Straty energii na tarcie towarzyszące pracy newralgicznych układów mechanicznych są przedmiotem ciągłego zainteresowania znacznej grupy tribologów. Postęp w tej dziedzinie daje wymierne efekty ekonomiczne, zwłaszcza gdy dotyczy to produktów masowych, jak np. silniki spalinowe czy niektóre rodzaje pomp. Przykładowo podaje się, że straty energii na tarcie przypadające na zespół tłok – pierscień – cylinder (TPC) wynoszą 45% ogólnych strat tarcia w silniku spalinowym. Te, jak i inne dane wskazują na przemysł motoryzacyjny jako głównego odbiorcę badań w zakresie technologii przyczyniających się do ograniczania strat tarcia w układach mechanicznych. W nurt dokonań w tym zakresie w sposób znaczący wpisują się działania dotyczące laserowego tworzenia powierzchni niejednorodnych, a w tym również teksturowania powierzchni pierścieni ślizgowych uszczelnień czołowych [14].

Sprostać obciążeniom i zapewnić dławienie

Pierścienie uszczelnień czołowych są szczególną parą tribologiczną. Z jednej strony muszą sprostać obciążeniom wynikającym z przenoszonych przez nie sił osiowych i prędkości wzajemnego ślizgania. Z drugiej strony wąska pierścieniowa szczelina, jaką tworzą czoła pierścieni, ma zapewnić wymagane dławienie przepływu w kierunku promieniowym. Dla prawidłowej, stabilnej pracy pary ślizgowej uszczelnienia konieczne jest spełnienie kilku warunków. Pierwszym podstawowym jest właściwy dobór rodzaju współpracujących materiałów oraz zapewnienia odpowiednich parametrów mikrogeometrii współpracujących powierzchni. Dalej istotne znaczenie mają: obciążenie uszczelnienia, smarowanie powierzchni trących, odprowadzanie ciepła oraz stabilność dynamiczna i kinematyczna współpracujących pierścieni.

Praca na sucho niepożądana

Zagadnienia tarcia oraz przepływu przez szczelinę są od siebie wzajemnie zależne. Zaburzenia przepływu mogą pogorszyć warunki smarowania, co spowoduje wzrost oporów tarcia i zwiększenie zużycia. W wyniku tego zmianie ulega geometria szczeliny, a tym samym zmieniają się warunki przepływu. Jeżeli ciąg tych zmieniających się cykli nie ustabilizuje się, to nastąpi uszkodzenie uszczelnienia. Według badań [8] zdecydowana większość uszkodzeń uszczelnień (55%) jest wynikiem pracy na sucho pierścieni.

Przyczyny pracy na sucho uszczelnień mogą być różne. Często wiąże sie to z odparowaniem czynnika  ze szczeliny bądź brakiem czynnika. Praca na sucho może występować w sposób ciągły, ale niekiedy mamy z nią do czynienia tylko podczas rozbiegu i wybiegu, co ma miejsce np. w uszczelnieniach pracujących w reżimie tarcia płynnego. W tym przypadku zużycie przy rozbiegu i wybiegu decyduje o trwałości uszczelnienia. Niezależnie od sytuacji, w której mamy do czynienia z pracą uszczelnienia na sucho, jest ona niepożądana i stanowi krytyczny moment w pracy uszczelnienia. Dlatego problem smarowania pary ślizgowej uszczelnienia jest przedmiotem wielu badań i nowatorskich rozwiązań.

Rys. 1 Przyczyny uszkodzeń pierścieni uszczelnień czołowych [8]
 

Laserowo kształtowane powierzchnie z funkcjami tribologicznymi

Pierwsze publikacje na temat laserowego strukturyzowania, a dokładniej teksturowania, powierzchni pojawiły się w roku 1995 w piśmiennictwie niemieckim [1]. Podaje się tam przykład wykorzystania lasera do kształtowania tekstury na elementach napędu dysków pamięci magnetycznej, głównie w celu zredukowania oporów tarcia przy rozruchu. W kolejnych eksperymentach teksturowano powierzchnie stempli stosowanych w obróbce plastycznej, co zwiększyło ich trwałość o 169%. W dalszych pracach [5], [9] wykazano również korzystny wpływ tekstury na nośność pary ślizgowej uszczelnienia. Pierwsze prace eksperymentalne opierały sie na wykorzystaniu bardzo drogiego w eksploatacji i mało rozpowszechnionego lasera ekscymerowego.

W ostatnich latach pojawiły się nowe możliwości obróbcze w postaci obrabiarek laserowych do mikroobróbki. W obrabiarkach tych zastosowano lasery o ultrakrótkich impulsach (piko- i femtosekundowe), które dają możliwość precyzyjnej ablacyjnej obróbki powierzchniowej. Obróbka ablacyjna nie powoduje zmian w strukturze obrabianego materiału, jest precyzyjna, powtarzalna i może być obróbką końcową. Wymienione cechy spowodowały duże zainteresowanie tą technologią tribologów, w tym również badaczy zajmujących się uszczelnieniami czołowymi.

Dociekliwość badaczy koncentrowała się na określeniu wpływu parametrów geometrycznych pojedynczego elementu tekstury (rozmiar, głębokość, kształt) na właściwości eksploatacyjne uszczelnienia. Dalsze pytania dotyczyły rozmieszczenia i koncentracji elementów tekstury na powierzchni ślizgowej. Podejście badaczy miało zarówno charakter teoretyczny, jak i eksperymentalny. 

W opracowaniu [4] analizowano relacje pomiędzy parametrami pracy uszczelnienia a parametrami tekstury powierzchni. W ujęciu modelowym rozpatrywano rozwiązanie równania Reynoldsa uprzednio doprowadzonego do postaci bezwymiarowej dla pierścieni uszczelnienia czołowego, w którym jeden z pierścieni posiada powierzchnię teksturowaną. Tekstura utworzona jest przez szereg okrągłych wgłębień o kształcie czaszy kuli. Promień tego wgłębienia jest kilkakrotnie większy od jego głębokości. Wyniki badań
teoretycznych prezentowane są w postaci zależności bezwymiarowych ujmujących: stosunek głębokości wgłębienia do jego średnicy, stopień zaczernienia powierzchni (stosunek powierzchni zajętej przez wgłębienia do całkowitej powierzchni), ciśnienie bezwymiarowe oraz parametr uszczelnienia Λ. 

gdzie: µ – lepkość dynamiczna płynu [Pa s], U – prędkość ślizgania [m/s], Pa – ciśnienie otoczenia [Pa], C – odległość pomiędzy pierścieniami [m], rp – średnica wgłębienia [m].

W cytowanych badaniach wykazano niewielki wpływ średnicy wgłębienia, jak i stopnia zaczernienia na wartość średniego ciśnienia w szczelinie. Jednocześnie stwierdzono bardzo wyraźne oddziaływanie stosunku głębokości mikrowgłębienia do jego średnicy, co można optymalizować dla zadanego parametru Λ. Z przeprowadzonej analizy wynika, że skuteczność mikrowgłębień jest uzależniona od relacji efektów hydrostatycznych i hydrodynamicznych. Jeśli ze względów stosowanych parametrów pracy uszczelnienia zachodzi eliminacja zjawiska kawitacji w mikrowgłębieniach, to mamy do czynienia z dominacją efektów hydrostatycznych i efekt stosowania tekstury zanika, a powierzchnie zachowują się jak nieteksturowane.

Wzrost wartości parametru Λ prowadzi do bardziej wydajnego efektu hydrodynamicznego mikrowgłębień, ocenianego wartością średniego ciśnienia w szczelinie. Jak podają autorzy opracowania, istnieje również optymalna wartość hp/2rp, która dla parametru Λ =  1 wynosi  0,05 i wraz ze wzrostem Λ zmniejsza się.

W opracowaniu [3] zajmowano się porównaniem wyników testów tribologicznych realizowanych na testerze typu trzpień-tarcza, w których stosowano tarcze z  powierzchniami polerowanymi, szlifowanymi i teksturowanymi na trzy sposoby. Teksturę tworzyły laserowo drążone wgłębienia o głębokości 4 do 6,5 μm i średnicy 58 do 80 μm. Badania te dowiodły, że poprzez teksturowanie powierzchni osiąga się poszerzenie zakresu obciążeń i prędkości ślizgania, dla których występuje smarowanie hydrodynamiczne, co następuje dla środków smarujących o dużej, jak i niskiej lepkości. Stwierdzono, że usunięcie wypukłości na krawędziach wgłębień pojawiających się bezpośrednio po obróbce laserowej jest niezbędną operacją, wykonywaną drogą docierania, która zapewnia uzyskanie optymalnego efektu hydrodynamicznego. Porównanie współczynników tarcia dla powierzchni teksturowanych z polerowanymi czy szlifowanymi pokazuje, że efekty teksturowania są najbardziej widoczne dla małych prędkości ślizgania (od 0,075 do 0,3 m/s). W badaniach wykazano również, że zbyt duża powierzchniowa gęstość wgłębień może spowodować YS. 2 Widok tekstury na powierzchni pierścienia ślizgowego (z lewej), zmiany oporów tarcia w zależności od prędkości obrotowej (z prawej) [11] wzrost współczynnika tarcia. Przedstawiając uzyskane rezultaty w postaci krzywych Stribecka, autorzy dowodzą, że wyraźna redukcja oporów tarcia następuje dla smarowanych węzłów tarcia pracujących w reżimie tarcia granicznego.

W opracowaniu [5] przedstawiono wyniki badań eksploatacyjnych uszczelnień czołowych z teksturowanymi pierścieniami pracującymi w przemyśle petrochemicznym i ich działanie zostało ocenione satysfakcjonująco. Temperatura pracy uszczelnień z teksturowanymi pierścieniami węglikowymi zmniejszyła się i jednocześnie powiększyła się ich trwałość. W opracowaniu [6] wykazano skuteczność teksturowania w zwiększaniu odporności frettingowej próbek wykonanych ze stali narzędziowej.

Cały artykuł dostępny w nr 2/2017 półrocznika "Pompy, Pompownie".