به سازی مطلوب مواد مقاوم در برابر سایش به طراحی کل تریبو سیستم شامل نیازهای مکانیکی، شیمیایی و حرارتی محیط کارکرد متکی است. بهسازی بیشتر مواد بر اساس دانش در مورد سایش و مکانیسم های تخریب است، به این ترتیب پارامترهای مواد مانند ترکیب و ریزساختار از اهمیت حیاتی برخوردار هستند. در اینجا الاستومرهای مقاوم در برابر سایش (رزین های پلی یورتانی) که برای استفاده در معادن و صنایع فرآوری مواد معدنی تولید یا سازگار شده اند، بررسی میشوند. عملکرد فلزات و الاستومرها در محیط هایی با سایش بالا مقایسه می شود. مشخصات محصول (سختی، مقاومت در برابر کشش، مقاومت DIN یا ASTM در برابر سایش) تا عملکرد سایشی آنها مورد بحث قرار گرفته است.
الاستومر های مقاوم به سایش در صنایع معدنی
از آنجا که وزن و شرایط اقتصادی مواد، نقش های فزآیندهای در توسعه تریبو سیستم دارند، بسیار مهم است افزایش استفاده از الاستومرها را برای شرایط سایشی در صنایع معدنی و فرآوری مواد معدنی در نظر بگیریم. مهندسین مواد پنجره دمایی عملیاتی ای که مواد در آن به عنوان متریال مقاوم در برابر سایش استفاده می شوند را تعریف کرده اند. بر خلاف آلیاژهای سخت، الاستومرهای انعطافپذیر می توانند با افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش را دارا باشند. این رفتار را میتوان در کلاس مواد پلیمری مانند پلی یورتان ها یافت.
برای رزین پلییورتان بازهی دمایی عملیاتی 25- الی 80+ درجه سانتیگراد می باشد. بنابراین، مهندسین نمی توانند با دید ساده ی “سخت تر بهتر است” کار کنند و باید درکی از شیمی، نیروها و درجه حرارت تریبو سیستم و همچنین خصوصیات مواد داشته باشند. تاکنون، قطعات فلزی در صنایع معدنی شایع تر هستند. با این وجود، نیازی به جایگزینی تجهیزاتی که برای صفحات فلزی طراحی شده اند برای استفاده از ویژگی های مواد انعطاف پذیر تازه توسعه یافته نیست.
به عنوان مثال
این مواد برای ترومل ها و مش های سرندهای ویبر های در ابتدا به صورت پوشش روی یک قطعه فلزی موجود بدون تغییر در سیستم یا طراحی قطعات معرفی شدند. شکل 1 چگونگی تاثیر زاویه خوراک ماده ساینده بر میزان سایش مواد مختلف تحت بار کم را نشان می– دهد.
برای فولاد ممکن است از زاویه برخورد 80 درجه استفاده شود. جایگزینی فولاد با لاستیک یا پوشاندن فولاد با لاستیک باعث کاهش سرعت سایش در 80 درجه می شود. با این حال، تغییر زاویه به 08 یا 08 درجه سانتیگراد برای لاستیک، میزان سایش را حتی بیشتر کاهش میدهد.
میزان سایش به عنوان از دست دادن جرم در هر جسم فرساینده تعریف میشود.شکل 1_ میزان سایش به عنوان از دست دادن جرم در هر جسم فرساینده تعریف می شود.
در الاستومر های پلی یورتانی نیز تفاوت هایی وجود دارد، به صورتی که رزین های پلی یورتانی بر پایه پلی استرخواص بسیار خوبی از نظر استحکام کششی و سایش دارند اما خواص دینامیکی وخواص سایشی آن ها در دماهای پایین نسبت به پلیاترها کمتر است. همچنین پلی استرها مقاومت هیدرولیز بسیار کمی دارند و استفاده از آن ها در قطعاتی در تماس با محیط آبی و اسیدی توصیه نمی شود.
از تست آزمایشگاهی تا عملکرد واقعی
چندین نویسنده نشان داده اند که از طریق بررسی و آزمایش نمی توان مقاومت فرسایش مواد پلیمری را بر اساس پارامترهای ماده از ورق های داده ی مشخصات محصول، به طور دقیق پیشبینی کرد. در بحث در مورد سایش فلزی، پوهل و ال روبایی اشاره کردند که مقاومت در برابر سایش یک ویژگی ذاتی نیست. بنابر این، یک آزمایش یا استاندارد آزمایشگاهی وجود ندارد که مقاومت در برابر سایش را اندازه گیری کند. شرایط بارگذاری در تجهیز باید به طور مناسب توسط یک آزمایش آزمایشگاهی شبیه سازی شود تا عمر و سایش یک جز تخمین زده شود.
شکل 2 به صورت شماتیک تغییر میزان سایش را در 30 درجه سانتی گراد برای یک قطعه پلی یورتان قبل و بعد از عملیات حرارتی با استفاده از ویژگی های ریز ساختاری حاصل از پراکندگی اشعه ایکس نشان می دهد.
شکل 2
( a ) تغییر در میزان سایش در زاویه بروز 30 درجه برای یک پلی اورتان در شرایط بازیافتی و حرارتی (b) تصویر شماتیک ریز ساختار پلی اورتان در حالت های قبل از عملیات حرارتی (درجه d=140) و عملیات حرارتی (240 درجه=d) میانگین فاصله بین دامنه با علامت “d” از طریق پراکندگی اشعه ایکس اندازه گیری می شود.
از دیدگاه تحقیقاتی بر روی فلزات، تغییر سایش با به سازی ریزساختار ها از طریق عملیات حرارتی ساده لوحانه است، اما در زمینه الاستومر های مقاوم به سایش به نظر می رسد خاصیتی جز سختی باعث نگرانی محققان نمی گردد. درحالی که ترکیب شیمیایی، شرایط تولید، عملیات حرارتی (پس از پخت)، پیری، حملات شیمیایی و خستگی می توانند به طور قابل توجهی بر عملکرد سایش مشاهده شده تأثیر بگذارد.
پیشرفت های اخیر
در زمینه عملکرد سایش الاستومر های مقاوم به سایش، پیشرفت های اخیر در متناسب سازی ریز ساختار الاستومرها و تمرکز بر تعیین مکانیسمهای سایش واقعی در عمل و آزمایش– های آزمایشگاهی بوده است. در چندسال گذشته، محققان دانشگاهی از روش استفاده از سختی الاستومر های مقاوم به سایش به عنوان تنها موثر بر طیف خواص مکانیکی آن فاصله گرفتهاند.
تقریباً در همه مواردی که عملکرد ظاهراً غیرطبیعی خوبی دیده شدهاست، به دلایل ریزساختاری مربوط میباشد. در الاستومرهای پلی– یورتان، این مورفولوژی توزیع شده دو فاز است که در آن بخشهای سخت غنی از دی ایزوسیانات به عنوان سایتهای اتصال عرضی در یک ماتریس پلیاتر یا پلی– استر نرم و انعطاف پذیر عمل میکند که عملکرد سایش را در هر یک از ترکیبات فراتر میبرد که همین موجب میشود سایش با تغییرات مورفولوژی از طریق بازپخت مواد در شرایط مناسب بهبود یابد. مشخص شده که با افزایش سطح جداسازی فاز، خاصیت سایش بهبود مییابد. شکل 5 b نمایشی شماتیک از تغییراتی است که در الاستومر پلییورتان هنگام بازپخت در دمای کمی زیر دمای جداسازی میکروفاژ رخ میدهد را نشان می دهد.
روند بازپخت منجر به خالص تر شدن مراحل سخت و نرم و افزایش میزان اتصال عرضی (تبلور) در حوزه های سخت می شود. پیشرفت های چشمگیر دیگر در زمینه توسعه الاستومرها برای صنایع معدنی بدر زمینه ی کاهش هزینه تولید است که منجر به افزایش اتوماسیون فرآیند های ریخته گری/ قالب ریزی و کاهش هدر رفتن مواد می شود.
پیشرفت مهم دیگر
درک عملکرد سایش الاستومر در شناخت مکانیسم های بوجود آورنده ی سایش بوده است. محققانی مانند هاچینگ و همکارانش، آرنولد و وود و همکارانش مکانیزم های الاستومر های مقاوم به سایش را در آزمایش های فرسایشی ( و سایر موارد) بررسی کرده و مکانیزم های آسیب واقعی را تعیین کرده اند.
فعل و انفعالات بین خوراک فرساینده و سطح به دلیل شکنندگی نسبی الاستومر و خستگی ناشی از برخوردهای مکرر، پیچیده است. نکات جالبی که به تازگی آشکار شده است، طیف گسترده ای از مکانیسم های آسیب است که تمامی اتفاق میافتند. آینده الاستومرهای مورد استفاده در صنایع معدنی بسیار درخشان است، خصوصاً اگر شرکت های معدنی و بخش های خرید و نگهداری آن ها بتوانند به استفاده صحیح از الاستومرها، یعنی درک بازه عملیاتی برای افزایش در طول عمر خدمات آموزش ببینند.
تحولات احتمالی آینده
در این مواد شامل الاستومرهای خود تقویت شده است مانند استفاده از افزودنی های لغزنده برای کنترل خصوصیات اصطکاکی الاستومرها، استفاده از مواد جدیدتر مانند فلورواستومرها، از همه مهم تر کنترل ریز ساختی الاستومرها برای تولید به طوری که سایش را به حداقل برساند.
همچنین اگر تولیدکنندگان الاستومر ها بتوانند با کاربران نهایی در صنعت معدن (هم شرکت معدن و هم پیمانکاران) همکاری نزدیکتر داشته باشند تا ارزیابی دقیقی از شرایط واقعی موجود در محل معدن / ماده معدنی به دست آورند، بسیار مفید می باشد. از نظر ما، بسیاری از موارد ناموفق الاستومر های مقاوم به سایش در صنعت معدن ناشی از عدم درک از ماهیت خصوصیات فیزیکی الاستومرها است. لازم به تأکید است که به علت متغیرهای فرآیند، همه الاستومرها دارای یک پنجره عملیاتی کوچک هستند که در آن می توانند عملکرد بهینه داشته باشند.
تغییرات اندک در مکانیسم های سایش، pH، وجود یون های فلزی خاص و افزایش دما و خستگی می تواند منجر به شکست سریع و غیر منتظره شود. یکی دیگر از راهکار هایی که به تازگی توسط شرکت های بزرگ انجام می شود استفاده از سیستم منحصر به فرد اتصال بدون پین T-Lock هاست که این هزینه های کلی عمر کار دستگاه را از طریق کم کردن نیاز به قطعات یدکی افزایش می دهد. همچنین باعث کاهش زمان تعمیر و نگهداری محصولات می گردد. نحوه ی اتصال پانل ها را میتوان به این صورت نشان داد:
پیشنهاد برای مطاله: کاربردهای پلی یورتان در صنعت
یکی دیگر از بزرگترین مشکلات موجود در سرندهای ترومل، میزان سایش زیاد به علت سرعت خارجی بالای خود تجهیز ترومل می باشد که با بزرگتر شدن سایز ترومل ها این مشکل روز به روز بیشتر هم می شود، چراکه با 2 برابر شدن سرعت مواد روی پانل ها، میزان سایش 5 برابر می شود. کاهش عمر مفید مش ها به این دلایل چالش هایی بوجود می آورد، با این وجود ما راه حل هایی برای این موارد نیز داریم.
نتایج
در این بررسی استفاده از عملیات حرارتی و شیمی برای تغییر ریز ساختار و الاستومر های مقاوم به سایش پلی یورتانی مورد بحث قرار گرفته است. ما بر روی کلاس جدید مواد با مبنای پلیمری متمرکز شده ایم تا مواردی را که ممکن است عملکرد بهتر و مزیت اقتصادی به ارمغان آورند را با توجه به ملاحظات طراحی تجهیزات نشان دهیم. بهبود بیشتر در عملکرد مواد ممکن است از طریق بررسی و شبیه سازی رویکرد طبیعت به طراحی تریبوسیستم حاصل شود.
این توضیحات این نوید را به ما می دهد که فرصت هایی برای طراحی های ساخته شده توسط بشر با استفاده از مواد انعطاف پذیر و راهکارهای تعمیر/ جایگزینی پایدار برای اجزای فرسوده وجود دارد. به عنوان مثال، در طبیعت با وجود فرسودگی ناخن ها و دندان ها به رشد خود ادامه می دهند. دندان های روی لایروبی را تصور کنید که می توانند این کار را انجام دهند. پوست برای ایجاد محافظت در مناطق دارای سایش زیاد، پینه ایجاد می کند. چالش آینده مواد سایشی، توسعه استراتژی های به حداقل رساندن انرژی و پایدار برای سیستم های تریبوسیستمی و رساندن زمان کارکرد بدون توقف تجهیزاتی مانند ترومل به 12 الی 14 هفته است.