CC BY
33
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.891
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ ШЕСТЕРЕННЫХ НАСОСОВ - ДОЗАТОРОВ ХИМИЧЕСКИХ РАСТВОРОВ АРАМИДНЫХ ВОЛОКОН
© 2008 г. Д.В. Миньков, О.М. Башкиров, А.И. Слугин, Е.Б. Седин, С.П. Канюка, М.Д. Миньков
Исследованы некоторые вопросы механизма изнашивания рабочей поверхности одной из деталей шестеренного насоса-дозатора - верхней пластины, при дозировании насосом химически активных растворов арамидных волокон типа Армос, Русар, СВМ. Показано, что процесс изнашивания включает в себя электрохимическое растворение и водородное изнашивание, при этом в разных частях контакта пластины с шестерней и статором превалирует тот или иной вид изнашивания.
Some questions of the mechanism of wear process of a working surface of one of details the gear metering pumps - the top plate are investigated, at batching by the pump of chemically active solutions of aramide ftibres such. It is shown,that process of wear process includes electrochemical dissolution and hydrogen wear process, thus in different parts of contact of a plate with the gear and the stator this or that kind of wear process prevails.
Ключевые слова: шестеренный насос-дозатор, арамидные волокна, прядильная машина, механизм изнашивания, измерение шероховатости поверхности, измерение геометрических характеристик поверхности.
Одной из причин остановки прядильных машин при производстве высокомодульных особопрочных (в 3-5 раз прочнее стали) арамидных волокон типа СВМ, Армос, Русар, Артек и др. является выход из строя шестеренных насосов-дозаторов (далее «насосов»). С помощью этих насосов осуществляется дозирование и подача растворов полимерных волокон к фильерному комплекту при получении волокон мокрым и сухо-мокрым способом. Учитывая темпы роста производства арамидных волокон, сравнительно высокую стоимость насосов, закупаемых в настоящее время за рубежом, а также то, что снятие старого и установка нового насоса сопровождаются простоем дорогостоящего оборудования (стоимость простоя одной прядильной машины превышает 10 тыс. рублей в час), проблема повышения долговечности насосов является важной технической задачей и требует срочного решения.
Исследования, проведенные в НПО «Орион ВДМ», и опытно-промышленные испытания насосов-дозаторов типа 11НШ на прядильных машинах ОАО «Ка-менскволокно», показали, что главной причиной выхода из строя этих насосов является коррозионно-механическое и водородное изнашивание их деталей, находящихся в контакте с растворами полимеров, в составе которых имеется соляная кислота, хлористый литий, диметилацетамид и водород [1, 2].
Цель настоящей работы - выявление особенностей механизма изнашивания рабочих поверхностей насосов, изучение поверхностных механохимических процессов на границе металл - полимерный раствор для решения задач по повышению надежности и долговечности насосов для выпуска арамидных волокон.
На рис. 1 показан разрез насоса типа ПНШ0,6 производства г. Каменка (Украина). Корпус насоса показан в упрощенной форме (без входного и выходного каналов).
Анализ состояния деталей насоса после его эксплуатации в течение 60 сут, при дозировании раствора арамидного волокна Русар (рН = 2,9...3,1), показал, что наиболее изношенными зонами являются:
- трибосопряжения шестерен с внешней и внутренней пластинами (I, II). В результате изнашивания зазор увеличился от 5.6 мкм до 9.76 мкм;
- трибосопряжения торцов шестерен и статора (III). В результате изнашивания зазор увеличился от 7.9 мкм до 92.110 мкм;
- трибосопряжение вала и корпуса насоса (IV). В результате изнашивания зазор увеличился от 2 до 500 мкм.950 мкм;
- трибосопряжение ведущая шестерня - ведомая шестерня (V). В результате изнашивания толщина зуба по делительной окружности уменьшилась на 15.20 мкм.
1 2 9 8
Рис. 1. Насос II НШ0,6. 1- пластина внешняя, 2 - шестерня ведущая, 3 - пластина средняя (статор), 4 - пластина внутренняя, 5 - корпус, 6 - вал, 7 - ось шестерни, 8 - шестерня ведомая, 9 - втулка
Известно, что основными причинами объемных потерь в шестеренных насосах является утечка через радиальный зазор между дуговой поверхностью статора и внешней цилиндрической поверхностью шестерен, а также через торцевые зазоры между пластинами насоса и торцами шестерен. Объемные потери через радиальный зазор по отношению к общим потерям в насосе незначительны. Это обусловлено тем, что жидкость, протекающая по пути радиального зазора, последовательно проходит через все впадины зубьев и давление во впадинах возрастает в направлении от полости всасывания к полости нагнетания, в результате чего происходит компенсация потерь, возникающих в результате изнашивания статора и наружных поверхностей головок зубьев шестерен. Основным каналом утечек в насосах с некомпенсированным зазором является утечка через торцевые зазоры между пластинами насоса и торцами шестерен, которая составляет около 75 - 80 % всех утечек в насосе [3].
Поэтому на первом этапе было исследовано состояние поверхности внешней пластины, контактирующей с торцами шестерен и статором. Для этого проводились замеры величины изнашивания, рассматривалась морфология поверхностей и анализировался химический состав стали в разных контактных зонах после работы насоса в полимерных растворах.
Исследования поверхности проводились на растровом электронном микроскопе РЭМ Quanta-200 с рентгеновским спектрометром для проведения микроанализа (ЕВАХ). Реальная ценность этого исследования определяется не только тем, что позволяет получать изображения фрагментов поверхности с увеличением в 100000 крат, но и тем, что электроны, несущие информацию о её химическом составе, выходят из слоя толщиной менее 0,01 мкм. Таким образом, этот метод позволяет проводить анализ «реальной поверхности» объекта [4].
Исследования объемного количественного и качественного спектрального анализа проводились на кварцевом спектрографе ИСП-30. Измерения геометрических характеристик зон изнашивания проводились на прецизионной портальной координатно-измерительной машине Global Performanse фирмы HEXAGON (Италия), шероховатость определяли на приборе контроля шероховатости модели HOMMEL TESTER W55 (Германия).
После работы насоса на прядильной машине его разбирали, удаляли полимерные пленки с поверхностей пластин, статора и шестерен, находящихся в контакте с раствором, протирали их этиловым спиртом и направляли детали на исследования. Для снижения погрешностей исследований, связанных с действиями окружающей среды, детали после разборки запаковывались в пластиковые пакеты, вскрываемые непосредственно перед экспериментами.
На рис. 2 показана внутренняя пластина насоса после эксплуатации насоса в течение 60 сут. Цифрами отмечены зоны пластины, контактирующие со статором (1, 2) и ведущей шестерней (3, 4). Линией А-А отмечен разрез этой пластины для проведения спектрального анализа (рис. 3). На рис. 4 показана правая половина профиля пластины со стороны разреза А-А.
На рис. 5 показаны микрофотографии поверхностей пластины, контактирующей со статором и шестернями, полученные на электронном микроскопе с разной степенью увеличения.
4
3
2 1
Рис. 2. Внутренняя пластина насоса
Рис. 3. Разрезанная пластина: а - следы проб спектрального анализа
Зона 4
Зона 3
Зона 2 Зона 1
Рис. 4. Правая половина профиля пластин по разрезу А-А
Рассмотрим изменения, произошедшие с поверхностями пластины в разных зонах, и вероятные причины этих изменений.
1. Изменилась шероховатость поверхности в зоне 2 пластины, не подвергающейся изнашиванию (рис. 4).
Если величина шероховатости полированной поверхности в зоне 1 - Rа 0,125, то в зоне 2 по мере приближения к контакту с раствором электролита она увеличилась до Rа - 0,5. При этом базовая толщина пластины в этой зоне не изменилась. Отметим, что в эту зону раствор не поступал. При разборке насоса здесь не наблюдалось ни пленок полимера, ни следов растворителя. Ширина зоны 2 - 0,9.1,2 мм.
Одной из причин, приведших к вышеизложенным изменениям, может быть высокая проникающая способность водорода, образующегося при водородной деполяризации при контакте электролита с металлом. Известно, что диаметр атома водорода составляет
о
0,1 нм (1 А), а размер протона Н+ , обладающего высокой активностью в растворах кислот - 10-6 нм
(10-5 А) [5].
!х 100
1. Зона 1 контакта пластины со статором на расстоянии более 0,9. от поверхностей, омываемых раствором
!х1000 1,2 мм
х 100
2. Зона 2 контакта пластины со статором на расстоянии менее 0,9.1,2 мм от поверхностей, омываемых раствором
Полимерные растворы для получения арамидных волокон содержат в своем составе соляную кислоту, которая диссоциируется на ионы водорода и хлора. Ион водорода на поверхности металла восстанавливается, образуя атом водорода
Н+ + е ^ Н
Адсорбированные атомы водорода при соударении образуют молекулы водорода
2Н ^ Н2 .
Молекулы водорода удаляются в виде пузырьков потоком раствора.
В то же время благодаря своей высокой х1000 проникающей способности атом водорода попадает в контактную зону между пластиной и статором, что приводит к дальнейшему диффундированию его в объем пластины. Так как диаметр молекулы водорода намного больше размера атома, Н2 = 0,212 нм
о
(2,12 А ), накапливание и молизация водорода внутри плоскостей и вакансий кристаллической решетки пластины приводит к повышению давления внутри поверхностных 3. Зона 3 контакта пластины с торцевой поверхностью зубьев шестерни слоев металла и нарушению его сплошности.
¡¡¡¡¡¡g BS^~ Подтверждением явления проникнове-
ния водорода в зону 2 является отмеченное ранее постепенное увеличение этой зоны, начиная с начала эксплуатации насоса. Так, на насосах, работающих в течение 30 дней, ширина этой зоны находилась в пределах
Iх 100 Р^111Н11И111И11В811№|Г771~ ......1 1""" 0,2...0,5 мм, 45 дней - 0,5...0,9 мм,
60 дней - 0,9.1,2 мм. Постепенное снижение шероховатости по мере удаления от контакта с раствором электролита также подтверждает это явление.
X 100
х1000
4. Зона 4в контакта пластины с торцевой поверхностью шестерни вне зубьев
Рис. 5. Микрофотографии поверхностей пластины в контакте со статором (1, 2) и с шестерней (3, 4)
2. Зона трибоконтакта пластины с торцевой поверхностью зубьев шестерни от диаметра впадины до диаметра выступа зуба (зона 3, рис. 4.) представляет собой канавку, постепенно углубляющуюся в радиальном направлении глубиной от 45 до 57 мкм. Шероховатость в этой зоне по мере удаления от оси вращения шестерни изменилась - Rа от 0,5 до 1,7, Яг от 2,6 до 11,0. Эти изменения отчетливо видны на микрофотографии зоны (зона 3, рис. 5). В некоторых местах наблюдаются раковины глубиной до 8...12 мкм. Ширина зоны 3 - 1,9.2,1 мм.
В отличие от процессов, происходящих в зоне 2, в зоне 3 изнашивание предопределяется высокоактивным процессом растворения металлов. И здесь водород, выступая деполяризатором, вносит существенный вклад в этот процесс.
Образование ионов металла в слабокислом растворе арамидных волокон можно представить совокупностью анодной (1) и катодной (2) реакций:
Ме = Меп+ + пе, (1)
в которой электроны освобождаются, и
Н3О+ + е = (1/2)Н2 + Н2О, (2)
в которой электроны, освободившиеся в реакции (1), присоединяются к ионам водорода. Перенос электронов осуществляется на поверхности металла, а перемещение ионов в - растворе.
В стационарных условиях (при нахождении пластины в растворе без его перемешивания) возможно наступление катодной поляризации. Однако в ходе дозирования этот процесс невозможен, так как постоянное поступление деполяризатора Н+ и, соответственно, его повышенная концентрация в электродной системе повышают скорость анодного растворения металла [6]. Вероятно, этим можно объяснить некоторое усиление процесса растворения металла и, соответственно, увеличение глубины канавки в зоне контакта зуба с пластиной в направлении от радиуса впадины до радиуса выступа зуба. Отметим, что понятие «контакта» условно, так как торцевая поверхность зуба находится на расстоянии 45.57 мкм от поверхности канавки пластины (рис. 4).
Необходимо подчеркнуть, что в процессе водородной деполяризации и в этой зоне проходят процессы наводораживания катодов гетерогенной поверхности пластины, поглощение адсорбированного атома водорода Надс, накапливание его в узлах кристаллической решетки, рекомбинация в молекулы Н2, приводящая к повышению давления внутри металла и нарушению его сплошности.
Микроанализ рентгеновских спектров поверхности зоны 3 в 10 точках показал пониженное содержание хрома (в пределах 3.4 %), в сравнении с объемным содержанием (10,5 %). Однако в некоторых точках содержание хрома понижалось до 0,8.1,4 %. В то же время микроанализ спектров поверхности не рабочей зоны 1 также показал пониженное содержание хрома (9.10 %) в сравнении с объемным содержанием.
В рентгеновских спектрах поверхности зоны 3 (рис. 4) обнаружен хлор. Присутствие галоидного иона С1- в растворе, вероятно, является причиной появления глубоких язв или питтингов на поверхности пластины [7].
3. Зона трибоконтакта пластины с торцевыми поверхностями шестерни вне зубьев (зона 4, рис. 4) совершенно отличается от предыдущей зоны. По мере удаления от зоны 3 наблюдается постепенное снижение величины износа от 13 до 9 мкм (зона 4 в). При этом шероховатость поверхности и её изменение аналогичны шероховатости зоны 2 в противоположном направлении. Далее, в зоне 4а поверхность в направлении вращения шестерни имеет вид полированной (Яа на некоторых окружностях достигает 0,08). В то же время в радиальном направлении Яа находится в пределах от 0,5 до 0,9. Ширина зоны 4 - 1,8.1,9 мм.
Очевидно, что в этой зоне, по мере удаления от зоны активного растворения металла, процессы водородного и электрохимического изнашивания постепенно понижаются. Вероятно, что в зоне 4в (рис. 5) незначительное наводораживание приводит даже к положительному эффекту снижения скорости изнашивания за счет увеличения микротвердости поверхностного слоя металла [8]. Одновременно в зоне трибо-логического контакта, особо вязкий раствор полиара-мида проявляет в данных условиях пластифицирующие смазочные свойства.
Микроанализ рентгеновских спектров в зоне 4в показал, что содержание хрома на поверхности, в сравнении с нерабочей поверхностью пластины (зоны 1 ), практически не изменилось. Это подтверждает выводы о незначительном влиянии электрохимических процессов на изнашивание пластины в этой зоне.
Таким образом, проведенные исследования пластины шестеренного насоса - дозатора химических растворов арамидных волокон показали, что процесс изнашивания включает в себя электрохимическое растворение и водородное изнашивание поверхности, при этом в разных частях контакта пластины с шестерней и статором превалирует тот или иной вид изнашивания.
Литература
1. Миньков Д.В., Лакунин В.Ю., Слугин И.В. и др. // Хим. волокна. 2006. № 3. С. 21-23.
2. Миньков Д.В. Разработка и исследование композиционного самосмазывающегося материала для трибосопря-жений шестеренных насосов ПНШ, дозирующих химически активные растворы: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ростов н/Д., 2005.
3. Чиняев И.В. Роторные насосы. М., 1969.
4. Обработка поверхности и надежность материалов: Пер. с анг. / Под ред. Дж. Бурке, Ф.Вайса. М., 1984.
5. Гаркунов Д.Н., Суронов Г.И., Хрусталев Ю.А. Водородное изнашивание и разрушение деталей машин: Учеб. пособие. Ухта, 2003.
6. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер. с англ. / Под ред. А.М. Сухотина. Л., 1989.
7. Колотыркин Я.М. Металл и коррозия. М., 1985.
8. Шпеньков Г.П. Физикохимия трения. Минск, 1991.
22 апреля 2008 г.
Миньков Дмитрий Васильевич - канд. техн. наук, директор-главный конструктор Научно-производственного объединения «Орион ВДМ».
Башкиров Олег Михайлович - зам. директора-главного конструктора по новым технологиям Научно-производственного объединения «Орион ВДМ».
Слугин Андрей Иванович - соискатель Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Седин Евгений Борисович - аспирант Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Канюка Сергей Петрович - соискатель Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).
Миньков Максим Дмитриевич - сотрудник Научно-производственного объединения «Орион ВДМ».
