Tribologisk karaktärisering avmejselbussning i hydraulhammare EXAMENSARBETE

EXAMENSARBETE

Tribologisk karaktärisering av mejselbussning i hydraulhammare

Staffan Björklund

2014

Sammanfattning

Genom ¨okad f¨orst˚aelse f¨or de tribologiska mekanismer som verkar mellan mejsel och bussning i en hyd- raulhammare kan man f¨orebygga dessa och d¨armed ¨oka livsl¨angden p˚a en komponent. I denna rapport presenteras examensarbetet ”Tribologisk karakt¨arisering av mejselbussning i hydraulhammare” vars syf- te ¨ar att utreda orsakerna till n¨otning samt f¨oresl˚a ˚atg¨arder till f¨orb¨attring. Det finns f˚a exempel p˚a detta specifika problem i litteraturen men n¨arliggande problem har studerats och egna prover och ana- lyser har genomf¨orts. Genom n¨otningsprover i labb har olika variablers inverkan p˚a friktion och n¨otning studerats. Proverna utf¨ordes med bitar fr˚an riktiga komponenter och f¨orh˚allandena har f¨ors¨okt ˚aterskapa verklig drift s˚a n¨ara som m¨ojligt. Det visade sig att en finare yta och h¨ogre temperatur leder till snab- bare sk¨arning medans en l¨angre slagl¨angd f¨orl¨anger tiden till sk¨arning. Analys i svepelektronmikroskop genomf¨ordes av provbitarna och av komponenter som n¨otts ut efter verklig anv¨andning. De slitna kom- ponenterna visade sp˚ar av plastisk deformation, delamination och adhesion. P˚a provbitarna ˚aterfanns adhesion och viss plastisk deformation. Det h¨oga yttrycket i kombination med h¨og adhesiv friktion samt ytans f¨orm˚aga att beh˚alla och f¨ordela sm¨orjmedel verkar vara kritiska faktorer f¨or n¨otning mellan kompo- nenterna. Olika ˚atg¨arder som skulle kunna f¨orb¨attra n¨otningsbest¨andigheten ¨ar att s¨anka yttrycket, hona bussningsytan och bel¨agga en eller b˚ada ytor med ett annat material alternativt tillverka bussningen i ett annat material ¨an st˚al.

F¨ orord

F¨oljande examensarbete utf¨ordes som avslutande del i utbildningen civilingenj¨or maskinteknik vid Lule˚a Tekniska universitet. Best¨allare ¨ar Atlas Copco Construction Tools i Kalmar och arbetet har i huvud- sak utf¨orts p˚a distans fr˚an Lule˚a Tekniska Universitet. Arbetet omfattar 20 veckors heltidsarbete under v˚arterminen 2014.

Jag vill f¨orst tacka Jens Hardell p˚a avdelningen f¨or Maskinelement som varit min examinator och bist˚att med mycket hj¨alp och kunskap under arbetets g˚ang. Framf¨or allt har Jens h¨alpt till med de praktiska och laborativa delarna av mitt arbete.

Jag vill ¨aven ge ett speciellt tack till H˚akan Andersson som varit min handledare p˚a Atlas Copco.

Tack vare en regelbunden korrespondens har H˚akan bist˚att med tekniskt kunnande som varit n¨odv¨andigt f¨or examensarbetet samt tillhandah˚allit provmaterial.

Sedan vill jag ¨aven tacka Conny Sj¨ob¨ack som ¨ar utvecklingschef p˚a Atlas Copco construction tools.

Conny var min f¨orsta kontaktperson i samband med att jag s¨okte arbetet och har ¨aven bidragit med hj¨alp under arbetets g˚ang.

Lule˚a 28-05-2014

——————————————————–

Staffan Bj¨orklund

Inneh˚ all

1 Inledning 3

1.1 Bakgrund . . . 3

1.2 Syfte . . . 4

1.3 M˚al . . . 4

2 Teori 5 2.1 Friktion i glidande kontakt . . . 5

2.2 N¨otning i glidande kontakt . . . 6

2.2.1 Adhesiv n¨otning . . . 6

2.2.2 Abrasiv n¨otning . . . 6

2.2.3 Tribokemisk n¨otning . . . 7

2.2.4 Kontaktutmattning/Fretting . . . 7

2.3 Materialval . . . 7

2.4 Ytbehandling . . . 8

2.5 Sm¨orjmedel - funktion och milj¨op˚averkan . . . 9

2.5.1 Olja . . . 9

2.5.2 Sm¨orjfett . . . 9

2.5.3 Solida sm¨orjmedel . . . 9

2.5.4 Additiv . . . 10

2.6 Friktion och n¨otning i bussningar - litteraturstudie . . . 10

2.7 Problemspecifik kunskap som saknas . . . 11

3 Metoder 13 3.1 Ber¨akning av kontakttryck . . . 13

3.2 F¨ors¨oksplanering . . . 15

3.3 Tribologiska tester . . . 16

3.4 Analys med Svepelektronmikroskop . . . 17

4 Nul¨agesanalys 19 4.1 Ber¨akning av kontakttryck . . . 19

4.2 Tribologiska tester . . . 23

4.3 Analys av n¨otningsskador . . . 30

5 Koncept av alternativ l¨osning 39 5.1 Benchmarking . . . 39

5.2 Konceptgenerering . . . 40

5.3 Geometri . . . 41

5.3.1 Roterbar bussning . . . 41

5.3.2 Kortare mejsel/l¨angre bussning . . . 41

5.3.3 Runda av kant p˚a bussning . . . 42

5.4 Sm¨orjning . . . 43

5.4.1 Milj¨ov¨anligt sm¨orjfett . . . 43

5.4.2 Solidsm¨orjmedel . . . 43

5.4.3 Filled for life . . . 43

5.5 Ytskikt . . . 43

5.5.1 Dep˚aer eller texturering av ytan . . . 43

5.5.2 Ytbel¨aggning av komponenter . . . 43

5.6 Material . . . 44

5.6.1 Solid brons . . . 44

5.6.2 Lindade fibrer . . . 44

5.6.3 Kompositstruktur . . . 44

6 Slutsats 45

Litteraturf¨orteckning 46

A Data fr˚an n¨otningstest 49

Tabell 1: Nomenklatur

Variabel Ben¨amning Enhet

b Linjebredd m

F_N Normalkraft N

l Linjel¨angd m

R₁ Radie p˚a mejselytan m

R₂ Radie p˚a bussningsytan m

v1 Poissons tal, mejselmaterialet - v2 Poissons tal, bussningsmaterialet - E1 Youngs modul, mejselmaterialet Pa E1 Youngs modul, bussningsmaterialet Pa

P Yttryck Pa

RA Reaktionskraft vid A N

RB Reaktionskraft vid B N

F Brytkraft vid mejsel N

L1 Kontaktytans l¨angd m

L1 Mejselns l¨angd m

Kapitel 1

Inledning

Detta f¨orsta stycke ger en introduktion till arbetet genom att beskriva bakgrunden och syftet samt listar de m˚al som inledningsvis satts upp. M˚alen har tagits fram i samr˚ad med handledare och examinator f¨or att arbetet p˚a b¨asta s¨att skall resultera i v¨ardefulla resultat.

1.1 Bakgrund

Atlas Copco Construction tools i Kalmar tillverkar hydraulhammare i olika storlekar som anv¨ands f¨or att bryta betong vid demoleringsarbeten eller stenar i till exemplel stenbrott. Hydraulhammaren ¨ar riggmon- terad och sitter p˚a armen av en gr¨avskopa eller liknande maskin. Basmaskinen f¨orser det hydraultryck som hammaren anv¨ander f¨or att generera slagenergi med. En kolv som sitter inuti hammarkroppen ac- celereras med hj¨alp av hydraultryck och sl˚ar sedan p˚a en mejsel som trycks mot den sten eller betong man vill bryta. Mejseln, som ¨ar tillverkad i segh¨ardat st˚al, fixeras av en bussning som ¨ar tillverkad i s¨atth¨ardat st˚al. Mejseln har vid anv¨andning en slagl¨angd p˚a 1-5 mm vilket ger en viss axiell r¨orelse relativt bussningen. Figur 1.1 visar en ritning av hydraulhammaren i genomsk¨arning.

Figur 1.1: Skiss p˚a Atlas Copco’s hydraulhammare [1]

F¨or att mejseln skall ligga an mot materialet man vill bryta s˚a trycker man ner hela hammaren med basmaskinens arm. Detta ger upphov till stora axiella krafter men ¨aven brytkrafter om mejseln trycks snett ned˚at. Dessa brytkrafter m˚aste tas upp av bussningen f¨or att h˚alla mejseln fixerad och som resultat uppst˚ar mycket h¨oga kontakttryck mellan mejsel och bussning. Detta h¨oga kontakttryck i kombination med den axiella r¨orelsen av mejseln ger upphov till kraftig n¨otning p˚a bussning och mejsel. I dagsl¨aget anv¨ands ett sm¨orjfett f¨or att sm¨orja kontaktytorna mellan mejsel och bussning men det ger ¨and˚a inte komponenterna det skydd man hade ¨onskat. Dessutom ¨ar fettet skadligt f¨or milj¨on och ett visst l¨ackage sker idag fr˚an systemet.

1.2 Syfte

Fr˚agest¨allningen som skall besvaras genom detta arbete ¨ar: Hur och varf¨or slits bussning och mejsel ut i dagens hydraulhammare? Genom att analysera komponenterna i dagens hydraulhammare kan man skapa en f¨orst˚aelse f¨or vilka slitagemekanismer verkar och om man vet det kan man f¨oresl˚a l¨ampliga ˚atg¨arder som f¨orb¨attrar komponenternas livsl¨angd och prestanda. Vidare s˚a vill man samtidigt minska eller eliminera anv¨andningen av milj¨ofarligt sm¨orjmedel. Om dessa problem ˚atg¨ardas korrekt blir resultatet en mer robust och uth˚allig produkt som dessutom ¨ar mer milj¨oanpassad.

1.3 M˚ al

Efter diskussioner med handledare fr˚an Atlas Copco identifierades f¨oljande m˚al med examensarbetet. De presenteras nedan i kronologisk ordning efter hur arbetet har utf¨orts.

1. En litteraturstudie om friktion, n¨otning och sm¨orjning i bussningar samt en benchmarking p˚a konkurrerande produkter.

2. En noggrann utredning av de f¨orh˚allanden som r˚ader i kontakten mellan mejsel och bussning p˚a dagens hydraulhammare. Denna utredning innefattar: temperatur, krafter, kontakttryck, friktion, sm¨orjning och n¨otning.

3. De viktigaste slitagemekanismerna som uppkommer i dagens komponenter identifieras och rang- ordnas efter deras relativa betydelse f¨or prestanda och livsl¨angd.

4. Ett antal koncept p˚a ny bussning som kan ¨oka livsl¨angden p˚a komponenterna och minskar eller eliminerar anv¨andningen av sm¨orjmedel alternativt anv¨ander ett mer milj¨ov¨anligt sm¨orjmedel.

Kapitel 2

Teori

De mekanismer som orsakar friktion och n¨otning ¨ar komplexa och p˚averkas av m˚anga olika faktorer. Det

¨ar d¨arf¨or sv˚art att f¨oruts¨aga friktion och n¨otning endast utefter en aspekt utan man m˚aste ist¨allet se till systemet som helhet [2]. Detta avsnitt beskriver teorin bakom friktion och n¨otning i en glidande kontakt samt de olika aspekter i ett tribosystem som p˚averkar. Friktion och n¨otning i bussningar har unders¨okts noggrannare genom litteraturstudie av relevanta artiklar.

2.1 Friktion i glidande kontakt

D˚a tv˚a ytor ligger emot varandra s˚a f¨ordelas inte kraften ¨over hela den nominella kontaktytan utan b¨ars ist¨allet upp av n˚agra f˚a kontaktpunkter som motsvarar en mycket liten del av arean. Detta sker eftersom att alla ytor har oj¨amnheter p˚a mikroskopisk niv˚a, s˚a kallade asperiteter, vars toppar kommer i kontakt med asperiteter i den motsatta ytan [2].

Friktion mellan tv˚a ytor uppkommer d˚a de asperiteter som ¨ar i kontakt med varandra binds ihop av interatom¨ara krafter liknande de krafter som h˚aller ihop atomerna inuti materialet. N¨ar man f¨ors¨oker bryta dessa kontakter skjuvas materialet och friktionen beror d¨arf¨or av storleken p˚a den reella kontakta- rean samt skjuvsp¨anningen mellan ytorna. Den reella arean beror av normalkraften d˚a ¨okad normalkraft ger st¨orre deformation i kontaktpunkterna samt att fler nya kontakpunkter bildas. Det beror ¨aven av ma- terialtes h˚ardhet d˚a ett h˚ardare material deformeras mindre vilket ger f¨arre och mindre kontaktpunkter [2]. Skjuvsp¨anningen beror p˚a hur starkt materialen i ytorna binder till varandra. Tv˚a ytor av samma sorts metall binder starkt till varandra medans tv˚a olika metaller eller metall + ickemetall ger svagare bindningar och d¨armed l¨agre friktion [3]. N¨ar tv˚a ytor glider relativt varandra kommer kontaktpunkter- na f¨orsvinna d˚a aspiriteterna glider is¨ar samtidigt som nya kontaktpunkter bildas n˚agon annanstans p˚a ytan, friktionskraften ¨ar d¨armed oberoende av glidhastigheten [2].

Figur 2.1: Stribeckkurva: a) gr¨ansskiktssm¨orjning, b) blandskiktssm¨orjning c) fullfilmssm¨orjning [4]

Om ytorna ¨ar separerade av en film med sm¨orjmedel s˚a sker ingen kontakt mellan materialen och frik- tion uppst˚ar ist¨allet p˚a grund av att sm¨orjmedlet skjuvas. Friktion vid smord kontakt ¨ar mycket mindre

¨an friktion vid torr kontakt eftersom sm¨orjmedlet har l¨agre skjuvmotst˚and ¨an materialet i sig. Ju l¨agre skjuvmotst˚and ett sm¨orjmedel har desto l¨agre ¨ar dess viskositet. Om hela lasten b¨ars upp av asperiteter- na ¨ar kontakten gr¨ansskiktssmord, om lasten b¨ars upp delvis av asperiteterna och delvis av sm¨orjmedlet

¨ar kontakten blandfilmssmord och om hela lasten b¨ars upp av sm¨orjmedlet ¨ar kontakten fullfilmssmord.

Sm¨orjmedlets f¨orm˚aga att separera ytorna beror p˚a flera faktorer varav de viktigaste ¨ar: last, relativ hastighet, viskositet och ytj¨amnhet [2]. Figur 2.1 visar den s˚a kallade stribeckkurvan som anger olika regimerna av sm¨orjning. Y-axeln visar friktions-koefficient och x-axeln visar viskositet*hastighet/last [4].

2.2 N¨ otning i glidande kontakt

N¨otningstakten hos en komponent kan variera ¨over dess livstid trots att faktorer som last och hastighet

¨ar konstanta. ¨Aven typen av n¨otningsmekanism kan ¨andras varteftersom ytan blir mer och mer skadad.

Oftast ¨ar n¨otningstakten inledningsvis h¨og under en ink¨orningsperiod och stabiliseras sedan p˚a en l¨agre niv˚a, detta kan f¨orklaras med att topparna p˚a aspititeterna trubbas av och orsakar mindre skada p˚a motytan. Efter en tid av konstant n¨otning kan ytan blivit s˚a skadad att nya mekanismer b¨orjar verka och n¨otningstakten accelereras d˚a igen tills dess att komponenten havererar [2].

Det finns flera olika n¨otningsmekanismer som kan uppkomma i en glidande kontakt som i detta fall en bussning, de viktigaste f¨orklaras kort nedan.

2.2.1 Adhesiv n¨ otning

Adhesiv n¨otning uppkommer genom att material i en kontaktpunkt f¨aster s˚a pass h˚art p˚a den mot- satta ytan att det skjuvas av fr˚an sin ursprungliga yta, se figur 2.2. Partikeln kan sedan sitta kvar p˚a den motsatta ytan eller lossna och r¨ora sig fritt mellan ytorna. Eftersom adhesiv n¨otning, precis som friktionskraft, uppst˚ar tack vare skjuvning i kontaktpunkter s˚a till¨ampas samma ˚atg¨arder f¨or att s¨anka dessa n¨amligen att v¨alja tv˚a icke-kompatibla material som inte vill binda till varandra samt att f¨ors¨oka separera ytorna med en sm¨orjfilm. Fenomenet med sk¨arning mellan tv˚a ytor ¨ar en form av adhesion d˚a tv˚a ytor ’svetsas’ dvs binder ihop p˚a en stor skala. Detta orsakar kraftig plastisk deformation och inneb¨ar ofta att komponenten blir obrukbar [3].

Figur 2.2: Adhesiv n¨otning [5]

2.2.2 Abrasiv n¨ otning

Abrasiv n¨otning inneb¨ar att oj¨amnheter i ena ytan sk¨ar eller plogar i den motsatta ytan. Abrasiv n¨otning uppkommer s˚aledes om den ena ytan ¨ar h˚ardare ¨an den motsatta (h˚ardhetsskillnaden > 20%) och speciellt

Figur 2.3: Abrasiv n¨otning, H1> H2 a) tv˚akropps-abrasion b) trekropps-abrasion [5]

2.2.3 Tribokemisk n¨ otning

Om kontaktytan ¨ar i en reaktiv milj¨o ¨ar risken stor f¨or att ytan oxiderar eller reagerar med andra

¨amnen i omgivningen. Metall oxiderar snabbare n¨ar det v¨arms upp och tribologiska system med h¨og v¨armeutveckling ¨ar d¨arf¨or speciellt utsatta. Oxidskikt ¨ar ofta tunna och spr¨oda och bryts snabbt bort n¨ar ytorna interagerar med varandra varp˚a nya skikt bildas. Om de bortn¨otta oxidpartiklarna ¨ar mjukare

¨

an basmaterialet s˚a kan de fungera som ett solidsm¨orjmedel och minska friktionen men om de ¨ar h˚ardare

¨an basmaterialet bidrar de ist¨allet till ¨okad abrasiv n¨oting. F¨or att minska tribokemisk n¨otning b¨or man s˚aledes str¨ava efter att skydda ytorna fr˚an kemiska reaktioner med omgivningen samt minska den mekaniska abrasiva n¨otningen [3].

2.2.4 Kontaktutmattning/Fretting

Utmattningssprickor kan uppst˚a p˚a eller under ytan p˚a materialet om upprepade cyckliska laster verkar p˚a ytan under en l¨angre tid. N¨ar utmattningssprickorna v¨axer kan hela stycken av ytan brytas loss vilket leder till f¨ors¨amrad prestanda p˚a komponenten och ¨okad n¨otningstakt, se figur 2.4. Utmattningssprickor uptr¨ader oftast vid rullande kontakt vilket inte ¨ar fallet med en bussning men det finns ¨aven en typ som uppkommer vid s˚a kallad ’fretting’. Fretting inneb¨ar att tv˚a ytor ¨ar station¨ara mot varandra men att ena ytan oscillerar med en amplitud som ¨ar mindre ¨an kontaktpunktens l¨angd. Den oscillerande ytan kommer d˚a att n¨ota kontinuerligt p˚a ett och samma st¨alle i motytan och successivt ’gr¨ava’ sig ner. Detta kan orsaka b˚ade utmattningssprickor och korrosion i kontaktpunkten [3].

Figur 2.4: Utmattningssprickor [5]

2.3 Materialval

Materialvalet ¨ar mycket viktig d˚a man vill hitta ett material som uppfyller b˚ade mekaniska och tribo- logiska krav. Mekaniska egenskaper ¨ar till exempel h˚ardhet, seghet och brottgr¨ans medans tribologiska egenskaper ¨ar friktionskoefficient och n¨otningstakt. Eftersom friktion och n¨otning beror av tribosyste- met som helhet s˚a vill man v¨alja en kombination av tv˚a ytor som tillsammans ger goda tribologiska egenskaper. Anton van Beek [3] ger en systematisk metodik f¨or materialval som beskrivs nedan:

Identifiera Systemet Vilken typ av komponent; rullager, kugg, glidlager? ¨Ar det glidande eller rullande kontakt? Hur ¨ar ytornas konformitet mot varandra? Vad ¨ar det f¨or last, hastighet etc.? Vad ¨ar det f¨or krav p˚a toleranser, friktion och livsl¨angd?

Materialvals-kriterier Vad ¨ar det f¨or tryck och temperatur i kontaktytan? Friktionskoefficient och n¨otningstakt f¨or en viss materialkombination? H˚ardhet, seghet och brottgr¨ans f¨or respektive ma- terial? Pris, tillg¨anglighet, tillverkning?

F¨orval av material och sm¨orjmedel V¨alj l¨ampliga kandidater av material och sm¨orjmedel f¨or till¨ampningen.

Overv¨¨ ag olika typer av material och ¨aven med olika ytbehandlingar. Det stora antalet m¨ojliga kan- didater kan begr¨ansas till en mer hanterbar m¨angd genom att konsultera experter och se till vad som har fungerat v¨al i liknande till¨ampningar.

Experimentuppst¨allning F¨or de flesta till¨ampningar brukar man kunna ˚aterskapa det kontaktfall som g¨aller verkligheten ganska v¨al i en vanlig tribotestrig. Att bygga en testrig enbart f¨or en till¨ampning

¨ar dyrt och tidskr¨avande. De olika materialkombinationerna och sm¨orjmedlen kan sedan testas och j¨amf¨oras systematiskt i avseende p˚a friktion och n¨otning. L¨angden p˚a testen kan varieras beroende p˚a hur l˚angt materialets ’ink¨orningstid’ ¨ar.

Utv¨ardering och val Dokumentera alla variabler av intresse s˚a som materialkombinationer, tider, sm¨orjning, friktion och n¨otning. D˚a alla experiment dokumenteras likv¨ardigt blir det sen enkelt att j¨amf¨ora och utv¨ardera resultaten.

Metallkombinationer som brons-st˚al ¨ar l¨ampliga f¨or till exempel glidlager d˚a det finns sm¨orjmedel i kontakten, om det av n˚agon anledning inte g˚ar att sm¨orja s˚a kan det vara b¨attre att anv¨anda polymerer eller keramer d˚a dessa ger l¨agre friktion vid torr kontakt [3]. Polymerer och keramer har dock andra begr¨ansningar som kan g¨ora dem till ol¨ampliga kandidater. Polymerer har l˚ag h˚ardhet och str¨ackgr¨ans och deformeras l¨att under h¨oga laster, de har ¨aven l˚ag sm¨altpunkt och expanderar snabbt d˚a de v¨arms upp. Keramer ¨ar mycket h˚arda men samtidigt sk¨ora och kan l¨att spricka vid mekaniska st¨otar [3].

En torr kontakt av tv˚a likv¨ardiga material ger h¨og adhesiv n¨otning, se stycke 2.2.1. Om man v¨aljer samma material till b˚ada ytor, till exempel st˚al-st˚al b¨or man d¨arf¨or applicera en sm¨orjfilm mellan ytorna och/eller ytbel¨agga n˚agon eller b˚ada ytorna [3].

2.4 Ytbehandling

Ytbehandling genomf¨ors f¨or att man vill kombinera de mekaniska egenskaperna hos ett basmaterial med de tribologiska egenskaperna hos ett ytskikt. Detta g¨ors genom att bearbeta basmaterialet i yt- skiktet, s˚a kallad ytomvandling, eller genom att tillf¨ora ett nytt ytskikt ovanp˚a basmaterialet, s˚a kallad ytbel¨aggning. Det finns en l˚ang rad bepr¨ovade tekniker f¨or ytbehandling som ¨ar bra i olika tribologiska system. Exempel p˚a ytomvandling ¨ar att deformera ytan plastiskt eller att tillf¨ora legerings¨amnen till ex- empel Karbonitrering och Nitrering. Exempel p˚a ytbel¨aggning ¨ar atomisk deponering genom f¨or˚angning eller i bad eller fullskiktsdeponering genom laserp˚asvetsning. Genom att skapa en ytfilm med ett ma- terial som har l˚ag skjuvsp¨anning mot motsatta ytan kan l˚ag friktion erh˚allas. Man kan ¨aven ge ytan en ny textur, till exempel med dep˚aer som br¨anns ut med hj¨alp av laser och h˚aller kvar sm¨orjmedel i kontaktytan [2] [6]. En n¨armare studie av hur dep˚aer i ytan kan p˚averka sm¨orjfilmsregimen ges av X.Lu och M.Khonsari [7].

2.5 Sm¨ orjmedel - funktion och milj¨ op˚ averkan

Sm¨orjmedel anv¨ands f¨or att separera tv˚a kontaktytor fr˚an varandra och p˚a s˚a s¨att s¨anka friktion och n¨otning. I stort sett alla r¨orliga delar i olika maskiner ¨ar smorda p˚a n˚agot s¨att eftersom torr kontakt ofta ger h¨og friktion [2]. De vanligaste sm¨orjmedlen ¨ar oljor, fetter och solida sm¨orjmedel, oftast tills¨atts

¨aven olika additiv f¨or att f¨orb¨attra tribologiska egenskaper.

P˚a senare tid har man b¨orjat intressera sig f¨or sm¨orjmedels milj¨op˚averkan d˚a mycket g˚ar f¨orlorat vid anv¨andning och hamnar ute i naturen. Med milj¨op˚averkan syftar man huvudsakligen p˚a biologisk nedbrytbarhet och eko-toxicitet. Nedbrytbarheten p˚averkas fr¨amst av vilken basolja som anv¨ands och eko-toxiciteten p˚averkas fr¨amst av vilka additiv som anv¨ands [8].

Det finns olika standarder f¨or vad som klassas som ett milj¨ov¨anligt sm¨orjmedel. Svensk Standard; SS 155434, beskriver milj¨okriterier f¨or hydraulv¨atska och hydraulolja, den anv¨ands av bland annat skogs- bruket i norden. I Tyskland finns Blaue Angel (Bl˚a ¨angeln) som ¨ar en generell milj¨om¨arkning av flera olika produkter, d¨aribland ¨aven sm¨orjmedel. Kriterierna f¨or Bl˚a ¨angeln h¨anvisas till en internationell standard ISO 15380 som g¨aller f¨or olika sm¨orjmedel, inklusive sm¨orjfett. Europeiska Unionen har ¨aven sin egen milj¨om¨arkning EU-ecolabel, som ¨ar en generell milj¨om¨arkning som ¨aven inefattar sm¨orjmedel och sm¨orjfett. Kriterierna f¨or EU-ecolabel har fastst¨allts i beslut av europeiska kommissionen [9].

De tv˚a olika sm¨orjmedel f¨or hyrdaulhammare som hittills tilldelats en milj¨om¨arkning (FRD Sencio White och Kajo Bio Meisselpaste) har b˚ada tilldelats EU-ecolabel.

2.5.1 Olja

Oljor finns i form av mineraloljor (petroleum), vegetabiliska oljor och syntetiska oljor. Mineralolja ¨ar billigt att framst¨alla och ¨ar det idag vanligaste alternativet, d¨aremot ¨ar det skadligt f¨or milj¨on och bryts ner mycket l˚angsamt i naturen. Vegetabiliska oljor framst¨alls fr˚an oljev¨axter som till exempel raps och ¨ar inte skadligt f¨or milj¨on, det har goda tribologiska egenskaper men det tenderar att ˚aldras snabbare ¨an en mineralolja och ¨ar ocks˚a dyrare. Syntetiska oljor framst¨alls genom att skr¨addarsy molekyler fr˚an mineral eller vegetabiliska oljor f¨or att passa s¨arskilda ¨andam˚al. De har ¨overl¨agsna tribologiska egenskaper men

¨ar ocks˚a v¨asentligt dyrare [3].

De st¨orsta nackdelarna med vegetabiliska oljor ¨ar att de ¨ar k¨ansliga f¨or hydrolys och oxidation samt att de har d˚aliga sm¨orjningsegenskaper vid l˚aga temperaturer. Dessa problem m˚aste kunna ¨overbyggas f¨or att vegetabiliska oljor skall bli anv¨andbara i m˚anga applikationer [10].

Det uppskattas att s˚a mycket som 50 % av allt sm¨orjmedel som anv¨ands i v¨arlden hamnar ute i naturen som ett resultat av spill och l¨ackage. Mer ¨an 95 % av dessa sm¨orjmedel ¨ar baserade p˚a mineralolja (2006) [10].

2.5.2 Sm¨ orjfett

Ett sm¨orjfett best˚ar av n˚agon typ av olja som f¨ortjocktas med ett bindmedel och anv¨ands vanligen n¨ar en kontinuerlig sm¨orjning inte kan erh˚allas. Sm¨orjfett ¨ar ett bra alternativ n¨ar det ¨ar sv˚art att uppn˚a fullfilmssm¨orjning eftersom det ¨aven fungerar bra vid gr¨ansskiktssm¨orjning. Det kan till exempel vara maskindelar som r¨or sig med l˚ag hastighet och med mycket start-stop under drift.

Vanliga bindmedel ¨ar matriser (tv˚alar) av Lithium, Kalcium eller Aluminium men det finns ¨aven andra bindmedel som polyurea och organo-lera [3]. Polyurea ¨ar en organisk elastomer som anv¨ands som f¨ortjockningsmedel till fett och ¨ar ett bra alternativ till tv˚al eftersom det ¨ar kemiskt stabilt och har ett stort temperaturintervall [11].

2.5.3 Solida sm¨ orjmedel

I till¨ampningar d¨ar det av olika anledningar ¨ar sv˚art att beh˚alla flytande sm¨orjmedel i kontakten eller d¨ar flytande sm¨orjmedel av annan anledning inte ¨ar l¨ampligt s˚a kan man ist¨allet anv¨anda solida sm¨orjmedel.

Solida sm¨orjmedel ¨ar fasta ¨amnen med en struktur av lager/lameller som enkelt skjuvas relativt varandra.

De vanligaste solida sm¨orjmedlen ¨ar M oS2, grafit, PTFE och h-BN. De solida sm¨orjmedlet kan antingen appliceras som ett pulver eller blandas i olja eller fett. D˚a ett solidsm¨orjmedel blandas med ett flytande s˚a b¨ar det flytande sm¨orjmedlet upp ytan men om sm¨orjfilmen kollapsar s˚a finns det solida sm¨orjmedlet d¨ar som ett reservskikt [3] [6].

2.5.4 Additiv

Additiv ¨ar olika ¨amnen som blandas i sm¨orjmedlet f¨or att f¨orb¨attra tribologiska egenskaper s˚a som viskositet, friktion, oxidation med mera [3].

Ett sm¨orjmedel kan inneh˚alla olika mycket additiv beroende p˚a i vilken till¨ampning den anv¨ands, fr˚an 1-2% upp till 30%. Den ¨overgripande insikten i hur de olika ¨amnena p˚averkar sm¨orjmedlets egen- skaper ¨ar ganska d˚alig och nya additiv utvecklas oftast genom ”trial and error”. Den exakta sam- mans¨attningen av ¨amnen ¨ar oftast en aff¨arshemlighet hos f¨oretaget som s¨aljer sm¨orjmedlet. Dessv¨arre s˚a

¨ar alla ¨amnen som anv¨ands i additiv mer eller mindre milj¨ofarliga [10]. I tabell 2.1 sammanfattas n˚agra vanligt f¨orekommande ¨amnen och deras relativa toxicitet vid vattenf¨ororening.

Tabell 2.1: Olika additiv och deras milj¨op˚averkan [10]

Additiv Amne¨ Toxicitet

Anti-wear additiv Zn dithiophosphate 2 (3)

Deaktivatorer f¨or CU, Zn Benzotriazoles 2

Antioxidanter BHT och fenoler 1

Alkylsubstituerat difenylamin 1

Korrosions skyddare Ester sulphonate 1

Succinic acid ester 1

Flytpunkts s¨ankare Malan styren copolymerer icke identifierat Polymethacrylates icke identifierat

Hydrolys skyddare Carbodimider icke identifierat

* 1-n˚agot skadlig, 2-skadlig, 3-mycket skadlig

2.6 Friktion och n¨ otning i bussningar - litteraturstudie

Sm¨orjfett ¨ar det dominerande sm¨orjmedlet f¨or bussningar under h¨oga laster d˚a det har b¨attre egen- skaper under gr¨ansskiktssm¨orjning och blandfilmssm¨orjning. L˚aga hastigheter och h¨oga laster g¨or att fullfilmssm¨orjning ¨ar sv˚art att uppn˚a, vidare s˚a tenderar den fram och ˚aterg˚aende r¨orelsen av axeln att gradvis trycka ut sm¨orjmedel ur kontakten [12] [13] [14].

A.Calabrese [15] har testat st˚al-bussningar under h¨oga laster och l˚aga hastigheter och drar slutsatsen att ytstrukturens f¨orm˚aga att h˚alla kvar sm¨orjmedel har stor inverkan p˚a bussningens livsl¨angd. Vidare minskar bussningens livsl¨angd drastiskt om den rekommenderade lasten ¨overskrids.

Hur komponenten ¨ar konstruerad spelar ocks˚a stor roll f¨or dess livsl¨angd d˚a man kan ’bygga’ bort h¨oga sp¨anningskoncentrationer och kontakttryck. R.S Colbert et al [16] har unders¨okt hur geometrin p˚a en bussning p˚averkar livsl¨angden och de fann att livsl¨angden ¨okade markant d˚a bussningen hade fasade eller rundade kanter j¨amf¨ort med n¨ar den hade skarpa kanter.

Brons-st˚al ¨ar en vanlig materialkombination f¨or bussning och axel som har anv¨ants i m˚anga ˚artionden.

Koppar-bly legeringar ¨ar mjukare och anv¨ands f¨or l¨attare applikationer medans koppar-aluminium och koppar-fosfor legeringar ¨ar starkare och anv¨ands f¨or tyngre applikationer [17].

St˚al ¨ar det starkaste material som brukar anv¨andas f¨or bussningar, materialkombinationen st˚al-st˚al ger dock h¨og adhesiv friktion och b¨or undvikas [18].

Flera forskningsarbeten har gjorts d¨ar bussning och axel testats i olika material och med olika sm¨orjmedel, ytbehandlingar, laster och s˚a vidare.

Till exempel har Z.Pawlak et al [19] visat att h-BN som ett additiv i fett ¨ar effektivt emot fret- tingskador i st˚albussningar. B.K Prasad [20] har testat talk och blypulver som solida sm¨orjmedel i bronsbussningar och funnit att l¨agst n¨otning erh˚alls d˚a b˚ade talk och blypulver anv¨ands tillsammans.

Bly ¨ar en mjuk metall som har goda tribologiska egenskaper och ofta anv¨ands i brons bussningar f¨or att f¨orhindra att metallytor sk¨ar. D¨aremot ¨ar bly skadligt f¨or milj¨on och inom till exempel bilindustrin f¨ors¨oker man ers¨atta bly med likv¨ardiga metaller. S.Kurimoto et al [21] har unders¨okt alternativ till bly i bussningar och anv¨ander en blandning av vismut, molybden-karbid och grafit och de har funnit att denna blandning har likv¨ardiga eller b¨attre tribologiska egenskaper i en rad olika test.

J.Campbell et al [14] presenterar n¨otningstester d¨ar de testat en karbonitrerad st˚alaxel mot bussningar i karbonitrerat st˚al, aluminiumbrons och ToughMet (15% Nickel, 8% tenn och 77% koppar). Testmilj¨on reflekterar milj¨on f¨or en maskin i gruvdrift. De testade ¨aven olika ytbehandlingar p˚a axel och bussning;

Thin Dense Crome plating (TDC) och Metalife Polymer. Genom tidigare tester [22] ¨ar det k¨annt att material kombinationen karobnitrerat st˚al - ToughMet ger den l¨agsta n¨otningen och karbonitrerat st˚al- karbonitrerat st˚al ger den h¨ogsta n¨otningen. I J.Campbells tester erh¨olls ¨an l¨agre n¨otning d˚a karbonitrerat st˚al med TDC och MLP kombinerades med karbonitrerat st˚al med TDC. ¨Aven i J.Campbells tester gav karbonitrerat st˚al-karbonitrerat st˚al ger den st¨orsta n¨otningen.

ToughMet omn¨amns ¨aven som ett l¨ampligt material f¨or tungt lastade bussningar i en artikel i Engi- neering & Mining Journal [18]. I artikeln f¨orklarar man hur man bytt ut bussningar p˚a en gruvmaskin fr˚an Mangan-m¨assning (C86300) till ThoughMet. De nya bussningarna visade ¨overl¨agsen n¨otningsbest¨andighet trots att kontakttrycket kunde uppg˚a till 0,7 GPa.

2.7 Problemspecifik kunskap som saknas

I befintlig litteratur finns mycket f˚a exempel p˚a forskning kring just hydraulhammarbussningar. Om det har utf¨orts forskning kring detta ¨amne s˚a ¨ar informationen skyddad av enskilda f¨oretag som valt att inte publicera den. Det finns flera exempel p˚a forskning kring axel och bussning kontakt vilket n¨amnts i f¨oreg˚aende kapitel men de flesta till¨ampningar [13]-[18] har en roterade r¨orelse ist¨allet f¨or en axiell. Vidare har samtliga bussning-axel kontakter som studerats ett l¨agre tryck ¨an det som r˚ader i hydraulhammarbussningen och d¨arf¨or ¨ar n¨otningsmekanismerna sannolikt annorlunda.

De flesta unders¨okta publikationer kring n¨otning mellan bussning-axel [13], [14], [17]-[22] studerar effekten av ett visst material eller ett visst sm¨orjmedel. Ingen har f¨ors¨okt identifiera samtliga variabler som p˚averkar friktion och n¨otning och rangordnat dessa vilket ¨ar ett av m˚alen i detta arbete.

Kapitel 3

Metoder

Arbetet med att analysera friktion och n¨otning i dagens komponenter ¨ar ett komplext problem och har d¨arf¨or angripits p˚a flera olika s¨att. I f¨oljande stycke beskrivs vilka metoder och tillv¨agag˚angss¨att som anv¨ants och varf¨or dessa ans˚ags l¨ampliga.

Utredningen av dagens komponenter gjordes med hj¨alp av tester och ber¨akningar s˚a som mikroskopi- unders¨okningar, n¨otningstester i labb och datorst¨odda ber¨akningar (FEM-analys). Arbetets tyngdpunkt har legat p˚a de friktion och n¨otningsprov som utf¨orts i tribolab p˚a LTU. Utveckling av nya koncept har utf¨orts i m˚an av kvarvarande tid efter det att slitaget i dagens komponenter utv¨arderats.

3.1 Ber¨ akning av kontakttryck

Ett f¨orsta steg ¨ar att identifiera vilka kontakttryck som kan uppst˚a mellan bussning och mejsel eftersom det p˚averkar storleken p˚a friktionskrafterna och sm¨orjningsregimen. Ber¨akningar utf¨ors med hj¨alp av CAD modeller och finita element metoden - FEM, det program som anv¨andes f¨or att g¨ora ber¨akningarna var NX-Nastran. CAD modeller av mejsel, bussning och hammarkropp fr˚an en hydraulhammare av modell SB 202 erh¨olls av Atlas Copco, se figur 3.1. SB 202 har en arbetsvikt p˚a 200 kg och en mejsel med 65 mm ∅.

Figur 3.1: CAD-modell av Atlas Copco’s hydraulhammare SB 202

F¨orst gjordes prov-ber¨akningar d¨ar olika parametrar varierades s˚a som elementstorlek, elementtyp, l˚asningstyp, diametralt spel mellan kontaktytorna och frikitonskoefficient i kontaktyta. D˚a gynnsam- ma ber¨akningsf¨orh˚allanden identifierats s˚a att resultaten blev konsekventa och av rimlig storleksord- ning utf¨ordes en rad tester med bussning och mejsel i kombination med hammarkroppen. M˚alet med ber¨akningsmodellen var att ˚aterspegla den verkliga applikationen s˚a n¨ara som m¨ojligt.

D˚a hydraulhammaren trycks snett ned˚at uppst˚ar brytkrafter som ger upphov till kontakttryck mellan mejsel och bussning. Den kraftkomposant som ¨ar vinkelr¨at mot mejseln ¨ar den kraft som appliceras p˚a ¨anden av mejseln i CAD programmet. Toppytan av hammarkroppen ¨ar l˚ast f¨or att representera

fastsp¨anning i basmaskin och en nod i ¨anden av mejseln ¨ar l˚ast i axiell riktning f¨or att f¨orhindra att mejseln glider ur bussningen, Se figur 3.2.

Figur 3.2: FEM-modell f¨or kontakttrycksber¨akning a) L˚asning av hammarkropp b) Brytkraft Kontaktytan mellan utsidan av mejseln samt de ytor inuti bussningen som ligger an mot mejseln ¨ar definierad med en ”Face Contact” f¨or att till˚ata relativ r¨orelse, se figur 3.3. ¨Aven bussningens utsida ¨ar fastsatt p˚a insidan av hammarkroppen med en ”Face Contact” f¨or att bussningen skall kunna r¨ora sig oberoende av hammarkroppen. Friktionen mellan hammarkropp och bussning f¨orhindrar bussningen att glida ur sitt l¨age.

Figur 3.3: Kontaktytor mellan: a) Bussning och mejsel b) Bussning och hammarkropp

3.2 F¨ ors¨ oksplanering

F¨or att f˚a ut anv¨andbar information fr˚an tribologiska tester ¨ar det viktigt att man planerar i f¨orv¨ag vad som skall testas. Generellt s˚a vill man ¨andra en variabel i taget och h˚alla ¨ovriga konstant f¨or att se hur denna p˚averkar resultatet. Enligt A.Beek [3] s˚a har man identifierat f¨oljande kontaktf¨orh˚allanden som p˚averkar n¨otning:

- Yttryck - Temperatur - Hastighet - R¨orelsem¨onstret - Konformitet

- Station¨ar eller inte station¨ar - ¨Oppet eller slutet system

F¨orutom kontaktf¨orh˚allanden s˚a p˚averkar ¨aven ytornas specifika egenskaper s˚a som material och yt- finhet samt om kontakten ¨ar smord och i s˚a fall med vilket sm¨orjmedel.

I fallet med hydraulhammaren s˚a ¨ar systemet: station¨art, slutet, har en h¨og konformitet och en fram och ˚aterg˚aende r¨orelse. Alla dessa f¨orh˚allanden kan vi ˚aterskapa i n¨otningsprovningen genom att sk¨ara ut provbitar fr˚an verkliga komponenter och testa dessa i en oscillerande friktions och n¨otningsprovare genom att trycka bitarna mot varandra och flytta ena biten med en fram och ˚aterg˚aende r¨orelse.

Kontakten ¨ar i regel smord med mejselfett och testerna kommer s˚aledes att utf¨oras fettsmorda. N˚agra inledande prov uf¨ors dock med respektive utan sm¨orjfett f¨or att f˚a en uppskattning av skillnaden.

Kontakttrycksber¨akningarna i kapitel 4.1 antyder att det r˚ader ett tryck p˚a 1.5 till 2 GPa mellan komponenterna. Ett s˚adant h¨ogt tryck g˚ar inte att ˚aterskapa med den aktuella testmetoden och geome- trin. Eftersom det ¨ar tv˚a cylindriska ytor varav den ena har en n˚agot mindre radie s˚a kommer det att bli en linjekontakt mellan bitarna. Den ¨ovre provbiten har m˚atten 15x15 mm och radie 32.25mm, den undre provbiten har m˚atten 24x24mm och radie 32.55mm. Lasten som l¨aggs p˚a kommer allts˚a f¨ordelas

¨over en 15 mm l˚ang linje. Enligt hertz ekvation f¨or linjekontakt [3] s˚a kommer lasten att f¨ordelas ¨over en linje med l¨angden l=15mm och bredden b som ¨ar en funktion av elastisitetsmodul, lasten och delarnas radie. Tabell 3.1 visar det ber¨aknade trycket f¨or de olika laster som anv¨ands.

b = 22 π

^1/2FN

l

^1/2R⁰ E⁰

^1/2

(3.1)

R⁰ = 1 R1

+ 1 R2

−1

(3.2)

E⁰ =1 − v₁²

2E₁ +1 − v₂² 2E₂

−1

(3.3)

P = FN

bl (3.4)

Tabell 3.1: Tabell ¨over kontakttryck mellan provbitar

Last [N]: 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Kontakttryck [MPa]: 9.52 12.94 15.87 18.39 20.45 22.47 24.31 25.89 27.52 28.99

Frekvensen (20-50 Hz) och slagl¨angden (1-5 mm) som styr medelhastigheten g˚ar att simulera i test- utrustningen ¨aven om r¨orelsem¨onstret inte ¨ar riktigt samma. I den verkliga applikationen n˚ar kompo- nenterna en h¨og relativ hastighet p˚a ca 5 m/s och st˚ar sedan still i ¨andl¨agena. I testutrustningen r¨or sig

¨ovre provbiten med en harmonisk sv¨angning och topphastigheten ¨ar s˚aledes bara pi/2 g˚anger h¨ogre ¨an medelhastigheten. Det g˚ar allts˚a att simulera r¨att medelhastighet men inte r¨att topphastighet.

Temperatur g˚ar att reglera i testutrustningen och temperaturen ¨overvakas ¨aven under f¨ors¨okets g˚ang.

Temperaturen m¨ats p˚a undersidan av provbiten men denna temperatur kommer att vara n˚agot l¨agre ¨an den i kontaktpunkten.

Ytfinhet p˚a provbitarna g˚ar att ¨andra till viss del genom att slipa eller polera ytan. Materialet ¨ar dock begr¨ansat till st˚al eftersom dagens komponenter anv¨ands f¨or tillverkning av provbitarna. Provbitar av ett annat material skulle visserligen kunna tillverkas och testas men detta ¨ar inte prioriterat i dessa tester.

De parametrar som g˚ar att variera ¨ar s˚aledes kontakttryck, hastighet, temperatur och ytfinhet. Tryc- ket varieras genom att lasten ¨okar i steg p˚a 200 N upp till maxlast eller tills ytorna b¨orjar sk¨ara. Genom att man ¨overvakar friktionen och temperaturen g˚ar det att se hur dessa varierar med ¨okat tryck. Samma test g¨ors sedan om med f¨orst h¨ogre temperatur, sedan med finare yta och slutligen med h¨ogre hastighet.

P˚a s˚a s¨att g˚ar det att avg¨ora hur mycket de olika faktorerna p˚averkar friktion och n¨otning.

I standardiserade tester brukar resultaten f¨or friktion variera med ± 20 % och n¨otning med ± 50

% [3]. Det ¨ar d¨arf¨or n¨odv¨andigt att g¨ora varje test 3-5 g˚anger f¨or att j¨amna ut eventuella avvikelser och s¨akerst¨alla resultatet. Provbitarna till detta n¨otningsprov har tillverkats genom tr˚adgnistning som

¨ar en relativt dyr och tidskr¨avande process. F¨ors¨oken har d¨arf¨or valts med omsorg och varje prov har upprepats endast tre g˚anger.

3.3 Tribologiska tester

Tribologiska tester kan utf¨oras i olika uppst¨allningar beroende p˚a syftet. Ett f¨altprov med en komplett applikation ˚aterger verkligheten v¨al men ¨ar ocks˚a dyrt att utf¨ora medan provbitar i ett labb ˚aterger verkligheten mindre v¨al men ¨ar billigare att utf¨ora [2].

Tribologiska tester f¨or detta examensarbete har utf¨orts i Tribolab vid Lule˚a Tekniska Universitet i en testrigg av typ Optimol SRV. Maskinen trycker tv˚a provbitar mot varandra och flyttar den ena biten med en fram och ˚aterg˚aende r¨orelse. Lasten l¨aggs p˚a med hj¨alp av en servomotor och fj¨ader. Den oscillerande r¨orelsen genereras av en elektromagnetisk drivenhet. Under f¨ors¨okets g˚ang loggas friktionskoefficient, last, temperatur, friktion och slagl¨angd. Detta ans˚ags som en l¨amplig testrigg d˚a man p˚a s˚a s¨att kan simulera den fram och ˚aterg˚aende axiella r¨orelse som r˚ader mellan bussning och mejsel.

Testriggen ¨ar anpassad f¨or en ∅ 10 mm kula mot en ∅ 24 mm disk. Disken har i detta fall bytts ut mot en bit fr˚an insidan av bussningen och motytan ¨ar en bit fr˚an ytan av mejseln. Mejselbiten har en kulpassning p˚a baksidan s˚a att en ∅ 10 mm kula skall kunna anv¨andas f¨or att fixera biten. P˚a s˚a s¨att kan man utnyttja befintliga verktygsh˚allare och kulpassningen till˚ater dessutom en viss sj¨alvjustering av den ¨ovre biten mot den undre. Ett nytt st¨od m˚aste dock tillverkas f¨or den nedre provbiten eftersom en kvadratisk bit ¨ar l¨attare att tillverka ¨an en rund disk. Hela standarduppst¨allningen och den modifierade uppst¨allningen visas i figur 3.4.

F¨or att kunna ˚aterskapa den verkliga applikationen s˚a bra som m¨ojligt s˚a har provbitar tillverkats fr˚an verkliga komponenter som tillhandah˚allits av Atlas Copco. Provbitarna har tr˚adgnistats ut fr˚an mejsel och bussning av en SB 202 Hydraulhammare. Hela testuppst¨allningen visas i figur 3.5.

Innan n¨otningstestet tv¨attas provbitarna med etanol i ultraljudsbad f¨or att f˚a bort eventuella f¨ororeningar som kan p˚averka ytkontakten. Bitarna v¨agdes ¨aven f¨ore och efter n¨otningstestet f¨or att se hur mycket ma-

Figur 3.4: N¨otningstest, a) Standarduppst¨allning b) Modifierad uppst¨allning

Figur 3.5: Uppst¨allning av n¨otningstest i Optimol SRV, a) Kraftriktning b) R¨orelseriktning

3.4 Analys med Svepelektronmikroskop

F¨or att unders¨oka egenskaperna hos en yta finns flera verktyg f¨or b˚ade ytstruktur, kemisk sammans¨attning och h˚ardhet. Dessa ¨ar speciellt anv¨andbara f¨or att ta reda p˚a vilka n¨otningsmekanismer som skett och hur dessa har p˚averkat ytan.

Ett svepelektronmikroskop anv¨ander en tunn elektronstr˚ale som den sveper ¨over provytan och sedan detekterar de elektroner som sprids bak˚at ut ur den bestr˚alade ytan. Utifr˚an hur elektronerna reflekteras mot ytan kan man sedan g¨ora en avbildning av provet med ett mycket stort sk¨arpedjup. [23] N¨ar sve- pelektronmikroskopet anv¨ands placeras bitarna i en f¨orseglad vakuumkammare och all luft sugs ur f¨or att det inte skall finnas n˚agra luftmolekyler kvar att interagera med elektronerna. F¨or detta examens- arbete anv¨andes det svepelektronmikroskop av typ: JEOL JSM-6460VL som finns p˚a avdelningen f¨or materialteknik p˚a Lule˚a Tekniska Universitet.

Kapitel 4

Nul¨ agesanalys

F¨or att kunna f¨orb¨attra n¨otningsbest¨andighet och livsl¨angd m˚aste man f¨orst f¨orst˚a hur dagens kompo- nenter n¨ots ut. En FEM-analys utf¨ors f¨or att uppskatta vilken typ av ytkontakt som kan r˚ada under drift och sedan g¨ors ett f¨ors¨oka ˚aterskapa verkliga driftf¨orh˚allanden i ett n¨otningsprov. Redan utslitna kompo- nenter unders¨oks i svepelektronmikroskop och n¨otningsskadorna j¨amf¨ors med de fr˚an n¨otningsprovet. N¨ar de n¨otningsmekanismer som verkar har identifierats s˚a kan man enklare f¨oresl˚a ˚atg¨arder p˚a f¨orb¨attring.

4.1 Ber¨ akning av kontakttryck

Ett f¨orsta steg ¨ar att ber¨akna olika t¨ankbara spel mellan komponenterna, det vill s¨aga skillnad mellan bussningens innerdiameter och mejselns ytterdiameter. P˚a ritningarna f¨or bussning och mejsel uppges att bussningens ytterradie ¨ar 65 mm med toleransen H11 vilket inneb¨ar (+0,+0.19 mm) och mejseln ¨ar 65 mm (-0.4,-0.65 mm). I CAD modellen ¨ar delarna m˚attsatta: Bussning 65.1 mm och Mejsel 64.5 mm.

∅ Bussning = 65.1 mm

 max 65.19 mm min 65.0 mm

∅ Mejsel = 64.5 mm

 max 64.6 mm min 64.35 mm

Det genomsnittliga spelet mellan komponenterna ¨ar s˚aledes: 65.1 − 64.5 = 0.6 mm, det minimala spelet: 65.0 − 64.6 = 0.4 mm och det maximala spelet: 65.19 − 64.35 = 0.84 mm. Allt eftersom delarna n¨ots ut ¨okar spelet. Enligt Atlas Copco’s egna erfarenheter b¨or delarna bytas ut n¨ar spelet uppg˚ar till 3 mm.

En rad olika FEM-ber¨akningar utf¨ordes med mejsel, bussning och hammarkropp s˚a som beskrivet i metod-avsnittet. Olika elementstorlekar och spel pr¨ovades. Efter att ha provat de olika elementtyperna CTETRA(4) och CTETRA(10) gick det att konstatera att CTETRA(10) tog mycket l¨angre tid att ber¨akna men gav mer konsekventa och rimliga svar. CTETRA(10) ¨ar d¨arf¨or den elementtyp som anv¨ants genomg˚aende f¨or mejsel och bussning d¨ar det ¨ar h¨oga krav p˚a precision medans CTETRA(4) anv¨ants f¨or hammarkroppen. Ett exempel p˚a hur en f¨ardig FEM analys ser ut visas i figur 4.1.

Figur 4.1: Resultat av FEM analys f¨or kontakttryck

Elementstorlekarna valdes s˚a sm˚a som m¨ojligt f¨or b¨asta resultat. Den minsta fungerande elementstro- leken var 5 mm, ett f¨ors¨ok gjordes med 3 och 4 mm element men NX Nastran misslyckades i dessa fall att producera resultat. Elementstorlekar 8 mm eller st¨orre gav orimliga och inkonsekventa svar och anv¨andes d¨arf¨or inte. Inom intervallet 5 till 7 mm s˚a ber¨aknades kontakttrycket f¨or normalstort spel, se tabell 4.1.

I tidigare tester som utf¨orts p˚a Atlas Copco f¨or SB 452 s˚a fann man att trycket i bakdelen var ungef¨ar 1/3 av trycket p˚a framsidan vilket verkar st¨amma ganska v¨al ¨aven i detta fall.

Tabell 4.1: Tabell ¨over ber¨aknade kontakttryck i GPa

Elementstorlek: (mm) 7 6.5 6 5.5 5

Maxtryck: (GPa) 2.20 X 2.98 3.36 3.44

Kontakttrycken plottas som funktion av de olika elementstorlekarna f¨or att illustrera trender i resul- taten. Det framg˚ar av grafen att maxtrycket verkar konvergera mot ca 3.5 GPa, se figur 4.2.

Figur 4.2: Kontakttryck som funktion av elementstorlek

Kontaktytan var mycket liten f¨or samtliga FEM-analyser b˚ade p˚a bussningens fr¨amre och bakre del.

Mindre elementstorlek verkar ge h¨ogre lokala kontakttryck. Spelet mellan komponenterna verkar ¨aven inverka p˚a kontaktarean. Ett mindre spel ger st¨orre area och d¨armed l¨agre tryck medan ett st¨orre spel ger mindre area och h¨ogre tryck, se figur 4.3.

Figur 4.3: Kontakttryck som funktion av diametralt spel

I FEM-analysen erh¨olls h¨ogre tryck med ett st¨orre diametralt spel. Det ¨ar rimligt om b˚ade bussning och mejsel beh˚aller sin ursprungliga form eftersom konformiteten mellan ytorna blir mindre och ger en mindre kontaktyta. Avst˚andet mellan ytorna justerades i CAD-modellen genom att hela ytan fick en viss offset och den ursprungliga formen bevarades d¨armed.

I verkligheten kommer dock inte ytan n¨otas ut lika mycket ¨overallt utan n¨otningen kommer endast ske i kontaktytan d˚a mejseln inte roterar inuti bussningen. Det kommer allts˚a bli en mer oval form p˚a mejselns n¨otta sida vilket ist¨allet resulterar i att kontaktytan blir st¨orre och trycket borde d˚a bli l¨agre.

Tidigare n¨otningsprover med hydraulhammare utf¨orda av Atlas Copco visar att kontaktytan ¨okar

successivt allteftersom delarna slits ut. Hela hydraulhammaren var d˚a monterad p˚a en basmaskin och mejseln slogs kontinuerligt mot en st˚alplatta. Figur 4.4 visar n¨otningen p˚a mejseln efter olika tider.

Figur 4.4: Mejsel fr˚an tidigare n¨otningstest efter a) 0,5 timmar b) 1,5 timmar c) 2,5 timmar [24]

FEM-analysen borde allts˚a st¨amma som b¨ast n¨ar varken mejsel eller bussning ¨ar n¨otta och deras form fortfarande ¨ar helt rund. Om man granskar tryckf¨ordelningen i kontaktytan f¨or detta fall finner man att endast n˚agon enstaka nod ligger kring maxtrycket 3.44 GPa medan de ¨ovriga noderna verkar ligga mellan 1.5 och 2.0 GPa, se figur 4.5. Vidare s˚a ¨ar maxtrycket l¨agre p˚a mejseln ¨an p˚a bussningen.

I verkligheten m˚aste naturligtvis trycket vara lika h¨ogt p˚a b˚ada sidor vilket antyder att det finns en viss felmarginal i FEM-ber¨akningen. Dock skulle en rimlig uppskattning vara att kontakttrycket ligger mellan 1.5 och 2 GPa, eventuellt med lokala trycktoppar som ¨ar upp mot 3.5 GPa.

Figur 4.5: Kontakttryck p˚a bussning och mejsel

4.2 Tribologiska tester

Smord kontakt testades med olika tryck, temperatur, hastighet och ytfinhet f¨or att se hur de olika variablerna p˚averkar friktion och n¨otning. Varje prov utf¨ordes 3 g˚anger f¨or att s¨akerst¨alla resultatet eftersom friktion och n¨otningsprover tenderar att ha stor spridning. Inledande prover har ¨aven utf¨orts med torr och smord kontakt f¨or att belysa skillnaden mellan dessa tv˚a fall. Sm¨orjmedlet som anv¨andes var Atlas Copcos egen mejselpasta. Alla prov samt den tillh¨orande datan presenteras i bilaga A.

D˚a provbitarnas ytor m¨attes i en 3D-optisk ytprofilerare f¨ore prov kunde man konstatera att buss- ningens insida har en j¨amn yta, om ¨an n˚agot kornig medans ytan p˚a mejseln har tv¨arg˚aende sp˚ar kvar fr˚an bearbetning. Bussningsbitarna hade f¨ore prov en genomsnittlig ytfinhet p˚a Ra=0.66 um (Standar- davvikelse=0.06 um) och Mejselbitarna Ra=2.15 um (Standardavvikelse=0.24). Figur 4.6 visar hur ytan typiskt kan se ut f¨or bussning och mejsel f¨ore prov.

Figur 4.6: Ytstruktur p˚a bussning och mejsel f¨ore n¨otningsprov

De f¨orsta proverna med torr och smord kontakt utf¨ordes under 20 minuter, 200 N last, 27 Hz, 1 mm slagl¨angd och ingen temperaturh¨ojning. Frekvens och slagl¨angd valdes utefter de f¨orh˚allanden som r˚ader i den verkliga maskinen och ger en medelhastighet p˚a 0.054 m/s (maxhastighet=0.085 m/s).

Testutrustningen klarade inte av att lasta mer ¨an 200 N vid provtillf¨allet eftersom den torra kontakten gav upphov till stora friktionskrafter.

I dessa tester kunde en kraftig n¨otning observeras i den torra kontakten medans den smorda kontakten l¨amnade provbitarna i princip ober¨orda. Friktionskoefficienten l˚ag stabilt kring 0.16 i det smorda provet medans den l˚ag p˚a 1.06 i genomsnitt i det torra provet, se figur 4.7.

Figur 4.7: Friktionskoefficient f¨or torr och smord kontakt

Efter de tv˚a korta proverna gjordes ett l¨angre prov med sm¨orjfett f¨or att se om n˚agon typ av skada skulle uppkomma. Tiden ¨okades till 3 timmar och lasten ¨okades till 500 N. Friktionskrafter var konstant l˚aga under hela testet och ingen sk¨arning intr¨affade mellan bitarna se figur 4.8.

Figur 4.8: Friktionskoefficient f¨or smord kontakt

Sedan f¨oljde den huvudsakliga delen av de tribologiska testerna vilket var att variera olika parametrar (ytfinhet, temperatur, hastighet) och j¨amf¨ora deras inverkan p˚a friktion och n¨otning. Proverna utf¨ordes med stegvis ¨okande last f¨or att kunna studera friktionsbeteendet vid flera olika tryck. I de f¨orsta testerna k¨ordes ett ”normalfall” vilket innebar frekvens=27Hz, Slagl¨angd=1mm, Temperatur=40^◦C, fettsmord kontakt och ingen ytp˚averkan. Friktionen i normalfallet var inledningsvis konstant l˚ag men en bit in i testet b¨orjade friktionsbeteendet f¨or¨andras och slutligen intr¨affade sk¨arning mellan ytorna. Den genom- snittliga tiden till sk¨arning var 6980 sekunder med en standardavvikelse p˚a 2074 sekunder. Figur 4.9 visar friktionskoefficienten under hela provets k¨ortid, de olika namnen som anges i grafen ¨ar test-ID f¨or respektive prov, f¨or mer info se bilaga A.

Figur 4.10: Friktionskoefficient test med f¨orh¨ojd temperatur

Den temperaturdata som samlats in av termoelementen visar att yttemperaturen l˚ag n˚agot under 150^◦C under b¨orjan av provet men ¨okade sedan under provets g˚ang. Man kan tydligt se temperaturen

¨okar stegvis i takt med ¨okande last. D˚a bitarna skar ihop sig s˚a accelererade v¨armeutvecklingen och temperaturen n˚adde 158^◦C just innan provet avbr¨ots, se figur 4.11

Figur 4.11: Temperaturv¨arden fr˚an termoelement

I prov med sl¨atare yta var utf¨orandet detsamma som normalfallet fast ytan p˚a provbitarna var polerad. Detta s¨ankte ytfinheten p˚a mejseln fr˚an Ra=2.15 um till Ra=0.41 um och bussningen fr˚an Ra=0.66 um till Ra=0.40 um. Under f¨ors¨okets b¨orjan visade testet en l˚ag, om ¨an n˚agot oj¨amn friktion.

D¨aremot skar bitarna ihop mycket tidigt i ena fallet efter bara 1772 sekunder, den genomsnittliga tiden var 3800 sekunder med en standardavvikelse p˚a 2307 sekunder, se figur 4.12.

Figur 4.12: Friktionskoefficient test med finare yta

I n¨otningsprov med f¨orh¨ojd hastighet var utf¨orandet detsamma som normalfallet fast medelhastighe- ten hade ¨okats till det dubbla genom att slagl¨angden ¨okats fr˚an 1 till 2 mm. Medelhastigheten i dessa prov var allts˚a 0.108 m/s och maxhastigheten 0.170 m/s. Dessa prov visade sig ha den b¨asta livsl¨angden av alla med 8599 sekunder till sk¨arning och standardavvikelse p˚a 891 sekunder. En m¨ojlig f¨orklaring ¨ar att nytt sm¨orjmedel enklare dras in i kontakten samtidigt som f¨ororenande partiklar f¨ors ut och sm¨orjfilmen h˚aller d¨arf¨or l¨angre. Friktionskoefficienten var dock relativt h¨og under f¨ors¨okens g˚ang. Ist¨allet f¨or en grad- vis ¨okning som slutligen resulterar i sk¨arning s˚a verkar friktionskoefficienten variera mer godtyckligt, se figur 4.13.

Figur 4.14: Samtliga tester med enskild variabel

Bild 4.15 visar temperaturutvecklingen f¨or fyra olika n¨otningsprover, en fr˚an varje variabel. De hel- dragna linjerna korresponderar till den v¨anstra axeln och visar friktionskoefficient medan de str¨ackade linjerna korresponderar till den h¨ogra axeln och visar temperatur. Temperaturen som genererade av friktionsv¨armen uppgick som mest till drygt 100 C efter 2 timmar och 40 minuters k¨orning. Eftersom trenden var fortsatt stigande s˚a ¨ar det m¨ojligt att temperaturen kan uppn˚a 150 C vilket var den tidigare uppskattningen.

Figur 4.15: Temperaturutveckling f¨or olika n¨otningsprov

Ifr˚an de f¨orsta inledande testerna med och utan sm¨orjmedel g˚ar det att konstatera att s˚a l¨ange det finns en sm¨orjfilm mellan ytorna ¨ar friktionen konstant l˚ag kring 0.16 och n¨otningstakten ¨ar mycket l˚angsam. Det ¨ar n¨ar sm¨orjfilmen havererar och bitarna sk¨ar ihop som det uppst˚ar h¨og friktion och snabb n¨otningstakt. Vid helt torr kontakt var friktionskoefficienten i snitt 1.06, om det finns sm¨orjmedel i kontakten men bitarna har skurit s˚a ligger friktionskoefficienten mellan 0.35 och 0.8.

De olika variablerna som testades: Tryck, Temperatur, ytfinhet och hastighet hade ingen st¨orre in- verkan p˚a friktionen s˚a l¨ange sm¨orjfilmen var intakt, f¨orutom att finare yta gav n˚agot l¨agre friktion och h¨ogre hastighet gav n˚agot h¨ogre. D¨aremot var de stora skillnader p˚a tiden det tog f¨or bitarna att sk¨ara ihop. H¨ogre temperatur samt finare yta gjorde att bitarna skar snabbare, h¨ogre hastighet gjorde att bitarna skar efter en l¨angre tid. N¨otningstakten var generellt h¨ogre p˚a mejseln ¨an bussningen vilket

¨ar rimligt d˚a mejseln ¨ar av ett mjukare material. L¨angre tid till sk¨arning verkar sammanfalla med en l˚angsammare n¨otningstakt. N¨otningstakten i dessa tester beror sannolikt ¨aven p˚a hur l˚ang tid provet har skurit eftersom n¨otningen ¨okar kraftigt n¨ar sk¨arning intr¨affat. Figur 4.16 4.17 4.18 sammanfattar alla dessa resultat f¨or de olika proven, de svarta linjerna p˚a staplarna anger standardavvikelse.

Figur 4.16: Tiden fram till sk¨arning

Figur 4.18: N¨otningstakt f¨or provbitar fr˚an respektive prov

Samtliga prover skar innan maskinen n˚att sin maxlast p˚a 2000 N vilket motsvarar ett tryck p˚a 29.0 MPa i kontakten. De flesta prov b¨orjade visa tendenser till sk¨arning redan vid 1000 - 1200 N last. Detta ¨ar i sig anm¨arkningsv¨art eftersom det ¨ar l˚angt mycket l¨agre ¨an det ber¨aknade trycket 1.5 - 2 GPa som borde r˚ada i den verkliga applikationen. Om proverna kan sk¨ara redan vid l˚aga tryck borde komponenterna sk¨ara ¨annu snabbare i den faktiska applikationen.

Vid normalf¨orh˚allandet utan temperatur-h¨ojning s˚a bidrog ¨and˚a friktionsv¨armen med att h¨oja tempe- raturen till viss del. Temperaturen vid sk¨arning var i genomsnitt 77^◦f¨or proverna med normalf¨orh˚allande och 150^◦ (eller 158^◦ m¨att n¨ara ytan med termoelement) f¨or proverna med f¨orh¨ojd temperatur. Detta inneb¨ar att en temperatur¨okning p˚a 105 % gav en 21 % kortare livsl¨angd.

De polerade provbitarna hade i snitt en ytfinhet p˚a: mejsel Ra=0.41 um och bussning Ra=0.40 um medans de vanliga bitarna hade en ytfinhet p˚a: mejsel Ra=1.99 um och bussning Ra=0.66 um. Detta inneb¨ar en 385 % finare yta p˚a mejseln och 65 % finare yta p˚a bussningen. Resultatet blev en 46 % kortare livsl¨angd. En m¨ojlig f¨orklaring ¨ar att en finare yta har mindre reservoarer som kan h˚alla kvar sm¨orjmedel i kontakten och d˚a allt sm¨orjmedel tryckts ut b¨orjar ytorna att sk¨ara. Dessa prover hade dock stor spridning i resultaten och os¨akerheten ¨ar d¨arf¨or st¨orre.

Genom att ¨oka slagl¨angden fr˚an 1 mm till 2 mm s˚a dubblades hastigheten mellan provbitarna och detta resulterade i en 23 % l¨angre livsl¨angd. Det inte klart huruvida hastigheten i sig eller den

¨okade slagl¨angden bidrog till ¨okad livsl¨angd, sannolikt ¨ar det slagl¨angden eftersom det kan ha f¨orb¨attrat tillf¨orseln av sm¨orjmedel. Det skulle det vara l¨ampligt att g¨ora tester med b˚ade ¨okad slagl¨angd och ¨okad frekvens i framtida arbeten f¨or att reda ut detta.

Dessa prov har bara utf¨orts 3 g˚anger var och spridningen var generellt stor vilket inneb¨ar att de finns en viss os¨akerhet i alla resultat. Resultaten kan d¨aremot ge en fingervisning om ungef¨ar hur mycket friktion och n¨otning p˚averkas av olika parametrar.

4.3 Analys av n¨ otningsskador

Komponenter som n¨otts ut efter anv¨andning i f¨alt har studerats f¨or att se vilken typ av n¨otningsskador som typiskt kan uppkomma. En serviceverkstad i Skellefte˚a som underh˚aller Atlas Copcos Hydraulham- mare tillhandah¨oll mejsel och bussning som bytts ut p˚a grund av slitage. Komponenter som skickades var av modell SB 302 d˚a det f¨or tillf¨allet saknades komponenter av SB 202 som annars anv¨ants som referensmodell i detta arbete.

Till en b¨orjan unders¨oktes komponenterna visuellt och fotades med en vanlig systemkamera. Hela komponenten fotograferades med ett vanligt objektiv och de n¨otta omr˚adena fotades n¨armare med ett makroobjektiv, se figur 4.19 och figur 4.20.

Figur 4.19: Sliten mejsel av modell SB 302

del. I bilderna nedan har glidriktningen m¨arkts ut med en dubbelriktad pil och enkelriktade pilar pekar ut exempel p˚a n¨otningsskador.

I den nedre kontaktytan ¨ar kontakttrycket h¨ogst p˚a grund av att bussningen m˚aste h˚alla emot bryt- krafterna fr˚an basmaskinens arm. I denna kontaktyta ser man tydliga sp˚ar av plastisk deformation p˚a b˚ade bussning och mejsel vilket tyder p˚a att materialet utsatts f¨or mycket h¨ogt tryck. Det finns ¨aven tendenser till sprickbildning och avflagat material (delamination) p˚a b˚ada sidor men framf¨orallt p˚a buss- ningen. Adhesion har sannolikt f¨orekommit. Se bild 4.21.

Figur 4.21: SEM bild av nedre kontaktyta, a) Plastisk deformation, b) Avflagat material, c) Sprickbildning I den ¨ovre kontaktytan ¨ar kontaktrycket l¨agre med cirka en tredjedel enligt tidigare kontaktrycks- ber¨akningar, se kap 4.1. Trots detta g˚ar det att observera minst lika sv˚ar n¨otning h¨ar som p˚a den nedre kontaktytan. H¨ar verkar adhesion vara en klar orsak till n¨otning men den gropiga ytan tyder p˚a att ¨aven plastisk deformation och utmattning (delamination) har f¨orekommit. Se bild 4.22.

D˚a sm¨orjfilmen brustit och metallisk kontakt uppst˚att mellan mejsel och bussning har det rimligen blivit omfattande adhesiv n¨otning och tack vare det h¨oga trycket har ¨aven ytan deformerats plastiskt. Det avflagade materialet och sprickorna tyder p˚a att ytan utsatts f¨or en cyklisk, st¨otande last. Detta skulle kunna f¨orklaras med att mejseln sl˚ar mot bussningen d˚a ett visst spel uppkommit mellan komponenterna.

En annan viktig observation p˚a b˚ada kontaktytor ¨ar att den plastiska deformationen av ytan ¨ar s˚a omfattande att inget av den ursprungliga ytstrukturen ¨ar kvar.

Figur 4.22: SEM bild av ¨ovre kontaktyta a) Plastisk deformation, b) Adhesion

F¨or att j¨amf¨ora n¨otninsskadorna fr˚an de verkliga komponenterna med de fr˚an n¨otningsproverna s˚a unders¨oktes ¨aven provbitar i svepelektronmikroskopet. Tv˚a par bitar unders¨oktes; M5 och B5 fr˚an m01670 samt M3 och B3 fr˚an m01671, se bild 4.23. Provet fr˚an m01670 avbr¨ots precis n¨ar sk¨arning intr¨affade och inga sk¨arningsskador hann d¨arf¨or uppst˚a. Bitarna har d¨aremot n¨otit mot varandra under gr¨ansskiktssm¨orjning vilket har resulterat i en n˚agot polerad yta. Provet fr˚an m01671 har skurit under en l¨angre tid och kraftiga n¨otningsskador har uppkommit som ett resultat av detta. B˚ada provbits-paren

¨ar fr˚an de tribologiska testerna under ”normalf¨orh˚allanden” och stegad last. Genom att studera dessa tv˚a bitar kan man j¨amf¨ora ytan f¨ore och efter sk¨arning.

Figur 4.23: Provbitar fr˚an n¨otningsprov f¨ore och efter sk¨arning

Provbitarna fr˚an m01670 som polerats under gr¨ansskiktssm¨orjning verkar har slitits ut genom en kombinaion av adhesion (uregelbundna n¨otningsskador) och abrasion (raka, regelbundna sp˚ar). ¨Overlag

¨ar ytorna ganska op˚averkade och man kan tydligt se utans ursprungliga struktur. Mejselytan har blivit j¨amnare d˚a ˚asarna fr˚an bearbetningsr¨anderna b¨orjat hyvlas ner, bussningsytan har ocks˚a j¨amnats ut n˚agot men ¨ar i stort op˚averkad. Se bild 4.24

Figur 4.24: SEM bild av provbitar f¨ore sk¨arning

Provbitarna fr˚an m01671 som skurit har tydliga sp˚ar av adhesion som uppst˚att d¨ar sm¨orjfilmen brustit. En viss tendens till plastisk deformation kan ¨aven observeras i likhet med den som f¨orekom p˚a de slitna komponenterna. Mejseln ser ut att ha f¨orlorat material i snabbare takt ¨an bussningen vilket ocks˚a bekr¨aftas fr˚an n¨otningsproverna. Se bild 4.25

Figur 4.25: SEM bild provbitar efter sk¨arning, a) plastisk deformation b) adhesiv n¨otning

F¨or att sammanfatta s˚a verkar n¨otningstestet ha ˚aterskapat skador fr˚an adhesiv n¨otning och plas- tisk deformation om ¨an i mindre omfattning. D¨aremot har testet inte ˚aterskapat den sprickbildning och delamination som observerats p˚a de slitna komponenterna. Detta ¨ar ett rimligt resultat eftersom ingen cyklisk och st¨otande last f¨orekom i n¨otningsprovet. Tabell 4.2 listar de olika n¨otningsskador som observerats efter deras relativa betydelse.

Tabell 4.2: N¨otningsskador som observerats i Svepelektronmikroskop

Mejsel: Bussning:

Nedre kontaktyta

- Plastisk deformation - Plastisk deformation - Delamination - Delamination

- Adhesion - Sprickbildning/utmattning - (Adhesion)

Ovre kontaktyta¨

- Adhesion - Adhesion

- Plastisk deformation - Plastisk deformation - Delamination - Delamination Provbit f¨ore sk¨arning

- Adhesion - (Adhesion)

- Abrasion - (Abrasion)

Provbit efter sk¨arning

- Adhesion - Adhesion

- Plastisk deformation - Plastisk deformation

Under gr¨ansskiktssm¨orjning sker mycket lite slitage och man b¨or d¨arf¨or str¨ava efter att vidh˚alla detta s˚a l˚ang tid som m¨ojligt f¨or att f¨orl¨anga komponenternas livsl¨angd. P˚a grund av det h¨oga trycket kommer dock komponenterna oundvikligen att b¨orja sk¨ara och n¨ar detta v¨al har h¨ant handlar det om att minimera skadan. Genom att minska yttrycket skulle man inte bara f¨orhindra sk¨arning utan lindra samtliga av n¨otningsmekanismerna, framf¨or allt plastisk deformation p˚a ytan.

Analysen har visat att b˚ade mesjelytan och bussningsytan blir j¨amnare innan sk¨arning (¨aven de polerade provbitarna fick en ¨annu j¨amnare yta). Detta kommer sannolikt f¨ors¨amra ytans f¨orm˚aga att beh˚alla sm¨orjmedel i kontakten vilket slutligen resulterar i att allt sm¨orjmedel trycks ut och bitarna sk¨ar. Mejselytan har redan ˚asar och sp˚ar efter bearbetning medans bussningsytan ¨ar ganska j¨amn fr˚an b¨orjan. Om bussningsytan skulle klara av att h˚alla sm¨orjmedel b¨attre i till exempel sp˚ar eller dep˚aer skulle det eventuellt f¨ordr¨oja sk¨arning.

N¨otningstesterna har visat att den adhesiva friktion som uppst˚ar n¨ar ytorna har skurit ¨ar h¨og.

Man skulle kunna minska denna genom att v¨alja ett annat material till n˚agon av komponenterna eller introducera ett annat material i ytskiktet. Olika material har olika kompatibilitet men generellt s˚a blir det h¨ogre adhesiv friktion ju mer lika materialen ¨ar. I figur 4.26 s˚a j¨amf¨ors adhesiva skador fr˚an provbitarna och de verkliga komponenterna. De verkliga komponenterna har visserligen ett mer omfattande slitage men vissa likheter g˚ar ¨and˚a att se.

Att material lossnar p˚a grund av utmattningssprickor och delamination beror antagligen p˚a att komponenterna b¨orjar st¨ota mot varandra n¨ar ett spel redan uppst˚att mellan bussning och mejsel. Detta kommer d˚a att bidra till och accelerera den redan befintliga n¨otningen. Eftersom hydraulhammarens till¨ampning kr¨aver att mejseln st¨oter med en h¨og energi s˚a kan denna n¨otning vara sv˚ar att undvika, man kan dock se till att v¨alja ett material som har h¨og slagseghet och d¨armed inte spricker s˚a l¨att.

Figur 4.26: J¨amf¨orelse av n¨otning p˚a provbitar och verkliga komponenter

Kapitel 5

Koncept av alternativ l¨ osning

Baserat p˚a vad analysen har visat s˚a finns det en rad ˚atg¨arder som skulle kunna minska slitage p˚a dagens bussning och mejsel. Alla ˚atg¨arder kanske inte ¨ar praktiskt genomf¨orbara eller finansiellt l¨onsamma men en rad f¨orslag presenteras i kapitlet nedan. En benchmarking har ¨aven gjorts f¨or att studera befintliga alternativ till l¨osningar.

5.1 Benchmarking

F¨or att f˚a en n¨armare inblick i vad f¨or typ av bussning som kan vara l¨ampligt i applikationen s˚a har olika alternativ unders¨okts. Tabell 5.1 listar bussningar fr˚an olika tillverkare som inte ¨ar specifikt gjorda f¨or en hydraulhammare men vars prestanda m¨ojligen skulle kunna uppfylla kraven som st¨alls f¨or en hydraulhammare. Samtliga unders¨okta bussningar (¨aven st˚albussningen) har dock en rekommenderad belastning som ligger l˚angt under 1.5GPa.

En solid bronsbussning uppvisar god friktions och n¨otningskarakt¨aristik men den ¨ar inte lika stark som en st˚albussning och kr¨aver kontinuerlig sm¨orjning. Den anv¨ands typiskt i anl¨aggningsmaskiner, fordon, tr¨a och massa bruk. Solida bronsbussningar finns ¨aven med innefattningar av grafit eller andra solidsm¨orjmedel vilket ger b¨attre friktionsegenskaper vid bristf¨allig sm¨orjning.

En st˚albussning ¨ar mycket stark och t˚al st¨otar, f¨ororeningar och h¨oga temperaturer. Det har dock d˚aliga friktions och sm¨orjningsegenskaper n¨ar det anv¨ands i kombination med st˚alaxel. St˚albussning kan betraktas som en ”sista utv¨ag” n¨ar inga andra material h˚aller f¨or till¨ampningen.

Den fiberlindade bussningen har en god lastb¨arande f¨orm˚aga och kan anv¨andas b˚ade torrt och smort.

En m¨ojlig nackdel ¨ar att den har en relativt l˚ag maxtemperatur p˚a 140 C^◦. Fiberlindade bussningar anv¨ands typiskt i tunga applikationer som konstruktionsmaskiner eller i korrosiva milj¨oer som t.ex.

marina till¨ampningar.

Alla de olika PTFE-kompositbussningarna har liknande materialsammans¨attning och egenskaper.

De kan med f¨ordel k¨oras torra d˚a PTFE agerar solidsm¨orjmedel. De kan ¨aven sm¨orjas men inte med sm¨orjfett inneh˚allande MoS2 d˚a detta kan reagera kemiskt och f¨orst¨ora ytskiktet. En nackdel ¨ar att de kan vara k¨ansliga f¨or yttre f¨ororeningar och dess PV-v¨arde ¨ar l˚agt j¨amf¨ort med de andra bussningarna.

Anv¨ands typiskt i bilar och andra fordon, hush˚allsmaskiner och textilmaskiner. PV st˚ar f¨or tryck (P) g˚anger hastighet (V) och ¨ar ett m˚att p˚a den maximala produkten av trycket och hastigheten som f˚ar r˚ada vid anv¨andning av ett glidlager eller bussning.

Tabell 5.1: Lista ¨over kommersiellt tillg¨angliga bussningar

Namn & Sm¨orjning Last: stat/dyn Maxtemp Maxhastighet Material

tillverkare [N/mm²] [C^◦] [m/s]

Solid Brons Smord 45 / 25 250 0.5 Brons

(SKF)

DE Steel Smord 650 / 80 150 0.1 H¨ardat st˚al

(Detrading)

BWG Helst smord 150 / 90 300 1.0 Brons

(Detrading) Grafit

Filament wound Torr/ smord 200 / 140 140 0.5 PTFE

(SKF) Glasfiber

Termoplastfiber

PTFE komposit Torr/ smord 250 / 80 250 0.02 PTFE

(SKF) 2.0 (p≤1) Tennbrons

St˚al

Dynaweave Helst torr 220 / 150 250 0.02 (p=150) PTFE + fiber

(Lagermetall) 2.5 Sinterbrons

St˚al

NB1 Helst torr 140 / 30 280 5 (p≤15) PTFE + bly

(Ageraab) Tennbrons

St˚al

5.2 Konceptgenerering

Eftersom det finns m˚anga faktorer som bidrar till n¨otning mellan bussning och mejsel s˚a kan ett koncept p˚a f¨orb¨attring best˚a av flera olika delar. De olika aspekter som p˚averkar n¨otningen ¨ar den geometriska utformningen av delarna, sm¨orjning i kontakten, ytan och materialet. Olika id´eer p˚a l¨osningar till dessa delproblem har sammanfattats i tabell 5.2 nedan. Utg˚angspunkten f¨or de olika koncepten ¨ar att minska de n¨otningsskador som identifierades i analysen i kapitel 4.3 samt att minska anv¨andningen av milj¨ofarligt sm¨orjmedel vilket var ett ¨onskem˚al fr˚an b¨orjan av arbetet.

Tabell 5.2: Lista ¨over koncept

Geometri Sm¨orjning Ytskikt Material

Roterbar bussning Milj¨ov¨anligt sm¨orjfett Dep˚aer f¨or sm¨orjmedel

Solid brons Runda av kant p˚a

bussning

Endast solidsm¨orjmedel Ytbel¨aggning av krom

Lindade fibrer L¨angre bussning Filled for life Yth¨arda bussning Komposit struktur

5.3 Geometri

5.3.1 Roterbar bussning

N¨ar bussning och mejsel n¨oter p˚a varandra skapas ett diametralt spel i den riktningen som n¨otningen sker. D˚a denna n¨otning ¨overstiger 3 mm s˚a kan maskinens prestanda f¨ors¨amras och bussningen m˚aste d˚a bytas ut. Om man skulle rotera den fr¨amre delen av bussningen 90^◦ s˚a att den kan slitas ut i tv˚a riktningar ist¨allet f¨or en s˚a skulle det till˚ata att en st¨orre m¨angd material avverkas innan spelet uppn˚att 3 mm i n˚agon av riktningarna. Det skulle d¨armed kunna f¨orl¨anga bussningens livsl¨angd, se figur 5.1.

Figur 5.1: N¨otning i en respektive tv˚a riktningar

5.3.2 Kortare mejsel/l¨ angre bussning

Yttrycket i kontakten mellan bussning och mejsel ¨ar en bidragande orsak till n¨otning s˚a genom att s¨anka trycket skulle man kunna f¨orl¨anga livsl¨angden p˚a komponenterna. Yttrycket beror av vilken h¨avarm som brytkraften l¨angst ut i mejseln f˚ar. Se figur 5.2.

Figur 5.2: Fril¨aggning av bussning och mejsel J¨amvikt:

↑ R_A+ R_B= F (5.1)

y RAL1= F L2 (5.2)

RA= FL2

L1

(5.3)