Układ funkcjonalny modułów wykonawczych

Na podstawie opracowanej metodyki badań przyjęto koncepcję systemu badawczego oraz urządzenia składającego się z modułów technicznych umożliwiających przeprowadzanie badań wg autorskiej metodyki. Realizacja testów erozyjnych wg opracowanej metodyki badań wymaga zaawansowanej aparatury badawczej, która umożliwi odwzorowanie rzeczywistych warunków eksploatacji badanych materiałów. Koncepcja urządzenia wykorzystywanego do symulacji procesu zużywania erozyjnego powinna zapewniać: płynną regulację prędkości mieszaniny erozyjnej, precyzyjne dozowanie materiałów ściernych o zróżnicowanym kształcie i wielkości, zmianę kąta natarcia strugi erodenta. Powinna także zagwarantować realizację badań w podwyższonych temperaturach z możliwością niezależnego sterowania temperaturą próbki oraz strumieniem mieszaniny ściernej, jak również umożliwiać umieszczenie w komorze badawczej kilku próbek o różnym kształcie.

W aparaturze stosowanej do badania erozji uderzeniowej nośnikiem ścierniwa jest struga sprężonego powietrza, dlatego istotne jest także wyposażenie urządzenia w system pneumatyczny zapewniający powtarzalne warunki badań, m.in. kontrolujący wilgotność oraz temperaturę powietrza. Podczas przeprowadzonej analizy literatury nie zidentyfikowano systemu badań erozji uderzeniowej, który spełniałby wymienione wymagania.

Uwzględniając wady i zalety dostępnych urządzeń do badania zużycia erozyjnego oraz własne doświadczenie autora w obszarze przedstawionych zagadnień, zdefiniowano założenia funkcjonale aparatury badawczej umożliwiającej realizację testów erozyjnych wg proponowanej metodyki badań (rys. 57).

156

Założono, że opracowane urządzenie do badania zużycia erozyjnego powinno umożliwiać odtwarzanie mechanizmu erozji uderzeniowej wywołanej oddziaływaniem cząstek materiału ściernego transportowanych w strudze sprężonego powietrza w szerokim zakresie zmienności parametrów operacyjnych. Urządzenie powinno umożliwiać realizację badań normatywnych wg norm ASTM G 76 i DIN 50 332 oraz niestandardowych badań eksploatacyjnych. Istotną funkcję stanowi także płynna regulacja wartości głównych parametrów decydujących o szybkości erozji: prędkości strugi ścierniwa, wydatku materiału ściernego oraz kąta natarcia strugi mieszaniny. Ważnym założeniem jest realizacja testów w temperaturze pokojowej oraz w warunkach wysokotemperaturowych do 600°C. Podczas badań w podwyższonych temperaturach należy uwzględnić możliwość niezależnego sterowania temperaturą próbki oraz strugi sprężonego powietrza. Wyposażenie aparatury w zespoły kalibracji: moduł kontroli prędkości strugi mieszaniny ściernej oraz moduł kontroli wydatku erodenta, umożliwiają weryfikację zadanych wartości parametrów. Istotna jest funkcja kalibrowania urządzenia do realizacji badań erozyjnych z zastosowaniem różnych rodzajów materiału ściernego.

Rys. 57. Podstawowe funkcje urządzenia do badania zużycia erozyjnego Źródło: opracowanie własne.

157

Zdefiniowano także istotne wymagania dotyczące sterowania parametrami procesu erozji. Dobrane zakresy parametrów zapewniają realizację badań normatywnych oraz testów niestandardowych realizowanych wg własnego programu eksperymentów. Sprecyzowano również zakresy parametrów wpływających na intensywność zużywania erozyjnego, którymi należy sterować podczas symulacji procesu erozji z wykorzystaniem aparatury badawczej m.in. kąt natarcia i prędkość strugi ścierniwa, rodzaj i wydatek materiału ściernego oraz temperatura (rys. 58).

Rys. 58. Podstawowe parametry urządzenia do badania zużycia erozyjnego Źródło: opracowanie własne.

W celu realizacji badań zużycia erozyjnego wg opracowanej metodyki w założonym zakresie parametrów przyjęto opracowanie unikatowej aparatury badawczej umożliwiającej pozyskanie informacji do bazy danych, wykorzystanych do prognozowania odporności erozyjnej materiałów konstrukcyjnych oraz funkcjonalnych. Ponieważ podczas przeprowadzonej analizy literaturowej nie stwierdzono aparatury badawczej umożliwiającej realizację testów erozyjnych wg wymagań zdefiniowanych w autorskiej metodyce badań,

Podstawowe parametry funkcjonalne aparatury badawczej umożliwiające realizację testów erozyjnych wg autorskiej metodyki badań

wymiary próbek: 40x25x5 mm oraz Ø25,4 mm kąt pochylenia próbki względem osi dyszy: 20÷90°

wymiary dyszy: średnica wewnętrzna Ø1,5 mm, długość 50 mm [lub wg indywidualnych potrzeb badań]

prędkość mieszaniny ścierniwa i powietrza: 0÷130 m/s

liczba próbek w komorze pomiarowej: 8 punkt rosy powietrza: -40°C

odległość próbki od dyszy: 10 mm [lub wg indywidualnych potrzeb badań]

ciśnienie powietrza: 0÷0,6 MPa

temperatura strugi powietrza: 20÷600°C temperatura próbek: 20÷600°C

158

opracowano koncepcję nowatorskiego urządzenia do symulacji procesu zużywania erozyjnego. Schemat modułów funkcjonalnych umożliwiających elastyczne sterowanie parametrami procesu erozji przedstawiono na rysunku 59.

Rys. 59. Układ funkcjonalny modułów wykonawczych Źródło: opracowanie własne.

Opracowana metodyka oraz zaproponowana na jej bazie koncepcja urządzenia o dużych możliwościach standaryzacji badań zapewniają zintegrowane testy zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych oraz funkcjonalnych. Oryginalna aparatura dzięki precyzyjnemu sterowaniu modułami funkcjonalnymi umożliwia symulację procesu zużywania erozyjnego testowanych materiałów. Możliwość regulacji szerokiej grupy parametrów erozji w zadanym zakresie pozwala na odwzorowanie różnych warunków oddziaływania erozji uderzeniowej.

W celu dokładnego symulowania rzeczywistych warunków eksploatacji badanych materiałów oraz zagwarantowania powtarzalnych warunków badań, konieczne jest zapewnienie wysokiej jakości sprężonego powietrza używanego do wytworzenia mieszaniny erozyjnej. Szczególnie istotna jest wilgotność powietrza, która wpływa na precyzję procesu dozowania materiału ściernego oraz wyniki badań erozyjnych. Uzyskanie wysokiej klasy czystości oraz wilgotności powietrza na stałym poziomie zapewnia zespół przygotowania

Dozownik materiału ściernego mieszaniny ścierniwa i powietrza Zespół przygotowania powietrza

– filtracja oraz osuszanie powietrza

– kontrola temperatury oraz wilgotności powietrza

159

powietrza zaopatrzony w zestaw filtrów oraz osuszacz powietrza. Zespół wyposażono w zestaw czujników kontrolujących temperaturę oraz wilgotność powietrza w układzie pneumatycznym.

Struga sprężonego powietrza w połączeniu ze ścierniwem tworzy mieszaninę erozyjną.

Precyzyjne dawkowanie materiałów ściernych o zróżnicowanej wielkości, kształcie oraz strukturze cząstek erozyjnych zapewnia autorska konstrukcja dozownika.

Moduł dawkowania obejmuje zespół nagrzewania zasobnika erodenta, który stabilizuje zadaną wartość temperatury ścierniwa podczas długotrwałych badań erozyjnych.

Opracowana metodyka uwzględnia badania w podwyższonych temperaturach.

W celu realizacji testów wysokotemperaturowych aparatura do badania zużycia erozyjnego jest wyposażona w moduły nagrzewania strugi mieszaniny ścierniwa i powietrza oraz próbek.

Testy erozyjne w podwyższonych temperaturach zapewniają dwa moduły:

zespół wymienników ciepła oraz komora pomiarowa. Wymienniki umożliwiają nagrzewanie sprężonego powietrza do zadanej temperatury, wykorzystywanego do wytworzenia mieszaniny erozyjnej. Komora termiczna zapewnia nagrzewanie zestawu próbek.

Zastosowanie dwóch modułów nagrzewania umożliwia realizację badań temperaturowych w szerokim zakresie. Szczególnie istotna jest możliwość niezależnego sterowania temperaturą strugi erodenta oraz temperaturą próbek.

Aparatura do symulacji procesu zużywania erozyjnego jest wyposażona w dwa niezależne moduły kalibracji: zespół kontroli prędkości strugi mieszaniny ścierniwa i powietrza oraz wydatku materiału ściernego. Zastosowanie modułów kalibracji pozwala na rozszerzenie zakresu badań erozyjnych, poprzez możliwość stosowania różnych typów erodentów. Moduły te umożliwiają kalibrację urządzenia, wyznaczenie charakterystyki prędkości strugi mieszaniny erozyjnej oraz wzorcowanie dozownika do zastosowanego materiału ściernego.

Istotny element opracowanej koncepcji urządzenia stanowi komora pomiarowa, w której kształtowane są istotne parametry procesu erozji: kąt natarcia strugi ścierniwa oraz temperatura próbek. Regulacja prędkością strugi mieszaniny ścierniwa i powietrza jest realizowana przez system sterowania, który zarządza modułami wykonawczymi urządzenia do badania zużycia erozyjnego. W module pomiarowym jest umiejscowiona również komora mieszania zakończona dyszą, w której powstaje mieszanina materiału ściernego i sprężonego powietrza. Jednorodność mieszaniny gwarantuje równomierny rozkład cząstek w strudze erozyjnej, co zapewnia powtarzalne warunki procesu erodowania badanych materiałów.

Koncepcja systemu przewiduje wyposażenie komory w pozycjoner próbek umożliwiający

160

umieszczenie w komorze pomiarowej, podczas pojedynczego cyklu badawczego, ośmiu próbek oraz ich pozycjonowanie względem strugi ścierniwa.

Na podstawie przyjętych założeń oraz koncepcji systemu badawczego w zakresie funkcjonalności i konstrukcji urządzenia umożliwiającego przeprowadzenie testów erozyjnych wg opracowanej metodyki badań autor dysertacji opracował projekt konstrukcji urządzenia do badania zużycia erozyjnego materiałów konstrukcyjnych oraz funkcjonalnych.

Zaproponowana funkcjonalność urządzenia w pełni zapewnia realizację testów erozyjnych na podstawie autorskiej metodyki oraz umożliwia badania niezdefiniowane w metodyce według indywidualnych potrzeb badaczy.

Podsumowanie

Badania zużycia erozyjnego według autorskiej metodyki ukierunkowano na wyznaczenie odporności erozyjnej materiałów oraz wspomaganie doboru materiałów do aplikacji, w których występuje oddziaływanie czynników erozyjnych. Zaproponowany system badawczy obejmujący autorska metodykę oraz urządzenie testowe zapewnia realizację testów erozyjnych materiałów konstrukcyjnych oraz funkcjonalnych, na które zapotrzebowanie w różnych aplikacjach przemysłowych dynamicznie wzrasta, a także materiałów hybrydowych poddanych obróbce cieplnej, cieplno-chemicznej oraz mechanicznej. Umożliwia również wyznaczenie współczynników empirycznych wykorzystywanych w modelach analitycznych. Metodyka daje możliwość realizacji testów normatywnych zapewniających międzylaboratoryjną weryfikację wyników oraz niestandardowych badań eksploatacyjnych symulujących różne warunki oddziaływania erozji w docelowych aplikacjach. W metodyce zaproponowano również kilka rodzajów badań, m.in.

badania przyspieszone w podstawowym zakresie, które pozwalają na ograniczenie czasu i kosztów związanych z realizacją testów zużycia erozyjnego oraz badania w rozszerzonym zakresie. Opracowany algorytm metodyki badań zużycia erozyjnego jest algorytmem otwartym, który można rozbudować o dodatkowe elementy istotne dla indywidualnych potrzeb badaczy. Istnieje również możliwość doboru materiałów z bazy danych do zastosowań narażonych na oddziaływanie erozji uderzeniowej lub realizację testów na materiałach standardowych lub nowo opracowanych spoza bazy danych. Uwzględniając warunki oddziaływania środowiska, odporność erozyjną, dostępność i koszt materiału oraz technologie wykonania można zastosować do danej aplikacji materiał konstrukcyjny, funkcjonalny lub hybrydowy poddany obróbce cieplnej, cieplno-chemicznej, mechanicznej lub plazmowej. Realizacja badań według autorskiej metodyki pozwala na gromadzenie

161

informacji dotyczących intensywności zużywania erozyjnego materiałów, wzbogacenie wiedzy na temat skuteczności stosowania technologii wpływających na poprawę odporności erozyjnej oraz gromadzenie danych obejmujących parametry procesu erozji wpływających na szybkość zużywania. Zgromadzenie wiedzy oraz wyników badań w bazach danych i bazie wiedzy pozwala na dobór materiałów do docelowych aplikacji i umożliwia skuteczne prognozowanie zużycia elementów maszyn i urządzeń. Opracowane autorskie rozwiązanie pozwala na realizację testów erozyjnych z zastosowaniem różnych materiałów ściernych na jednym urządzeniu badawczym. Moduły kalibracji umożliwiają kontrolę prędkości strugi erozyjnej i wydatku materiału ściernego w zależności od zastosowanego erodenta. Metodyka zakłada realizację testów erozyjnych poprzez równoczesne umieszczenie w komorze pomiarowej urządzenia badawczego kilku próbek oraz niezależne sterowanie kątem pochylenia próbki względem strugi erozyjnej. Zastosowane rozwiązanie umożliwia zatem realizację szybkich testów porównawczych. Istotną zaletą jest możliwość przeprowadzania badań w podwyższonych temperaturach, z niezależnym sterowaniem temperaturą strugi mieszaniny erozyjnej oraz temperaturą próbki. Zastosowane rozwiązanie znacząco rozszerza zakres erozyjnych badań temperaturowych.

Ponieważ nie stwierdzono aparatury badawczej pozwalającej na realizację testów z zastosowaniem proponowanej metodyki, opracowano autorski projekt urządzenia do symulacji procesu zużywania erozyjnego oraz jego moduły funkcjonalne. Połączenie metodyki i uniwersalnego urządzenia badawczego zapewnia realizację badań zużycia erozyjnego różnych materiałów z możliwością symulowania nie tylko standardowych warunków oddziaływania erozji, ale również indywidualnych, nietypowych wartości parametrów występujących w unikatowych aplikacjach przemysłowych.

162

163

7. MODEL URZĄDZENIA DO BADANIA ZUŻYCIA