Poliuretan jest wykorzystywany w przemyśle do produkcji kół, rolek, wałów, prowadnic, odbojów, elementów antywibracyjnych i wielu innych części technicznych. Jego zaletą jest możliwość modyfikowania właściwości materiału w zależności od warunków pracy. Samo określenie wymaganej twardości nie wystarcza jednak do prawidłowego doboru tworzywa. Trzeba również uwzględnić sposób obciążenia, temperaturę, kontakt z substancjami chemicznymi oraz oczekiwaną odporność na zużycie.
Materiał przeznaczony do pracy z materiałem ściernym powinien mieć inne właściwości niż odbój przejmujący krótkotrwałe uderzenia czy podkładka ograniczająca drgania maszyny. Dobór poliuretanu należy więc rozpocząć od analizy rzeczywistych warunków eksploatacji.
Najpierw ustal, co powoduje zużycie elementu
Ścieranie może mieć różny przebieg. Część pracująca w kontakcie z piaskiem, kruszywem lub rudą jest narażona na inne oddziaływania niż rolka poruszająca się po gładkiej prowadnicy. Różnice występują również między tarciem ślizgowym, toczeniem, erozją powodowaną przez szybko przemieszczające się cząstki a cyklicznym zgniataniem powierzchni.
Przed wyborem materiału warto określić:
- rodzaj transportowanego lub obrabianego medium,
- wielkość, kształt i ostrość cząstek ściernych,
- prędkość ruchu oraz wartość nacisku,
- warunki suche lub mokre,
- temperaturę roboczą i częstotliwość cykli,
- kontakt z olejami, smarami, wodą lub środkami chemicznymi.
Dopiero na tej podstawie można dobrać właściwą odmianę elastomeru, twardość, grubość warstwy oraz konstrukcję części.
Twardszy materiał nie zawsze zużywa się wolniej
Jednym z częstych uproszczeń jest założenie, że wzrost twardości automatycznie poprawia odporność na ścieranie. Parametr ten wpływa na sztywność, odkształcenie i zdolność przenoszenia obciążeń, ale nie opisuje samodzielnie trwałości elementu.
Przy kontakcie z ostrymi cząstkami znaczenie ma również odporność na rozdzieranie i możliwość sprężystego ugięcia powierzchni. Zbyt twardy materiał może być mniej podatny na odkształcenie, lecz w określonych warunkach bardziej narażony na wykruszanie, nacinanie albo rozwój pęknięć. Z kolei zbyt miękki elastomer może nadmiernie się odkształcać, nagrzewać lub tracić stabilność wymiarową.
W elementach narażonych na ścieranie należy analizować jednocześnie:
- twardość w skali Shorea,
- odporność na rozdzieranie,
- sprężystość i powrót do pierwotnego kształtu,
- odkształcenie trwałe po ściskaniu,
- nagrzewanie podczas pracy dynamicznej,
- odporność chemiczną i temperaturową.
Warto także ustalić, czy zużycie występuje równomiernie, czy koncentruje się na krawędziach, łączeniach albo miejscach zmiany przekroju. Niekiedy poprawa geometrii elementu daje większy efekt niż samo zastosowanie twardszego materiału.
Przy uderzeniach liczy się sposób pochłaniania energii
Odboje, zderzaki i sprężyny poliuretanowe mają przejmować energię uderzenia oraz ograniczać jej przenoszenie na konstrukcję maszyny. Materiał powinien odkształcić się w kontrolowany sposób, a następnie wrócić do zakładanego kształtu bez pękania i nadmiernego trwałego spłaszczenia.
Przy doborze elementu należy uwzględnić masę poruszającej się części, prędkość uderzenia, dostępną drogę ugięcia i częstotliwość cykli. Innego rozwiązania wymaga awaryjny odbój używany sporadycznie, a innego część pracująca rytmicznie przez wiele godzin.
Duże znaczenie ma także zdolność materiału do oddawania lub rozpraszania energii. Elastomer o wysokiej sprężystości szybko powraca do wcześniejszego kształtu i może oddawać znaczną część energii. Materiał o większym tłumieniu ogranicza odbicie, ale podczas intensywnej pracy może silniej się nagrzewać. Odpowiedni kompromis zależy od funkcji konkretnej części.
Tłumienie drgań wymaga znajomości pracy maszyny
Element antywibracyjny nie powinien być wybierany wyłącznie na podstawie jego wymiarów albo twardości. Skuteczność wibroizolacji zależy od obciążenia statycznego, charakteru drgań, częstotliwości pracy maszyny oraz sztywności dynamicznej całego układu.
Zbyt sztywna podkładka może przekazywać drgania na fundament lub konstrukcję wsporczą. Zbyt miękka może natomiast nadmiernie się uginać, pogarszać stabilność urządzenia albo doprowadzić do niekontrolowanego przemieszczania się maszyny. Znaczenie ma również kształt elementu, ponieważ ta sama mieszanka może zachowywać się inaczej w cienkiej płycie, wysokim walcu i sprężynie o złożonej geometrii.
Przy projektowaniu elementu antywibracyjnego trzeba ustalić:
- masę maszyny i rozkład obciążenia na punkty podparcia,
- dominujące częstotliwości oraz amplitudę drgań,
- kierunek oddziaływania sił,
- dopuszczalne ugięcie elementu,
- warunki temperaturowe i częstotliwość pracy,
- wymagania dotyczące stabilności ustawienia urządzenia.
W bardziej wymagających zastosowaniach dobór powinien zostać poprzedzony obliczeniami, symulacją albo próbą na prototypie. Pozwala to ograniczyć ryzyko rezonansu oraz nadmiernego nagrzewania się elastomeru.
Środowisko pracy może zmienić właściwości poliuretanu
Element, który dobrze działa w suchym pomieszczeniu, nie musi zachować tych samych parametrów w kontakcie z wodą, olejem, wysoką temperaturą lub agresywnymi środkami chemicznymi. Poszczególne rodzaje poliuretanu różnią się odpornością na hydrolizę, mikroorganizmy, paliwa, smary i zmienne warunki atmosferyczne.
Przed wyborem materiału należy zatem przekazać producentowi informacje o wszystkich substancjach występujących w otoczeniu części. Ważne są nie tylko ich nazwy, lecz także stężenie, temperatura oraz czas kontaktu. Krótkotrwałe zachlapanie może oddziaływać na elastomer inaczej niż ciągłe zanurzenie.
Należy również uwzględnić ciepło powstające wewnątrz elementu podczas cyklicznych odkształceń. Nawet jeśli temperatura otoczenia jest umiarkowana, intensywna praca dynamiczna może prowadzić do lokalnego nagrzewania materiału i przyspieszenia jego zużycia.
Kiedy potrzebny jest element wykonany na zamówienie?
Standardowy produkt może być wystarczający przy typowych obciążeniach i łatwych do przewidzenia warunkach pracy. W przypadku nietypowej geometrii, dużej liczby cykli albo kontaktu z wymagającym medium lepszym rozwiązaniem bywają części techniczne projektowane do konkretnego zastosowania.
Produkcja na zamówienie pozwala dopasować:
- wymiary i tolerancje wykonania,
- twardość oraz pozostałe właściwości elastomeru,
- grubość powłoki poliuretanowej,
- sposób połączenia z elementem metalowym,
- kształt powierzchni roboczej,
- kolor i oznaczenia ułatwiające identyfikację części.
Przy składaniu zapytania warto przekazać rysunek techniczny, model części lub zużyty element. Pomocne są również informacje o dotychczasowych awariach, czasie eksploatacji oraz miejscu występowania największych uszkodzeń.
Regeneracja może przedłużyć wykorzystanie metalowego rdzenia
Koło, wał lub rolka z uszkodzoną warstwą roboczą nie zawsze muszą zostać zastąpione całkowicie nową częścią. Jeśli metalowy rdzeń zachował właściwe wymiary, wytrzymałość i stan powierzchni, można rozważyć usunięcie starego elastomeru oraz wykonanie nowej powłoki poliuretanowej.
Przed regeneracją trzeba sprawdzić między innymi prostoliniowość, bicie, korozję, pęknięcia, stan łożyskowania oraz możliwość uzyskania prawidłowej przyczepności nowej warstwy. Niekiedy konieczna jest także naprawa lub obróbka części metalowej.
Regeneracja może ograniczyć koszt i czas wykonania elementu, szczególnie gdy rdzeń jest duży, skomplikowany albo trudny do odtworzenia. Nie zawsze będzie jednak właściwym rozwiązaniem. Przy poważnych uszkodzeniach konstrukcyjnych lub zmianie warunków pracy bezpieczniejsze może być zaprojektowanie nowej części.
Dobry wybór wynika z parametrów aplikacji
Poliuretan można dopasować do ścierania, uderzeń i drgań, ale wymaga to spojrzenia na cały układ, a nie tylko na jeden parametr materiału. Twardość, sprężystość, odporność na rozdzieranie, nagrzewanie dynamiczne i warunki środowiskowe powinny być analizowane razem z geometrią oraz sposobem zamocowania części.
Rozwiązania przeznaczone do konkretnych warunków eksploatacji opracowuje producent wyrobów z poliuretanu ASMA Poland, oferujący zarówno nowe części techniczne, jak i regenerację wybranych elementów. Przekazanie producentowi dokładnych danych o obciążeniach i dotychczasowym zużyciu ułatwia dobranie materiału, który odpowiada rzeczywistym wymaganiom maszyny.
Najlepszych rezultatów nie zapewnia więc automatyczny wybór najtwardszego poliuretanu, lecz świadome dopasowanie jego właściwości do dominującego mechanizmu zużycia. Takie podejście pomaga ograniczyć awarie, nieplanowane postoje i zbyt częstą wymianę części.
Artykuł sponsorowany
