Polyuretaanin ja teräksen välistä kitkaa alentavan käsittelyn kehittäminen

Abstract

Opinnäytetyö toteutettiin Valmet Technologies Oy:lle Tampereen Kaukajärven yksikössä, jossa valmistetaan paperikoneen kenkäpuristinhihnoja. Polyuretaanisen kenkäpuristinhihnan ja kenkäpuristimen välistä kitkaa pyritään vähentämään öljykierrolla ja kuivavoiteluaineella. Opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää kitkaomaisuuksiltaan parhaiten polyuretaanin pinnan käsittelyyn soveltuva väritön kuivavoiteluaine. Kokeellisessa tutkimuksessa kuivavoiteluaineen ominaisuuksiin pyrittiin vaikuttamaan ruiskutusparametreilla ja lisäämällä kuivavoiteluaineeseen titaanidioksidipigmenttiä. Käsitellyistä polyuretaanipinnoista määritettiin pinnankarheus sekä niiden kitkakerroin vasten teräspintaa. Kuivavoiteluaineen levittymistä ja sen partikkelikokoa tutkittiin mikroskopian avulla.

Kitkan vähentäminen on tärkeää, sillä se aiheuttaa liikkuvien koneenosien ylikuumenemista, kulumista ja pahimmillaan kiinnileikkautumisen. Erilaisten pintojen välistä kitkaa kuvataan dimensiottomalla kitkakertoimella. Kitkavoimaan vaikuttavat toisiinsa kosketuksissa olevien pintojen ominaisuudet, kuten pinnankarheus, adheesiovoimat ja pintoja yhteen puristavan voiman suuruus. Voiteluaineiden tarkoitus on estää mikroskooppisten pinnanmuotojen korkeimpien kohtien takertuminen toisiinsa muodostamalla kalvo pintojen välille. Kenkäpuristinhihnan sisäpinnalle tehtävä kuivavoiteluainekäsittely yhdessä öljykierron kanssa takaa hihnan lähes kitkattoman pyörimisen kenkäpuristintelan ympärillä.

Kuivavoiteluaineella saavutettu pinnankarheus ei ole yksiselitteisesti verrannollinen polyuretaanin ja teräksen välisen kitkakertoimen suuruuteen. Kitkakertoimeen vaikuttavat myös muut tekijät, kuten pinnan partikkeleiden orientaatio, muoto, ympäristötekijät ja mittaustapa. Mikroskooppisiin pinnanmuotoihin voidaan jonkin verran vaikuttaa ruiskutusparametreilla ja erilaisilla pigmentin ja kuivavoiteluaineen seoksilla. Pienet pigmenttipartikkelit täyttävät pinnan epätasaisuuksia ja alentavat pinnankarheutta. Liian alhainen pinnankarheus tuo kuitenkin ongelmia muissa prosessivaiheissa. Suuremmat partikkelit kuivavoiteluaineessa pienentävät polyuretaanin ja teräksen todellista kosketuspinta-alaa ja näin ollen myös parantavat pintojen välisiä kitkaominaisuuksia. Tulosten perusteella valittiin kuivavoitelumenetelmä käytettäväksi tuotantokappaleessa. Luottamuksellista tietoa sisältävät osiot on poistettu opinnäytetyön julkisesta versiosta.

The thesis was carried out for Valmet Technologies Ltd in Tampere where shoe press belts are manufactured. Friction between the polyurethane shoe press belt and steel shoe press is reduced with a dry lubricant sprayed on the surface of the polyurethane. The properties of the two different dry lubricants were studied by physical tests such as surface roughness and friction measurement. The properties of the dry lubricant-treated polyurethane surface were sought to be influenced by spraying parameters and the addition of titanium dioxide pigment to the dry lubricant.

The friction between two different types of surfaces is described by a dimensionless coefficient of friction. The friction is affected by the properties of the surfaces in contact such as surface roughness, adhesion forces, the orientation and shape of surface particles and the magnitude of the force that compresses the surfaces. The purpose of lubricants is to prevent the highest points of the microscopic surface shapes from sticking together by forming a film between the surfaces.

The surface roughness achieved with the dry lubricant is not unambiguously pro-portional to the coefficient of friction between the polyurethane and the steel. The microscopic surface roughness can be influenced to some extent by spraying parameters and various mixtures of pigment and dry lubricant. Small pigment particles fill the surface irregularities and reduce the surface roughness. Larger particle size in the dry lubricant reduces the actual contact area of the polyurethane and steel and improves the friction properties between the surfaces. Based on the results the dry lubrication method was selected for use in shoe press belt. The sections containing confidential information has been removed from the public version of the thesis.