Johdanto. Johdanto. Panostusnosturin kunnonvalvonta vaihteistoöljyjen analysoinnin avulla

Transkriptio

1 Panostusnosturin kunnonvalvonta vaihteistoöljyjen analysoinnin avulla FM Pekka Vähäoja Oulun yliopisto, Konetekniikan osasto Mekatroniikan ja konediagnostiikan laboratorio Oulu Johdanto On arvioitu, että kitkasta ja kulumisesta johtuvat kustannukset ovat Suomessa vuosittain noin 2,7 Mrd (Ahlroos 2003). Uusinta tribologista tietämystä hyödyntäen tästä summasta voidaan säästää kolmannes (Ahlroos 2003). Voitelun toiminnan seuraamiseen on sovellettu erilaisia voiteluaineanalyysejä jo useiden kymmenien vuosien ajan. Johdanto Tässä esityksessä keskitytään öljyjen analytiikkaan. Öljyanalytiikalla on useita erityyppisiä sovelluskohteita. Useita analyyysitekniikoita on standardisoitu, mutta siltikin analyysimenetelmiä täytyy usein kehittää sovelluskohteisiin paremmin sopiviksi. Öljyanalytiikka voi antaa tietoa kone-elinten kulumisesta, prosessin toiminnasta, voitelun tehokkuudesta ja itse öljyn kunnosta. 1

2 Johdanto Tehtävien analyysien määrä voi vaihdella sovelluskohteesta riippuen. Esim. vaihteisto- ja hydrauliikkajärjestelmien viat voidaan havaita öljyanalyysien avulla varhaisessa vaiheessa. Kaikkia vikoja, kuten esim. epätasapainoa tai sähköisiä vikoja ei voida öljyanalyysin avulla havaita ennen kuin ne aiheuttavat merkittävää kulumista. Öljyanalytiikan ja värähtelyanalytiikan avulla saatujen vikatietojen yhdistäminen mahdollistaa tehokkaan kunnonvalvonnan. Tutkimuksen toteutus Tämä tutkimus tehtiin Prognos-projektissa huhtikuun 2004 ja kesäkuun 2005 välisenä aikana. Tutkittavana kohteena olivat Ruukki Productionin Raahen terästehtaan panostusnosturin 122 pohjois- ja eteläpään vaihteistojen öljyt, jotka olivat laadultaan mineraaliöljyjä. Samanaikaisesti tekn. yo Jaakko Leinonen suoritti värähtelymittauksia ko. vaihteistoille. Näytteenotto ja tehdyt analyysit Näytteet otettiin Ruukki Productionin työntekijöiden toimesta imupumpulla. Näytteet analysoitiin Oulun yliopiston kemian laitoksella. Näytteille suoritettiin seuraavat analyysit: 1) kulumametallipitoisuudet ja fosforipitoisuus, 2) kiintoainepitoisuudet kolmessa eri kokoluokassa, 3) happoluku, 4) vesipitoisuus ja 5) viskositeetti eri lämpötiloissa. Näytteiden sisältämiä kiintoainepartikkeleja tutkittiin lisäksi kvalitatiivisesti mikroskoopilla. 2

3 Metallit ja fosfori Öljyssä olevat rauta, kromi ja nikkeli voivat olla peräisin kuluvasta teräsosasta. Kupari ja sinkki voivat olla peräisin kuluvasta messinki- tai pronssiosasta. Tutkittavissa kohteissa teräspartikkelit voivat olla peräisin esim. vaihteista, laakereista, akseleista tai prosessipölystä. Messinkipartikkeleja voi irrota laakerien pidikkeistä. Metallit ja fosfori Sinkkiä voidaan käyttää myös öljyjen lisäaineina. Tutkittavassa öljytyypissä ei ollut sinkkipitoista lisäainetta. Näissä öljyissä käytettiin fosforipohjaista lisäainetta, joka voi olla esim. EP-lisäaineiden osana vähentämässä koneenosien kulumista kuormituksessa. Tutkittujen metallien ja fosforin pitoisuudet määritettiin Philips PU 7000 ICP-OES-laitteistolla käyttäen kerosiinilaimennusta öljynäytteiden esikäsittelyssä. Kerosiinilaimennuksen huonona puolena on, että > 10 µm kiinteiden partikkelien määritysherkkyys laskee plasmassa, koska kerosiini ei liuota tällaisia partikkeleita. Menetelmä on kuitenkin laajalti käytössä ja silläkin kulumistapahtumat voidaan havaita. Metallit ja fosfori (122 pohjoinen) Mittaus Fe [ppm] Cr [ppm] Ni [ppm] P [ppm] Cu [ppm] Zn [ppm] Huhtikuu < 1 < < 1 1 Elokuu < 1 3 Marraskuu < 1 < < 1 < 1 Helmikuu < 1 < Kesäkuu < 1 < < 1 < 1 3

4 Metallit ja fosfori (122 etelä) Mittaus Fe [ppm] Cr [ppm] Ni [ppm] P [ppm] Cu [ppm] Zn [ppm] Huhtikuu < 1 < < 1 1 Elokuu < 1 3 Marraskuu < 1 < < 1 < 1 Helmikuu < 1 < Kesäkuu < 1 < < 1 < 1 Metallit ja fosfori Kaikkien näytteistä määritettyjen metallien pitoisuudet olivat alhaiset ja pysyivät samalla tasolla koko tarkastelujakson ajan vaihteet eivät olleet juuri kuluneet. Metallipitoisuudet olivat suunnilleen samalla tasolla molemmissa vaihteissa. Fosforipitoisuudet laskivat 5,4 ja 4,1% kohteissa 122 P ja E, mutta fosforimäärän pieneneminen oli kuitenkin varsin vähäistä, joten EP-lisäaine on toimintakuntoinen. Kiintoainepitoisuudet ja mikroskopia Suuri öljyn kiintoainepitoisuus voi johtua koneen kulumisesta, ympäristöstä/prosessista koneen sisään joutuvasta pölystä tai huonosti toimivasta suodatuksesta. Suodatusta näissä vaihteissa ei ollut ja voiteluna käytettiin kylpyvoitelua. 4

5 Kiintoainepitoisuudet ja mikroskopia Kiintoainepitoisuus määritettiin kokoluokissa > 0.45, > 5 ja > 12 µm suodattamalla tolueeniin liuotettuja öljynäytteitä selluloosanitraatti-membraanien läpi. Suodatinmembraaneja tutkittiin kvalitatiivisesti Nikon Epiphot TMEvalomikroskoopilla selvitettiin näytteissä esiintyvien kiintoainepartikkelien kokoja, muotoja ja laatuja sekä luokiteltiin niitä Roylancen & Huntin esittämän mallin mukaisesti. Kiintoainepitoisuudet (122 pohjoinen) 122 pohjoinen 250 Kiintoainepitoisuus [mg/l] Mittaus > 0,45 µm > 5 µm > 12 µm Kiintoainepitoisuudet (122 etelä) 122 etelä 200 Kiintoainepitoisuus [mg/l] Mittaus > 0,45 µm > 5 µm > 12 µm 5

6 Kiintoainepitoisuudet Kiintoainepitoisuudet olivat molemmissa vaihteissa alhaisella tasolla koko tarkastelujakson ajan. Totaalikiintoainepitoisuus vaihteli välillä mg/l. Suurempien kokoluokkien pitoisuudet huomattavasti pienempiä suuri osa partikkeleista < 5 µm, eivätkä siten kovin merkittäviä. Mikroskopia (122 pohjoinen) Huomattava määrä hapettuneita (mustia) metallipartikkeleita, jotka pääasiassa normaalin kulumisen irrottamia rubbingpartikkeleja. Jossain määrin havaittiin myös kirkkaita rubbing-partikkeleja. Yleisimmät suuret partikkelit kirkkaita cuttingtai laminar-tyyppisiä partikkeleja. Cutting-partikkelit pitkiä teräslankoja, laminartyyppiset kooltaan 30 useita satoja µm. Satunnaisesti fatigue chunk ja severe sliding-tyypin partikkeleja. Hapettuminen tuotti myös ruostepartikkeleja. Mikroskopia (122 etelä) Partikkelimäärät pienemmät kuin pohjoispuolen vaihteen öljyssä. Hapettuminen pienikokoiseksi mustaksi metalliksi ja toisinaan ruosteeksi. Suurimmat partikkelit olivat kirkasta metallia tai osittain tai kokonaan hapettuneita laminartyypin partikkeleja. Satunnaisesti cutting- ja fatigue chunktyyppisiä partikkeleja. Kirkkaat partikkelit pääsääntöisesti pienempikokoisia kuin pohjoispuolen vaihteen öljyssä. 6

7 Mikroskopia Kulumistilanne Ko. vaihteiden kuluessa alkaa todennäköisesti cutting- ja erityisesti laminartyyppisten partikkelien määrä kasvaa. Vakavan kulumisen seurauksena voi myös severe sliding-tyyppisen partikkelin määrä lisääntyä. The Wear Debris Analysis Handbook-kirjan mukaan vaihteiden kuluessa havaitaan öljyssä erityisesti laminar-, fatigue chunk- ja severe sliding-tyyppisiä partikkeleja, mikä tukee tässä tutkimuksessa tehtyjä havaintoja. Vesipitoisuus, happoluku ja viskositeetti Vesipitoisuudet määritettiin Mettler Toledo DL 36 KF-titraattorilla. Happoluvut (TAN) määritettiin tavallisella happo-emästitrauksella. Viskositeetti määritettiin dynaamisena viskositeettina eri lämpötiloissa Brookfield DV II+ -rotaatioviskometrillä. 7

8 Vesipitoisuus Vettä voi joutua öljyn joukkoon näissä kohteissa lähinnä ympäristöstä kosteutena tai kondenssivetenä. Suuri vesimäärä voi edesauttaa öljyn hapettumis- ja hajoamisreaktioita, alentaa öljyn viskositeettia, aiheuttaa koneen osien korroosiota ja edesauttaa mikrobikasvustojen syntymistä öljyn joukkoon. Vesipitoisuudet Vesipitoisuus 1. mittauskerralla korkea eteläpuolen vaihteessa (kondenssivesi). Myöhemmässä vaiheessa vesipitoisuudet tasoittuivat hyvin alhaiselle tasolle (noin 40 ppm). Tällainen vesimäärä ei aiheuta mitään ongelmia koneen ja/tai öljyn toiminnalle. Mittaus 122 pohjoinen [ppm] 122 etelä [ppm] Huhtikuu Elokuu Marraskuu Helmikuu Kesäkuu Happoluku (TAN) Happoluku kertoo öljyn joukossa olevien hapettumis- ja hajoamistuotteiden eli lähinnä orgaanisten happojen määrän. Happoluvun tulee olla normaalitilanteessa mineraaliöljyllä < 1mgKOH/g. 8

9 Happoluku (TAN) Öljyjen happoluvut pysyivät alhaisella tasolla koko tarkastelujakson ajan, joten öljyjen hapettumista/vanhenemista ei tapahtunut. Mittaus 122 pohjoinen [mgkoh/g] 122 etelä [mgkoh/g] Huhtikuu Elokuu Marraskuu Helmikuu Kesäkuu Viskositeetti Öljyn viskositeetin tulee olla sopiva öljyn normaalissa käyttölämpötilassa, jotta tehokas voitelu olisi mahdollinen ja kulumista ei tapahtuisi. Tutkittujen öljyjen viskositeeteissa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia tarkastelujakson aikana, joten niiden voitelukyky on edelleen hyvä. Viskositeetti 122 pohjoinen 122 eteläinen V iskositeetti [cp] Huhtikuu Elokuu M arraskuu Helmikuu Kesäkuu Viskositeetti [cp] Huhtikuu Elokuu Marraskuu Helmikuu Kesäkuu Lämpötila [ o C] Lämpötila [ o C] 9

10 Yhteenveto Tutkittujen vaihteistoöljyjen voiteluominaisuudet olivat kunnossa. Vaihteissa ei havaittu normaalista poikkeavaa kulumista. Tulokset ovat yhdenmukaisia Jaakko Leinosen suorittamien värähtelymittausten kanssa. Vaihteistot ovat hyvässä toimintakunnossa, mutta niiden seurantaa tullaan jatkamaan. Tutkimukseen liittyvää julkaisutoimintaa Mittausstrategia, jota tässä tutkimuksessa käytettiin, perustuu suurelta osin seuraavaan julkaisuun: Vähäoja P., Lahdelma S. & Kuokkanen T. Condition Monitoring of Gear Boxes Using Laboratory-scale Oil Analysis. In: Proc. of the 17th Int. Congress of Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM 2004). Cambridge. UK s Tässä tutkimuksessa tehtyä öljyjen kiintoaineanalytiikkaa esitellään julkaisussa: Vähäoja P., Lahdelma S. & Kuokkanen T. Experiences with Different Methods for Monitoring the Quality and Composition of Solid Matter in Rolling and Gear Oils. In: Proc. of the 18th Int. Congress of Condition Monitoring and Diagnostic Engineering Management (COMADEM 2005). Cranfield. UK s Lisäksi tutkittuja vaihteistoöljyjä osittain hyödynnettiin oheista öljyjen metallianalytiikkaan liittyvää julkaisua tehtäessä: Vähäoja P., Välimäki I., Heino K., Perämäki P. & Kuokkanen T. Determination of Wear Metals in Lubrication Oils; A Comparison Study of ICP-OES and FAAS. (Hyväksytty julkaistavaksi Analytical Sciences-lehdessä 7/2005, painossa, ilmestyy mahdollisesti marraskuun 2005 numerossa). Syksyn 2005/talven 2006 aikana valmistuu FM Pekka Vähäojan voiteluaineiden kemiallista tutkimusta käsittelevä väitöskirja, jossa luonnollisesti käsitellään tämänkin tutkimuksen tuloksia soveltuvilta osin. (Viimeistelyvaiheessa, tarkastettavana) Uutta öljyihin liittyvää tutkimusta Mikroaaltoavusteisen happohajotusmenetelmän kehittely öljynäytteiden esikäsittelyyn ennen metallipitoisuusmääritystä ICP-OES- tai FAAS-laitteistolla soveltaen US EPA 3051A-standardia. Kierukkavaihteiden kunnonvalvontatutkimus (abstrakti lähetetty arvioitavaksi WCEAM konferenssin toimituskunnalle). 10