Ferografická analýza - významná súčasť tribotechnickej diagnostiky

Popísané charakteristiky častíc sa menia okamžite po zmene režimu opotrebovania, takže blížiaca sa porucha môže byť monitorovaná omno­ho skôr ako inými diagnostickými metódami [1, 2]. Ferografia je technika aplikovaná na analyzovanie úlomkov, ktoré vznikli z opotrebovania povr­chov trecích dvojíc, ktoré sú obmývané mazivom. Po magnetickej separá­cii týchto častíc z maziva a zachytením na ferografickej stope sa pod mik­roskopom popisujú ich základné charakteristiky [3, 4]. Identifikácia častíc nachádzajúcich sa na ferografických stopách a ich priradenie konkrétne­mu druhu opotrebovania zariadenia je pomerne náročné, nakoľko reálne ferografické stopy obsahujú súčasne viac druhov častíc opotrebovania, čo je spôsobené súčasným pôsobením viacerých trecích mechanizmov v re­álnych tribologických sústavách [5, 6].
Ferografia je jednou z najdôležitejších metód na analýzu produktov opot­rebovania. Je to bezdemontážna diagnostická metóda, ktorá sa využíva na určenie režimu opotrebovania sledovaného zariadenia. Využíva mazi­vo ako zdroj informácií o dejoch a zmenách v sledovaných zariadeniach. Podstatou tribotechnickej diagnostiky je zistenie prítomnosti oterových častíc v olejovom systéme, stanovenie ich koncentrácie, počtu, geomet­rických parametrov a fyzikálnych a chemických vlastností mazív. [7] Pre­to využíva na tieto zistenia veľké množstvo metód, medzi ktoré patrí aj ferografia. Na odhalenie vznikajúcej poruchy už počas jej pôsobenia a na uskutočnenie opatrení, skôr ako nadobudne stav stroja havarijný charak­ter, existujú tzv. diagnostické signály. Diagnostické signály umožnia pri vhodnom výbere ukazovateľa a kontrolného časového intervalu priebež­ne charakterizovať technický stav príslušného uzla. [8]
Cieľom využitia metód tribotechnickej diagnostiky je poskytnúť správ­ne informácie na:
• zistenie abnormálneho opotrebovania, ktoré bezprostredne predchá­dza poruche,
• diagnostikovanie druhu, miesta a mechanizmu opotrebovania, ako aj jeho progresívnosti,
• predpovedanie stavu stroja alebo uzla a
• rozhodnutie o potrebe údržby alebo opravy.
Odhaduje sa, že 80 – 90 percent strojov sa vyraďuje z prevádzky kvôli škodám z opotrebovania, pričom sa opotrebúvavajú iba tenké povrchové vrstvy. Zlyhanie valivých ložísk v modernej leteckej technike je na 85 per­cent podmienené zlyhaním tribotechniky. Čím dlhodobejšie sa sleduje motor, tým presnejšia a lepšia je diagnostika stavu opotrebovania. Uve­dený problém riešený v článku je výsledkom každodenných tribotech­nických analýz. Hlavnou úlohou tribotechnického hodnotenia vzoriek olejov je sledovanie aktuálneho stavu motorov ale aj zabezpečenie ich bezpečnosti a bezporuchovej činnosti.
MATERIÁL A METÓDY
Ferografická súprava sa skladá z analytického ferografu REO 1 (obr. 1) a bichromatického mikroskopu ZEISS Axiolab (obr. 2) s využitím vide­okamery s pripojením na osobný počítač vybavený softvérom na spra­covanie snímaného obrazu. Súčasťou analytického ferografu je posuvný piest so štandardnou rýchlosťou posuvu na zabezpečenie plynulého to­ku oleja tak, aby na podložku dopadala jedna kvapka za cca jednu mi­nútu [9]. Analytický ferograf bol použitý na prípravu ferografickej stopy, ktorá sa vytvára na priehľadnej polyetylénovej podložke (obr. 3) zachyte­ním častíc vzniknutých z opotrebovania. Po vysušení ferografickej stopy, sa PE podložka rozdelí a umiestni do rámčeka diapozitívu pre lepšiu ma­nipuláciu pod mikroskopom a pre ďalšie uskladnenie (obr. 3). Princíp za­chytenia produktov opotrebovania na polyetylénovej podložke za vzniku ferografickej stopy je založený na magnetickej separácii častíc zo vzor­ky pracovnej kvapaliny, ktorá rovnomerne dopadá na podložku, pod kto­rou sa nachádzajú už spomínané magnety. Pomocou pôsobenia magne­tického poľa s klesajúcim gradientom intenzity v smere toku kvapaliny sa častice, nachádzajúce sa v analyzovanej kvapaline, usadzujú na podložke v miestach daných ich veľkosťou a magnetickými vlastnosťami. Vzorka oleja steká po priehľadnej fólii, ktorá je umiestnená pozdĺžne na dvoch magnetoch v dĺžke cca 60 mm, vzdialených od seba 3 mm a so sklonom 12° v smere toku oleja.
Morfológia častíc zachytených na ferograme je pozorovaná pod optickým bichromatickým mikroskopom ZEISS Axiolab s celkovým zväčšením 100, 200 a 500 krát. Súčasťou mikroskopu je videokamera SONY CCD IRIS, ktorá je prepojená s monitorom Trinitron Sony a zabezpečuje prenos ob­razu do PC. PC je vybavený meracím programom ATLAS, v ktorom je možné uložiť obraz pozorovaný pod mikroskopom a pomerať rôzne pa­rametre zachytených častíc.

EXPERIMENTÁLNA ČASŤ
Pripravené ferografické stopy boli pozorované pod bichromatickým mik­roskopom, to znamená že na identifikáciu častíc boli použité dve osvet­lenia, a to zhora bolo osvetlenie s červeným filtrom a zdola s filtrom ze­leným. Na začiatku analýzy sa pozorujú úlomky opotrebovania pod 100-násobným zväčšením, aby bolo možné zistiť intenzitu zanesenia sto­py. V druhom kroku sa 200-násobným zväčšením prezrela vstupná ob­lasť, čiže miesto vtoku oleja na podložku. Je to miesto, kde je najväčšia pravdepodobnosť zachytenia najväčších magnetických častíc a ďalších, menších častíc. Ich prítomnosť je zaznamenaná a sú popísané čo do veľ­kosti a tvaru. Potom sa prezerá stredná časť ferogramu, na ktorej sa zvy­čajne nachádzajú menšie magnetické častice a nemagnetické častice rôz­nej veľkosti, od niekoľko jednotiek mikrometrov do niekoľko desiatok mikrometrov. V prípade, že sa na začiatku stopy nachádzalo väčšie množ­stvo častíc a prípadne aj väčších rozmerov, boli aj v strednej časti pozoro­vané väčšie častice ako je to bežné. Poslednou oblasťou ferogramu, kto­rá je sledovaná, je oblasť výstupu oleja z podložky a nachádzajú sa tam častice submikroskopických rozmerov, vo väčšine prípadov je táto oblasť prázdna.

Identifikácia častíc, nachádzajúcich sa na ferograme a ich priradenie kon­krétnemu druhu opotrebovania motora, bola zabezpečovaná za pomoci programu ATLAS, modul Vega na spracovanie obrazu po jeho prenese­ní kamerou na monitor počítača. Panel Measurement Toolbox (obr. 4a) umožňuje odmeriavanie rôznych rozmerov častice v aktívnom obraze.
Na merania je k dispozícii sada meracích a pomocných objektov. Každý objekt má svoju identifikačnú značku, ako je uvedené na príklade v ta­buľke dole.
Modul Toolbar umožňuje ukladať (zväčšovať, zmenšovať), listovať a pre­zerať obrázky vo vytvorených albumoch. Pomocou nasledujúceho modu­lu (obr. 4b) sa zobrazí Histogram obrazu. Pri 24-bitových obrazoch typu true Color sa zobrazí každý farebný kanál zvlášť. Aplikácia Image Opera­tion Toolbox umožňuje 3D náhľad. 3D náhľad je tvorený pomocou jasu zo šedo tónového obrázku. Rozmer v Z-osi je úmerný intenzite jasu v da­nom bode. Taktiež umožňuje skladanie rovín, binárne operácie s obráz­kami, rozklad obrazu na zložky, skladanie obrazov zo zložiek a tvorbu 3D náhľadu.
Jednotlivé operácie v ponukách programu Atlas umožňujú napr. dva ob­rázky sčítať, odčítať, násobiť, deliť. Ďalej je možné určiť rozdiel, mini­mum, maximum alebo maskovať jeden obraz druhým.

SPRACOVANIE FEROGRAFICKÝCH ANALÝZ
Výsledkom ferografickej analýzy je určenie konkrétneho druhu opotre­bovania, podľa identifikovaných charakteristík častíc zachytených na fe­rografickej stope. Pre definovanie druhu opotrebovania sa posudzujú na­sledovné charakteristiky izolovaných častíc opotrebovania: v prvom rade je to umiestnenie častice na ferograme, ďalej umiestnenie jej hlavného rozmeru vzhľadom k toku oleja, prípadne k smeru magnetických siločiar a v neposlednom rade tvar a povrch častice. Analyzovaním vzoriek odo­beraných počas prevádzky leteckých motorov bol spracovaný atlas častíc, ktorý obsahuje reálne fotografie ferografických stôp obsahujúcich repre­zentatívne častice vzoriek olejov. Na základe hodnotenia spomínaných charakteristík častíc boli popísané typické častice pre nasledujúce štyri základné druhy opotrebovania.
ADHEZÍVNE OPOTREBOVANIE
Produkty adhezívneho opotrebovania vznikajú ako dôsledok normál­neho klzného opotrebovania v stroji. Prejavujú sa ako tenké doštičky veľkosti (5 až 15) μm v hlavnom rozmere, majú hladký a lesklý povrch. Ak je týchto častíc málo tak na ferografickej stope nevytvárajú retiazky (obr. 5a), ale ak ich je viac, tak vytvárajú retiazky, čiže spájajú sa v smere magnetických siločiar (obr. 5b).

ABRAZÍVNE OPOTREBOVANIE
Produkty abrazívneho opotrebovania vznikajú prienikom jedného tvrd­šieho povrchu do druhého mäkšieho, výsledkom čoho je vznik častíc po­dobných trieskam, vytvárajúcich sa pri obrábaní. Veľkosť týchto častíc v hlavnom rozmere je (20 až 100) μm. Proces rezného opotrebovania v stroji nie je normálny. Prítomnosť triesok a ich množstvo musí byť sle­dované. Pri narastajúcom počte častíc abrazívneho opotrebovania o veľ­kosti 50 μm a viac, hrozí porušenie niektorej časti systému (obr. 6).

ÚNAVOVÉ OPOTREBOVANIE
Pri nadmernom zaťažení ložísk vznikajú únavové a sférické častice. Úna­vové častice signalizujú že dochádza ku skutočnému odstráneniu mate­riálu vydrobením, alebo sa začalo jeho odlamovanie. Takéto častice do­sahujú veľkosť až 100 μm. Tvar týchto častíc je nepravidelný, s hladkým povrchom (obr. 7).
Sférické častice vznikajú väčšinou z únavových trhlín a ich prítomnosť signalizuje začínajúce problémy ložiska, nakoľko sa v pracovnej kvapaline objavujú skôr ako únavové častice. Priemer týchto guľôčok je (2 až 5) μm, na ferografickej stope bývajú náhodne umiestnené (obr. 8). Identifikácia väčšieho množstva týchto častíc v zornom poli mikroskopu je zreteľným signálom blížiacej sa poruchy valivého ložiska.

 

ŠMYKOVÉ OPOTREBOVANIE
Nadmerné šmykové opotrebovanie vzniká, keď povrchový tlak v dô­sledku vysokého zaťaženia alebo rýchlosti (prípadne obidvoch) prekro­čí kritickú hodnotu. Ak tlaky pôsobiace na povrch ďalej rastú, dochádza k úplnému odlúpnutiu povrchu a na ferografickej stope sa objavia časti­ce kritického opotrebovania. Častice vznikajúce pri tomto druhu opotre­bovania majú rovné hrany a ryhovaný povrch v dôsledku kĺzania (obr. 9). Veľkosť týchto častíc je (30 až 100) μm.

VYHODNOTENIE A DISKUSIA
Štúdiom a popísaním už spomínaných charakteristík častíc a následným určením typických druhov opotrebovania pre letecké motory v prevádz­ke je možné definovať režim trenia a opotrebovania trecích dvojíc týchto motorov. Výsledkom tohto štúdia je určenie režimu opotrebovania maza­cieho systému pomocou troch úrovní, a to normálny, rizikový a kritický režim opotrebovania. Tieto úrovne boli definované na základe zistených skutočností vo vzorkách olejov počas prevádzky motorov.
Normálny režim opotrebovania je definovaný prítomnosťou adhezívnych častíc na ferograme, ktoré nevytvárajú retiazky a aj prítomnosťou abra­zívnych častíc veľkosti (20 až 30) μm.
Rizikový režim opotrebovania je definovaný adhezívnymi časticami, kto­ré už vytvárajú retiazky, ďalej prevažne tenkými abrazívnymi časticami veľkosti viac ako 50 μm a tiež únavovými časticami do veľkosti 50 μm.
Kritický režim sa prejavuje nielen vytvorenými retiazkami častíc, ale hlav­ne prítomnosťou hrubých abrazívnych častíc veľkosti až 100 μm, sféric­kými časticami zvyčajne veľkosti do 5 μm a šmykovými časticami veľko­sti 100 μm a viac. Definovanie týchto úrovní opotrebovania umožňuje jednoduchšiu a presnejšiu orientáciu pri zisťovaní režimu opotrebova­nia a rýchlejšiu následnú diagnostiku stavu motora, prípadne zistenie vy­víjajúcej sa poruchy.
ZÁVER
Posudzovanie stupňa opotrebovania motorov pomocou analýzy častíc, ktoré vznikli z opotrebovania trecích dvojíc motora sa úspešne využíva v mnohých odvetviach diagnostiky stavu strojov. V príspevku je vypraco­vaný postup ferografickej analýzy so zameraním na oleje leteckých mo­torov. Ferografická súprava, ktorá bola popísaná v príspevku, pozostáva z ferografu a bichromatického mikroskopu a umožňuje rýchly prístup k informáciám o podmienkach práce trecích dvojíc motora, ktoré vedú k vzniku produktov opotrebovania. Výsledkom ferografických analýz je popis režimu trenia a opotrebovania na základe magneticky zachytených produktov opotrebovania, ktoré charakterizujú daný druh opotrebova­nia. Ferografickými analýzami boli identifikované štyri typické druhy opotrebovania, ktoré sa prejavujú v pracovných kvapalinách mazacích systémov leteckých motorov. Sú to produkty adhezívneho, abrazívneho, únavového a šmykového opotrebovania.
Podľa zastúpenia a intenzity daných druhov opotrebovania boli defi­nované jednotlivé režimy opotrebovania, ktoré charakterizujú stav tre­cích dvojíc motorov pomocou troch úrovní. Ide o normálny režim opot­rebovania, ktorý je bežný a prijateľný pre prevádzku leteckých motorov a vyskytujúce častice sú normálne. Rizikový režim opotrebovania hovo­rí, že mazací systém motora je potrebné nejakým spôsobom kontrolovať a hľadať možné miesta vzniku problémov a teda pokúsiť sa predísť sta­vu poškodenia alebo poruchy stroja. Pri zistení kritického režimu trenia a opotrebovania je možné predpokladať, že už došlo k poškodeniu niek­torej mechanickej časti motora a je potrebné zastaviť prevádzku a urobiť vizuálnu kontrolu (endoskopiu) ak je to možné, alebo inú diagnostickú kontrolu systému, napríklad vibrodiagnostiku, hlavne ak ide o poškode­nie rotujúcich častí. V takom prípade je veľmi pravdepodobné, že aj vý­sledky ostatných tribodiagnostických skúšok budú prejavovať nadmer­né hodnoty, ako napríklad množstvo častíc, koncentrácia konštrukčných prvkov poškodeného systému a podobne.
Cieľom rozvoja a využitia spomínaných techník je odhaliť možné poško­denie počas jeho vývoja a uskutočniť opatrenia skôr, ako dôjde k závaž­nej poruche. V diagnostike je veľmi dôležité venovať pozornosť aj ďalším informáciám o prevádzke. Vypracovať určenie konečného stavu motora, popísať procesy prebiehajúce v motore rovnako pri jeho normálnom fun­govaní, ako aj počas vývoja nejakej poruchy.

LITERATÚRA:
[1] ROYLANCE, B. J. – HUNT, T. M.: The wear debris analysis handbook. Oxford, UK: Coxmoor Publishing Company; 1999.
[2] BLAŠKOVIČ, Pavel – BALLA, Jozef – DZIMKO, Marián: Tribológia. 1. Vyd. Bratislava: ALFA, 1990. 361 s. ISBN 8005006330
[3] GOVINDARAJAN, N. – GNANAMOORTHY, R.: Ferrography – A procedure for measuring wear rate. In: Indian Journal of Engineering &Materials Science. Vol. 15, October (2008), p. 377 – 381.
[4] LAGHARI, S. Mohammad – MEMON, A. Qurban – KHUWAJA, A. Gulzar: Knowledge Based Wear Particle Analysis. In: International Scholarly and Scientific Research & Innovation 1(12) 2007, p. 892 – 896.
[5] RAADNUI, Surapol: Wear particle analysis – utilization of quantitative computer image analysis: A review. In: Tribology International. Vol. 38, (2005), p. 871 – 878.
[6] LEAVERS, Violet: New Advances in Wear Debris Analysis. In: Machinery lubrication. August (2012) http://www.machinerylubrication.com/Read/29029/new-advances-inwear-debris-analysis
[7] MAJDAN, R. – TKÁČ, Z. – ŠEVČÍK, P. – DRABANT, Š. – JÁNOŠÍK, Š.: The Test of Hydrostatic Pump and Hydraulic Fluids by Department of Vehicles and Heat Devices. In Interfaces'08. Sopron: Slovnaft a.s. Member of the MOL Group, 2008, s. 152 – 159.
[8] EBERSBACH, S. – PENG, Z. – KESSISSOGLOU, N. J.: The investigation of the condition and faults of a spur gearbox using vibration and wear debris analysis techniques. In: Wear. Vol. 260 (2006), p. 16 – 24
[9] SEJKOROVÁ, M.: Metody tribotechnické diagnostiky. Učební opora. Ostrava: VŠB-TU, 2013. 111 s. ISBN 978-80-248-3280-7

TEXT/FOTO RNDR. JANKA MIHALČOVÁ, PHD., DOC. ING. MIROSLAV RIMÁR, CSC., TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, FAKULTA VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ, KATEDRA PROCESNEJ TACHNIKY