Tribologische Prüfungen

Kunststoff – wie gleitet er wirklich?

Reibung und Verschleiß sicher bewerten
Die Professur Fördertechnik der TU-Chemnitz prüft neue thermoplastische Kunststoffe auf deren Tauglichkeit für gleitende Bewegungen. Dabei werden Werte ermittelt, die eine echte und direkte Vergleichbarkeit der Ergebnisse ermöglichen.

Gleitkettenfördersysteme bestehen aus einer raumbeweglichen Gleitkette, die in einem feststehenden Führungsprofil mit Gleitschienen, umlaufend geführt und elektromotorisch angetrieben werden. Die zu transportierenden Stückgüter werden von der Gleitkette getragen. Der Einsatz von Gleitketten und -schienen aus Kunststoff ist mit dem Vorteil des schmierungsfreien Betriebes weit verbreitet.

Ein Teilziel der Forschungstätigkeit auf diesem Gebiet ist es, Kunststoffe zu ermitteln, die die Leistungsfähigkeit der Fördersysteme erhöhen und den Energiebedarf minimieren. Durch die schrittweise Untersuchung der Kunststoffe ausgehend von einfachen Probekörpern bis zum realen Bauteil können beanspruchungsverursachte Wartungs- und Austauschintervalle sowie der Energiebedarf des Systems bestimmt und verglichen werden. Einen wichtigen Baustein bildet dabei die Analyse der tribologischen Eigenschaften. Reibung und Verschleiß tritt an Kontaktstellen von Körpern auf, die sich relativ zueinander bewegen. Kritisch sind in diesem Zusammenhang bewegliche Verbindungen zwischen den Kettengliedern einerseits sowie zwischen der Gleitkette und den Führungsschienen andererseits. Die Belastungen, hervorgerufen vom Fördergut, bewirken die verschleißbedingte Materialabtragung der relativ zueinander bewegten Kunststoffbauteile. Infolge dessen kann es zu einer starken Reduzierung der Zeitfestigkeit dieser Systemkomponenten kommen. Weiterhin bewirkt der Reibkontakt zwischen der Kette und den Führungsschienen den wesentlichen Anteil des Energieverbrauchs der Förderanlage. Eine entsprechende Auswahl geeigneter Kunststoffgleitpaarungen kann Reibung und Verschleiß drastisch minimieren, so dass die Leistungsfähigkeit des Systems enorm steigt.

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Die Gleitketten- und Gleitschienenwerkstoffe umfassen die technischen sowie die Massenkunststoffe mit den entsprechenden Modifizierungen durch Verstärkungsstoffe und Additive. Dadurch ergeben sich unzählige Kombinationen von Gleitpaarungen. Die einfache Auswahl geeigneter Kombinationen ist durch systematische Erfassung der Gleit- und Verschleißeigenschaften und die anschließende Aufbereitung der Daten möglich. Der Ermittlung der Gleit- und Verschleißeigenschaften dient ein eigens entwickelter Prüfstand. Ober- und Unterprobe bilden die Reibpaarung. Ein Schubkurbelantrieb verursacht die oszillierende Gleitbewegung der Oberprobe auf der feststehenden Unterprobe. Theoretische Flächenpressung, Reibgeschwindigkeit und Bewegungsamplitude lassen sich per Voreinstellung variieren. Der Gleitreibwert wird im Versuchsverlauf kontinuierlich gemessen.

Zur Vergleichbarkeit der Untersuchungsergebnisse verschiedener Reibpaarungen, werden die Versuche im Normklima unter identischen Belastungen durchgeführt. Langzeitversuche haben gezeigt, dass die gemessenen Gleitreibwerte innerhalb der ersten Stunden stark schwanken und sich nach dieser Einlaufphase einem Wert annähern. Auf Grund dessen ist die Standard-Prüfdauer auf 24 Stunden festgelegt.

Bei Untersuchung einer repräsentativen Anzahl von Kunststoffgleitpaarungen wurde festgestellt, dass übliche Analyseverfahren wie die Messung des Volumen- und Masseverlustes der Probenkörper ungeeignet sind. Viele Proben wiesen nach 24 Stunden Test trotz deutlicher Oberflächenschädigungen ein höheres Gewicht auf oder der Masserverlust war kaum erfassbar. Deshalb wurde eine neue Methode zur Verschleißanalyse entwickelt: Die sichtbaren Veränderungen der Oberfläche und der Abrieb von Unter- und Oberprobe werden in bewertete Kategorien von 0 bis 3 eingeordnet und als Verschleißkennwert KV bezeichnet. Zur tribologischen Analyse von Reibpaarungen werden Gleitreibwert und Verschleiß üblicherweise getrennt voneinander betrachtet, was den Vergleich einer Vielzahl von Probekörpern erschwert. Zur Vereinfachung wurde der Tribo-Kennwert KT entwickelt, der Verschleißkennwert KV und Tribo-Kennwert KT vereint.

KT = μ + (KV Probe 1 + KV Probe 2) / 10

Der Vergleich von Kennwerten verschiedener Kunststoffgleitpaarungen ist in Tabellenform oder in Form eines Balkendiagramms sinnvoll.

Der Tribo-Kennwert ist somit ein effektives Hilfsmittel zum Vergleich tribologischer Eigenschaften einer Vielzahl von Kunststoffgleitpaarungen. Die anforderungsgerechte Auswahl von Kunststoffen hinsichtlich der tribologischen Daten erleichtert dieser Kennwert deutlich.

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