Charakterystyka tribologiczna olejów

 

Każdy, kto kiedykolwiek pracował w zakładzie przemysłowym, doskonale zdaje sobie sprawę jak duże znaczenie ma właściwy dobór środków smarnych. Niezwykle istotne jest to, by stosować taki rodzaj oleju czy smaru, jaki został wskazany w Dokumentacji Techniczno-Ruchowej danej maszyny lub urządzenia. Poza tym warto stawiać na produkty, które charakteryzują się wysoką jakością.

 

Im lepszy olej, tym więcej trzeba za niego zapłacić. Oczywiście to prawda, ale w ostatecznym rozrachunku wybieranie środków z wyższej półki okazuje się naprawdę opłacalne. Dzięki temu można zapobiec awariom maszyn i urządzeń, a tym samym przestojom produkcyjnym. Stosując dobry olej chroni się wszystkie elementy linii produkcyjnej przed zbyt szybkim zużyciem, przegrzaniem, korozją oraz rdzą. Ale skąd właściwie wiadomo, że dany środek powinien spełnić oczekiwania, jakie będą mieć względem niego użytkownicy? Otóż nowo wyprodukowane oleje poddawane są odpowiedniej analizie. Na tej podstawie zostają określone ich parametry, a ponadto dokonana zostaje ocena stanu systemu tribologicznego.

 

Charakterystyka tribologiczna olejów – co to takiego?

Żeby móc udzielić konkretnych odpowiedzi na pytania dotyczące właściwości środka smarnego, jego wpływu na tarcie występujące pomiędzy powierzchniami oraz jak szybko będzie się zużywał, trzeba poznać parametry fizykochemiczne oleju. Są one wiarygodnymi wskaźnikami jakościowymi produktu. Charakterystyka środka smarnego w zakresie zdolności do redukcji tarcia oraz ochrony przed zużyciem ściernym elementów maszyn i urządzeń pozwala przewidzieć, na ile dobrze będzie on spełniał jedną ze swoich głównych funkcji. Czyli – jak podsumowuje Piotr Siwek, doradca techniczny/tribolog w firmie Układy Centralnego Smarowania – tribologia zajmuje się procesami zachodzącymi w punkcie styku ciał stałych i cieczy będących w ruchu. Obejmuje projektowanie, badania tarcia, zużycie i smarowanie oddziałujących powierzchni, głównie ruchomych zespołów części maszyn. Stosowanie tej wiedzy pozwala osiągnąć polepszenie sprawności, niezawodności i trwałości różnych urządzeń oraz zwiększa szanse na unikanie awarii.

 

Metody badawcze

W celu dokonania oceny właściwości tribologicznych olejów wykonuje się testy stanowiskowe symulujące rzeczywiste skojarzenia trące i rzeczywiste obciążenia termiczno-mechaniczne. Istnieje wiele metod badawczych pozwalających na określenie parametrów związanych z ograniczeniem tarcia pomiędzy powierzchniami styku, które są rozdzielone olejem. Zdaniem Marka Fajferka, Dyrektora ds. rozwoju produktów w firmie Flukar, sporo tego rodzaju procedur można określić jako przestarzałe, ale istnieją również bardzo nowoczesne metody. Jedna z nich to test Bruggera, który pozwala na określenie zależności pomiędzy smarowaniem oleju i obciążeniem powierzchni. Wykonuje się go przy użyciu znormalizowanego aparatu, gdzie obciążeniom poddawany jest mały walec. Dzięki temu można stwierdzić jaki środek smarny sprawdzi się najlepiej przy danym obciążeniu.

Stanisław Zachara, Regionalny dyrektor sprzedaży w Alfa Laval Polska, wspomina z kolei o bardzo podobnej do testu Bruggera popularnej analizie, którą przeprowadza się za pomocą aparatu czterokulkowego. Składa się on z czterech kulek o znanej chropowatości, które dociskane są z mierzalną siłą, aby ustalić moment zacierania. Daje to odpowiedz na pytanie o wpływ środków smarujących, współpracę materiałów konstrukcyjnych oraz poziom powierzchniowego zużycia elementów współpracujących. Aparaty w zależności od wersji pozwalają też na symulację różnych temperatur pracy, dokonanie analizy lepkości i określenie klasy oleju.

Jak mówi inż. Jarosław Jakubowski z firmy SmarT Plus – autoryzowanego dystrybutora ExxonMobil, w przypadku olejów przekładniowych, hydraulicznych oraz cyrkulacyjnych przeprowadza się test FZG (Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau). Jest on kluczowym elementem oceny jakości produktu, a polega na określeniu poziomu obciążenia w skali od 1 do 12. Im jest on wyższy, tym lepiej olej chroni modelowy węzeł tribologiczny, a model pozwala na pośrednią ocenę jakości ochrony zazębienia przekładni w praktyce.

Piotr Siwek zebrał metody badań, pozwalające na określenie właściwości tribologicznych olejów. Decyzja o tym, które z nich zastosować uzależniona jest od rodzaju aplikacji:

  • Zawartość metali (np. żelazo, ołów, miedź) pochodzących ze zużycia w oleju w ppm (parts per million). Wyniki te są nośnikiem bardzo ważnych informacji, m.in. które części ulegają zużyciu lub czy zanieczyszczenie pochodzi ze źródła zewnętrznego.
  • Zawartość pierwiastków (np. krzem, potas) pochodzących z zanieczyszczeń w oleju w ppm.
  • Zawartość pierwiastków (np. magnez, wapń, fosfor) pochodzących z dodatków do oleju w ppm. Mówi nam kiedy pakiet dodatków został wyczerpany lub czy doszło do zanieczyszczenia innym olejem lub substancją.
  • Testy tarcia i zużycia przeprowadzane w warunkach smarowania granicznego na tribometrze (sprawdzenie działania dodatków AW i EP w warunkach tarcia ślizgowego).
  • Test FZG dla olejów przekładniowych – oznacza stopień siły uszkadzającej i zużycia właściwego w mg/kWh ISO 14635-1.
  • Aparat czterokulowy (VKA) (DIN51 350) – pozwala sprawdzić zużycie, zdolność przejmowania nacisków.
  • Tannert – umożliwia określenie tarcia, zużycia i drgań ciernych. Badanie testowanego środka smarowego do ciał przesuwnych (olej lub smar). Test wyznacza siły tarcia na odcinku przesuwnym, w zależności od stopnia obciążenia.
  • SRV – przyrząd do badania zużycia w wyniku drgań ciernych (DIN 51834), określa tarcie i zużycie w warunkach ruchów oscylacyjnych.
  • Analiza zawartości wody np. metodą spektroskopii w podczerwieni lub miareczkowaniem.
  • Kontrola lepkości kinematycznej oleju w 40 i 100°C (ASTM D445). Na podstawie lepkości w obu temperaturach możemy łatwo obliczyć także wskaźnik lepkości VI (Viscosity Index), będący ważnym parametrem określającym jakość oleju. Wysoka wartość VI oznacza, że w podwyższonych temperaturach lepkość oleju jest wyższa niż lepkość niższej klasy olejów (zapewniając grubszą warstwę filmu smarnego, z lepszą ochroną przed zużyciem). A w niższych temperaturach lepkość oleju jest niższa niż lepkość kiepskiej jakości olejów, co zapewnia lepszą pompowalność w niskich temperaturach i mniejsze momenty rozruchu/opory ruchu na zimno. Parametr VI jest szczególnie ważny np. dla olejów hydraulicznych i przekładniowych.
  • Korozja miedzi wg DIN ISO 2160 lub DIN 51 759 lub ASTM-D 130. W tym teście występuje tendencja znormalizowanego paska miedzianego do korodowania w kontakcie z olejem. Badanie pozwala uzyskać cenną wskazówkę na temat właściwości ochrony antykorozyjnej, po 24 godzinach ocenia się stan zabarwienia (przebarwienie = korozja).
  • Poziom utlenienia i zaazotowania A/cm.
  • Stabilność utleniania, przykład dla olejów turbinowych TOST – test stabilności utleniania turbin, RPVOT – test utleniania rotacyjnego zbiornika ciśnieniowego, określa stabilność utleniania oleju. RPVOT mierzy rzeczywistą odporność na utlenianie oleju, podczas gdy inne testy wykrywają utlenianie już obecne w oleju.
  • Zawartość popiołu.
  • Analiza widma FTIR (Utlenienie, Nitrowanie, Sulfonowanie).
  • Dla olejów silnikowych i silników gazowych bada się:
  • Liczbę kwasową TAN w mg KOH/g będącą miarą ilości kwasów lub dodatków kwasowych w oleju. Wzrost TAN wskazuje na utlenianie, zanieczyszczenie wodą lub kwasowymi produktami.
  • Całkowitą liczbę zasadową TBN w mg KOH/g – określa zdolność oleju do neutralizacji produktów kwaśnych.

 

Po co wykonuje się testy oleju?

Na podstawie wyników badań, jakim poddany został środek smarny, można określić jego jakość, a także dalszą przydatność do użytku i kolejny termin wymiany. Bywa też tak, że okazuje się, iż olej nie powinien być już dłużej stosowany. Zatem ustalenie charakterystyki tribologicznej może mieć znaczenie zarówno w przypadku aktualnie używanego, jak i nowo wybranego oleju.

Piotr Niemiec, koordynator biura technologii w spółce LOTOS Oil, zwraca uwagę na możliwość dokonania oceny przydatności potencjalnego środka smarnego do smarowania zadanego węzła tarcia. Marek Fajferek również uważa, że korzystanie z wyników testów, jakim poddawane były oleje, okazuje się niezwykle przydatne podczas dobierania optymalnego środka do danej aparatur, w której ma docelowo pracować. Przeważnie im wyższym obciążeniom poddawane są powierzchnie, tym wyższej jakości olej powinien być stosowany lub film olejowy powinien być zapewniany przez olej o wyższej lepkości. Jeśli weźmie się to wszystko pod uwagę, można przewidzieć wstępnie, kiedy element smarowany ulegnie trwałemu zniszczeniu. W przypadku określania lepkości i klasy produkty, otrzymuje się informacje z czym olej się miesza, jakie emulsje stworzy oraz jak długo może pracować w danej maszynie. Łatwiej wtedy planować wszelkie działania związane z funkcjonowaniem zakładu produkcyjnego.

Jednak inż. Jarosław Jakubowski, mający wiedzę i doświadczenie zdobyte podczas wieloletniej współpracy z działem technicznym ExxonMobil, przypomina, że prowadzenie badań laboratoryjnych, podczas których ocenia się jakość i własności olejów, to próba odzwierciedlenia rzeczywistych warunków eksploatacyjnych, mniej lub bardziej miarodajna dla różnych typów olei. Warto pamiętać o tym testując produkty różnych firm. Oczywiście porównywanie środków smarnych jest ważne przy doborze oleju do wymagań określonej aplikacji. Zresztą tego typu weryfikacja stanowi też ważny etap procesu porównywania świeżo wyprodukowanych olejów z propozycjami konkurencji. W przypadku, gdy producent nie będzie zadowolony z jej wyników, może wziąć pod uwagę modyfikację własności tribologicznych. Jak wyjaśnia Stanisław Zachara, zmiany tego typu są potrzebne dla polepszenia czasu życia oleju albo zmniejszenia/zwiększenia tarcia. Aby je przeprowadzić wprowadza się różne dodatki uszlachetniające np. włókna, wypełniacze, proszki, cząsteczki, które zostają wymieszane z innymi mediami. Następnie całość poddaje się procesom przetwórczym np. obróbce cieplnej. Dobór modyfikacji zależy od samego medium, bo przykładowo poliuretan przetwarza się inaczej niż olej.

Zatem jeżeli środek smarny nie zapewnia redukcji tarcia i ochrony przeciwzużyciowej na oczekiwanym poziomie, należy zmodyfikować jego własności tribologiczne, co powinno poprawić odporność filmu olejowego na naciski powodowane przez ścierające się powierzchnie. Stosowane są tu przede wszystkim dodatki przeciwzużyciowe i przeciwzatarciowe, ale nie tylko.

Piotr Siwek wyszczególnia główne grupy dodatków i ich funkcje:

  • Dodatki przeciwstarzeniowe, przeciwutleniacze (AO): aminy, fenole, fosforany, zalecane np. dla olejów silnikowych pracujących w wysokich temperaturach i w kontakcie z powietrzem.
  • Dodatki AW (Anti Wear – ochrona przed zużyciem). Stosowane w celu zmniejszenia nadmiernego zużycia ściernego między powierzchniami metalowymi. Odbywa się to przez tworzenie deformowalnych warstewek reakcyjnych i polepszenie śladu dolegania.
  • Dodatki EP (na wysokie naciski powierzchniowe). Celem ich stosowania jest zwiększenie odporności na nacisk. Działanie tych dodatków polega na chemicznym polerowaniu powierzchni metalu.
  • Inhibitory korozji – zapobiegają korozji i rdzy poprzez tworzenie warstewki antykorozyjnej na powierzchni metalu.
  • Polepszacz VI (Viscosity Index). Wpływa na zmniejszenie zależności lepkości od temperatury. Odbywa się to przez zmianę rozpuszczalności dodatku w wyższych wzgl. niższych temperaturach. Im wyższy wskaźnik VI tym lepsza jakość oleju.

 

Kto wykonuje badania tribologiczne?

Jak zapewnia Piotr Niemiec, testy umożliwiające ocenę właściwości tribologicznych olejów może wykonywać każdy, kto uważa prowadzenie takich badań za zasadne i dysponuje odpowiednią aparaturą badawczą i/lub środkami na prowadzenie projektów badawczych. Zakres badań tribologicznych uzależniony jest od docelowego zastosowania środka smarnego (np. oleje silnikowe, przekładniowe, hydrauliczne, turbinowe, nośnikowe ciepła) oraz od rodzaju materiału, z jakiego wykonane są elementy skojarzenia trącego.

Bez większego problemu można również zlecić dokonanie oceny jakości oleju w certyfikowanym laboratorium zewnętrznym. Istnieje wiele firm, w kraju i za granicą, które świadczą usługi polegające na wykonywaniu badań tribologicznych. Ich koszt wynosi od 100 do 450 zł, w zależności od zakresu, a wyniki otrzymuje się po kilku dniach. Oczywiście producenci środków smarnych, duzi wytwórcy OEM (podzespołów takich jak łożyska, pompy, przekładnie) oraz różne instytuty na uczelniach wyższych, powinny posiadać własne laboratoria. Niektórzy znaczący dostawcy olejów oferują okresowe badania w pakiecie z dostarczanym produktem. Należy też pamiętać że standardowo monitoring olejów w eksploatacji (np. MSLA) nie obejmuje testów tribologicznych.

 

Autor: Sabina Frysztacka

Tekst w wersji PDF poniżej lub proszę kliknąć link do pobrania pliku PDF
GM_2021_1_14_18_Charakterystyka tribologiczna olejow

 

Authors

Related posts

Góra
English