Konštrukcia a životnosť zariadení na obrábanie - WJM
Životnosť a prevádzková spoľahlivosť sú jedným z najdôležitejších ukazovateľov pre hodnotenie celkovej úrovne akosti vysokotlakového zariadenia na WJM, jeho ceny a konkurencieschopnosti. Komplexným sledovaním spoľahlivosti a životnosti prvkov hydraulického systému sa vytvárajú priaznivé podmienky na neustále zvyšovanie efektívnosti zariadení na WJM.
Úvod do riešenia spoľahlivosti zariadení na WJM
Z hľadiska hodnotenia spoľahlivosti sú poruchy výrobkov a okoľnosti súvisiace s ich odstránením chápané ako náhodné javy. Okamžik ich výskytu nemožno predom stanoviť. Avšak pri znalosti mechanizmu ich vzniku a vývoja možno definovať metódami matematickej štatistiky pravdepodobnosť ich výskytu v predom zvolenom prevádzkovom intervale. Použiteľné stochastické modely spoľahlivosti, popisujúce zákonnitosť výskytu týchto náhodných javov môžu byť vyjadrené iba na základe presných poznatkov správania sa výrobku v prevádzke. Spoľahlivosť je pritom chápaná ako "čierna skrinka" ovplyvňovaná na vstupe množstvom kvalitatívnych a kvantitatívnych prevádzkovo technických faktorov a faktormi charakterizujúcimi spoľahlivosť výrobku v prevádzke na jej výstupe. Takto definovaný model spoľahlivosti musí byť v konkrétnom vyjadrení chápaný ako dielčí systém, ktorého základné a zároveň nezastupiteľné články tvorí:
- systém zberu informácií o spoľahlivosti prevádzky zariadenia na WJM,
- systém voľby, využitia a primárnej analýzy hodnoteného zariadenia,
- systém kvantifikácie charakteristík a ukazovateľov spoľahlivosti výrobku ako sústavy,
- systém následnej technickej analýzy a uplatnenia získaných poznatkov vo výrobe, prevádzke, údržbe a opravách.
Najdôležitejší je systém zberu prvotných informácií, t.j. odborné, presné a fundované zhodnotenie informácií o činnosti zariadenia. Jeho premysleniu, kvalitnému vybudovaniu, preverovaniu a zdokonaľovaniu je treba venovať najväčšiu pozornosť .
Príspevok definuje systém zberu a vyhodnotenie informácií o prevádzke zariadení na WJM. Zhromaždenie informácií o prevádzke a ich zovšeobecnenie umožňuje stanoviť základné objektívne kvantifikované charakteristiky spoľahlivosti. Takáto spätná väzba - tok informácií slúžia najmä na uskutočnenie zásadných konštrukčne technologických zásahov, zavedenie bezdemontážnej diagnostiky, racionalizáciu údržby a opráv, možnosť eliminácie vplyvu ľudského činiteľa na spoľahlivosť zariadení a tým aj na dosiahnutie nemalého ekonomického efektu. Komplexný systém informácií o spoľahlivosti je nákladný a preto musí byť účinným nástrojom akosti u výrobcu a sústavnej racionalizácie prevádzky u užívateľa zariadenia.
Riešenie úloh spoľahlivosti
Základná definícia spoľahlivosti je nasledovná:
Spoľahlivosť je vlastnosť (schopnosť) výrobku plniť v stanovenej dobe požadované funkcie pri zachovaní prevádzkových parametrov výrobku daných technickými podmienkami; vyjadruje sa dielčími vlastnosťami, ako sú bezporuchovosť, životnosť, opraviteľnosť, pohotovosť a pod.
Životnosť je vlastnosť (schopnosť) výrobku plniť požadované funkcie do medzného stavu stanoveného technickými podmienkami; číselne sa vyjadruje napr. technickým životom alebo dobou používania.
Existuje množstvo (zatiaľ väčšina) systémov Mk, kde uvedená definícia spoľahlivosti postačuje, a je možné z nej vychádzať pri riešení problémov spoľahlivosti ako pri konštrukcii, tak aj pri prevádzkovaní zariadení. Všeobecná koncepcia spoľahlivosti mechanických konštrukcií s predloženou definíciou spoľahlivosti nevystačí, lebo nie sú v nej zastúpené aspekty stárnutia, určujúce redukciu spoľahlivosti mechanických konštrukcií aj pri zachovaní všetkých prevádzkových parametrov, ako napr. proces únavy, opotrebenia, korozívne účinky, tečenie materiálu za vyšších teplôt a pod. Z hľadiska formulácií rôznych koncepcíí spoľahlivosti mechanických systémov Mk možno preto urobiť určité rozšírenie základnej definície. K dispozícii musíme mať množstvo ďalších informácií, špecifikácií a upresnení napr. režim prevádzky, interpretáciu mechanizmu postupného poškodovania a pod.
Sledované výrobky musia spĺnať tieto základné predpoklady:
a.) Zhodné konštrukčné a technologické vyhotovenie.
b.) Približne rovnaký charakter prevádzky.
c.) Zhodný východzí technický stav sledovaných výrobkov pri zahájení sledovania.
d.) Pokiaľ možno rovnaké prevádzkové vyťaženie výrobkov zaradených do sledovaného súboru.
e.) V podstate zhodnú priemernú kvalitu obsluhy výrobkov.
f.) Priemernú kvalitu opravárenských čiat pracujúcich na opravách výrobkov zaradených do sledovania.
Pokiaľ ide o počet výrobkov vybraných k sledovaniu, je potrebné v praxi voliť určité kompromisné riešenie medzi požiadavkami (vyplývajúcimi z teórie matematickej štatistiky) na strane jednej a možnosťami organizačného zabezpečenia informácií z prevádzky na strane druhej. Vo väčšine prípadov sa tento problém redukuje na stanovenie minimálneho a zároveň prijateľného počtu sledovaných výrobkov.
Štatistický minimálny počet skúšaných, resp. sledovaných výrobkov býva stanovený parametrickou metódou (pri známom zákone rozdelenia sledovanej náhodnej veličiny, t.j. doby do vzniku porúch, doby technického života, doby prestoja atď.), alebo neparametrickou metódou (ak nie je známy zákon rozdelenia).
Ako je už uvedené vyššie, prácu treba zamerať na naplnenie databanky údajov, zberu a vyhodnoteniu informácií o prevádzke zariadení na WJM, t.j. na určenie a špecifikáciu parametrov ovplyvňujúcich spoľahlivosť a životnosť.
Uvedené možno realizovať iba na základe poznania a praktických skúseností z prevádzky zariadení na WJM. V podstate ide o vytvorenie spätnej väzby, ktorú možno s výhodou použiť pri konštrukcii a ďalšom zdokonaľovaní funkcie zariadení. V teoretickom výskume sú potom expertne posúdené a zhrnuté faktory priamo ovplyvňujúce životnosť a spolahlivosť hydraulického systému, a to najmä:
- konštrukčné riešenie,
- technologické parametre,
- druh pracovného média,
- kvalita pracovného média.
Vplyv konštrukčných a technologických parametrov na životnosť zariadení
Technológia vodného lúča sa v poslednom období stáva tak širokospektrálnou aplikáciou, s množstvom mnohých modifikácií, že použitie pojmu "obrábanie vodným lúčom" je primerané. V zahraničí je preto správne pomenovaná ako WJM. Široké aplikačné spektrum je dané najmä univerzálnosťou tejto technológie a ekologickými vlastnosťami. Univerzálnosť WJM spočíva v možnosti obrábania širokého sortimentu materiálov. Preto je potrebné, aby zariadenia generujúce vodný lúč mali vysoké výkony, t.j. aby boli univerzálnejšie, zahrňujúce možnosť použitia širokej kombinácie parametrov obrábania. Pri obrábaní materiálov v baníctve či stavebníctve sa stretávame väčšinou s požiadavkou spracovať tieto materiály priamo v teréne, čo je z pohľadu možností alebo hmotnosti obrobku jediná alternatíva. Aby sa dokázalo vyhovieť aj týmto požiadavkám, hydraulické zariadenia na obrábanie vodným lúčom sú mobilné a vzhľadom na požiadavku vysokých výkonov sú poháňané najmä dieselovými motormi. Pôsobenie vodného lúča na materiál zahŕňa najmä spôsoby, ako je rezanie vodným lúčom, čistenie vodným lúčom a iné, napr. sústruženie.
Principiálne možno povedať, že na rezanie materiálov treba vyššie tlaky a menšie prietokové množstvá a na čistenie nižšie tlaky a väčšie množstvá technologickej kvapaliny. Vzhľadom na to, že požiadavky na rýchlosť a kvalitu obrábania materiálov neustále rastú, dochádza k prelínaniu technologických parametrov generovaných zariadeniami na rezanie a čistenie vodným lúčom, hoci oba druhy zariadení pracujú na odlišných princípoch generovania vysokých tlakov. Dominantnú úlohu pritom hrá množstvo dodávanej kvapaliny, najmä z pohľadu možnosti odtransportovania odobratého materiálu z miesta rezu a výkonu obrábania. Pri obrábaní materiálov vysokorýchlostným vodným lúčom možno rozlišovať dva pracovné stupne; odrezanie a odtransportovanie materiálu z miesta rezu. Na generovanie vysokých tlakov pri čistení sa používajú zariadenia na báze najmä troj-piestových hydrogenerátorov (obr. 1).
Zvyšovanie technologických parametrov zariadení spôsobuje značné opotrebenie jednotlivých prvkov a zníženie ich životnosti (tesnení, piestov, ventilov a dýz).
Obr. 1a Troj - piestový hydrogenerátor KD 716-G, PN 3200 bar.
Preto sa zvyšuje kvalita konštrukčných materiálov, používajú sa napr. kombinované tesnenia z PTFE, keramické povlaky piestov s kvalitou povrchu pod 0,2 Ţm a tvrdokovové sedlá ventilov. Na zabezpečenie dostatočnej kvality vody sa priamo na čerpadlách používajú tzv. spätné preplachovacie filtre s kovovou mriežkou a systémom indikácie zanesenia filtrov na zabránenie chodu naprázdno a následnej kavitácii čerpadla. Systém multiplikátora je z aspektu stredných rýchlostí pohybu piesta (do 0,3 ms-1) podstatne šetrnejší ako "rýchlobežné" trojpiestové hydrogenerátory s rýchlosťou pohybu piesta až do 5 ms-1. Na zmiernenie tohto negatívneho faktu, ktorý spôsobuje nadmerné opotrebovanie tesnení a piestov sú do pohonu HG integrované prevody za účelom zníženia uvedených rýchlosti.
Z vysokotlakového multiplikátora je tlaková voda vedená vysokotlakovými kapilárami - rúrkami cez akumulátor s priamym stykom (v ňom sa eliminuje pulzácia piestov dvojčinného multiplikátora a stlačiteľnosť vody) do rezacej dýzy. Zaradením akumulátora do obvodu sa značne predĺžuje životnosť uzatváracích ventilov a najmä dýz. V každom prípade v dôsledku toho, že zariadenia na WJM pracujú s extrémne vysokými tlakmi, dochádza u nich k nadmernému opotrebeniu. Preto na údržbu a prevádzkyschopnosť zariadení generujúcich supervysoké tlaky treba každoročne rátať s ca 5-10 % -nými nákladmi z nadobúdacej ceny zariadenia.
Obr. 1b Troj - piestový hydrogenerátor KD 716-G,
Väčšina vyrábaných zariadení pracuje s kontinuálnym lúčom, ktorý je charakteristický stálou energetickou hladinou počas rezania. Javia sa ako energeticky výhodné.
Vplyv pracovného média na životnosť zariadenia na WJM
Pri hydrodynamickom obrábaní sa ako pracovný nástroj využíva kvapalinový lúč. Výber druhu pracovnej kvapaliny je jednou zo základných otázok, ktoré treba riešiť.
Pracovná kvapalina vhodná na hydro-obrábanie musí mať nasledujúce vlastnosti:
- nízka viskozita, zabezpečujúca malé straty výkonu toku kvapaliny pri prechode potrubiami a najmä dýzou,
- minimálna agresívnosť, vzhľadom na kovové časti zariadenia,
- malá toxickosť, t.j. kvapalina nesmie dráždiť pokožku, dýchacie cesty a zrak obsluhujúceho personálu,
- bežná prístupnosť, t.j. nie deficitná kvapalina,
- nízka cena,
- schopnosť spĺňať potrebné hydrodynamické charakteristiky vysokorýchlostného lúča malého priemeru,
- schopnosť zabezpečovať maximálnu produktivitu,
- schopnosť zabezpečovať najlepšiu kvalitu obrábania, pri najmenších energetických stratách na formovanie lúča.
Uvedeným požiadavkám najlepšie vyhovuje obyčajná voda - H2O, ktorá je najdostupnejšia, najlacnejšia a nie je agresívna pri styku s obsluhou. Jej korozívny účinok na samotné hydraulické zariadenie sa eliminuje výrobou z nehrdzavejúcich materiálov.
Vzhľadom na celosvetovo rastúce ceny vody je snaha prevádzkovať zariadenia na WJM v tzv. uzatvorenom cykle, čo vyvoláva problémy s regeneráciou polymérových roztokov ich degradáciou, penením a pod. Rastú a zvyšujú sa náklady na recirkuláciu. Keďže v poslednom období sa ukázal ich negatívny vplyv na obsluhu strojov, resp. v dôsledku vírenia drobných častíc polymérov vo vzduchu sa zvyšuje percento ochorenia na rakovinu, používanie polymérov sa obmedzilo na minimum. Takže v bežných priemyselných aplikáciách sa ako rezné médium zatiaľ takmer výhradne používa obyčajná voda.
Vplyv kvality vody na životnosť tlakových komponentov
Voda je teda takou dôležitou "súčasťou" technológie obrábania vodným lúčom, že sa zdá nevyhnutným stanovenie normy na kvalitu vody. Vodné systémy - čerpadlá a pod., by pracovali s vodou, ktorá by mala definované vlastnosti. Skutočnosť je, žiaľ, veľa krát odlišná. V praxi nie je väčšinou zaručená potrebná kvalita vody, čím sa znižuje životnosť a výkonnosť týchto systémov. Dochádza najmä k zaneseniu ústia dýzy a následným vysokým nákladom na ich výmenu, ďalej k zvýšeniu výkonov čerpadiel a tým k nadmernému opotrebeniu tesnení vo vysokotlakovom valci multiplikátora. Taktiež sa ničia a znehodnocujú sedlá ventilov a vysokotlakové piesty. Odhaduje sa, že nevyhovujúcou kvalitou vody len v USA vznikajú škody na zariadeniach vo výške 20 000 ÷ 30 000 USD za jeden deň!
Voda predovšetkým nie je rovnaká. Môže rovnako vyzerať, páchnuť, obyčajne má aj rovnakú chuť. Tým ale podobnosť končí. Voda veľmi často obsahuje rozpustené minerály ako sodík, vápnik, horčík, železo, chloridy, sulfidy a nitridy plus množstvo toxických príčastí.
Dva hlavné typy príčastí, ktoré spôsobujú problémy pri rezaní vodným lúčom sú malé čiastočky hmoty (usadeniny) a úplne rozpustené pevné látky, hlavne vápnik a magnézium. Pri úprave vody v priemysle sú úplne rozpustené pevné látky nazvané TDS (Total Dissolved Solids). Rozpustené pevné látky spôsobujú rýchle opotrebenie otvoru dýzy, tesnení, sediel ventilov a piestov. U dýz rozpustené pevné čiastočky zanášajú otvor a spôsobujú stratu funkčnosti. Dýza samotná je drahá, ale náklady na údržbu a čistenie sú oveľa vyššie, a to nie je nič v porovnaní so stratami spôsobenými výpadkom a znížením produkcie. Platí, že životnosť kvapalinových a abrazívnych dýz, tesnení a piestov závisí od technologických parametrov (t.j. požadovanej rýchlosti a kvality obrábania) a kvality vody.
Spôsoby úpravy vody
Existujú nasledujúce základné postupy úpravy vody, ktoré by mal užívateľ pri obrábaní vodným lúčom (WJM) využívať:
1. Mechanická úprava vody (filtrácia)
2. Fyzikálno-chemická úprava vody
3. Biologická úprava vody
Mechanická úprava slúži na odstránenie pevných častíc rôznych veľkostí z vody. Nároky na filtráciu rastú najmä v prípade, že zákazník - užívateľ zariadenia chce využívať vodu opakovane, t.j. pracovať v uzavretom cykle. Fyzikálno-chemická a biologická úprava slúžia najmä na zabezpečenie kvality vody určenej do kanalizácie, resp. spotrebiteľskej siete.
Odporučená špecifikácia kvality vody
Výhodou priemyselných štandardov (charakterizujúcich vodu) by bolo zjednodušenie navrhovania a výberu systému na úpravu vody. Tomu môžu napomôcť predpisy s odporučenými hodnotami nečistôt. Niečo podobné zaviedli pre svojich zákazníkov popredný svetový výrobcovia vysokotlakových zariadení.
Špecifikácia množstva nečistôt v reznom médiu:
- celkové množstvo rozpustených pevných látok (TDS): max. 500 mg/l,
- celková tvrdosť (vo forme CaCO3) : max. 25 mg/l,
- obsah železa (vo forme Fe) : max. 0,2 mg/l,
- obsah mangánu (vo forme Mn) : max. 0,1 mg/l,
- obsah chloridu (vo forme Cl) : max. 100 mg/l,
- zákal - obsah : max. 5 NTU,
- obsah voľného chlóru (vo forme Cl2): max. 1,0 mg/l,
- kyslosť - pH-faktor : od 6,5 do 8,5.
Dodržiavanie uvedeného množstva nečistôt by malo viesť k optimálnej životnosti - dýz, tesnení, ventilov a piestov. Avšak porovnanie týchto údajov s požiadavkami na kvalitu vody súčasných teoretických prác poukazuje na to, že uvedená špecifikácia je relatívne benevolentná. Praktické výsledky ukazujú, že životnosť prvkov (najmä dýz) je vďaka používaniu kvalitnejšieho média vyššia. Pred samotnou inštaláciou zariadenia je vhodné odobrať vzorku vody. Vykonať jej analýzu - rozbor vody so stanovením tvrdosti, faktora kyslosti pH a obsahu železa, mangánu, chloridov, kalov a kremíka. Na základe rozboru treba určiť vhodný spôsob úpravy vody. Pozor, kvalita vody sa s ročnými obdobiami mení.
Vplyv konštrukcie (machine design) na životnosť zariadení
Zmena konštrukcie vysokotlakových valcov čerpadla: Konštrukcia telesa čerpadla KD 716 bola pre efektívnejšie zvýšenie životnosti tesnení piestov a piestov samotných technicky revidovaná. Cieľom bolo vytvoriť sústavu - piest - tesnenie s jednoduchou údržbou. Na obr. č. 2 je pôvodná verzia konštrukcie valec- tesnenie - piest vysokotlakového piestového čerpadla vyrábaná do konca roku 2005. Obr. 3 zobrazuje revidovanú verziu vyhotovenia čerpadla. Výhodou nového usporiadania sústavy valec - tesnenie - piest je, že zabudované predpínacie pružiny zabezpečujú dlhodobú konštantnú možno povedať korektnú predpínaciu silu na tesnenie piestov. Čo na rozdiel od minulosti (obr. 2) najmä pri poruchách či poškodení tesnení piestov pri presakoch či opotrebení nebolo zabezpečené. Pri novom prepracovanom konštrukčnom usporiadaní (obr. 3) je zabezpečené vždy správne predpätie naviac automaticky. Revízia bola vykonaná aj na tzv. sekundárnom utesnení piestov. Toto opatrenie má za účel chrániť, znížiť a eliminovať riziko proti vniknutiu vody (pri poškodení primárneho tesnenia piestov) do prevodovej a pohonovej časti čerpadla.
Prípadná výmena tesnení piestov pri pôvodnom riešení zostáva zachovaná. Ak však treba meniť poškodené teleso čerpadla (Poz. 1), tak je možné výhodne prejsť na nové usporiadanie vysokotlakovej časti čerpadla. Aby táto konverzia nebola pre zákazníkov náročná, je možné aplikovať, tzv. prechodné riešenie (obr. 3), ktoré umožňuje využiť ešte stávajúce prvky a komponenty pôvodného riešenia. so zachovaným najmä pôvodných dotláčacích matíc tesnení poz. 7. Jedinou podmienkou tohto konkrétneho riešenia je, že dotláčacia matica je pritom namontovaná s presahom cca 6 mm (p. obr. 4). Koncepcia pôvodného sekundárneho utesnenia piestov je pritom zachovaná.
Preto pri každej potrebnej výmene dotláčacích matíc je zrejmý prechod na nové riešenie (keďže pôvodné sa už nevyrábajú) so zmenou sekundárneho utesnenia piestov. Takýmto spôsobom je zabezpečený plynulý prechod na novú koncepciu usporiadania utesnenia piestov. Nové riešenie umožňuje, tiež napr. pri únave pružín (poz. 3) krátkodobo do najbližšieho servisu predopnúť tesniaci systém čerpadiel a tým predĺžiť jeho funkčnosť.
Z dlhodobého hľadiska sa jedná o nové progresívne riešenie zabezpečujúce vyššiu životnosť a spoľahlivosť celého vysokotlakového zariadenia.
Obr. 2 Pôvodná konštrukcia tesnenia piestov čerpadla.
Obr. 3 Konštrukčne upravená konštrukcia čerpadla.
Záver
Predmetom príspevku je sumarizácia a skúmanie parametrov ovplyvňujúcich životnosť najviac namáhaných vysokotlakových prvkov zariadenia na obrábanie materiálov vysoko- rýchlostným vodným lúčom.
Obr. 4 Prechodné usporiadanie konštrukcie čerpadla.
V práci sú zhrnuté dosiahnuté výsledky v oblasti skúmania vplyvu parametrov na životnosť najexponovanejších prvkov a špecifikácie konštrukčných parametrov zariadení na WJM. Je preukázaný vplyv druhu a kvality pracovného média na životnosť zariadení. Z práce je tiež zrejmý vplyv technologických a najmä konštrukčných parametrov na životnosť prvkov. Špecifikácia parametrov vplývajúcich na životnosť vysokotlakových piestov potvrdzuje snahu kvalitnejšieho spracovania povrchu piestov, a tým aj životnosti a konkurencie schopnosti zariadení na WJM.
Životnosť a spoľahlivosť výrobkov sa stáva najdôležitejším faktorom, ktorý má podstatný vplyv na ich uplatnenie na domácich a zahraničných trhoch. Vytvorenie spätnej väzby, resp. naplnenie systému databanky informácií a údajov o životnosti prvkov zariadenia na WJM vytvára bázu poznatkov možného expertného posúdenia spoľahlivosti či vytvorenie objektívnych kvantifikovaných charakteristík spoľahlivosti.
Pôsobenie vo fimre URACA PUMPENFABRIK, ktorá patrí medzi najlepších svetových výrobcov hydrogenerátorov a príslušenstva na čistenie vodným lúčom, nás utvrdilo v tom, že orientácia na zvýšenie výkonnosti, kvality, životnosti, spoľahlivosti a konkurencie schopnosti zariadení je najdôležitejšia. Z hľadiska dosiahnutia optimálnej životnosti zariadení je potrebné, aj vzhľadom na stredné rýchlosti piestov (Vp > 0,5 m.s-1) a vysokokvalitné materiály na výrobu piestov. Používaním kvalitnejších materiálov v konštrukcii zariadení na WJM sa neustále zvyšuje ich kvalita a životnosť. Ceny zariadení, najmä v dôsledku širšej konkurencie a bežnej dostupnosti kvalitných materiálov, nerastú. Naopak možno povedať, že výkon a kvalita zariadení rastie a ich cena vzhľadom na infláciu "klesá".
Ing. Zdenko KRAJNÝ, PhD.,
Ing. Miloš MATÚŠ
Ing. Peter KRIŽAN, PhD.
Ing. Juraj ONDRUŠKA, PhD.
Poďakovanie:
Tento príspevok bol vytvorený realizáciou projektu „Vývoj progre-sívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov" (ITMS kód Projektu: 26240220017), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.
Text: AQUACLEAN, s.r.o.
Bratislava,
Tel.: 0905 70 81 71
02 52 444 938
aquaclean@netax.sk,
www.aquaclean.sk
Pridať komentár
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax