1971 Truscott A literature survey on abrasive wear in hidraulic machinery.pdf

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UMA PESQUISA DE LITERATURA SOBRE USO ABRASIVO EM MÁQUINAS HIDRÁULICAS *
RESUMO
A pesquisa considera os fatores que afetam o desgaste abrasivo - as propriedades das partículas sólidas, os materiais de construção e o fluxo - e vários tipos de desgaste. As principais fontes de informação são de ensaios laboratoriais de desgaste em materiais e bombas, e de experiência de serviço em bombas e turbinas de água. Os efeitos do desgaste no desempenho e na vida útil também são discutidos. Finalmente, os principais pontos emergentes da pesquisa estão listados.
1. INTRODUÇÃO
Existe uma demanda crescente tanto para bombas como para turbinas de água que precisam lidar com sólidos abrasivos em suspensão. Este requisito pode ser tanto por designas em bombas para esgoto, dragagem ou qualquer outra aplicação de transporte de sólidos - ou padrão, por exemplo, Qualquer esquema envolvendo rio, drenagem de terras ou águas glaciais. Em ambos os casos, o desgaste resultante é um problema crescente, particularmente com a tendência de velocidades de funcionamento mais elevadas.
Esta pesquisa destina-se a fornecer uma melhor compreensão dos fenômenos de desgaste abrasivo, e como uma ajuda para a seleção de materiais. Deve ser enfatizado, no entanto, que a pesquisa foi limitada apenas ao desgaste abrasivo; Outros fatores importantes que afetam a escolha final do material para qualquer aplicação, como erosão por corrosão e cavitação, não são cobertos, exceto quando essas propriedades são mencionadas para comparação em um relatório específico. Além disso, apenas são considerados os aspectos do design da máquina que afetam o desgaste, em vez da capacidade de manipulação de sólidos mais geral, e. Max. Tamanho do sólido a ser passado.
A quantidade de informações publicadas, cobrindo nos últimos 20 anos, não é grande - existem apenas 38 referências - e quase todo o trabalho original é de fontes continentais. Os dados podem ser convenientemente divididos em 3 grupos principais, juntamente com as referências mais abrangentes e úteis, da seguinte maneira:
(A) Testes de desgaste em materiais - Wellinger ', Stauffer'
(B) Testes de desgaste em bombas-Zarzycki3
(C) Experiência de serviço em bombas-Bergeron4 sobre manuseio geral de sólidos, Welte [5] sobre dragagem, Warman em areias e cascalho, Bezinge 'em bombeamento de armazenamento; E Bovet 'e Kermabong em turbinas de água.
Algumas tentativas de análise teórica de desgaste também foram feitas, nomeadamente por Bergeroni 10 e 11. A maior parte da experiência de serviço diz respeito a bombas, mas parece provável que ocorrem processos de desgaste semelhantes em ambos os tipos de máquinas hidráulicas. Testes quantitativos de desgaste em bombas são poucos - apenas dois jornais poloneses e um russo foram descobertos.
A pesquisa considera os fatores que afetam e os tipos de desgaste e, em seguida, lida cada um com mais detalhes. Finalmente, são discutidos os efeitos do desgaste no desempenho e na vida profissional.
2. FATORES QUE AFETAM E TIPOS DE DESGASTE
A maioria das referências lidam com esses tópicos em detalhes variados.
2.1. Fator básico que afeta o desgaste
Estas são as várias propriedades de:
(1) Partículas sólidas, dureza, tamanho, forma (isto é, nitidez), densidade relativa, concentração, 2,4 ~ 5 * 10-13.
(2) Materiais de construção - composição. Estrutura, dureza '- 5,7 -', '2 - 14.
(3) Velocidade de fluxo, ângulo de impacto '~ 2 ~ 4-6.s.10.11.13. Somente as referências mais detalhadas estão listadas acima.
2.2. Tipos de desgaste
Estes também são discutidos em muitas das referências. Nos testes de materiais, a Wellinger 'distingue entre desgaste deslizante, "esfregando" e desgaste do impacto do jato (areia). Stauffer2 sugere que o "pastejo" (ou seja, 0 "ângulo de impacto) abrasão abrasiva predomina em máquinas hidráulicas. Em documentos sobre análise de desgaste (ver Seção 2.3), tanto Bergeron ', l 1 quanto Bitter' 5 também tentam separar o desgaste devido a fricção (ou corte) e impacto (ou deformação); Bergeron sugere como esse mecanismo de desgaste pode explicar o tipo típico de pitting (ou "gouging") de dano superficial encontrado na prática.
Experiência de serviço em bombas4,5 e turbinas de água, e testes de desgaste de bomba3, '3,' 6-1g, todos mostram padrões de desgaste típicos de impulsores, corredores e invólucros para vários tempos de funcionamento. Warman discute as diferenças no padrão de desgaste entre o seu design de bomba e o convencional, também mencionado por Warring "e Arnstein".
2.3. Teoria do desgaste
Vários autores, 2, 13, 22-25 dão expressões simples, com base nos resultados do teste de desgaste, para a taxa de desgaste em função da velocidade, dureza do material, tamanho do grão ou concentração de sólidos. O mais frequentemente citado é:
Desgaste (vel.)
Onde o índice n pode variar de acordo com o material e outros fatores envolvidos; O valor mais comum parece ser 2,13,24, 25. Deve notar-se que os testes de areia de Sandinger e os testes¹ de "braço giratório" de Goodwin23 foram realizados em condições secas; No entanto, embora as taxas absolutas de desgaste presumivelmente sejam maiores do que em um líquido, as taxas relativas devem ser semelhantes.
DESGASTA ABRÁSTICA EM MAQUINARIA HIDRÁULICA
Alguns analisadores mais detalhados 8, 10,11 e 15 consideram o desgaste afetado pelas forças e velocidades que atuam sobre uma partícula em um fluxo de líquido. Bovet8 afirma que usa ᴕ "poder abrasivo", Pf, de uma partícula que invade uma superfície, e
Onde p = coeficiente de atrito entre partícula e superfície, I / = volume de partícula, ps = densidade de partícula, p 1 = densidade de líquido, c = velocidade da partícula, R, = raio de curvatura da superfície.
Em uma análise muito mais envolvida, mas começando com a mesma suposição básica, Bergeron 1 l desenvolve uma expressão complicada baseada na afirmação:
Uso de diferença de densidade sólida / líquida x aceleração do fluxo principal x coeficiente de atrito x espessura da camada de partículas x velocidade do fluxo.
Ele, portanto, leva em conta a diferença entre as velocidades sólida e líquida. Seu artigo anterior "tenta prever as taxas de desgaste em bombas similares manipulando sólidos com propriedades variáveis, com suposições simplificadas, como o deslizamento puro das partículas sobre a superfície, a partir da expressão inicial
Onde U = velocidade característica do líquido,
P = densidade de partículas,
P = densidade de líquido.
D = diam. De partículas (assumidas esféricas),
D = dimensão característica da máquina,
P = no. De partículas / área de superfície da unidade,
K = coeficiente experimental dependendo da natureza abrasiva das partículas. Amargo ", em um estudo fundamental dos fenômenos de erosão - mas estritamente para condições secas - dá expressões para o desgaste de" corte "e" deformação ", também com base em considerações de energia e o tipo de material erodido, seja frágil ou dúctil.
Alguns autores [4 * '0 * 13 * 1Q] desenvolvem expressões para a vida útil da bomba. Bak13 e Bergeron [4 * "] consideram isso em termos de cabeça total da bomba para condições determinadas (ver Seção 6.2). Vasiliev'p dá um método um tanto envolvido, com base na análise estatística dos testes de desgaste da bomba, para prever a vida com base em um desgaste máximo permitido especificado.
Talvez seja discutível se essas teorias mais complexas podem ser usadas para prever taxas de desgaste absolutas com qualquer dúvida; A maioria envolve constantes empíricas e outros parâmetros difíceis de determinar para uma máquina real. Na verdade, Bergeron [loT1 l] admite que alguns dos pressupostos feitos podem ser questionáveis. No entanto, tais teorias têm algum valor na previsão de tendências prováveis nas taxas de desgaste quando apenas um ou dois dos fatores relevantes são alterados,
3. EFEITOS DAS PROPRIEDADES DE PARTÍCULAS ABRASIVAS
3.1. Dureza
Ambos os testes de laboratório de Wehinger [1] e Stauffer [4] mostram que, para os metais em geral, o desgaste aumenta rapidamente uma vez que adureza das partículas excede a do metal
FIG. 1. Efeito da dureza do grão de mídia abrasiva em aços e Vulkollan de testes de desgaste. Agua; Proporção de mistura de sólidos por volume. 1: l, velocidade da amostra de teste 6,4 m / conjunto; A faixa de dureza do aço é mostrada com cruzada. (H = 110 kg / mm 'para St37; H,. = 750 kg / mm * para C 60H). (De Wellinger e Uetz '.)
FIG. 2. Efeito da dureza abrasiva do abrasivo no desgaste direto do impacto dos testes de placa. Curvas para aços, borrachas e basalto fundido. Os intervalos de dureza para St37 (& = 125 kg / mm ') e C 60H (Ifr = 830 kg / mm ") são mostrados com cruzada. (De WeLinger e Uetz '.)
FIG. 3. Efeito de Vickers Dureza dos meios de abrasão no fator de resistência.
FIG. 4. Efeito da forma de grão de abrasivo no desgaste direto do impacto. Testes de placa com pressão de explosão de 2 atmosferas: área em branco para "tiro" arredondado, área sombreada para "tiro angular" com tamanho de grão de 1,6 mm e dureza de Vicker H ,, z 720 kg / mm '(de Wellinger e Uetz').
Tanto para a abrasão quanto para a abrasão do impacto. Além disso, a taxa de desgaste pode tornar-se bastante constante, ou mesmo reduzir, com o aumento da dureza abrasiva. Esses efeitos são mostrados nas Figs. 1, 2 e 3; Note que as taxas de desgaste podem ser expressas de várias maneiras, tanto absolutas como relativas. Stauffer observa que a resistência ao desgaste de um aço fundido de Cr 13% foi apenas ligeiramente melhor do que a do aço de referência "não ligado", enquanto que geralmente é consideravelmente melhor na prática; Ele sugere que isso pode ter sido devido à dureza excessiva do abrasivo de teste.
A partir de testes com vários graus de areia muito fina (<200 horas) em condições secas, Goodwin et al. 23 descobriram que a erosão variou como (dureza) 23 e dependia da quantidade de quartzo presente.
O comportamento de borracha é mais difícil de comparar com base em "dureza" relativa; Tanto as borrachas sintéticas "Vulkollan" quanto as Perbunan apresentaram taxas de desgaste de limpeza bastante constantes (Fig. 1), mas Perbunan comportou-se como os aços de referência nos testes de jateamento (Fig. 2) '. Tanto para desgaste como para desgaste direto, "Vulkollan" deu taxas de desgaste muito menores do que os aços, exceto com os abrasivos menos duros; As outras borrachas também foram melhores sob impacto direto (ou seja, 90 ').
3.2. Tamanho e forma do grão
Muitas das referências [2,4,5 ~ '1,13 ~ 17 ~ 18,2s5t] estado comeu que, em geral, a taxa de desgaste absoluto aumenta com o tamanho e a nitidez do grão. Outros autores ", [24] afirmam que usam o tamanho do cc para a abrasão deslizante ou de" pastagem ", mas é independente do tamanho para impacto direto; Os testes de Goodwin [23] mostram que a taxa de erosão para a abrasão do impacto torna-se constante apenas acima de um certo tamanho de grão (cerca de 50-100 horas, dependendo da velocidade). Stauffer [2] também afirma que o desgaste relativo (em comparação com o aço de referência) dos metais diminui com o aumento do tamanho, mas não dá resultados. Bergeron encontrou, a partir de testes em Al. Ir. Que usam cc (tamanho) 0,75, mas afirma que, para aplicação geral, use o tamanho cc x função do coeficiente de fricção, densidade e tamanho / razão de curvatura da superfície.
Wellinger 'mostra os efeitos da forma das partículas na abrasão do impacto na Fig. 4; Grãos angulares causam cerca de duas vezes o desgaste devido a arredondados. Goodwin23 também discute a erosividade das partículas e define um "fator de forma"; Ele afirma que dureza e nitidez estão inter-relacionados.
Os testes de desgaste de Wiedenroth17 * 18 em um impulsor de bomba de draga pequena, usando uma técnica de lacquerremoval, mostram diferenças no padrão de desgaste da lâmina dependendo do tamanho do grão (isto é, areia ou cascalho).
Para revestimentos de borracha, os efeitos de tamanho e forma são mais críticos que os metais. A maioria dos trabalhos de "experiência de serviço" em bombas mencionam alguma limitação; Os limites de tamanho real, variando de l / 16 in. (10 mesh) até 2 in., São citados nas Refs. 6,24-27. Dois documentos da Europa Oriental sobre os testes de desgaste da bomba indicam limites de 5-6 mm (cerca de $ in.) 12 e 4 mm (5/32 in.) 13. Outras referências4 * 5 * 20 * 28 apenas indicam que os sólidos não devem ser grandes ou afiados. O limite de tamanho depende em grande parte dos tipos de abrasivos e borrachas.
3.3 Concentração e densidade da mistura
Há surpreendentemente pouca informação quantitativa sobre o efeito da concentração de sólidos. É geralmente aceito que o desgaste aumenta com o nível de concentração 4,11,13,19,22,24,25. Alguns autores3, XS consideram este relacionamento como direto. Bergeron ", de testes em Al. Br., Sugeriu que isso se aplica apenas a pequenas quantidades de sólidos, mas para maiores valores, o desgaste aumenta mais lentamente; Sua teoria afirma que usar x no. De área de superfície de grãos / unidade, isto é, depende da concentração e do padrão de fluxo. Os testes de impacto de jato Kozirev "mostram a concentração de desgaste x, até 10% de sólidos, para a abrasão pura, mas isso não se aplica mais para cavitação / abrasão combinada. Do único teste de bomba para considerar este aspecto, Vasiliev "conclui que use x (concn.)". X2. Independentemente do material ou propriedades de fluxo, para misturas de areia / água entre 3 e 150 /, por volume.
Wellinger 'dá resultados de desgaste deslizante para relações água / areia de 0 a I; 1; Seus testes de desgaste foram realizados com uma mistura de areia / água constante l / l por volume, enquanto Stauffe? Usou uma mistura de 2 / l. Para os testes de bomba polonesa, Bak '"menciona uma relação areia / água l / 3, mas nenhuma figura é citada por Zarzycki3. Ambos Bovet8 e Bergeronr "," dão expressões (ver Seção 2.3) para uso dependendo da diferença de densidade entre sólidos e líquidos, variando diretamente ", se outros fatores permanecem constantes ou como uma função mais complicada".
4.2. Dureza
Em termos muito gerais, a resistência ao desgaste de metais ferrosos tende a aumentar com dureza ', 2,' 4 * 29. Antunes e Youlden "afirmam que" a maioria dos testes "mostram uma variação quase linear, mas Stauffer * não encontrou uma relação direta entre eles; Bergeron4 também afirma que a dureza não é um critério de desgaste. Os resultados da Stauffer mostram a tendência geral, mas há uma grande dispersão, com alguns materiais mais difíceis que proporcionam fatores de resistência muito menores do que os mais suaves (ver Tabela I). Pode notar, no entanto, que os materiais mais resistentes ao desgaste, com R de 2,4 até 170, apresentaram valores de dureza variando de 600 a 2450 HV (dureza Vickers). Mesmo uma tendência não parece existir para as ligas de cobre; A resistência dos bronzeados é quase constante, independentemente da dureza. Wellinger 'dá taxas de desgaste para um número limitado de aços com uma faixa de dureza de 110 a 850 HV, tanto de testes de desgaste quanto de desgaste (ver Figuras 5 e 6, respectivamente). O papel russo14 em aços de turbina de água recomenda valores de dureza de pelo menos 375-400 HB (Densidade Brine11), e também observa o aumento da microdureza de 241 a 412 HB devido ao endurecimento do trabalho de um aço austenítico.
gama de dureza dos materiais do impulsor nos testes de bomba de Zarzycki3 variou de 80 a 540 HB; O mais resistente (alto Cr C.I.) teve uma dureza de 328 HB,
FIG. 5. Efeito da dureza do aço no desgaste de limpeza com areia de quartzo. Rácio de mistura de água / sólidos por volume. 1: 1; Velocidade da amostra de teste 6,4 m / set. (De Wellinger e Uetz '.)
FIG. 6. Efeito 01 dureza do material no desgaste direto do impacto dos testes de placa. Pressão de explosão 3 atmos. (A) Curva para explosão com areia de quartzo (tamanho de grão 0,2-1,5 mm Dureza de Vicker, H, = 1290 kg / mm '); (B) curva para explodir com "shot" lançado no. 1 (l-l.5 mm, H, = 395-550 kg / mm *); (C) curva para explodir com "shot" lançado no. 7 (1,6 mmH, = 69G750 kg / mm '). As gamas de dureza dos tiros 1 e 7 são mostradas com um cruzamento. (De Wellinger e Uetz '.)
Enquanto o próximo melhor (baixo Cr C.I.) teve o valor muito maior de 516 HB, como mostrado na Tabela II. Os resultados de Bak'3 eram geralmente semelhantes, embora os materiais mais resistentes ("Ni-hard" e CrCI elevados) fossem, de fato, os mais difíceis de cerca de 800 HB.
Os valores de dureza que são citados para a produção de materiais de bomba variam de 400 a 650 HB ("especiais" ligas) para forros de bombas de draga americanas38, 34CL450 HB (Cr CI) para Allis-Chalmers pumps27, 550 HB ("N e duro") para Warman Bombas (de literatura de vendas) e 25 e 700 HB para várias bombas européias de manuseio de sólidos. 3. A mudança nos materiais de bomba de armazenamento, que as menções de Bezinge7 deram vida melhorada, significou um aumento na faixa de dureza de 180 a 200 HB (13% Cr / L% de aço inoxidável) a 23 e 300 HB (13% Cr / 4% Ni de aço inoxidável); Novos materiais de vedação de labirinto, ou aço "especialmente tratado" de 50 e 550 HB ou deposição de cromo duro de 650-700 HB também estão sendo usados.
5. EFEITOS DAS PROPRIEDADES DE FLUXO
5.1. Rapidez ; Limites de velocidade e cabeça
Os teores de desgaste mais diretos9r0 sugerem que use cc (ve1.) 3 ou cc (cabeça total) 3'2 se todos os outros fatores forem constantes (ver Seção 2.3.); Mesmo a expressão mais complexa de Bergeron, levando em conta a diferença de velocidade entre o fluido e a partícula, dá um resultado semelhante, desde que seja considerada a velocidade da partícula. A teoria de Bitter ", no entanto, considera o desgaste total como a soma da erosão" deformação "e" corte ", envolvendo tanto as propriedades do material quanto a velocidade, de modo que o desgaste não pode ser declarado como uma função simples da velocidade.
Os testes de materiais mostram alguma variação no índice de velocidade. Testes de sabotagem de Wellinger ", mostrado na Fig. 10, indicam que depende do material - para o aço (St. 37), o índice é 1,4 e para a borracha, 4,6. Stauffer 'descobriu que vestir aprox. Cc
(Vel.) 3, como mencionado por Worsterz4, e Bergeron "sugere que o índice é> i. Os testes de impacto do jato Kozirev ** mostraram que, para a concentração constante da mistura e sem cavitação, use = c (vel.) 2,2. GoodwinZ3 descobriu que usar T / (vcl.) '. "Para todos os materiais testados (tanto metais como plásticos) e para tamanhos de partículas> 125 / Lrn, em condições secas e a uma velocidade relativamente alta (até 1800 pés / segundo). Antunes e Youlden concluem com literatura de desgaste que para materiais dúcteis, desgaste aprox. #x (vcl.) "Se vel. <100 ft / seg, ou x (ve1.) 2 se vel. > 100 ftisec; Para materiais quebradiços. O índice pode ser maior.
Os testes de desgaste da bomba de Bak I3 também indicam que o desgaste x (vel.) 3; Os outros testes de bomba não investigam este aspecto. Muitas das referências de experiência de serviço5 * 6.20.2'.25-28.38 em bombas dão limitações de velocidade e / ou cabeça. Para as bombas de draga, as velocidades máximas da ponta do impulsor variam de 70 a 150 pés / segundo5,28,38 e cabeças máximas de 80 pés a quase 300 pés5,28; O tipo de revestimento ao qual esses limites se aplicam não está especificado especificamente em Refs. 5 e 28, mas provavelmente os limites inferiores referem-se a borracha. Para areias e bombas de lodo revestidas de metal, as cabeças máximas citadas variam entre 160 a 200 pés / estágio na versão genera120.2 "e com revestimentos" Ni-Hard "até 260 pés para as bombas Warman" Série A "(da tabela de seleção) 6 ou 320 pés para bombas Allis-Chalmers2 '. As bombas revestidas com borrachas têm limites muito mais baixos, e. Velocidade de ponta máxima de 70 pés / segundo * ', e 90-150 m. Máximo 12.13.20,21,25 cabeça (120 pés para bombas Wilkinson "Linatex" *). Os revestimentos cerâmicos também não são adequados
FIG. 7. Taxa de desgaste para chapas de aço St37. Testes de limpeza de areia por M. Gary. Material de jateamento: areia de quartzo de tamanho de grão 0,2-1,5 mm. V, taxa de desgaste de desgaste medida; Vi = V,. / Sinx, taxa específica de desgaste. (De Wellinger e Uetz '.)
FIG. 8. Diagrama do ângulo de impacto do desgaste / jato. Use curvas usando areia de quartzo (tamanho de grão 0,2 - I, S mm). (De Wellinger e Uetz '.)
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Para cabeças altas 5; O primeiro da nova gama Gould foi projetado para cabeça de 60 pés (140 pés na válvula de fechamento) 36. Warman também afirma que um design de velocidade específico menor para um determinado dever resulta em desgaste reduzido, embora mais pesado e mais caro, já que o periférico inferior As velocidades estão envolvidas em comparação com a N mais alta, alternativa.
5.2. Direção (ângulo de impacto); Projeto hidráulico
5.2.1. Ângulo de impacto
A teoria de Bovet8 resulta em desgaste dependendo do componente tangencial da velocidade da partícula, de modo que, à medida que o ângulo de impacto é aumentado, o desgaste é reduzido. A teoria mais simples da Bergeron aplica-se diretamente ao desgaste de deslizamento puro ("fricção"), mas o problema mais complexo trata do caso mais geral de impacto oblíquo (ver Seção 2.3). As expressões 5 de Bitter para o desgaste de corte e deformação implicam que o desgaste total depende dos componentes de velocidade normal e tangencial.
FIG. 9. Diagrama de ângulo de impacto do desgaste / jato. Use a gama de diferentes grupos de materiais usando areia de quartzo (tamanho de grão 0,2-1,5 mm). (De Wellinger e Uetz '.)
FIG. 10. Efeito da velocidade do ar no desgaste direto do impacto. Testes de placas com areia de quartzo (tamanho de grão 0,2-1,5 mm). M, curva inclinada. (De Wellinger e Uetz '.)
Mostra dos testes de areia de Wellinger, nas Figs. 7, 8 e 9, como o efeito do ângulo de impacto depende do tipo de material; Para aços e CL, as taxas de desgaste absoluto e relativo tendem a aumentar com o ângulo, atingindo um máximo entre 60 'e 90 ", enquanto que para as borrachas o reverso é verdadeiro (ver Seções 4.1.1 e 4.1.2). Stauffer ', Wiedenroth18 e Welte' todos os resultados de Wellinger's; Antunes e Youlden "também mencionam o efeito do ângulo de impacto.