KON-C3002. Tribologia. Voitelu

Transkriptio

1 KON-C3002 Tribologia Voitelu

2 Sisältö Intro: moottorin voitelu Öljykierto, voitelun tehtävät, lämpötiloja Voitelumekanismit ja viskositeetti Voitelutyyppejä Vierintälaakerien voitelu ja voiteluvaurioiden syitä Nestevoitelu Hydrodynaaminen (HD), elastohydrodynaaminen (EHD) Hydrostaattinen Voiteluaineet Öljyt Moniasteöljyt ja viskositeetti-indeksi (VI) SAE-luokitus Laatuluokitukset: API, ACEA, moottorivalmistajat Kaksitahtiöljyjen API-luokitus Vaihteistoöljyjen viskositeetti- ja laatuluokitukset Teollisuusöljyjen viskositeettiluokitus, FZG- ja nelikuulakokeet Rasvat Koostumus, voitelevuus, NLGI-kovuusluokitus Kiinteät Lamellirakenteiset, polymeerirakenteiset; lämmönkestävyys

3 Moottorin voitelu Nokkamekanismi Suodatus Kampikoneisto Pumppaus Öljypohja Sihti

4 Voiteluaineen tehtävät kitkan ja energiahäviöiden pienentäminen kulumisen vähentäminen jäähdytys korroosionesto haitallisten aineiden poistaminen kulumishiukkaset palamisjätteet (Vähentää siis karstoittumista)

5 Lämpötila moottorissa

6 Voitelumekanismit Rajavoitelu Sekavoitelu Nestevoitelu Hydrodynaaminen Hydrostaattinen Nopeus - Punaista käyrää kutsutaan usein Stribeckin käyräksi - Vaaka-akselilla on usein (pelkän nopeuden sijaan nk. Herseyn luku H s = ηω/p (dynaamisen viskositeetin ja pyörimisnopeuden tulo jaettuna paineella)

7 Viskositeetti Nestekalvo, korkeus h : τ = leikkausjännitys (N/m 2 ) η= Dynaaminen viskositeetti = absoluuttinen viskositeetti (Pa s) = (Ns/m 2 ) (Myös: 1 P = 1 Poise = 0,1 Pa s) Poisi du/dy = nesteen leikkausnopeus (1/s) Kinemaattinen viskositeetti: ν= η/ ρ (m 2 /s) (usein: mm 2 /s = cst, senttistoki) Newtonilainen neste: Viskositeetti (η) on vakio ja leikkausjännitys on suoraan verrannollinen leikkausnopeuteen.

8 Hammasvaihteiden voitelu Voitelutyyppejä 1. Kylpyvoitelu hammaspyörät syvällä öljyssä (öljypinta laakerien korkeudelle) pienillä kehänopeuksilla (< 4 m/s) 2. Roiskevoitelu kehänopeus < 14 m/s oikea öljymäärä tärkeää: pieni öljymäärä puutteellinen voitelu, liian suuri öljymäärä haitallinen lämpeneminen roiskuva öljy voitelee myös laakerit 3. Kiertovoitelu suurilla kehänopeuksilla painevoiteluyksikkö: pumppu moottoreineen, suodatin, öljyn jäähdytin, lämmitin (tarvittaessa) Klüber

9 Vierintälaakerien voitelu vähentää kitkaa ja kulumista suojaa korroosiolta ja ulkoa tulevilta epäpuhtauksilta useimmiten rasvavoitelu (n. 90 %) voitelukalvon tulee olla riittävän paksu pintojen karheuksiin nähden Suhteellinen kalvon paksuus λ = h min / σ' ; σ' = yhdistetty pinnankarheus (kirja s. 129) λ < 1 => rajavoitelu; 1 < λ < => sekavoitelu; λ > => nestevoitelu; ks. kalvo "voitelumekanismit" h h s' = sqrt(s s 22 ), s 1 ja s 2 = pinnankarheuden RMS-arvo s = 1.3R a, R a = keskipoikkeama

10 Rasvavoitelu pesä täytetään vain osaksi SKF: - Useimmiten vierintälaakerit ovat rasvavoideltuja. - Rasva pysyy paremmin pysty- tai vinoakselien laakereissa kuin öljy. - Rasva ehkäisee kosteuden ja lian pääsyn laakeriin. - Osittainen täyttö, koska liika rasva aiheuttaa laakerin käyntilämpötilan nopean nousun, erityisesti suurilla käyntinopeuksilla. SKF:n täyttösuositus: % keskinopeille ja suurille nopeuksille ( % alhaisille nopeuksille) Juuri rasvatut laakerit : - Sisäänajo alhaisella nopeudella - Ylimääräinen rasva poistuu laakerista ja loput asettuu tasaisesti

11 Nestevoitelu paineistettu nestekalvo erottaa pinnat 1. Paine syntyy liikkeen vaikutuksesta 2. Paine pumpun avulla HD-voitelu Hydrostaattinen voitelu p F painejakauma p T h u EHD-voitelu p EHD p P h c u 1 3 F 1 4 u 2 h min 2 p <= Hydrostaattinen säteislaakeri - Kuorma saa vaihdella, koska laakeripaine kompensoi kuorman kasvun

12 Hydrodynaaminen voitelu paine syntyy liikkeen vaikutuksesta Kiilamainen rako Puserrusvaikutus p p u

13 Nestevoideltu säteislaakeri Välys ja akselin epäkeskinen asema => kiilamainen rako B h S p Liukulaakerilaskenta (DIN 31652): - KOS, liite lukuun 5, alk. s Tribologia-kirja (Kivioja), luku 9.3, alk. s. 255 B p

14 HD-voitelu vs. EHD-voitelu hydrodynaaminen voitelu jäykät kappaleet (Kahden lieriöpinnan voitelu) voiteluaineen viskositeettia voidaan pitää vakiona eri paineissa (isoviskoosi voiteluaine) p HD u 1 u 2 h min

15 HD-voitelu vs. EHD-voitelu elastohydrodynaaminen voitelu suuri kuormitus elastiset kappaleet viskositeetti kasvaa paineen noustessa kosketuskohdassa o e p η 0 = dyn. visk. normaalipaineessa α = viskositeetin paine-eksponentti p EHD mineraaliöljylle tyypillisiä arvoja: α = m 2 40 C α = m C u 1 h c u 2 h min

16 Liukulaakeroinnin sovelluskohde Sähkömoottorin liukulaakerointi - Värinätön käynti - Suuret liukunopeudet - Sleeve bearing with labyrinth seals. - Bearing housing is made of cast iron. - Bearing shells are spherically-seated in the housing. - The shell consists of a steel body lined with white metal (1). - Oil ring for lubrication. - The axial load is absorbed by the plain, white metal-lined thrust faces. - Designed to tolerate only limited continuous axial loads. - Standard motors are designed for a rotor axial float of +/-8mm. (1) Valkometallit: Lyijy- tai tinavaltaisia pehmeitä laakerimetalleja - Lyijy-antimoni-tina - Tina- antimoni-kupari [ABB: Manual for Induction Motors and Generators, 3BFP R0101 REV E] [ABB / Global Cement Magazine October 2007]

17 Hydrostaattinen voitelu Vesivoideltu kivipallo 110 cm [Sorvikivi Oy, Savitaipale] Kivipalloja voidaan valmistaa aina kolme metriä halkaisijaltaan oleviin graniittisiin taideteoksiin asti. Kolmen metrin pallo painaa n. 38 tonnia.

18 Hydrostaattinen voitelu - KOS s Tribologia-kirja (Kivioja 2010) luku 7.4, s ja 166. Öljyvirta Q p T bh 12 l 3 p T F painejakauma h p T (yli)paine taskussa b h l raon leveys (piiri) raon korkeus raon pituus virtaussuunnassa dynaaminen viskositeetti p P Pumpputeho P P Qp P P

19 Hydrostaattinen säteislaakeri - Monta öljytaskua => kuormituksen suunta saa vaihdella D L p F 4 2 p - Painejakaumat kuormittamattomana ja kuormitettuna - Paine kasvaa kuormaan nähden vastakkaiseen suuntaan

20 Työstökoneiden karayksiköt Hydrostaattinen laakerointi ETUJA: - Hyvä jäykkyys ja vaimennus - Kulumattomuus - Vähäinen lämpeneminen Työstökoneissa (johteissa) yleensä: - Tasainen liike (ei stick-slip -ilmiötä) - Kulumattomuus Tarkkuus aksiaalinen 0,5...1 m radiaalinen 0,5...1 m

21 Muita hydrostaattisten laakerien käyttökohteita Turbiinit Etuja vesiturbiinit turbogeneraattori aksiaalipuhaltimet hyvä kantokyky ja kestoikä pieni käynnistysmomentti ja tilantarve keskipakopumput Koneenrakennus pyörivät uunit kuulamyllyt valssilaitokset kuorimarummut voiteluaineena voi toimia kuljetettava neste Etuja kulumattomuus pieni käynnistysmomentti ja kitkateho

22 Voiteluaineet Ryhmittely Voiteluöljyt Voitelurasvat Mineraaliöljyt Synteettiset nesteet Saippuaperustaiset Geelirasvat Lisäaineistamattomat öljyt Lisäaineistetut öljyt Lisäaineistamattomat nesteet Lisäaineistetut nesteet Öljyosana mineraaliöljy Öljyosana synteettinen neste Öljyosana mineraaliöljy Öljyosana synteettinen neste Kiinteät Molybdeenidisulfidi voiteluaineet Grafiitti Keinoaineet

23 Voiteluöljyt Perusöljyt Parafiiniset, nafteeniset, aromaattiset (1) Lisäaineet parannetaan ominaisuuksia Viskositeettia muuttavat viskositeetti-indeksiä parantavat jähmepisteen alentajat Kitka- ja kulumisominaisuuksia parantavat EP-lisäaineet, AW-lisäaineet Käyttöikää lisäävät puhdistavat ja jakauttavat lisäaineet hapettumisenestoaineet syöpymisenestoaineet vaahdonestoaineet emäksisyyttä antavat lisäaineet (1) Parafiiniset: tyydytettyjä ketjumaisia hiilivetyjä Nafteeniset: tyydytettyjä rengasmaisia hiilivetyjä Aromaattiset: tyydyttämättömiä rengasmaisia hiilivetyjä

24 Voiteluöljyjen lisäaineet tavoitteena on: jähmepisteen alentaminen öljyn juoksevuus alhaisissa lämpötiloissa viskositeetti-indeksin parantaminen vähentää viskositeetin lämpötilariippuvuutta vaahtoamisen estäminen hapettumisen hidastaminen korroosion hidastaminen palamisjätteiden liuottaminen moottoriöljyssä estävät karstoittumista ja pitävät noen hienojakoisena öljyn seassa kulumisen vähentäminen

25 Moniasteöljyn viskositeetti ja VI 20W 10W 25W SAE 15W 0W 5W - Moniasteöljyihin sekoitetaan polymeerilisäaineita ('viskositeetin parantajia'). - Tästä johtuen öljyjen viskositeetti voi laskea merkittävästikin, jos leikkausnopeus kasvaa suureksi. - Vaarana on, että voitelukalvo ohenee liikaa. - [Stachowiak 2005] SAE 50 SAE 40 SAE 30 SAE 20 SAE-luokat => seuraavalla kalvolla Öljyn lämpötila ( C) 100 Viskositeetti-indeksi VI: määritetään öljyn viskositeetin lämpötilariippuvuus kahden referenssiöljyn perusteella; alunperin (n. 1929) valittiin Pennsylvania crude => VI = 100 ja Gulf Coast crude => VI = 0; Mitä suurempi VI (nykyöljyillä päästään yli 100), sitä vähäisempi viskositeetin muutos T:n muuttuessa.

26 Moottoriöljyjen SAE-luokitus SAE = Society of Automotive Engineers W => kylmiin olosuhteisiin Pelkkä nro => lämpimiin olosuhteisiin 0W 5W 10W 15W 20W 25W Visk. cp max. (cp = mpa s) 6200/-35 C 6600/-30 C 7000/-25 C 7000/-20 C 9500/-15 C 13000/-10 C SAEluokka Pumpattavuuslämpötila max. -40 C -35 C -30 C -25 C -20 C -15 C Viskositeetti mm2/s (100 C) min. 3,8 3,8 4,1 5,6 5,6 9,3 5,6 9,3 12,5 16,3 21,9 (mm 2 /s = cst) max < 9,3 < 12,5 < 16,3 < 21,9 < 26,1 W-öljyjen cp-arvot kuvaavat (~vain) kylmäkäynnistysominaisuutta. Poisi: 1 P = 0,1 Pa s => 1 cp = 1 mpa s Stoki: 1 St = 1 cm 2 /s = 100 mm 2 /s Kinemaattinen viskositeettii (cst = mm2/s) mitataan kapillaariviskosimetreillä (tarkkoja), mutta alemmissa lämpötiloissa pitää käyttää rotaatioviskosimetrejä, jolla määritetään dynaaminen viskositeetti (Pa s).

27 Moottoriöljyjen laatuluokitus API-luokitus moottorikokeilla tutkitaan sylinterien seinämien, männänrenkaiden, laakerien ja venttiilikoneiston kulumista ja puhtautta, karstan ja lietteen muodostumista, syöpymistä ja öljyn hapettumista 1. Bensiinimoottorit (SA, SB, SC, SD, SE SH), SJ, SL, SM laatu paranee ==> 2. Dieselmoottorit (CA CE), CF, CG, CH, CI, CJ-4 laatu paranee ==> API = American Petroleum Institute (SM = vaativin taso) Usein öljy täyttää sekä bensiini- että dieselmoottorivaatimukset => merkitään esim. API SJ/CF

28 ACEA-luokitus eurooppalainen luokitus - ACEA-luokitus ottaa API-luokitusta paremmin huomioon nykyisten eurooppalaisten moottoreiden vaatimukset (pienet iskutilavuudet, korkea viritysaste, moniventtiilisiä, usein turboja) bensiini- ja dieselmoottoriöljyt katalysaattoreille paremmin sopivat bensiini- ja dieselmoottoriöljyt raskaan kaluston dieselmoottoriöljyt A1/B1, A3/B3, A3/B4 ja A5/B5 C1, C2, ja C3 E2, E4, E6 ja E7 Valmistajien omat vaatimukset esim. Longlife öljyt BMW LL-98, LL-01, LL-04 VW , GM-LL-A-025 ja GM LL-B-25 ACEA = Association of European Automotive Manufacturers (ACEA korvaa vanhan CCMC-luokituksen)

29 Moottoripyörät, veneet jne.; Öljy sekoitetaan bensiiniin esim. tankkauksen yhteydessä; Vaaditaan voitelun lisäksi erityisiä palamisominaisuuksia. Kaksitahtiöljyjen API-luokitus TA... TD APIluokka API TA API TB API TC API TD Laatumäärite ja käyttöesimerkkejä Karstanmuodostuksen aiheuttamaa esisytytystä tai tukkoisuutta pakojärjestelmässä ei saa esiintyä; mopot, ruohonleikkurit ja muut pienitehoiset moottorit Vaatimuksia sylinterin kiillottumiselle, esisytytykselle, tehohäviöille sekä männänrenkaiden puhtaanapysymiselle; pienitehoiset moottoripyörät ja skootterit Moottorit, joihin vaaditaan tämän luokan öljy, ovat melko alttiita varhaissytytysvaurioille ja öljyn on toimittava korkeissa lämpötiloissa aiheuttamatta männänrenkaiden takertelua; suuritehoiset moottoripyörät, moottorikelkat ja moottorisahat Öljyltä vaaditaan erityisesti karstan aiheuttaman esisytytyksen estokykyä, myös männänrenkaiden puhtaanapitokyky sekä sylinterin kiillottumisen estokyky otettu huomioon; perämoottorit

30 Vaihteistoöljyjen viskositeettiluokitus SAEluokka 70W 75W 80W 85W Maksimilämpötila cp:n viskositeetilla *) -55 C -40 C -26 C -12 C Viskositeetti mm2/s (100 C) min. max. 4,1 4,1 7,0 11,0 13,5 24,0 41,0 <24,0 <41,0 (Korkeampi numero ei välttämättä tarkoita että vaihteistoöljyn viskositetti olisi suurempi kuin moottoriöljyn; ks. viskositeettien vertailukalvo jäljempänä) Moniasteöljyt täyttävät kummankin määrittelylämpötilan ja -menetelmän: esim. 75W - 90 *) cp: maksimiviskositeetti, jota voidaan käyttää ilman että vaihteisto vairioituu

31 Vaihteistoöljyjen laatuluokittelu GL APIluokka GL-1 GL-2 GL-3 GL-4 GL-5 Käyttö- ja laatumäärite Vaihteistoöljy ilman EP-lisäaineita Lievästi EP-lisäaineistettu öljy kierukkavaihteisiin Lievästi EP-lisäaineistettu öljy lieriö- ja kartiopyörien voiteluun Runsaasti lisäaineistettu EP-öljy, voidaan käyttää myös hypoidipyörästöissä Voimakkaasti lisäaineistettu EP-öljy hypoidipyörästöihin GL-1, GL-4 ja GL-5 yleisesti käytössä [Wikipedia] API-luokitus ei koske automaattivaihteistoöljyjä.

32 Mm. hydrauli-, kompressori-, sylinteri- ja turbiiniöljyt. Teollisuusöljyjen viskositeettiluokitus ISO-viskositeettiluokat (ISO VG): kinemaattinen viskositeetti (mm2/s) +40 C:n lämpötilassa sallittu vaihtelu 10 % ISO VG (ISO 3448) FZG-testi hammaspyöräkokeen tulos kuormitusportaina 4-kuulakoe => Hammaspyörien kulumiskestävyys => Öljyjen voitelukyky kuluminen/kiinnileikkautuminen Koejärjestelyjen periaatekuvat => seuraavalla kalvolla

33 Pyörimisliike tuotetaan sähkömoottorilla (joka kytketään taaemmalle akselille) Kuormittava momentti lukitaan etualalla olevan akselin avulla F 4 FZG-koelaite "kehäajojärjestely" Kuulat 2 Tukirengas 3 Pyörivä kuula 4 Kiinnityslaite Nelikuulakoe

34 Viskositeettien vertailua (Vrt. KOS, kuva , s. 294) ISO - International Organization for Standardization - Teollisuusöljyt AGMA - American Gear Manufacturing Association - Vaihteistoöljyt SAE - Society of Automotive Engineers - Moottori- ja vaihteistoöljyt SUS - Saybolt universal second - Kinemaattisen viskositeetin yksikkö - Kauanko 60 cm3 öljyä virtaa kalibroidun putken läpi lämpötilassa 38 C Ref: Lubrication engineers Inc.

35 Laakerirasvat Valintaperusteita lämpötila kuormitus nopeus käynnistysvastus/kitka tärinä ruosteenesto-ominaisuudet vedenkestävyys

36 Voitelurasvojen koostumus 5 30 % saenninta mm. litium-, kalsium-, natrium- ja alumiinisaippuat % perusöljyä pieniä määriä lisäaineita hapettumisen- ja ruosteenestolisäaineita EP-lisäaineita kulumisenestolisäaineita Saennin Perusöljy perusöljy on sitoutunut saippuaan eikä pääse virtaamaan vapaasti kuten voiteluöljy rasvavoidelluissa laakereissa kalvonpaksuus on % öljyvoidellun laakerin kalvonpaksuudesta (perusöljyt samat)

37 Tekijät jotka vaikuttavat voitelutilanteeseen saenninpitoisuus perusöljyn viskositeetti perusöljyn erottuminen rasvasta rasvan kiinteys Voitelutilanne huononee, kun rasvan saenninpitoisuus ja perusöljyn viskositeetti kasvavat paranee, kun lämpötila nousee Suuri saenninpitoisuus heikentää perusöljyn erottumista rasvasta, mikä heikentää voitelutilannetta.

38 Voitelurasvojen ominaisuuksia Al Ba Ca Li Na Saennnin Alumiinisaippua Alumiinikompl.saippua Bariumkompl.saippua Bariumkompl.saippua Bentonit Kalsiumsaippua Kalsiumkompl.saippua Litiumsaippua Litiumsaippua Litiumsaippua Natriumsaippua Natriumkompl.saippua M mineraaliöljy E esteriöljy S silikoniöljy Perusöljy Lämpötilaalue C M -20/70 M -20/150 M -20/150 E -60/130 M/E -20/150 M -20/50 M -20/130 M -20/130 E -60/130 S -40/170 M -20/100 M -20/130 Veden kesto kestää kestää kestää kestää kestää eritt. kest. eritt. kest. kest. 90 C kestää eritt. kest. ei kestä kest. 80 C Kompl. => Kompleksisaippua, jossa käytetään samanaikaisesti useaa metallisaippuaa

39 Rasvojen kovuusluokittelu ilmoitetaan NLGI-luokituksen avulla ilmaisee tunkeumaluvun, joka saadaan antamalla normin mukaisen kartion painua 5 s:n ajan rasvaan (lämpötila 25 C) tunkeutumissyvyys ilmaistaan kymmenesosamillimetreinä Kirjan luku , s. 175 Vierintälaakereille käytetään yleensä rasvoja, joiden NLGI-luokka on NLGI-luku Tunkeuma mm/ kovuus riippuu saentimen määrästä ja käytetyn öljyn viskositeetista

40 Rasvavoitelu Käynnistys h min Täydellinen voitelu Sekavoitelu aika - Ajan myötä voitelu heikkenee - Voitelutilannetta voi seurata akustisen emission avulla - Rasvan lisäyksen vaikutus on "selvästi kuultavissa" AE = akustinen emissio [Pietsokide-anturi mittaa korkeataajuista värähtelyä (20 khz khz... 1 MHz)]

41 Tribologia-kirjan s. 175 ja taul , s. 176 Kiinteiden voiteluaineiden ominaisuuksia Aine Lamellirakenne MoS 2 WS 2 T max / C Erikoisominaisuuksia C hajaantuminen tyhjiössä Hapettumisstabiilisuus parempi kuin MoS 2 :lla Phthalocyanine Grafiitti TaS 2 CaF 2 Polymeerit FEP PTFCE PTFE Nylon Asetaali Polyuretaani Hyvä adheesiokyky reaktion kautta Tehoton tyhjiössä Hyvä sähkönjohtokyky Tehoton alle 350 C Kemiallinen reaktiokyky heikko Käyttökelpoisia erittäin alhaisissa lämpötiloissa Hyvä abraasiokulumisen vastustuskyky Kitka suhteellisen korkea Graf => pieni µ edellyttää hapen tai (vesi)höyryn läsnäoloa - Lääke- tekstiili- ja elintarviketeollisuuden koneissa (ja tietyissä muissa kohteissa) ei ehkä voi käyttää öljyjä ja öljypohjaisia rasvoja => valitaan kiinteä voiteluaine. - Kiinteitä voiteluaineita voidaan myös lisätä tavallisiin öljyihin ja rasvoihin, voitelun parantamiseksi.

42 Kiinteät voiteluaineet vertailu 0,5 PTFE pehmenemispiste 300 C 0,4 0,3 Co HEX Co CUB C (tyhjiö) 0,2 MoS 2 Mo + S 2 0,1 0 C PbO (grafiitti) CO 2 BN CaF Lämpötila ( C)

43 Lopuksi Kiitos osallistumisesta!