Czynników nieprzyjaznych jest wiele. Mają też różny charakter. Niektóre z nich mają charakter "zwykłych wielkości fizycznych", aczkolwiek aby oddziaływać destrukcyjnie, muszą mieć ekstremalną wartość – przykładem są: skrajnie wysokie albo ekstremalnie niskie temperatury i ciśnienie. Inne to substancje, jak woda, woda morska, chemikalia i pyły, niektóre zaś wynikają z formy złożonych procesów – taki jest korozja. Jest to proces postępującego niszczenia materiałów, zwłaszcza metali, w następstwie ich reakcji z otoczeniem. Rozwija się w obecności cieczy albo gazów, w dowolnej temperaturze, choć na ogół szybciej w wyższej. Jej postępowi sprzyja również obecność zanieczyszczeń.
Woda, korozja i zapylenie
Jakie są typy korozji? Gdzie stanowi problem?
Wyróżnia się kilka rodzajów korozji. Pojawia się na powierzchni równomiernie albo miejscowo (korozja wżerowa, korozja szczelinowa). Galwaniczna występuje, jeżeli dwa albo więcej metali styka się ze sobą w obecności elektrolitu. Mikrokrystaliczna rozwija się na granicach ziaren metalu w wyniku niewłaściwej obróbki cieplnej, na przykład spawania, a wysokotemperaturowa na skutek reakcji z otoczeniem w podwyższonej temperaturze – przykładem jest pogorszenie się właściwości mechanicznych metali, które wystawiono na działanie m.in. amoniaku, azotu, fluoru, tlenku węgla, metanu, chloru. Najpowszechniej występuje korozja atmosferyczna – przykład to rdza na żelazie. Może mieć charakter chemiczny albo elektrochemiczny.
Korozja to problem w branży morskiej, w jednostkach pływających i elektrowniach wiatrowych. Elementy ich konstrukcji i wyposażenia mają kontakt z wilgotnym i silnie zasolonym powietrzem, na które narażona jest część statku niezanurzona w morzu i jego wnętrze (maszynownia, ładownia, kabiny), a w przypadku elektrowni – turbina, i ze słoną wodą morską, z którą stykają się podwodna część kadłuba statków i wieże wiatraków. Korodują również części maszyn budowlanych, do prac leśnych, sprzętu górniczego. Choć korozji nie można całkiem wyeliminować, można ją ograniczyć. Jeżeli mimo wszystko rozwija się, oznacza to, że zastosowane środki nie są wystarczające lub dany sprzęt nie nadaje się do użytku w tych konkretnych warunkach.
Jak zapobiegać korozji?
Kluczowe znaczenie ma dobór odpowiednich materiałów. Odporna na korozję jest m.in. stal nierdzewna. Zawdzięcza ona tę właściwość zawartości chromu (minimum 10%), który tworzy na powierzchni samonaprawiającą się warstwę tlenku. Występuje w różnych odmianach. Przykładem jest stal nierdzewna 316, wyróżniająca się wyjątkową odpornością na korozję ze względu na większą zawartość niklu oraz dodatek molibdenu. Jest to dzięki temu popularny materiał wykonania obudów urządzeń elektrycznych wykorzystywanych w środowisku morskim. Ten typ stali sprawdza się szczególnie w ich korpusach, natomiast nie jest polecany jako materiał wykonania elementów takich jak nakrętki, śruby, złącza. W zamian lepiej jest wykorzystać stal nierdzewną 304, ze względu na jej wyższą wytrzymałość i odporność na zużycie, częściowo z powodu nieco wyższej zawartości chromu, i niższy koszt.
Kolejne materiały to stopy miedzi. Wyróżnia je dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, dobre właściwości mechaniczne, łatwość obróbki. Chociaż reagują z pewnymi kwasami, generalnie w powietrzu, wodzie, słonej wodzie, w obecności wielu organicznych i nieorganicznych chemikaliów charakteryzuje je duża odporność na korozję. Nikiel oraz jego stopy są z kolei odporne na roztwory żrące. Inny przykład to aluminium oraz jego stopy, m.in. 5052, który poza odpornością na korozję wyróżnia wytrzymałość zmęczeniowa i łatwość spawania.
Kolejną ważną kwestią jest kompatybilność metali – powinno się unikać tych ich zestawień, w których może wystąpić korozja galwaniczna. Przykład to połączenie miedzi i stali nierdzewnej. Metale zabezpiecza się również, pokrywając je powłokami ochronnymi. Wytwarza się je m.in. w procesie cynkowania i miedziowania. Przed korozją zabezpiecza też malowanie proszkowe oraz powłoki ceramiczne.
Złącza hermetyczneNewralgicznym elementem obudów są złącza. Jeżeli będą użytkowane w warunkach, w których czynniki środowiskowe mogą przez nie przenikać do wnętrza urządzenia, żeby do tego nie dopuścić, trzeba korzystać z modeli z uszczelnieniem. W tym zakresie można wybrać jedno z dwóch rozwiązań, w zależności od wymagań. Są to złącza: wodoodporne i pyłoszczelne lub złącza hermetyczne. Wodoodporność oraz pyłoszczelność zapewniają uszczelnienia z tworzyw sztucznych. W złączach hermetycznych z kolei izolację kontaktów wykonuje się ze szkła, ceramiki lub żywicy. Są one zaprojektowane tak, by wytrzymywały wysokie ciśnienie. Gazoszczelność wymagana jest zwykle w zastosowaniach specjalnych, na przykład w wojsku, lotnictwie i zadaniach realizowanych na dużych głębokościach, na przykład w eksploracji dna morskiego. Dużą popularnością cieszy się zwłaszcza pierwszy z wymienionych materiałów. Wśród zalet złączy hermetycznych z uszczelnieniem ze szkła wymienić należy: trwałość, wytrzymałość mechaniczną oraz wysoką temperaturę pracy. Proces uzyskiwania gazoszczelności polega na topieniu szkła w piecu do czasu, aż wypełni ono przestrzeń między kontaktami i obudową wkładki, a pomiędzy szkłem i metalem wytworzą się trwałe wiązania. Wówczas temperatura jest obniżana, aż do schłodzenia wkładów. Aby zapewnić szeroki zakres temperatur pracy, szkło i metal powinny charakteryzować się zbliżonymi współczynnikami rozszerzalności termicznej. Zapobiega to powstawaniu niekontrolowanych naprężeń i przesunięć komponentów wkładki przy zmianach temperatury. |
Zalanie i zapylenie
Niekorzystny jest nie tylko kontakt zewnętrznych powierzchni obudów urządzeń z czynnikami korozyjnymi, ale również ich przenikanie do wnętrza – przykładowo woda morska i zwykła powodują zwarcia. Podobnie negatywnie wpływają zjawiska atmosferyczne, jak deszcz oraz śnieg, chemikalia (smary, rozpuszczalniki, sól drogowa), środki myjące. Na kontakt z nimi narażone jest: wyposażenie statków, morskich elektrowni wiatrowych, jak i m.in. panele operatorskie w sprzęcie pracującym w terenie, na przykład w maszynach górniczych, maszynach budowlanych (koparki), pojazdach komunalnych (śmieciarki, odśnieżarki), pojazdach ratowniczych (wozy strażackie). Szafy elektryczne i obudowy z kolei często pracują w pomieszczeniach o dużym zapyleniu, na przykład w produkcji żywności i kopalniach. Drobiny pyłu, które przenikną do ich wnętrza, również są źródłem wielu problemów (zwarcia, zatykanie wentylacji powodujące przegrzewanie).
Odporność na płyny i pyły uzyskuje się przez wybór odpowiedniego materiału obudowy, materiału i typu jej uszczelnień oraz konstrukcję złączy. Poziom ochrony zapewnionej w ten sposób opisuje się stopniem IP. Kod IP składa się z dwóch cyfr. Pierwsza, z przedziału od 0 do 6, opisuje poziom zabezpieczenia przed wnikaniem do wnętrza urządzenia ciał stałych, druga, w zakresie od 0 do 9, wody. Przykładowo obudowa o stopniu ochrony IP58 ma zagwarantowaną pyłoodporność oraz szczelność przy zanurzeniu ciągłym, IP56 pyłoodporność i szczelność przy zalaniu falą wody (zalecaną na przykład w przypadku obudów wyposażenia jednostek pływających), zaś IP67 pyłoszczelność i szczelność przy zanurzeniu czasowym.
Uszczelki chronią przed płynami i pyłem
Obudowy można zabezpieczyć przed wnikaniem ciał obcych m.in. uszczelkami: w postaci pasków, wyciętymi w kształcie obrysu złączanych elementów lub wylewanymi w formie pianki na podłoże zabezpieczone przed korozją, która następnie zastyga. Pierwsze są zazwyczaj tanie, ale niestety na złączach, w rogach, szybko niszczeją. Problem ten nie dotyczy uszczelek wylewanych – ich zaletą jest bowiem ciągłość na całym obwodzie oraz bardzo dobra przyczepność do podłoża. Są również tanie. Uszczelki wycinane są z kolei zwykle nieco droższe.
Materiał uszczelki powinien być odporny na te same czynniki zewnętrzne, co obudowa. Wykonuje się je najczęściej z TPE, czyli elastomerów (kauczuków) termoplastycznych, PUR (poliuretanu), EPDM (terpolimeru etylenowo-propylenowo-dienowego) o dużej wytrzymałości na rozciąganie, neoprenu oraz silikonu. Najczęściej używanym materiałem jest neopren. Zaletą poliuretanów jest natomiast łatwość wytwarzania uszczelek o nieregularnych kształtach. Za silikonem przemawia z kolei odporność na promienie słoneczne i szeroki zakres temperatur pracy (od –60°C do +170°C). Jest niestety droższy niż pozostałe materiały.
Wysokie temperatury
Skutki wysokich temperatur
Kolejnym czynnikiem wymagającym specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych są bardzo wysokie temperatury. Jeżeli urządzenia elektryczne i mechaniczne, które dodatkowo nagrzewają się na skutek przepływu prądu oraz tarcia, pracują w takich warunkach, można się spodziewać m.in. problemów z ich wydajnością i chłodzeniem. Nadmierne ciepło powoduje też rozszerzanie się i mięknięcie materiałów, z których wykonano ich podzespoły oraz obudowy. Zmieniają się również właściwości substancji pomocniczych (chłodzących, smarujących), zapewniających ich prawidłowe funkcjonowanie. Przykład komponentów, których niedostosowanie do takich warunków ma poważne negatywne konsekwencje, to łożyska.
W ich przypadku można się spodziewać różnych problemów skracających ich żywotność. Jednym z nich jest niewystarczające smarowanie, spowodowane tym, że w podwyższonej temperaturze smary oraz oleje stają się bardzo rzadkie. Rozrzedzony środek smarny, szczególnie w połączeniu z niskimi prędkościami obrotowymi, zwiększa tarcie w łożysku. Oprócz szybszego zużycia, towarzyszy temu również hałas.
Następny problem to skrócona żywotność smaru w wysokich temperaturach. To z kolei powoduje konieczność częstszego dosmarowywania łożysk. Poza tym, że jest to czasochłonne i kosztowne, zwiększa ryzyko przepełnienia. To z kolei grozi zanieczyszczeniem procesu nadmiarem smaru – jest to szczególnie niepożądane w produkcji żywności, leków, układów elektronicznych czy na liniach lakierowania / malowania, a nawet jego zapaleniem się. Oprócz tego w takich warunkach stary smar pozostawiony w łożyskach może się zwęglić, blokując je.
W wysokich temperaturach trzeba się poza tym liczyć z utratą wewnętrznego luzu łożysk. Wynika to stąd, że gdy temperatura rośnie, metal się rozszerza. Niekontrolowana utrata wewnętrznego luzu może w konsekwencji prowadzić do zatarcia łożysk.
Łożyska do wysokich temperatur
Wymienić można wiele przykładów stanowisk na liniach technologicznych w różnych branżach, gdzie łożyska są narażone na wysokie temperatury. Są to m.in.: sekcje suszenia w obrębie linii lakierniczych oraz malarskich, piece piekarnicze w zakładach spożywczych czy stanowiska chłodzenia na liniach walcowania. Sprawdzą się tam łożyska wysokotemperaturowe.
W tego typu komponentach m.in. stosuje się środki smarne na bazie grafitu. Zapewniają one smarowanie nawet w wysokich temperaturach i przy niskich prędkościach, eliminując ryzyko kontaktu metal-metal. Oprócz tego inaczej niż smary i oleje, nie starzeją się i nie tracą swoich właściwości smarnych nawet w temperaturach sięgających +400°C. Nie trzeba ich zatem często dosmarowywać.
Poza tym są zaprojektowane z zachowaniem zapasu luzu wewnętrznego, który umożliwia utrzymanie jego minimum nawet w podwyższonej temperaturze. Zapobiega to zacieraniu się łożysk i zapewnia długi czas pracy.
Problemy przez nasłonecznienie
Źródłem ciepła może być nie tylko sam proces, ale również otoczenie. Na spowodowany tym wzrost temperatury są m.in. narażone urządzenia elektryczne instalowane poza budynkami. W przypadku montażu na zewnątrz są one bowiem wystawione na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Przy silnym nasłonecznieniu ciepło przekazywane tą drogą kumuluje się z tym, które pochodzi od komponentów wewnętrznych. W zależności od warunków klimatycznych w miejscu instalacji może to powodować wzrost temperatury znacznie powyżej dopuszczalnego progu.
Do przegrzewania się obudów próbuje się nie dopuszczać różnymi sposobami. Przykładowo wyposaża się je w termostaty używane do sterowania wentylatorem oraz grzejnikami w celu utrzymania stałej temperatury w dzień i w nocy. Dodatkowo pozwala to, poza obniżeniem temperatury w ciągu dnia, na uniknięcie kondensacji w nocy dzięki ogrzewaniu obudowy.
Inne rozwiązania to: zamontowanie urządzenia w miejscu mniej nasłonecznionym lub jego zasłonięcie specjalną osłoną. Naprzeciw potrzebom w tym zakresie wychodzą też producenci obudów.
Jak uniknąć przegrzewania obudów?
Przede wszystkim, ponieważ kolor obudowy ma bezpośredni wpływ na ilość pochłanianego promieniowania słonecznego, oferują je przeważnie w jasnych kolorach, silniej je odbijających niż te ciemniejsze. Oprócz tego dostępne są obudowy w wersjach door-over-door, w których obudowa właściwa jest umieszczona w zewnętrznej, dodatkowej obudowie. Dzięki temu ta wewnętrzna nie jest wystawiona na bezpośrednie działanie promieniowania słonecznego. Konstrukcja ta ma także taką zaletę, że zewnętrza osłona stanowi dodatkową barierę do pokonania dla osób, które nie powinny mieć dostępu do urządzeń wewnątrz.
Silne nasłonecznienie jest problemem nie tylko ze względu na silniejsze nagrzewanie się. Ponadto, na przykład w panelach operatorskich w maszynach budowlanych i tych używanych w pracach leśnych, pogarsza czytelność wyświetlacza. By temu zapobiec, ich ekrany pokrywa się powłoką antyodblaskową.
Niskie temperatury
Płyny o ekstremalnie niskich temperaturach, jak skroplone gazy czy czynniki chłodnicze, są wykorzystywane w różnych branżach, m.in. farmaceutycznej, spożywczej, chemicznej. W ich przypadku można się spodziewać problemów z tradycyjnymi uszczelnieniami mechanicznymi. Przede wszystkim materiały, z których są standardowo wykonywane, nie są odporne na tak niskie temperatury. Tego typu płyny mają słabe właściwości smarne. Ponadto powierzchnie kontaktowe nie mogą być zanieczyszczone smarami ani wilgocią, inaczej przymarzną do siebie, co po uruchomieniu maszyny prowadzi do ich pękania i rozszczelnienia. Wycieki są nie tylko niepożądane z powodu strat płynu, stanowią także zagrożenie dla ludzi w związku z jego właściwościami (bardzo niską temperaturą powodującą odmrożenia w kontakcie ze skórą, dużą objętością po odparowaniu w temperaturze pokojowej, w zamkniętym pomieszczeniu grożącą niedoborem tlenu, palnością, wybuchowością, toksycznością).
Uszczelnienia mechaniczne w niskich temperaturach
Wytrzymałość tytułowych komponentów na ekstremalnie niskie temperatury zależy od materiałów, z których wykonano ich części. Przykładowo, jeżeli chodzi o pierścienie z węgla impregnowanego żywicą najczęściej wybierane, gdy pompowany produkt nie zawiera cząstek ściernych, w takich warunkach trzeba się liczyć z wystąpieniem zjawiska blisteringu, skracającego ich żywotność.
Jest ono spowodowane tym, że w niskiej temperaturze uwalnianie grafitu o samosmarujących właściwościach jest utrudnione, a spoiwo żywiczne staje się kruche. Problem ten nie dotyczy pierścieni z węgla impregnowanego antymonem, ponieważ jednak jest to trucizna, zakres ich zastosowań jest ograniczony – nie nadają się do użytku m.in. w przemyśle spożywczym ani farmaceutycznym. Alternatywę stanowią pierścienie węglowe z domieszkami ułatwiającymi uwalnianie grafitu w niskiej temperaturze, na przykład z dwusiarczkiem molibdenu.
W takich warunkach z kolei, ze względu na to, że niska temperatura zwiększa ich kruchość, nie sprawdzą się pierścienie z węglika krzemu, poza tym popularne ze względu na dużą odporność chemiczną. Alternatywą jest węglik wolframu, którego dodatkową zaletą jest wytrzymałość na wstrząsy i wibracje. Zamiast pierścieni węglowych można też użyć teflonowych. Sprawdzą się także pierścienie z ceramiki z tlenku glinu, dzięki temu, że ciepło, które zatrzymują jako dobre izolatory termiczne, może korzystnie wpływać na inne komponenty uszczelnienia.
Przegląd materiałów do uszczelnień mechanicznych
Popularnym materiałem do wykonania uszczelek wtórnych uszczelnień mechanicznych są elastomery. Niestety w niskich temperaturach ulegają zeszkleniu – w przypadku popularnych typów, takich jak elastomery nitrylowe, już przy –30°C...–40°C. Zwiększa to ich kruchość, przez co łatwiej pękają. Co więcej, w temperaturze pokojowej odzyskują elastyczność, co utrudnia rozpoznanie ich jako przyczyny rozszczelnienia. Dlatego przy ekstremalnie niskich temperaturach, rzędu –200°C i niższych, lepiej stosować uszczelki wtórne z teflonu lub grafitu. Materiał uszczelki powinien również być chemicznie kompatybilny z pompowanym płynem.
Analizy wymaga też wpływ niskich temperatur na elementy metalowe, które w tych warunkach stają się kruche albo się kurczą. To powoduje wycieki niewykrywalne w temperaturze pokojowej. W ekstremalnie niskich temperaturach sprawdzą się stale nierdzewne 304 i 316 – mają one w nich nawet większą wytrzymałość na rozciąganie niż w temperaturze pokojowej, a twardość jedynie nieznacznie mniejszą, inaczej niż stale ferrytyczne (410S, 430, 446), martenzytyczne (420, 461) i utwardzane wydzieleniowo (17/4PH), mięknące już w umiarkowanie niskiej temperaturze. W ekstremalnie niskiej temperaturze sprawdzą się za to stopy inconel 625 i 718 oraz monel 400, który ma w takich warunkach większą wytrzymałość oraz twardość, przy jedynie niewielkim zmniejszeniu się plastyczności – nie jest kruchy nawet poniżej –200°C.
Dodatkowo specyfikę pracy w niskich temperaturach powinna uwzględniać metoda łączenia metalowych elementów. Muszą być też kompatybilne chemicznie z pompowanymi płynami. Niektóre z ostatnich wymagają ponadto elementów metalowych w wykonaniu nieiskrzącym.
Jak chronić wózki widłowe przed chłodem?Uwagi wymagają opony tytułowych pojazdów. W niskiej temperaturze i dużym zawilgoceniu może się na nich gromadzić lód, oblodzona bywa również posadzka chłodni. Zmniejsza to przyczepność opon i utrudnia kierowcom kontrolowanie wózków. Dlatego zamiast gumowych typowo wyposaża się je w opony poliuretanowe z lamelami, o specjalnie przygotowanej powierzchni, która ogranicza gromadzenie się wilgoci i lodu. Ponadto, w związku z większym prawdopodobieństwem wywrotki na śliskiej powierzchni, wózki widłowe do mroźni i chłodni wyposażane są w systemy stabilizacji. Składają się one typowo z zestawu sensorów, siłowników i sterowników, które monitorują parametry ruchu pojazdu, a w przypadku ich odchyleń od wartości bezpiecznych podejmują działania korygujące, tak żeby zachować stabilność wózka, jak i transportowanego ładunku. Przykładowe akcje to blokada tylnej osi albo ograniczenie prędkości pojazdu w razie utraty stabilności podczas skręcania. Chociaż wózki widłowe są nadal napędzane silnikami spalinowymi i akumulatorami kwasowo-ołowiowymi, modele energooszczędne i przyjaźniejsze środowisku wyposaża się w wodorowe ogniwa paliwowe z zerową emisją podczas pracy albo akumulatory litowo-jonowe. Te drugie charakteryzują się szerszym zakresem temperatur pracy, mniejszą utratą ładunku i większą wydajnością w niskich temperaturach niż kwasowow-ołowiowe. Niektórzy producenci wózków dopuszczają nawet ładowanie ich w mroźni, dzięki wbudowanemu podgrzewaczowi akumulatorów. Taka możliwość pozwala na dłuższą pracę pojazdu bez konieczności opuszczania chłodni, a zatem bez problemów z kondensacją. W niskich temperaturach wprowadza się też szereg rozwiązań ukierunkowanych na komfort operatora, na przykład: podgrzewane uchwyty, podłogi oraz siedzenia. Bierze się pod uwagę również to, że pracując w mroźniach oraz chłodniach, muszą oni nosić specjalne, ocieplane kombinezony robocze oraz rękawice. W związku z tym przestrzeń jest zorganizowana, a wyposażenie, jak wszelkie uchwyty, zaprojektowane z zachowaniem zasad ergonomii, umożliwiających swobodne poruszanie się i sterowanie nawet w ciężkim, obszernym, nieporęcznym ubraniu. |
Wózki widłowe w mroźniach i chłodniach
Nie tylko niska temperatura wewnątrz, ale także na zewnątrz urządzeń stanowi problem. W ekstremalnie niskiej pracują na przykład wózki widłowe wykorzystywane w magazynach-chłodniach. Pojazdy te są w takich obiektach wszechobecne i niezbędne, a od ich sprawnego działania zależy ciągłość przepływu towarów i płynność dostaw. Niestety w tym zastosowaniu wózki widłowe narażone są na liczne negatywne konsekwencje pracy w niskiej temperaturze – przez to floty tych pojazdów w nawet 10% rocznie są wymieniane na nowe. Aby wydłużyć ich żywotność, producenci wózków widłowych stosują specjalne rozwiązania konstrukcyjne, które zabezpieczają ich elektryczne, mechaniczne i hydrauliczne komponenty.
Na jeden z najuciążliwszych czynników wózki widłowe są narażone, gdy opuszczają chłodnię. Chodzi o kondensację. Aby zabezpieczyć złącza przed wnikaniem wilgoci, wykorzystuje się te podwójnie uszczelnione. Dzięki temu unika się sytuacji, w której nagromadzona w nich woda zamarza, kiedy wózek wraca do chłodni, co z kolei powodowałoby, że wypełniając wtyki, rozszerzałaby je. Po ponownym rozmrożeniu zbyt duży luz powodowałby brak kontaktu elektrycznego. Przez to złącza trzeba by często wymieniać. Zamarzanie skondensowanej wody jest również problemem w przypadku przełączników i klawiatur, dlatego elementy te w wózkach widłowych są miejscowo podgrzewane. Poza tym generalnie komponenty elektroniczne, złącza i okablowanie umieszcza się tam, gdzie skraplanie się, przy danej konstrukcji wózka, jest najmniej prawdopodobne. Krytyczne podzespoły są również zabezpieczane przed korozją. Kondensacji próbuje się oprócz tego zapobiegać "od środka". W tym celu w wózkach przeznaczonych do pracy w mroźniach i chłodniach ogranicza się liczbę ruchomych oraz elektrycznych podzespołów, żeby ograniczyć ilość ciepła wytwarzanego wewnętrznie. W ramce wyjaśniamy także, jak się rozwiązuje inne problemy towarzyszące korzystaniu z wózków widłowych w ekstremalnie niskich temperaturach.
