1

Ryszard Daniel1 Eugeniusz Dembicki2

Nowoczesne rozwiązania stref kontaktowych ruchomych zamknięć wodnych

Jednym z podstawowych warunków dobrej pracy wrót śluz, jazów, doków, barier morskich i innych ruchomych zamknięć wodnych jest prawidłowy i trwały przekaz obciążeń w strefach kontaktowych. Rozwiązania konstrukcyjne i materiałowe stref kontaktowych wpływają w zasadniczy sposób na spełnienie takich wymagań jak zgodna z założeniami praca ustrojów zamknięć wodnych, szczelność tych zamknięć, ich współpraca z masywami koryt, filarów, przyczółków, progów itp., zapobieżenie drganiom przy przepływie wody, planowany okres użytkowania (life cycle) i cykl międzyremontowy. Zależności te sprawiają, iż należy podnieść rangę zagadnień kontaktowych w projektowaniu, wykonawstwie i utrzymaniu zamknięć wodnych. Problemowi temu był poświęcony przewód doktorski prowadzony na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej. Przewód ten był oparty na doświadczeniach projektowych, eksploatacyjnych oraz rezultatach badań prowadzonych przez doktoranta w Holandii [1]. Jak wiadomo, w kraju tym znaczenie żeglugi oraz zabezpieczeń przeciwpowodziowych w gospodarce sprawia, że zarówno waga problemu jak i dostępny materiał badawczy są wyjątkowo duże [2]. W niniejszym referacie ograniczono się z konieczności do tematu nowoczesnych rozwiązań stref kontaktowych zamknięć wodnych. Ostatnie dwa dziesięciolecia przyniosły istotny postęp w tej dziedzinie, dotyczący zarówno aspektów konstrukcyjnych jak i materiałowych. W referacie przedstawione są niektóre tendencje tego postępu, zilustrowane przykładami z praktyki projektowo-wykonawczej autora, a także doświadczenia terenowe i wyniki badań laboratoryjnych różnych materiałów kontaktowych zamknięć wodnych. Kurs na trwałość W projektowaniu zamknięć wodnych, a szczególnie ich stref kontaktowych, coraz większą rolę odgrywa dążenie do minimalizacji prac utrzymania ruchu. Tendencja ta ma podłoże nie tylko ekonomiczne. Jej źródłami są m.in.: • Względy ruchowe: Przeglądy i prace remontowe w obiekcie hydrotechnicznym (śluza,

jaz, suchy dok itp.) wyłączają taki obiekt z ruchu lub ruch ten ograniczają. Wynikające stąd straty są zwykle znaczne i dotykają wielu zainteresowanych.

• Postępujący wzrost kosztow robocizny, szczególnie w warunkach polowych, w stosunku do kosztow materiałowych. Sprawia on, że opłaca się budować solidniej (nawet ciężej), jeżeli pozwala to ograniczyć częstotliwość i zakres przeglądów i prac remontowych.

• Przyczyny administracyjno-ekonomiczne: Budowa obiektów hydrotechnicznych jest w większości krajów finansowana z centralnych pozycji budżetowych, podczas gdy ich utrzymanie obciąża budżety lokalne. Stąd oddolny nacisk na ograniczenie wymagań pod adresem utrzymania.

1 Dr inż., Min. Transportu, Robót Publicznych i Gosp. Wodnej Holandii, Wydział Budowli Inżynieryjnych 2 Prof. zw. dr hab. inż., Politechnika Gdanska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

2

• Logika systemów tzw. utrzymania prewencyjnego: Logika ta wymusza standardyzację prac utrzymaniowych i ich powtarzalność w ściśle określonych odstępach czasu. Nie sposób wtedy „oszczędzać” na utrzymaniu. Systemy te są też mniej czuły na zakłócenia i usterki niekonwencjonalne, co w niestandardowych obiektach – jak wrota śluz, ruchome jazy itp. – może prowadzić do poważnych awarii.

• Względy ochrony środowiska: Prace utrzymaniowe powodują zanieczyszczenia i inne obciążenia środowiska naturalnego. Koszty zapobiegania przeniknięciu zanieczyszczeń do środowiska a następnie ich utylizacji lub tzw. recyclingu są wysokie. Procesy z tym związane są zwykle również energochłonne.

O tym, jak daleko idące zmiany w projektowaniu zamknięć wodnych powoduje dążenie do eliminowania prac utrzymaniowych, świadczy n.p. generalny odwrót od podparć rolkowych lub typu szyna-wózek na rzecz podparć ślizgowych. Przykładem tego mogą być dwie bariery

przeciwpowodziowe morskie w okolicach Rotterdamu (Rys. 1). Pierwsza, w Krimpen nad IJssel [3], [4] pochodzi z lat 70-tych. W strefie kontaktowej zasuwy z wieżą widać tu ciężkie wózki prowadzące z dużą liczbą elementów mechanicznych, jak łożyska, osie, smarownice, zawiesia, uszczelki, łączniki – wymagających częstej i intensywnej obsługi, przeglądów, wymian itp. Tego rodzaju rozwiązania uważane są obecnie w Holandii za przestarzałe. W ich miejsce stosuje się prowadnice ślizgowe, których przykład widzimy w barierze na Kanale Hartel [2], [5]. Liczba elementów jest tu zredukowana do minimum; sam poślizg następuje między prowadnicami wież wyłożonymi wysokomolekularnym polietylenem (UHMPE: Ultra High Molecular Polyethylene) a wypolerowanym płaskownikiem ze stali nierdzewnej 316L na pionowych krawędziach skrajnych oczepów zasuwy. Przeglądy prowadzi się tu raz na 4 lata i z założenia nie prowadzą one do żadnych prac utrzymania, gdyż nie ma potrzeby smarowania, dokręcania śrub, wymiany uszczelek, korekty ustawień itp. Widzimy także, że wprowadzone zmiany znacznie upraszczają nie tylko konstrukcję stref kontaktowych lecz i samych zasuw – szczególnie w okolicach tych stref – a nawet i wież

Rys. 1. Montaż prowadnic zasuwy pionowej: z lewa: wózkowych (Krimpen a/d IJssel), z prawa: ślizgowych (Kanał Hartel).

3

nośnych. Konstrukcja zasuw staje się czytelniejsza, wieże – lżejsze. Podobne tendencje łatwo można znaleźć w zamknięciach wodnych innych rodzajów, jak np. wrota lub bramy wsporne, przesuwne, segmentowe, klapowe itd. Przykłady podane w pracy doktorskiej i opisane tam zjawiska dowodzą, że rozwiązania stref kontaktowych powinny być brane pod uwagę już na etapie wyboru rodzaju i ustroju zamknięcia, t.j. w projekcie wstępnym, a nie – jak dotychczas – dopiero na etapie dopracowywania szczegółów w projekcie roboczym. Występujące tu współzależności dotyczą nawet kwestii fundamentowych i relacji fundament – podłoże [6]. Stąd ogólny postulat podniesienia rangi zagadnień kontaktowych w projektowaniu. Potrzeba większej troski o trwałość rozwiązań kontaktowych przy niższych nakładach na użytkowanie wynika także z zebrannych przez autora danych terenowych o przyczynach awarii i zakłóceń na wrotach śluz w Limburgii – najbardziej chyba reprezentatywnym pod tym względem regionie Holandii. Region ten obsuługuje przewóz towarów drogą wodną z Rotterdamu w kierunku Belgii, Francji i części Niemiec. Jest to jedyny region Holandii, w którym występują znaczne wzniesienia a więc i różnice poziomów wody. To sprawia, że tak liczba jak i obciążenia śluz są duże. Dane zebrano z okresu od stycznia 1999 do kwietnia 2004 włącznie. Dotyczyły one zakłóceń i awarii powodujących przerwy w żegludze dłuższe niż ok. 1 godzina. W łącznej liczbie 1267 takich zakłóceń dominowały tzw. awarie elektro (w tym i układów sterowania). Te jednak – mimo dramatycznych proporcji – nie wchodzą w zakres niniejszych rozważań a ponadto są na ogół łatwe do usunięcia. W pozostałej grupie tzw. przyczyn mechanicznych największy udział miały problemy kontaktowe, Rys. 2.

Rys. 2. Struktura przyczyn zakłóceń i awarii wrót śluz na drogach wodnych Limburgii. Interesującym jest również fakt, że w omawianym okresie nie nastąpiła ani jedna awaria spowodowana przekroczeniem nośności elementu konstrukcyjnego wrót, w tym i w wyniku uderzenia przez tabór pływający. Jak wiadomo, problemy nośności są główną troską każdego projektanta. Należałoby więc zastanowić się nad zmianą akcentów w projektowaniu (może nawet w kształceniu projektantów) na korzyść szeroko pojętej problematyki trwałości – a szczególnie problematyki zjawisk kontaktowych i ich wpływu na pracę całych ustrojów. Problem łożysk wrót wspornych W jednym referacie nie sposób jest przedstawić – nawet przekrojowo – całej problematyki kontaktowej zamknięć wodnych. Rozpatrzmy więc bliżej przykład łożysk wrót wspornych w celu zilustrowania metod analizy tej problematyki. W ogólnym przypadku wrota te przenoszą

1044

223

Elektro (E)Mechaniczne (M)

156

28

39

Problemy kontaktoweProblemy napedoweInne przyczyny

Przyczyny ogólnie W tym mechaniczne (M)

4

obciążenia poziome (głównie hydrostatyczne) i pionowe (głównie grawitacyjne). Przekaz obciążeń na koryto śluzy, doku itp. może następować przez łożyska wrót lub poza nimi, przy czym możliwych rozwiązań jest tu kilka. Najważniejsze z nich pokazano schematycznie na Rys. 3. Widzimy, że obciążenia hydrostatyczne można przejąć:

a) na łożyskach obrotowych wrót b) na skrajnych (tylnych) oczepach wrót c) na siodłach umieszczonych wzdłuż tych oczepów.

W tym ostatnim przypadku siodła umieszcza się przeważnie w poziomach rygli głównych. Natomiast obciążenia grawitacyjne można przejąć:

d) na dolnym (przeważnie tzw. czopowym) łożysku e) na górnym (czopowym lub innym) łożysku f) poza łożyskami, np. za pomocą zawiesia.

Przy dużych, ciężkich wrotach część tych obciążeń można też przejąć stosując tzw. komory wyporowe, czego autorzy zalecaliby jednak unikać1).

qy

qx

P

z

y x

Rz = G Rh· h = G· a

Rz

Rh

Rh

h

a

G

Rz = G Rh· h = G· a

Rz

Rh

Rh

h

a

G

a)

Rx

Rx

Ry

Ry

P

z

y x

b) c)

d) e) f) Rz = G Rh· h = G· a

Rz

Rh

Rh

h

a

G

Ryi

Rxi P

z

y x

i

Rys. 3. Schematy przejęcia obciążeń poziomych (powyżej) i pionowych (poniżej) we wrotach wspornych Już z przedstawionych schematów wynika, że obciążenia łożysk są duże i zmienne tak pod względem wartości jak i kierunku. Z drugiej zaś strony wymagania geometryczne – zarówno 1) Główne powody tego zalecenia to ryzyko nieszczelności (np. po kolizji ze statkiem) oraz zmienność pionowej reakcji przy możliwości spadku poziomu wody poniżej górnej krawędzi komory.

5

przy odbiorze jak i w okresie eksploatacji – są ostre, gdyż nawet nieznaczne przemieszczenia podpór prowadzą do nieprawidłowego rozkładu obciążeń we wrotach i ich otoczeniu. Jak wykazują doświadczenia terenowe, najwięcej kłopotów sprawiają tu łożyska przenoszące siły poziome i pionowe, jak np. łożysko dolne w schemacie d). Łączenie tych dwu składowych obciążeń w jednym łożysku przyspiesza jego ścieralność, podczas gdy możliwości przeglądu, smarowania, wymiany itp. są ograniczone. Rozwiązanie tego problemu można oczywiście znaleźć wybierając inny schemat podparcia wrót wspornych. W pracy [1] przedstawiono np. szczegółową genezę i zalety schematu f), w którym łożyska przenoszą strukturalnie jedynie siły poziome. Jednakże – choć popularność innych schematów rośnie – wrota schematu d) są nadal najczęściej stosowane. Ponadto są one niemal standardowym rozwiązaniem w starych śluzach w Holandii, przez co aktualność problemu nie maleje. Do niedawna obowiązywała zasada, że w strefach kontaktowych łożysk należy stosować twarde, trudno ścieralne gatunki stali. Stąd standardowym rozwiązaniem, wprowadzonym na przełomie lat 50-tych i 60-tych ubiegłego wieku, było stosowanie czap i nasadek ze staliwa manganowego G-X120Mn12. Materiał ten zdał bowiem wcześniej bardzo dobrze egzamin w maszynach do urobku kamienia, węgla itp. Powszechne stosowanie tego materiału w śluzach holenderskich doprowadziło jednak do poważnego problemu. Okazało się, że zachowuje się on tam – szczególnie w zastosowaniach po obu stronach kontaktu – inaczej. Po kilku latach pracy ścieralność rosła, na powierzchniach kontaktowych pojawiały się charakterystyczne rowki (Rys. 4) przypominające gwint. To jeszcze przyspieszało proces i mogło prowadzić do rozpadu nasadek, ich zakleszczenia się a nawet wyłamania wrót z łożysk.

Rys. 4. Starcie „gwintowe” łożysk wrót śluz: a) miejsce i obciążenia b) „gwint” w skali naturalnej c) rowki na czapie czopu po jej rozpadzie. Dodatkowo stwierdzono, że starcie „gwintowe” (nazwa popularna) prowadziło na wielu – aczkolwiek nie wszystkich – wrotach do ich stopniowego podnoszenia, jakgdyby wspinaczki po zębach „gwintu”. Zjawiska tego nie dało się wyjaśnić wychodząc z równowagi obciążeń zewnętrznych, gdyż ciężar własny był we wszystkich przypadkach znacznie wyższy od sił wyporu. Wysokość owej wspinaczki wynosiła zwykle 20 do 50 mm, po czym wrota spadały wywołując wstrząs nieprzyjemnie odczuwalny przez personel śluzy oraz szkodliwy dla urządzeń napędowych, aparatury itp. Istniała obawa, że zjawisko to może wynieść skrzydła wrót poza czopy łożysk, co wywołałoby utratę stateczności całego układu.

b)

c)

starcie “gwintowe” (poglądowo)

czapa łożyska

a) czop

łożyska

G-X120Mn12

6

Strategie i metody analizy Pierwszym krokiem w analizie problemu było jego bliższe rozpoznanie, szukanie zależności z charakterystyką obciążeń, cechami konstrukcji, materiałów, itp. Pomocne okazały się tu obserwacje terenowe. Stwierdzono, że podczas gdy ścieralność „gwintowa” występowała praktycznie we wszystkich wrotach z nasadkami łożysk ze stali manganowej, to podnoszeniu ulegały jedynie wrota z płytą nośną od strony wysokiego poziomu wody. Wrota z płytą od strony wody niskiej (wtedy rzadziej stosowane) nie podnosiły się.

Warunkiem podnoszenia była więc obecność siły wyporu na powierzchni dolnego rygla wrót (Rys. 5a) – ściśle zaś mówiąc nie tyle wartość tej siły co jej wahanie od zera przy wrotach nieobciążonych (np. otwartych) do pełnej wartości przy wrotach obciążonych. Wyeliminowanie tego wahania przez wybór pozycj płyty on strony wody niskiej (Rys. 5b) stabilizowało wartość reakcji pionowej wrót, co z kolei zapobiegało ich podnoszeniu. Przy rozwiązaniach pośrednich, np. popularnych ostatnio w Niemczech wrotach w technologii tzw. „Faltwerkkonstruktion” [7] (Rys. 5c), wahanie sił wyporu ma również miejsce lecz jest mniejsze niż w przypadku płyty od strony wody wysokiej. Rys. 5. Pozycje płyty nośnej we wrotach zamknięć wodnych

Zależność między „wspinaczką” wrót a pozycją ich płyty nośnej można fizycznie wyjaśnić rozpatrując problem nie w skali całego ustroju lecz w skali wycinka kontaktujących się powierzchni. W pracy [1] proponuje się metodykę rozpatrywania problemów kontaktowych w kilku (konkretnie czterech) skalach, których omówienie wykracza poza ramy niniejszego referatu. Podano tam także wyjaśnienie omawianej zależności. Jej odkrycie doprowadziło do pierwszej z szeregu zmian poglądów na konstruowanie zamknięć wodnych w Holandii1). Tę zmianę można ująć następująco: W zamknięciach o stałym lub dominującym kierunku obciążeń hydrostatycznych na ogół korzystniej jest płytę nośną sytuować po stronie wody niskiej a nie – jak uważano dotychczas – wody wysokiej. Oczywiście i tu mozliwe są wyjątki. Np. we wrotach rzadko poruszanych (w dokach, barierach przeciwpowodziowych) problem ścieralności stref kontaktowych odgrywa mniejszą rolę. Przy płycie od strony wody wysokiej niektóre zamknięcia mogą też być łatwiejsze w obsłudze podczas pochodu lodów. Na ogół jednak podany pogląd nie jest już – przynajmniej w Holandii – kwestionowany, o czym świadczą nowo zrealizowane projekty autora, Rys. 6 [10], [11].

1) W innych krajach trudno narazie mówić o zmianach poglądów ale omawiana zależność znajduje zrozumienie również poza granicami Holandii, np. [8], [9].

P2

P1

P2

P1

P› = P2 - P1 = ΔP wypór!

a) Płyta pod prąd

P1

P2

P2

P2

P› = P2 - P2 = 0 wypór = 0

b) Płyta z prądem

P1

P2

ΔP = P2 - P1

ΔP p› = ρ·h, mały wypór

ΔP

h c) Płyta (zimno) gięta

7

Rys. 6. Wrota wsporne dwóch nowych śluz w Holandii: z lewa: Drugiej Śluzy na Mozie w Lith. z prawa: „Naviduct’u” (śluzy na akwadukcie) w Enkhuizen. Znalezienie wspomnianej zależności rozwiązywało problem podnoszenia wrót (przynajmniej w nowobudowanych obiektach), ale nie samej ścieralności ich łożysk. Konieczne okazały się tu badania laboratoryjne. Badania te były przede wszystkim ukierunkowane na: 1) Rozpoznanie mechanizmu ścierania „gwintowego” w łożyskach z nasadkami ze staliwa

manganowego. Wyjaśnienie tego mechanizmu i wskazanie środków zaradczych było konieczne ze względów użytkowania.

2) Stosowalność innych niż staliwo manganowe materiałów w łożyskach istniejących wrót śluz – przy wszystkich związanych z tym ograniczeniach geometrycznych i innych.

3) Znalezienie i wdrożenie innych, innowacyjnych rozwiązań materiałowo-konstrukcyjnych dla łożysk wrót w nowobudowanych lub modernizowanych obiektach.

Planując badania wykorzystano również wcześniejsze próby przeprowadzone m.in. przez US Army Corps of Engineers, np. [12], doświadczenia z morskich obiektów petrochemicznych, rozwiązania materiałowe łożysk ciężkich pogłębiarek, sterów okrętowych i innych obiektów pracujących w warunkach zbliżonych do pracy wrót śluz. Badania laboratoryjne Badania przeprowadzono pod nadzorem autora R. Daniela w laboratorium Schielab BV w Bredzie [13]. Przy pierwszym z wymienionych trzech celów badań pomocne okazały się badania mikroskopowe struktury zębów „gwintu” oraz pomiary twardości w ich przekroju. Te drugie wykonano tzw. mikro-twardoścoimierzem Vickers’a (Rys. 7a). Na zdjęciu (Rys. 7b) widać wyraźnie krystaliczną strukturę odkształconego materiału jednego z zębów, z płaszczyznami poślizgu [14] biegnącymi w poprzek kryształów. Im bliżej powierzchni kontaktu (prawa strona zdjęcia), tym więcej płaszczyzn poślizgu. Widać także, choć mniej

8

wyraźnie, ślady uderzeń twardościomierza. Jak wiadomo, w metodzie Vickers’a stosowany jest piramidalny odcisk, stąd prostokątne ślady uderzeń.

Rys. 7. a) Mikroskop z mikro-twardościomierzem Vickers’a b) Struktura próbki stali manganowej w strefie kontaktu (powiększenie ok. 200x) Jak się okazało, twardość materiału wynosiła średnio ok. 210 HB w odległości ponad 1,5 mm od powierzchni kontaktu oraz ok. 400 HB tuż pod tą powierzchnią. Największe twardości występowały przy tym na szczytach zębów. Odpowiedzialne za ścieranie „gwintowe” było więc przede wszystkim zjawisko tzw. utwardzenia zgniotowego oraz fakt, że po obu stronach kontaktu stosowano ten sam materiał. Teraz można już było zrozumieć, iż podczas gdy np. w czerpakach do urobku węgla lub kamienia utwardzanie zgniotowe przedłużało żywotność zębów, to w łożyskach wrót śluz przyspieszało ono ścieralność kontaktu. Stąd druga zmiana w poglądach istniejącej praktyki projektowej: W łożyskach i innych kontaktach z grupy „metal-metal” zamknięć wodnych należy unikać stopów wykazujących utwardzenie zgniotowe; oraz stosować różne stopy po obu stronach kontaktu. Dalsze badania koncentrowały się więc na szukaniu takich materiałów i ich zestawów, które zapewniłyby dłuższą żywotność łożysk. Wybrane, najbardziej obiecujące zestawy poddano następnie próbom ścieralności, których paramerty (naprężenia docisku, prędkości poślizgu, jego oscylacyjny charakter itp.) zostały tak dobrane, aby jak najwierniej symulowały one warunki pracy wrót zamknięć wodnych. Pod tym względem badania te były – o ile autorom wiadomo – pierwszymi tego rodzaju na świecie. Dotychczas podobne badania obejmowały przeważnie wyroby jednego (finansującego program) producenta i były ukierunkowane na szerszy zakres zastosowań, co zmniejszało ich reprezentatywność dla łożysk wrót zamknięć wodnych. Trzeba sobie zdać sprawę, że prędkości poślizgu w łożyskach wrót śluz wynoszą

a) b)

9

ok. 0,002 ÷ 0,004 m/s. Przy takich prędkościach na stanowisku badań pojedyncza próba musiałaby trwać ponad tydzień, aby w ogóle móc mierzyć ścieralność materiału. Koszty badań są wówczas bardzo wysokie. Dlatego, jak również ze względu na szczupłość rynku (liczba żeglownych śluz budowanych rocznie w Europie nie przekracza 5) i inne przyczyny, badań takich się nie prowadzi. W omawianych badaniach prędkość poślizgu zwiększono ok. 5-cio krotnie, przez co pojedyncze próby trwały mniej więcej 2 doby. Było to możliwe przez wprowadzenie pomiaru temperatury na powierzchni próbek oraz chłodzenia materiałów nietermostabilnych. Ze względu na obszerność badań pominiemy tu wyniki o mniejszym znaczeniu (jak ciężar własny, skład chemiczny, struktura początkowa), koncentrując się na kwestii ścieralności. Stanowisko badań oraz kształty próbek przedstawiono na Rys. 8.

Rys. 8. a) Stanowisko badań ścieralności

b) Próbka metalowa w ramieniu maszyny zmęczeniowej c) Próbka kompozytowa na stalowej płytce mocującej.

Badaniom poddano zarówno metalowe materiały poślizgowe (różne gatunki stali, brąz itp.) jak i materiały syntetyczne i kompozyty. Pierwszą grupę badano na próbkach walcowych o średnicy 8 mm (Rys. 8b), drugą – na próbkach prostopadłościennych o podstawie 20x10 mm przyklejonych do stalowych płytek mocujących (Rys. 8c). Wyniki badań ścieralności zostały przedstawione w Tablicy 1. Do celów praktycznych zastosowań wyrażone są one już w tzw. współczynniku ścieralności właściwej k [mm2/N], zdefiniowanym następująco:

pLSk = , gdzie:

L = łączna długość poślizgu [mm] w rozpatrywanym okresie, np. dla 16-letniego cyklu pracy: 16 lat · 365 dni · 25 śluzowań · obrót 71° · π/180º · promień 120 mm = 21,6·106 mm; p = naprężenie dociskowe [N/mm2], średnie na powierzchni kontaktu; S = grubość starcia [mm], średnia na powierzchni kontaktu. Większość prób przeprowadzono na dwóch poziomach naprężeń dociskowych p: 8 oraz 16 N/mm2. Otrzymane wyniki – mimo pewnych odchyłek – w znacznym stopniu potwierdziły liniową zależność między p i S, co też potwierdza przydatność wyżej podanego wzoru do obliczeń projektowych. W przypadku odchyłek, w Tablicy 1 podano wartości średnie.

a) b)

c)

10

Próby przeprowadzono zarówno „na sucho” jak i „na mokro”, t.j. w wodzie. Współczynniki ścieralności k z Tablicy 1 zostały wyprowadzone z prób na sucho. Z wyjątkiem poliamidu (km ≈ 10ks) i kompozytu Railko (km ≈ 2ks) nie stwierdzono jednak istotnych różnic między ścieralnością na sucho (ks) i na mokro (km), co da się wytłumaczyć przyjętymi parametrami badań – głównie małymi prędkościami1). Dwa wyżej wymienione wyjątki są materiałami chłonącymi wodę, stąd zależność ich cech mechanicznych od wilgotności. Tablica 1. Współczynniki ścieralności właściwej k dla materiałów kontaktowych wrót śluz

Materiał kontaktowy Ścieralność k [mm2/N]

Test Płytka ścierna (panew)

Próbka (czop)

Płytka ścierna (panew)

Próbka (czop)

A

Stal manganowa G-X120 Mn12

Stal manganowa G-X120 Mn12

2.1 · 10-9

▐██ 10.3 · 10-9

██████████ B

J.w. J.w. lecz z utwardzoną powierzchnią

2.1 · 10-9

▐██ 9.6 · 10-9

█████████▌ C

J.w. Stal uszlachetniona 34 Cr Ni Mo6

1,5 · 10-9

▐█ 2,4 · 10-9

██▌ D

Stal uszlachetniona 34 Cr Ni Mo6

Stal manganowa G-X120 Mn12

1,8 · 10-9

██ 2,0 · 10-9

██ E

J.w. Stal uszlachetniona 34 Cr Ni Mo6

4,2 · 10-9

████ 3,8 · 10-9

████ F

J.w. Stal karbonowana 20 Mn Cr5

1,9 · 10-9

██ 6,2 · 10-9

██████ G

Stal uszlachetniona 34 Cr Ni Mo6

Aluminium-brąz, brąz itp. ze smarowaniem

~1,5 · 10-9

▐█ ~12,0 · 10-9

████████████ H0,8

Stal nierdzewna 316L, szorstkość Ra = 0,8 µm

Kompozyt Feroform (Tenmat) T814

0,2 · 10-9

▐ 3,5 · 10-9

███▌ H1,6

J.w. lecz szorstkość Ra = 1,6 µm

Kompozyt Feroform (Tenmat) T814

0,3 · 10-9

▐ 5,0 · 10-9

█████ I0,8

Stal nierdzewna 316L, szorstkość Ra = 0,8 µm

Wysokomolekularny polietylen UHMPE

0,1 · 10-9

▐ 0,5 · 10-9

█ I1,6

J.w. lecz szorstkość Ra = 1,6 µm

Wysokomolekularny polietylen UHMPE

0,1 · 10-9

▐ 25,0 · 10-9

████████████████ ██ J0,8

Stal nierdzewna 316L, szorstkość Ra = 0,8 µm

Kompozyt Railko RG2 na żywicy fenolowej

0,1 · 10-9

▐ 4,0 · 10-9

████ J1,6

J.w. lecz szorstkość Ra = 1,6 µm

Kompozyt Railko RG2 na żywicy fenolowej

0,1 · 10-9

▐ 25,0 · 10-9

████████████████ ██ K0,8

Stal nierdzewna 316L, szorstkość Ra = 0,8 µm

Wysokopolimerowy stop Thordon SXL,

0,1 · 10-9

▐ 0,7 · 10-9

█ K1,6

J.w. lecz szorstkość Ra = 1,6 µm

Wysokopolimerowy stop Thordon SXL,

0,1 · 10-9

▐ 5,4 · 10-9

█████▌ L

Stal chromowana, szorstkość Ra < 0,8 µm

Poliamid z PTFE i włóknem szklanym

~ 0,3 · 10-9

▐ ~ 4,0 · 10-9

████ (suchy!) W pracy [1] podano także charakterystyki przebiegu współczynnika ścieralności k w czasie prób, wyniki pomiarów współczynnika tarcia, mechanizmy ścierania ilustrowane zdjęciami mikroskopowymi powierzchni badanych materiałów itp. Objętość niniejszego referatu nie

1) Wytłumaczenia dostarcza m.in. tzw. krzywa Stribeck’a, patrz np. [15]

11

pozwala na prezentację tych tematów. Wypada też zauważyć, iż aczkolwiek próby były głównie ukierunkowane na symulację pracy łożysk (model panwi i czopu), to ich wyniki można odnieść i do innych stref kontaktowych wrót śluz. jak zderzaki, oczepy dociskowe, prowadnice wrót pionowych i zasów niwelacyjnych, wózki wrót przesuwnych, strefy kontaktowe wzdłuż progów wrót itp. Od wyników badań do praktyki Pierwszym konkretnym odstępstwem od utartej praktyki projektowej, wprowadzonym na podstawie przedstawionych badań, było zastąpienie stali manganowej w jednej z nasadek łożyska czopowego (górnej, Rys. 4a) stalą uszlachetnioną 34 Cr Ni Mo6. Jak widać z Tablicy 1, już ta na pozór niewielka zmiana obniża zasadniczo ścieralność łożyska. Zmiana ta została zainicjowana we wrotach Drugiej Śluzy na Mozie w Lith (Rys. 6, 9) a następnie przejęta w szeregu projektach remontowych, gdyż nie wymaga ona zmiany wymiarowania. Łożysko górne śluzy w Lith ma jeszcze tradycyjną konstrukcję o osi ze stali uszlachetnionej i panwi (tylko na ok. połowie obwodu) ze stopu aluminium-brąz (Rys. 9). Łożyska wrót śluzy w Lith pracują od roku 1999 [10] nie wykazując dotychczas objawów zużycia.

Rys. 9. Łożyska wrót Drugiej Śluzy na Mozie w Lith (strzałkami zaznaczono obciążenia) z lewa: łożysko dolne, czopowe;

z prawa: łożysko górne, otwierane. Jak widać z Tablicy 1, jeszcze większe możliwości dają jednak zastosowania materiałów syntetycznych. Wśród materiałów tych rozróżnimy ogólnie syntetyki zbrojone włóknem (kompozyty) oraz syntetyki jednorodne. W pierwszej grupie stosuje się najczęściej materiały (żywice) termoutwardzalne, w drugiej – wysokomolekularne materiały termoplastyczne. Przykładem udanego zastosowania materiałów pierwszej grupy są łożyska wrót Naviduct’u (śluzy na akwedukcie) w Enkhuizen (Rys. 6, 10). W panwiach tych łożysk autor zastosował kompozyt Feroform (Tenmat®) T814, który w badaniach wykazał się niewielką ścieralnością – stosunkowo mało zależną od szorstkości czopów. Ta ostatnia właściwość jest szczególnie cenna zważywszy, że dostęp do łożysk wrót śluz i kontrola gładkości ich powierzchni poślizgowych są z reguły ograniczone. Również i w tej śluzie, pracującej od roku 2002 [11], nie zanotowano dotychczas objawów ścierania łożysk.

12

Rys. 10. Łożyska wrót Naviduct’u, od góry:

• Czop łożyska dolnego z trzonem kotwiącym przed zabetonowanien w płycie dennej śluzy;

• Czapa łożyska dolnego z panwią z kompozytu przed założeniem pierścienia mocującego;

• Łożysko górne (przegub kulisty) w czasie montażu wrót. Panew z kompozytu znajduje się pod pierścienien na czopie.

Przykładem zastosowania materiału z drugiej z wyżej wspomnianych grup są łożyska wrót Śluzy na Kanale Wilhelminy w Tilburgu. Same wrota [16], również projektu autora, mają tu konstrukcję drewnianą, choć przenoszą różnicę poziomów wody równą 5,0 m. Obciążenie to jest jednak przekazywane przez oczepy skrajne wrót (jak na Rys. 3b), stąd łożyska przenoszą tylko niewielkie reakcje on ciężaru własnego. Pozwoliło to na użycie wysokomolekularnego polietylenu UHMPE, choć jest to materiał lepkosprężysty, zdolny na ogół do przenoszenia niewielkich naprężeń dociskowych1). W celu ich zmniejszenia zastosowane powierzchnie kontaktu są tu większe niż w kontaktach typu metal-metal czy metal-kompozyt. W łożysku dolnym uzyskano to przez użycie nasadki z wypolerowanej stali nierdzewnej na istniejącym czopie starego łożyska (Rys. 11c); w łożysku górnym – przez ogólne zwiększenie wymiarów. Odporność chemiczna, niska ścieralność i współczynnik tarcia polietylenu sprawiają, że łożyska te nie wymagają żadnych zabiegów w fazie użytkowania. 1) Wprawdzie przy ograniczeniu odkształceń poprzecznych (np. przez obudowę meteriału) polietylen może przenosić znaczne większe naprężenia dociskowe, to jednak i tu zaleca się ostrożność m.in. ze względu na jego niewielką termostabilność.

13

Rys. 11. Łożyska wrót Śluzy na Kanale Wilhelminy w Tilburgu:

a) elementy łożyska górnego b) łożysko górne zmontowane c) łożysko dolne.

Dwa ostatnie przykłady nie są już odosobnione; podobne rozwiązania stosuje się obecnie coraz szerzej. Jest to zwrot w projektowaniu łożysk zamknięć wodnych, które do niedawna nie wychodziło poza krąg twardych, trudno ścieralnych stopów metali. Zwrot ten można ująć następująco: W łożyskach i innych elementach kontaktowych ruchomych zamknięć wodnych kontakt wysokogatunkowych materiałów syntetycznych z metalami daje na ogół lepsze wyniki niż kontakt metali z metalami. Podane dotychczas przykłady dotyczą łożysk wrót śluz. Przeprowadzone badania dostarczyły jednak również cennego materiału porównawczego do projektowania innych kontaktów zamknięć wodnych, np. stref kontaktowych skrzydeł wrót z progami, ościeżnicami koryt oraz

a) b)

ø180ø230

zawleczka, poza strefą kontaktu

stary czop nasadka

A

A 20 20 ø240

150

25

25

UHMPEAISI 316L

żyw

ica

term

o-ut

war

dzal

na

wrota

A –

A

c)

14

między sobą nawzajem. Na Rys. 12 przedstawiono w celu porównania dwa rozwiązania linii kontaktu skrzydeł wrót wspornych między sobą i z przyczółkiem koryta śluzy: tradycyjne z zastosowaniem elementów drewnianych (Rys 12a) oraz nowocześniejsze z zastosowaniem kontaktu materiałów syntetycznych z metalem (Rys 12b).

Porównanie to jest tylko do pewnego stopnia słuszne, gdyż przedstawione tu wrota są różnych rodzajów (wrota a reprezentują rodzaj b z Rys. 3, zaś wrota b są rodzaju a z tego rysunku). Ponadto wrota a przenoszą duże (> 5 m) ale jednokierunkowe różnice poziomów wody, podczas gdy wrota b przenoszą obciążenia mniejsze ale z obydwu kierunków. Mimo to warto zauważyć, że w tego rodzaju kontaktach używano do niedawna wyłącznie drewna. Materiałów lepko-sprężystych (tu UHMPE) nie brano w ogóle pod uwagę. Jak widać, jest to jednak możliwe i w szeregu przypadkach uzasadnione. Rys. 12. Kontakty liniowe wrót wspornych:

a) 2-giej Śluzy w Lith b) Naviduct’u w

Enkhuizen. Przekonywującym przykładem jest w tej dziedzinie także zastąpienie tradycyjnych wózków we wrotach przesuwanych tzw. stopami hydrostatycznymi (hol.: hydrovoeten) w Śluzie Księcia Willema-Alexandra w Amsterdamie [17]. Wrota te – każde o ciężarze ok. 2000 kN (Rys. 13a) – mają zbiorniki wypornościowe, przez co ich nacisk na tor przesuwu wynosi tylko ok. 500 kN. Nacisk ten jest przekazywany przez dwie stopy, których zasadę działania pokazano na Rys. 13b. W pozycji nieruchomej nacisk jest przekazywany bezpośrednio z wypolerowanych podstaw stóp ze stali nierdzewnej na tor wyłożony wysokomolekularnym polietylenem. Przed każdym przesuwem uruchamia się jednak pompy tłoczące wodę do komór w podstawach stóp. Woda ta uchodzi wokół obwodu podstaw, przez co przesuw następuje po warstewce wody o nominalnej grubości 0,12 mm. System ten jest niewrażliwy na zanieczyszczenia toru (strumień uchodzącej wody sam je usuwa) i wykazuje bardzo małe współczynniki tarcia, przez co wymagane siły napędu są minimalne. W pracy [1] podane są i inne przykłady, w tym prowadnice największej na świecie zasuwy pionowej (tarcza południowa bariery morskiej na Kanale Hartel pod Rotterdamem) projektu

a)

drewno: Azobé ~200 x 150

śruby M16

842oś Φ 200

a

a powłoka AlMg5 na a = 100 mm

b)

600

oś Φ 200

UHMPE 120 x 100

2 x uszcz. SA2 Trelleborg Bakker

uszczelnienie 20÷25

uszczelka

ramię napędu

maszy- nownia

śruby M16, # 50 x 12

AISI 316L Ra < 0.8 μ

15

R. Daniela, dowodzące wysokich zalet kontaktów materiałów syntetycznych z metalami w zamknięciach wodnych.

Rys. 13. Stopa hydrostatyczna wrót Śluzy Księcia Willema-Alexandra w Amsterdamie:

a) wrota w czasie montażu (widoczna podstawa jednej ze stóp) b) zasada działania stopy hydrostatycznej

Uwagi końcowe Problematyka kontaktowa odgrywa coraz większą rolę w projektowaniu zamknięć wodnych. Autorzy są przekonani, że postulowana w pracy [1] pozycja tej problematyki w procesie projektowym będzie coraz bardziej aktualna. Nastąpi to w wyniku wad, awarii itp. obiektów, w których problematyce tej poświęcono niedostateczną uwagę. Fakt, że jeszcze to nie nastąpiło, można częściowo wytłumaczyć tym, że mechanika kontaktowa jest stosunkowo młodą dziedziną mechaniki. Wzory Hertz’a, które przyniosły jej narodziny, pochodzą z roku 1881, podczas gdy prawo Hooke’a, które można przyjąć za narodziny mechaniki klasycznej, pochodzi z roku 1660. Innym (nieco żenującym) powodem jest może fakt, że ustroje mechaniki kontaktowej są o wiele mniejszych wymiarów – a przez to mniej imponujące – niż np. ustroje mechaniki budowli. W Polsce można narazie mówić o mniejszym znaczeniu ruchomych zamknięć wodnych niż w Holandii i o nieco innym spojrzeniu na nie. Żegluga śródlądowa – a z nią np. wrota śluz – odgrywa niewspółmiernie mniejszą rolę; bardziej natomiast liczy się przemysł stoczniowy i porty morskie – a więc np. zamknięcia suchych doków. Możnna jednak ufać, że sytuacja ta będzie się zmieniać. Względy środowiskowe, niebezpieczeństwo powodzi oraz warunki makroekonomiczne (np. światowy wzrost cen paliw) wymuszą uporządkowanie i rozbudowę śródlądowych dróg wodnych. Krajowi o silnej gospodarce morskiej drogi te są potrzebne. Jest więc rzeczą ważną, aby w momencie, gdy zabierzemy się do tego uporządkowania, nie powtarzać rozwiązań przestarzałych, błędów ani potknięć z minionych dziesięcioleci – lecz wyjść z poziomu najnowszych europejskich doświadczeń w tej dziedzinie. Autorzy mają nadzieję, że niniejszy referat przyczyni się do zrealizowania tej myśli.

A - A

A A

szyb przegub, gumastopa stalowawarstewka H20tor z UHMPE beton płyty dna

pompy→ przewężeniaa) b)

16

Literatura: 1 Daniel R.A.: Contact problems in lock gates and other hydraulic closures in view of

investigations and field experience, praca doktorska, promotor: prof. dr hab. inż. E. Dembicki. Politechnika Gdańska, Gdańsk kwiecień 2005.

2 Daniel R.A.: Niektóre tendencje w budownictwie hydrotechnicznym. „Inżynieria i Budownictwo”, nr 8/2002, s. 405-412.

3 Ypeij E.: De stormvloedkering in de Hollandsche IJssel. „De Ingenieur”, No. 32: Bouw en Waterbouwkunde 15, 8-8-1958, s. B.189-B.196.

4 Kroon H.G.: De stormvloedkering in de Hollandsche IJssel. „Polytechnisch Tijdschrift”, nr. 14-7, 28-7 & 11-8/1961, s. 511b-517b, 559b-561b, 595b-601b.

5 Daniel R.A.: Hartelkering – Schuiven met mogelijkheden. „Bouwen met Staal”, nr. 130, mei/juni 1996, s. 38-45.

6 Dembicki E., Tejchman A.: Wybrane zagadnienia budowli hydrotechnicznych. Skrypt ogólnopolski, wydanie II zmienione i uzupełnione, PAN, Warszawa-Poznań 1981.

7 Schmauβer G., Nölke H., Herz A.: Stahlwasserbauten – Kommentar zur DIN 19704, Ernst & Sohn, Berlin 2000.

8 Daniel R.A.: Mitre gates in some recent lock projects in the Netherlands. „Stahlbau”, Nr 69 (2000), Heft 12, s. 952-964.

9 Daniel R.A., Vrijburcht A.: Tendencies in design of lock gates under alternating hydraulic loads. ”PIANC-AIPCN Bulletin”, N° 117 (2004), Brussels, September 2004.

10 Daniel R.A., Peters D.J.: Sluisdeuren op maat: traditioneel of innovatief. „Bouwen met Staal”, nr. 151, november/december 1999, s. 30-37.

11 Daniel R.A., Donkers A.L.J.M., De Rijk M.C.: Sluisdeuren naar een hoger niveau. „Bouwen met Staal”, nr. 175, december 2003, s. 12-17.

12 Louisville District Corps of Engineers: Observations of Bearing Performance on Olmstead Dam Prototype Site (not published), October 7, 1996.

13 Schepers E.G., Haarman W.: Raporty badań materiałowych łożysk wrót śluz, (nie publikowane), DRA-95002, -96001, -97006 i 00010, Schielab BV, Breda, 1995-2000, zlecenie i nadzór: R.A. Daniel, Bouwdienst Rijkswaterstaat.

14 Drewnowski S.: Formy złomów i zniszczeń elementów konstrukcji metalowych. Arkady, Warszawa 1969.

15 Osinski Z. i inni: Podstawy konstrukcji maszyn. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2003.

16 Daniel R.A., Brekoo A., Mulder A.J.: Nieuwe meterialen voor oude sluis – Innovatie met respect voor oude kennis. „Land + Water”, nr. 11, november 2001, s. 36-38.

17 Van Tol R.A.G.: Hydrostatische lagers Nieuwe Oranjesluis – Gedragen door Water. „Land + Water”, nr. 5, mei 1992, s. 58-63.

17

R.A. Daniel, ScD. CEng. E. Dembicki, Prof. ScD. CEng.

NEW DESIGN SOLUTIONS OF CONTACT AREAS IN MOVABLE HYDRAULIC CLOSURES

Summary

Contact areas affect more and more the performances of hydraulic closures, such as lock gates, movable weirs and storm surge barriers. The research work in this field was subject to doctoral thesis that has recently been defended at the Gdansk University of Technology, Poland, Faculty of Civil and Environmental Engineering. The main conclusion of the completed research work is that gate contact problems ought to be considered at all project stages, beginning with the definition of a project result and ending at its satisfactory operation. This is new insofar that these problems are usually dealt with at the stage of detailed engineering, which is often too late. This paper gives a general review of gate contact issues. Attention has been drawn to contact loads, tribological and other phenomena in contact components, and the impact of those components on the behavior of entire gate systems. An important issue in gate contact design is the material selection. Presented are the results of laboratory investigations in this matter, which have been performed under the conditions simulating the character of hydraulic gate operation. The investigations enabled the author and his colleagues to introduce new solutions and materials in hydraulic gate contacts.