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Entstehung von Zündquellen bei tribologischen Prozessen

31.12.2008

Mechanisch erzeugte Zündquellen können Zündungen von explosionsfähigen Atmosphären in der Industrie verursachen. Bisher existiert jedoch kein allgemeingültiges Zündkriterium, um Schäden durch Maschinen im Fehlerfall zu verringern. Desweiteren ist der Einfluss der wirkenden tribologischen Mechanismen bisher nicht klar. Um die Funkenbildung in Abhängigkeit von Relativgeschwindigkeit und Flächenpressung zu ermitteln und deren Zündfähigkeit zu beurteilen, wurden an einer Reibapparatur Versuche mit einem unlegierten Stahl, einigen Edelstählen sowie Titan durchgeführt. Dabei wurden die Werkstoffe sowohl in homogener als auch in inhomogener Paarung untersucht.

Die Reibstelle wurde in der Reibapparatur durch einen Kontaktstift realisiert, der mit einer konstanten Kraft auf eine rotierende Scheibe drückte. Über eine Drehmomentmesswelle wurden Drehzahl und Drehmoment bestimmt, ein Kraftaufnehmer maß die auf den Stift wirkende Kraft. Die Entstehung von Einzelfunken wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beurteilt. Sobald ein heißes Partikel in einer Videosequenz den weißglühenden Bereich erreichte, wurde ihm der oxidierende Charakter eines Funken zugeschrieben. Bei ausgewählten Versuchen wurde die Temperatur in der heißen Reibstelle über ein in den Stift eingebettetes Thermoelement bestimmt. Abschließende Zündversuche wurden beispielhaft mit Propan/Luft-Gemischen durchgeführt.

Die wirkenden tribologischen Mechanismen überlagern sich in der Kontaktstelle. Auf der Scheibe entstehen durch Adhäsion Kaltverschweißungen in periodischen Abständen (Abb. 1), die durch Abrasion wiederum Stiftmaterial abscheren. Der Kontakt wird von Stift und Scheibe wird dadurch unterbrochen. Bei hohen Relativgeschwindigkeiten nimmt der Materialübertrag ab, der Abstand der Kaltverschweißungen nimmt zu.

Die Entstehung einzelner Funken ist für die in dieser Arbeit verwendeten Werkstoffe unabhängig von Relativgeschwindigkeit und Flächenpressung. Auch der sicherheitstechnisch ungünstige Werkstoff Titan zeigt keine entscheidende Abweichung.

Die Entstehung von Funken ist jedoch zeitabhängig. Je geringer Relativgeschwindigkeit und Flächenpressung gewählt werden, desto später entstehen Funken. Unterhalb einer bestimmten Kombination dieser beiden Parameter tritt jedoch keine Funkenentstehung mehr auf.

Während der Reibversuche mit ständigem Kontakt von Stift und Scheibe blieb der Reibkoeffizient nahezu konstant und zeigte keine Temperaturabhängigkeit. Die mit den Thermoelementen gemessenen Temperaturen lagen deutlich unterhalb der Schmelztemperaturen der Werkstoffe und bestätigten, dass es sich hier ausschließlich um Festkörperreibung handelte. Dadurch kann die Kurve konstanter flächenbezogener Leistungsdichte die Funkenentstehungsgrenze beschreiben (Abb. 2). Bei den Zündversuchen mit Propan/Luft-Gemischen trat eine Zündung sowohl durch eine heiße Oberfläche als auch durch Funken auf. Dabei lag die flächenbezogene Leistungsdichte jeweils oberhalb der Grenzkurve.