Vierintälaakerin rasvavoitelutilanteen testaus koelaitteessa, osa 4 Kokeet

Transkriptio

1 TUTKIMUSRAPORTTI NRO VTT R Vierintälaakerin rasvavoitelutilanteen testaus koelaitteessa, osa 4 Kokeet Kirjoittajat: Luottamuksellisuus: Risto Parikka, Hannu Sainio ja Eero Vaajoensuu Luottamuksellinen asti

2 2 (11)

3 3 (11) Alkusanat Tämä työraportti on laadittu Tekesin, teollisuusyritysten ja VTT:n rahoittamaan projektiin Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka (PROGNOS). Raportti on osa projektin Voitelucasea. Kirjoittajat kiittävät projektiin osallistuneita tahoja ja Oy SKF Ab:tä työtä kohtaan osoitetusta mielenkiinnosta sekä projektille annetusta taloudellisesta ja teknisestä tuesta. Espoo, kesäkuussa 2006 Risto Parikka, Hannu Sainio ja Eero Vaajoensuu

4 4 (11) Sisällysluettelo 1 JOHDANTO TESTAUSJÄRJESTELY, ANTUROINTI JA TIEDONKERUU KOEAJO KOEPARAMETRIT RASVANSYÖTTÖ KÄYNNINAIKAISET MITTAUKSET RASVA ANALYYSIT TULOSTEN TARKASTELU JOHTOPÄÄTÖKSET... 11

5 5 (11) 1 Johdanto Nyt raportoitava VTT:n vierintälaakerikoelaitteessa suoritettu koeajo on jatkoa raporteissa TUO , TUO ja VTT R [1 3] kuvatuille rasvavoitelukokeille. Nyt raportoitavan, noin yhden kuukauden pituisen, yhtämittaisen koeajon tarkoituksena oli verrata ylivoitelun ja eri rasvanpoistotapojen vaikutuksia mitattaviin suureisiin. 2 Testausjärjestely, anturointi ja tiedonkeruu Testausjärjestelynä käytettiin VTT:n vierintälaakerikoelaitetta. Koelaitteen, anturoinnin ja tiedonkeruujärjestelmän kuvaus on esitetty raportissa TUO [1]. Sähkövastus ja SPM mittaus eivät olleet käytössä kokeen aikana. Holroydin laitteistolla ei myöskään pystytty mittaamaan jatkuvasti akustista emissiota. Kokeen aikana otettiin joukko rasvanäytteitä, jotka analysoitiin Neste Oililla Porvoossa. 3 Koeajo 3.1 Koeparametrit Koeparametrit valittiin samoiksi kuin edeltävässä, lähteessä [3] kuvatussa koesarjassa. Pyörimisnopeutena oli 1200 rpm ja kuormituksena 6,7 kn. Laakeria ei kokeiden aikana lämmitetty ulkoisesti. Voiteluaineena käytettiin kuumiin kohteisiin soveltuvaa litiumkompleksiperustaista Neste Templex voitelurasvaa. Voitelurasva syötettiin laakeripesään SKF:n automaattivoitelulaitteella laakerin sivusta, pesän etupuolelta eli akselin pään puolelta. Kokeen kesto oli noin 29 vuorokautta ( ), jona aikana koelaite pysäytettiin kerran rasvanäytteiden ottamista ja rasvanpoistoaukkojen avaamista varten. Koe lopetettiin ääni ja värähtelytason kohoamisen ja niistä aiheutuneen vaurioepäilyn vuoksi. 3.2 Rasvansyöttö Erilaisia rasvansyöttömääriä kokeilemalla oli tarkoitus aiheuttaa aluksi tilanne, jossa laakeripesä on mahdollisimman täynnä voitelurasvaa ja tarkastella lämpötilan ja värähtelysuureiden käyttäytymistä kyseisessä ylivoitelutilanteessa. Lisäksi oli tarkoitus tarkastella signaalien muuttumista sen jälkeen, kun laakeripesän rasvanpoistoreiät on avattu. Kuvassa 1 on esitetty käsin luonnosteltu skemaattinen piirros laakeripesään kokeen aikana syötetyistä rasvamääristä. Ennen kokeen käynnistämistä laakeripesään syötettiin automaattivoitelulaitteella normaali ohjeistuksen mukainen voitelurasvamäärä, 50 cm 3. Kokeen oltua käynnissä noin vuorokauden ajan ja saavutettua tasaisen käyttölämpötilan, syötettiin laakeripesään toinen 50 cm 3 rasva annos, jolloin laakeripesän oletettiin tulevan täyteen rasvaa. Tässä vaiheessa tiivisteiden välistä ei kuitenkaan vielä havaittu tulevan rasvaa ulos. Noin vuorokautta myöhemmin rasva annostelija ohjelmoitiin syöttämään laakeriin jatkuvasti 10 cm 3 /vuorokausi. Noin kahden vuorokauden kuluttua havaittiin rasvan pursuvan ulos laakeripesästä moottorin puoleisen tiivisteen kautta, jolloin rasvansyöttöä pienennettiin tilavuuteen 0,2 cm3/vrk. Tätä tilannetta pidettiin yllä noin 5 vrk, jona aikana rasvaa alkoi tihkua ulos myös pesän etupuolelta. Tämän jälkeen laakeripesän pohjassa olevien

6 6 (11) rasvanpoistoaukkojen tulpat poistettiin ja rasvansyöttö säädettiin aluksi tilavuuteen 1 cm 3 /vrk, ja sitten kahden vuorokauden ajon jälkeen arvoon 3 cm 3 /vrk. Kun edelleenkään ei havaittu rasvan poistumista rasvanpoistoaukkojen kautta, koelaite pysäytettiin viiden vuorokauden ajon jälkeen ja laakeripesä avattiin. Tällöin rasvanpoistoventtiileistä poistettiin sinne pakkautunut voitelurasva, ja lisäksi laakeripesästä otettiin kaksi rasvanäytettä. Tämän jälkeen koelaite käynnistettiin ja laakeripesään syötettiin jälleen 50 cm 3 voitelurasvaa, jolloin rasvaa alkoi tulla runsaasti ulos poistoaukoista. Noin kaksi vuorokautta tämän jälkeen jatkuva rasvansyöttö käynnistettiin, aluksi kolmen vuorokauden ajan tilavuudella 5 cm 3 /vrk ja siitä eteenpäin kokeen loppuun saakka 10 cm 3 /vrk. Koe lopetettiin signaalitasoissa ja koelaitteen käyntiäänessä havaittujen muutosten jälkeen. Kuva 1. Laakeripesään kokeen aikana syötetyt rasvamäärät. Määrät 50 cm 3 /vrk on merkitty virheellisesti: kyseessä on kertasyöttö ja laadun pitäisi olla cm 3, ei cm 3 /vrk. 3.3 Käynninaikaiset mittaukset Kuvissa 2 5 on esitetty kokeen aikana mitattujen suureiden trendikäyriä: laakerin sisärenkaan ulkopinnasta mitattu laakerin lämpötila, värähtelykiihtyvyyden tehollisarvo taajuusalueella 0 12 khz, värähtelykiihtyvyyden spektrin eri taajuuskaistojen tehollisarvot ja akustisen emission tehollisarvo. Kaikissa trendikäyrissä voidaan havaita signaalitasojen muutos testin loppuvaiheessa. Myös laitteen käyntiääni muuttui tällöin voimakkaasti, ja testauslaitteen arvioitiin vaurioituneen siinä määrin, että koe päätettiin lopettaa. Muutokset eivät viitanneet laakerin vierintäpintojen vaurioon, vaan johonkin muuhun vaurioon laakerin kiinnityksessä tai laakeria ympäröivissä rakenteissa.

7 7 (11) Laakerin lämpötila Lämpötila [oc] Aika [pvm/klo] Kuva 2. Laakerin sisärenkaan lämpötilan trendikäyrä kokeen aikana. Kiihtyvyys 0 12 khz, tehollisarvo Kiihtyvyys [m/s2] Aika [pvm/klo] Kuva 3. Värähtelykiihtyvyyden trendi kokeen aikana Kiihtyvyysspektrin tehollisarvo eri taajuuskaistoilla 1.90 Kiihtyvyys [m/s2] vibrfrms1 vibrfrms2 vibrfrms3 vibrfrms4 vibrfrms Aika [pvm/klo] Kuva 4. Kiihtyvyysspektrin tehollisarvot taajuuskaistoittain. Taajuuskaistat ovat 0 2 khz (1), 2 4 khz (2), 4 6 khz (3), 6 8 khz (4) ja 8 12 khz (5).

8 8 (11) Akustisen emission tehollisarvo Jännite [V] Aika [pvm/klo] Kuva 5. Akustisen emission tehollisarvon trendikäyrä kokeen aikana Rasva analyysit Kahdeksan voitelurasvanäytettä lähetettiin analysoitavaksi Neste Oil Oyj:lle Porvooseen. Näytteille tehtiin rautapitoisuusmääritys ja infrapuna analyysi (FTIR). Näytteistä yksi oli otettu nyt raportoitavaa koetta edeltävän, Prognos hankkeen koeohjelmaan kuulumattoman testiajon jälkeen. Kaksi näytettä oli otettu kokeen keskellä koelaitteen pysäyttämisen ja laakeripesän avaamisen yhteydessä ja neljä kokeen päättymisen jälkeen. Yksi näytteistä oli lisäksi käyttämätöntä rasvaa. Eri näytteet ja niiden tarkemmat tiedot on esitetty taulukossa 1. Taulukko 1. Analysoidut rasvanäytteet. Toisiopuoli tarkoittaa käyttömoottorin puoleista laakeripesän rasvatilaa. Näyte 1 Prognostiikka hankkeen koeohjelmaan kuulumaton ajo , rasvaa kokeen päätyttyä Näyte 2 Prognostiikka, koe ; näyte toisiopuolen alaosan sivusta (ei laakerilta). Näyte 3 Prognostiikka, koe ; näyte toisiopuolelta laakerin sivusta. Näyte 4 Prognostiikka, koe ; syöttöpuolen tiivisteestä. Näyte 5 Prognostiikka, koe ; laakeripesästä syöttöpuolelta. Näyte 6 Prognostiikka, koe ; laakeripesästä toisiopuolelta. Näyte 7 Prognostiikka, koe ; poistoreiästä ulos tullutta rasvaa. Näyte 8 Näyte ; puhdas, käyttämätön rasva. Rautapitoisuusanalyysien tulokset on esitetty Neste Oil Oyj:n tulostiedotteessa TS (liite 1) ja taulukossa 2. Tulosten perusteella voidaan todeta, että laitteiston vaurioituminen on ollut käynnissä jo kokeen alkaessa, sillä ennen nyt raportoitavaa koetta otetun näytteen (Näyte 1) rautapitoisuus (570 mg/kg) on jo selvästi normaalia korkeampi. Suurin rautapitoisuus, mg/kg, on mitattu kokeen päätyttyä laakerin toisiopuolelta eli

9 9 (11) moottorin puolelta otetusta rasvanäytteestä. Käyttämättömässä voitelurasvassa on ollut rautaa 27 mg/kg. Taulukko 2. Näytteiden 1 8 rautapitoisuusanalyysien tulokset. FTIR analyysin tulokset on esitetty Neste Oil Oyj:n tutkimustiedotteessa 38/LX (liite 2). Saippuapitoisuuden muutokset on lisäksi koottu taulukoon 3. Selkein ero näytteiden välillä on metallisaippuan ja öljyn suhteessa. Tarkkoja kvantitatiivisia analyysejä ei öljyn ja saippuan määrille tehty. IR spektreistä on kuitenkin mitattu suolan piikin (1580 cm 1 ) intensiteetti, joka on suhteutettu hiilivetyketjujen piikin (1370 cm 1 ) intensiteettiin. Hiilivetyketjujen piikki sisältää sekä öljyn että suolan alkyyliketjut. Kemiallisia muutoksia ei rasvanäytteiden välillä todettu. Taulukko 3. Näytteiden 1 8 FTIR analyysien tulokset. Tulosten perusteella voidaan todeta, että näytteen 3 saippuapitoisuus suhteessa öljyyn on pudonnut eniten, laskennallisesti arvoon 63 %. Muilla rasvanäytteillä muutos on ollut vähäisempi. Esitetyt prosenttilukemat ovat suuntaa antavia cm 1 /1370 cm 1 näyte 1 7/näyte 8 näyte 1 2,6 0,81 näyte 2 2,7 0,84 näyte 3 2,0 0,63 näyte 4 2,5 0,78 näyte 5 2,7 0,84 näyte 6 2,7 0,84 näyte 7 2,3 0,72 näyte 8 3,2 1,0 4 Tulosten tarkastelu Kokeen alkuvaiheessa laakerin lämpötilan ja akustisen emission tehollisarvon trendit olivat laskevia huolimatta siitä, että laakeripesään syötettiin runsaasti voitelurasvaa ja pesän voitiin tiivisteiden kautta poistuvan rasvamäärän perusteella todeta olevan ylivoideltu. Kun rasvanpoistoreiät avattiin, lämpötilan todettiin kohoavan ja mittaussignaalien yleisesti lähtevän nousuun. Lämpötilan laskeminen alkuvaiheessa lienee seurausta voitelurasvan liikevastuksen pienenemisestä. Laakerin sisällä oleva rasvamäärä on todennäköisesti pysynyt suurena, joten

10 10 (11) todennäköisimpänä syynä muutokselle on rasvalle tehdyissä FTIR analyyseissäkin havaittu öljyn erkaantuminen, joka on muuttanut laakerin sisällä olevaa rasvan liikevastusta pienemmäksi. Signaalitasojen alkava kohoaminen kokeen puolivälin jälkeen on todennäköisesti seurausta laakeroinnin vaurioitumisesta. Laakerin vierintäpinnan vauriolle tunnusomaisia piirteitä, kuten verhokäyräspektrin piikkejä tai matalataajuisen spektrin piikkejä laakerikomponenttien vikataajuuksilla ei havaittu. Voimakkaimmin vauriota näytti indikoivan värähtelytaso 2 4 khz taajuusalueella. Mielenkiintoista on eri taajuuskaistojen värähtelytasojen päätyminen aivan kokeen lopussa lähelle toisiaan, suuriamplitudisimpien kaistojen värähtelytasojen voimakkaasti laskettua ja matalatasoisimpien kaistojen tasojen hieman noustua. Tämä lienee seurausta laakerin romahtamisesta, mikä ilmenee kuvasta 6. Akselin pään voidaan nähdä siirtyneen alaspäin alkuperäiseltä paikaltaan. Kun laakeripesä avattiin, havaittiin laakerin kiinnityksen pettäneen kartioholkin (kuva 7) murruttua kierteen kohdalta. Tämän jälkeen akseli oli päässyt pyörimään laakerin sisällä ja sen tukipintana oli toiminut laakeripesän tiiviste. Akselin, holkin ja laakerin sisärenkaan asennuspintojen välinen suhteellinen liike selittää voitelurasvasta mitatun suuren rautapitoisuuden. Akustinen emissio näytti saavuttavan huippuarvonsa juuri laakerin romahtamisen yhteydessä. Kuva 6. Laakeripesä akselin pään puolelta kokeen päätyttyä. Akselin pää on siirtynyt alaspäin alkuperäiseltä paikaltaan ja voitelurasvaa on roiskunut ulos tiivisteen ja akselin välistä.

11 11 (11) Kuva 7. Rikkoutunut kartioholkki. Suoritetussa kokeessa selvää korrelaatiota ylivoitelun, rasvan lisäämisen tai rasvan poistumisen ja eri mittaussignaalien välillä ei todettu. Toisaalta laakeroinnin vaurioituminen häiritsi tulosten analysointia, eikä suoritettua koetta voida täten pitää edustavana. Kokeen eri vaiheista on talletettu runsaasti aikatason signaaleja ja spektrejä mahdollista myöhempää lisäanalysointia varten. 5 Johtopäätökset Suoritetussa kokeessa selvää korrelaatiota rasvan lisäämisen tai rasvan poistumisen ja eri mittaussignaalien välillä ei todettu. Kokeen tulosten analysointia häiritsi laakerin kartioholkkikiinnityksen pettäminen, joka havaittiin kokeen loppuvaiheessa signaalitasojen yleisenä kohoamisena ja lopulta kaikkien seurattavien värähtelyn taajuuskaistojen värähtelytasojen päätymisenä lähes samalle tasolle. Vaurioituminen oli käynnistynyt jo edeltävien kokeiden aikana ja edennyt koko mittauksen ajan, mikä havaittiin Neste Oililla tehtyjen voitelurasva analyysien perusteella. Kokeen yhteydessä otetuista rasvanäytteistä havaittiin suuria rautapitoisuuksia (suurin ppm). Laakerin vierintäpintojen ei todettu rikkoutuneen kokeessa. Voitelurasvan rautapitoisuuden kasvu johtui kartioholkin rikkoutumisesta ja lopulta, ennen kaikkea, akselin, laakerin ja holkin välisestä liikkeestä. Rasvanäytteille tehdyissä FTIR analyyseissä havaittiin lisäksi näytteiden saippuapitoisuuden putoaminen suhteessa öljyyn. Laakeripesästä, laakerin toisiopuolelta laakerin sivusta kokeen loputtua otetussa näytteessä saippuapitoisuus oli pudonnut eniten, laskennallisesti arvoon 63 %. Todennäköisesti syynä saippuapitoisuuden kasvuun oli öljyn erkaantuminen ja ominaispainoltaan raskaamman paksuntimen vajoaminen laakeripesän pohjalle. Lähdeluettelo 1 Parikka, R., Sainio, H. & Vaajoensuu, E Vierintälaakerin rasvavoitelutilanteen testaus koelaitteessa, osa 1. VTT raportti TUO

12 12 (11) 2 Parikka, R., Sainio, H. & Vaajoensuu, E Vierintälaakerin rasvavoitelutilanteen testaus koelaitteessa, osa 2. VTT raportti TUO Parikka, R., Sainio, H. & Vaajoensuu, E Vierintälaakerin rasvavoitelutilanteen testaus koelaitteessa, osa 3. VTT raportti VTT R

13 LIITE 1: Voitelurasvan rautapitoisuusanalyysien tulokset. 1 (2) LIITE 1

14 2 (2) LIITE 1

15 1 (2) LIITE 2 LIITE 2: FTIR analyysien tulokset.

16 2 (2) LIITE 2