konstrukcji nośnej. W górnej części modułu pomiarowego osadzona jest tuleja bazująca nasuwana na dysze w komorze pomiarowej. Pozycja tulei ustalana jest za pomocą trzpieni. Do dolnego dysku zamocowane są dwie próbki o identycznej masie.

Na próbce zamocowanej pod otworem w górnym dysku erodowane są znaki, na podstawie których wyznaczany jest kąt pomiędzy ich środkami, a następnie wartość prędkości strugi ścierniwa. Druga próbka mocowana jest w celu wyważenia dysków, zniwelowania drgań i zabezpieczania napędu przed uszkodzeniem.

Przed przystąpieniem do badań zadawane są parametry wsadowe testów: prędkość obrotowa dysków, czas erodowania pierwszego i drugiego znaku oraz ciśnienie powietrza, które odpowiada zadanej prędkości strugi ścierniwa. Istotnym czynnikiem wpływającym na wartość wyznaczanej prędkości jest odległość pomiędzy górną powierzchnią dysku zamocowanego bezpośrednio pod dyszą oraz górną powierzchnią próbki posadowionej na dolnym dysku. Odległość pomiędzy dyskami jest stała i wynosi 25,9 mm.

Rys. 85. Model wirtualny modułu pomiarowego double-disc Źródło: opracowanie własne.

W metodzie double-disc prędkość strugi wyznaczana jest na podstawie odczytu kąta pomiędzy środkami wykonanych znaków, prędkości obrotowej dysków oraz odległości

osłona napędu

napęd dysków tuleja bazująca

trzpień

górny dysk

dolny dysk próbka I

otwór dysza

trzpień ustalający

konstrukcja nośna trzpień ustalający

192

pomiędzy górnymi powierzchniami dysków (rys. 86). Ze wzrostem prędkości strugi zmniejsza się wartość kąta, która przy wysokich prędkościach strugi jest trudna do odczytania z powodu pokrywania się znaków. Dla uzyskania wysokiej wartości kąta i precyzyjnego wyznaczenia prędkości strugi, pomiary realizowane są dla prędkości obrotowej dysków 5000 obr./min (Vstrugi < 70 m/s) oraz 10000 obr./min (Vstrugi > 70 m/s).

Rys. 86. Główne parametry pomiaru metodą double-disc Źródło: opracowanie własne.

Po przeprowadzeniu pomiarów kąta pomiędzy środkami wykonanych znaków wartość prędkości strugi ścierniwa wyznaczana jest za pomocą wzoru:

v

gdzie:

V – prędkość strugi ścierniwa [m/s], L – odległość pomiędzy dyskami [m], υ – prędkość obrotowa dysku [obr./s],

θ – przesunięcie kątowe pomiędzy znakami [°].

7.3.2. Kalibracja wydatku materiału ściernego

Moduł dozowania materiału ściernego umożliwia realizację badań zużycia erozyjnego z wykorzystaniem różnych typów erodenta. Wydatek ścierniwa, w zależności od wielkości cząstek erozyjnych, jest regulowany: prędkością obrotową silnika podajnika, średnicą kryzy dozującej oraz odległością pomiędzy powierzchnią czołową kryzy i pasem transportera. Istotna jest również prędkość strugi powietrza. Przed przystąpieniem do testów

193

z zastosowaniem nowego erodenta, należy przeprowadzić kalibrację modułu dozowania odpowiedzialnego za precyzję wydatku materiału ściernego. Dlatego został opracowany moduł kontroli wydatku ścierniwa (rys. 87). Moduł składa się ze wspornika z trzpieniami ustalającymi, adaptera, przewodu pneumatycznego, zaworu odcinającego oraz filtra.

Przed badaniami moduł pomiarowy za pomocą wspornika mocowany jest do dyszy w urządzeniu do badania zużycia erozyjnego. W bocznej ścianie dyszy wykonane są dwa nieprzelotowe otwory, w które wprowadzane są trzpienie ustalające pozycję modułu.

Oś dyszy pokrywa się z osią wewnętrznego otworu adaptera. W celu uzyskania szczelnego połączenia pomiędzy dyszą i adapterem zastosowano uszczelkę z otworem. Adapter, zawór odcinający oraz zespół filtra połączone są przewodami pneumatycznymi, które zamocowane są za pomocą złączek.

Rys. 87. Model wirtualny modułu kontroli wydatku ścierniwa Źródło: opracowanie własne.

Podczas testów mieszanina ścierniwa i powietrza wypływa z dyszy, po czym przewodami kieruje się do zbiornika ścierniwa. Konstrukcja zespołu filtra umożliwia swobodny przepływ powietrza na zewnątrz zbiornika, natomiast cząsteczki ścierne przechwytywane są przez filtry. Materiał ścierny dozowany jest przez 10 min, następnie zostaje wyłączony transporter i strumień sprężonego powietrza, a zawór odcinający jest manualnie zamykany. Po procesie dozowania zespół filtra odłącza się od przewodu

zespół filtra

dysza

zawór odcinający trzpień ustalający

wspornik

przewód pneumatyczny nakrętka dociskowa

adapter

szybkozłączka pneumatyczna

uszczelka

zbiornik ścierniwa

filtr

194

pneumatycznego, a następnie waży z dokładnością ±0,01 g. Powtarzalność statystyczna wydatku ścierniwa wyznaczana jest dla zadanej prędkości strugi mieszaniny na podstawie ośmiu pomiarów. Proces kalibracji jest pracochłonny, jednak wyniki pomiarów stanowią cenną bazę wiedzy dla badaczy wykorzystujących opracowane urządzenie do symulacji procesu zużywania erozyjnego.