Vierintälaakerien rasvavoitelun perusteet

07.06.2004 Vierintälaakerien rasvavoitelun perusteet VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

2 (31) Alkusanat Tämä raportti on laadittu Tekesin, teollisuusyritysten ja VTT:n rahoittamaan projektiin Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka (PROGNOS). Raportti on osa projektin Voitelu-casea. Kirjoittajat kiittävät projektiin osallistuneita tahoja työtä kohtaan osoitetusta mielenkiinnosta sekä projektille annetusta taloudellisesta ja teknisestä tuesta. Tekijät kiittävät lisäksi Erikoistutkija Peter Anderssonia asiantuntevista kommenteista ja korjausehdotuksista. Espoo, kesäkuussa 2004 Tekijät

3 (31) Sisällysluettelo 1 JOHDANTO...4 1.1 VOITELURASVAN TEHTÄVÄT...4 1.2 VOITELUMEKANISMIT...5 1.2.1 Perinteiset voitelumekanismit...5 1.2.2 Rasvavoitelun ominaispiirteet...6 2 VOITELURASVOJEN TYYPIT...7 2.1 PERUSÖLJYT...8 2.2 PAKSUNTIMET...8 2.3 LISÄAINEET...10 3 VOITELURASVAN VALINTA...11 3.1 PERUSÖLJYN VISKOSITEETIN MÄÄRITYS...11 3.2 KÄYTTÖPARAMETRIEN JA OLOSUHTEIDEN HUOMIOONOTTAMINEN...13 3.3 VARASTOITAVUUS...15 4 RASVAVOITELUKOHTEEN JÄLKIVOITELU...15 4.1 RASVANVAIHTOVÄLIN MÄÄRITYS...16 4.2 SKF:N MÄÄRITYSTAPA JÄLKIVOITELUVÄLIEN MÄÄRITTELEMISEEN...18 4.3 FAG:N MÄÄRITYSTAPA JÄLKIVOITELUVÄLIEN MÄÄRITYKSEEN...19 4.4 UUDELLEENVOITELUVÄLIEN MÄÄRITYSTAPOJEN VERTAILUA...21 4.5 RASVAMÄÄRÄT...22 4.5.1 Ensivoiteluun käytettävä rasvamäärä...22 4.5.2 Jälkivoiteluun tarvittava rasvamäärä...22 5 RASVAN TUTKIMUSMENETELMÄT...23 5.1 SUORAT MENETELMÄT KIINTEIDEN HIUKKASTEN MÄÄRITTÄMISEKSI...23 5.2 LIUOTINMENETELMÄT KIINTEIDEN EPÄPUHTAUSHIUKKASTEN MÄÄRITTÄMISEKSI...24 5.3 VANHENEMISILMIÖIDEN JA NESTEMÄISTEN EPÄPUHTAUKSIEN MÄÄRITYS...26 5.4 VOITELUAINEIDEN OMINAISUUKSIEN MÄÄRITYKSESSÄ KÄYTETTÄVÄT MENETELMÄT...26 6 YHTEENVETO...29

4 (31) 1 Johdanto Suurin osa maailman kaikista vierintälaakereista on rasvavoideltuja. Vierintälaakerien ohella voitelurasvalla voidellaan huomattava määrä liukulaakereita, ohjaimia ja muita tribologisesti kuormitettuja komponentteja. Tästä huolimatta rasvavoitelun ominaispiirteet tunnetaan yleisesti ottaen huonommin kuin öljyvoitelun piirteet. Rasvavoidellussa laakerissa voitelukalvon muodostus riippuu monesta muusta tekijästä kuin pelkästä perusöljyn viskositeetista ja voiteluaineen valinta on perusteltava useilla muilla voiteluteknisillä näkökohdilla. Tämä raportti on kooste useista voitelurasvan valintaan sekä sen kunnon valvontaan ja testaukseen liittyvistä tekniikoista ja näkökohdista. Työ on tehty käymällä läpi aihepiiriin liittyvää kirjallisuutta sekä laakeri- ja voiteluainevalmistajien taulukoita, esitteitä ja Internet-verkkosivuja. 1.1 Voitelurasvan tehtävät Tribologisessa mielessä voitelurasvat eivät tuo mitään etuja voiteluöljyihin nähden. Käytännön tilanteissa rasvavoidellun laakerin voitelukalvo on yleensä ohuempi kuin vastaavan öljyvoidellun kohteen. Voitelurasvan paksunnin osallistuu voiteluun, mutta on samalla pehmeisiin epäpuhtauksiin verrattava komponentti. Voitelurasvalla on kuitenkin ominaisuuksia, jotka puoltavat niiden käyttöä. Seuraavassa on mainittuna muutamia seikkoja (Teollisuusvoitelu 2003, FAG 1998): rasvan pysyminen voitelukohteessa pieni tilantarve rasvan antama tiivistyksen tuki pitkä käyttöikä sekä helppo huolto soveltuvuus korkeille kierrostunnusluvuille alhainen kitkamomentti. Voitelurasvan tärkein tehtävä on luonnollisesti kohteen voitelu. Voitelurasvan etuna voiteluöljyihin nähden on sen ominaisuus pysyä voitelukohteessa öljyä paremmin. Normaaleissa olosuhteissa on elinikäinen kestovoitelu usein mahdollinen. Tämä on usein perusteena, minkä takia tietyssä kohteessa päädytään rasvavoiteluun. Myös silloin, kun tarvitaan rasvan jälkivoitelua, huolto on vähän aikaa vievää. Kiertovoitelu tarvitsee pumppaus- ja suodatuslaitteiston sekä putkiston. Lisäksi voitelukohteessa öljy tarvitsee usein öljytilan. Rasvavoitelussa säästetään edellä mainitut tilatarpeet ja kustannukset. Voitelurasvalla, samoin kuin voiteluöljyllä, on korroosiosuojaus voiteluaineen yksi tehtävä ja voitelurasvaan on usein lisätty lisäaineita korroosiosuojauksen parantamiseksi. Voitelurasvalla on myös kyky toimia tiivistyksen tukena. Näin on mahdollista tehokkaasti estää epäpuhtauksien tunkeutuminen voideltavaan kohteeseen. Jäykkä rasva (jäykkyysluokka 3 tai jäykempi) muodostaa laakerikäytössä akselin läpimenoon suojaavan kauluksen, pysyy hyvin tiivistysraossa ja peittää epäpuhtaudet.

5 (31) 1.2 Voitelumekanismit 1.2.1 Perinteiset voitelumekanismit Perinteisesti voitelumekanismit voidaan jaotella nestevoiteluksi ja kosketusvoiteluksi (kuva 1). Voitelun kannalta edullisin tilanne on nestevoitelu, jossa voitelukalvo erottaa pinnat kokonaan toisistaan, sillä kitka on tällöin lähes olematonta ja peräisin ainoastaan voiteluaineen sisäisestä kitkasta. Nestevoitelun piiriin kuuluvat hydrodynaaminen ja elastohydrodynaaminen voitelu sekä hydrostaattinen voitelu, jossa voiteluaine tuodaan pintojen välissä olevaan taskuun ulkoisen paineen avulla. Kosketusvoitelussa pintojen välillä on jatkuvasti kosketuksia voiteluaineen rajoittaessa kosketuspinta-alaa. Kosketusvoiteluun voidaan lukea seka- ja rajavoitelu. Hydrodynaaminen voitelu Hydrodynaaminen voitelu perustuu kosketuspintojen välisen liikkeen voiteluaineeseen muodostamaan hydrodynaamiseen paineeseen kiilamaisesti supistuvassa virtauskanavassa (Cameron 1976). Hydrodynaamisissa laakereissa kuormitusalueella vallitsee huomattavasti pienempi paine kuin elastohydrodynaamisesti voidellussa (EHD) kosketuksessa. Tästä syystä vierintälaakereissa tapahtuvaa elastista muodonmuutosta ja siitä aiheutuvaa materiaalin väsymistä ei hydrodynaamisissa laakereissa esiinny. Tyypillisiä hydrodynaamisesti voideltuja kohteita ovat radiaali- ja aksiaaliliukulaakerit esimerkiksi autonmoottoreissa, pumpuissa, sähkömoottoreissa ja generaattoreissa (Hemming et al. 1994). Elastohydrodynaaminen voitelu Elastohydrodynaamisessa voiteluteoriassa (EHD) hydrodynaamiseen voiteluteoriaan on yhdistetty materiaalien elastiset ominaisuudet ja viskositeetin paineriippuvuus. Elastohydrodynaamista voiteluteoriaa käytetään korkeiden kontaktipaineiden omaavien komponenttien, kuten vierintälaakerien ja hammaspyörien voitelutilanteen laskentaan. Niissä pinnat ovat eri suuntaan kaarevat ja pintojen välinen kosketusalue on yleensä kuormitukseen nähden pieni, jolloin pintapaineet ovat jopa 2000-3000 MPa. Tästä syystä pinnat ovat voimakkaan elastisen muodonmuutoksen alaisina ja viskositeetin paineriippuvuus vaikuttaa voimakkaasti voitelukalvon käyttäytymiseen (Dowson & Higginson 1977, Hamrock & Dowson 1981). Seka- ja rajavoitelu Seka- ja rajavoitelualueelle sijoittuvat verraten pienillä nopeuksilla toimivat vierintälaakerit ja hammaspyörät. Nämä sovellukset toimivat usein rasvavoideltuna. Seka- ja rajavoitelua esiintyy myös öljyvoidellussa kosketuksessa erityisesti käynnistyksen ja pysäytyksen yhteydessä. Seka- ja rajavoitelussa täydellistä nestevoitelukalvoa ei synny, joten vastinpintojen pinnankarheushuiput koskettavat toisiaan. Tällöin on hallitsemattoman kulumisen välttämiseksi keskityttävä stabiilien pintakalvojen muodostamiseen lisäaineistuksen avulla, materiaaliparin tribologisiin ominaisuuksiin ja voiteluaineen tehokkaaseen tuontiin voideltavaan kohteeseen. Pintoja suojaavat ja liukastavat kalvot muodostuvat voiteluaineen, erityisesti sen EPlisäaineiden, reagoidessa kosketuspinnan ja ympäröivän atmosfäärin kanssa. Voiteluaineiden muodostamien pintakalvojen vaihtoehtoina ovat erilaisten pinnoit-

6 (31) teiden, pintakäsittelyjen ja kiinteiden voiteluaineiden käyttö (Kunnossapitoyhdistys 2003). Kuva 1. Voitelumekanismien jaottelu (Holmberg 1980). Kuvissa W on kuorma, u pintojen nopeus ja h voiteluaineen kalvonpaksuus. Kuvassa ei esitetä hydrostaattista voitelua, jossa voiteluaine tuodaan pintojen välissä olevaan taskuun ulkoisen paineen avulla. 1.2.2 Rasvavoitelun ominaispiirteet Voiteluöljyllä voidelluissa vierintälaakereissa voitelukalvo muodostuu elastohydrodynaamisen (EHD) voiteluteorian mukaisesti. EHD-teoria on myös rasvavoitelussa yhtenä rasvan valinnan perusteena, mutta teorian sovellettavuutta vaikeuttavat monet rasvavoitelulle ominaiset piirteet. Cann & Lubrecht (1998) ovat esittäneet mittaustuloksia, joiden mukaan täysin muodostunut rasvavoitelun voitelukalvonpaksuus on yleisesti ottaen suurempi kuin öljyvoitelulle EHD-teorian mukaisesti laskettu kalvonpaksuus vastaavassa laakerissa. Tämä johtuu siitä, että perusöljyn joukossa olevat paksunninkuituosat voivat näennäisesti nostaa öljyn viskositeettia, ja paksunninkuidut voivat muodostaa voideltaville pinnoille voitelukalvon paksuutta kasvattavan kerroksen. Käytännössä rasvavoideltujen laakerien voitelu toimii edellä kuvatulla tavalla vain harvoissa tapauksissa, kuten käynnistystilanteissa laakerin ollessa täynnä rasvaa tai heti jälkivoitelurasvan lisäyksen jälkeen (Miettinen 2000). Pian tämän jälkeen rasva alkaa työntyä vierintäratojen molemmille puolille, ja jollei mikään ulkoinen mekanismi syötä rasvaa uudelleen vierintäradoille, voideltu kosketus alkaa köyhtyä öljystä ja voitelukalvon paksuus pienenee. Köyhtyneessä rasvavoitelussa perusöljyn viskositeetin ja/tai paksuntimen osuuden kasvattamisella voi olla odotuksiin nähden vastakkainen vaikutus: Cann & Lubrecht (1998) ovat esittäneet mittaustuloksia kahdella saman paksuntimen mutta erilaisen perusöljyn viskositeetin

7 (31) omaavalla rasvalla. Mittauksissa rasvalla, jonka perusöljyn viskositeetti on alhaisempi, saatiin suurempia voitelukalvonpaksuuksia. Miettinen et al. (2001) ovat esittäneet mittaustuloksia, joiden mukaan täysin voideltu tilanne voi eräissä tapauksissa kestää käynnistyksen jälkeen vain joitakin minuutteja. Kesto riippuu luonnollisesti rasva- ja laakerityypistä sekä käyttöolosuhteista ja -parametreista. Yleisesti ottaen voidaan sanoa, että mitä heikompaa perusöljyn erottuminen voitelurasvan paksunninrakenteesta on, sitä enemmän vierintäkosketus köyhtyy öljystä. Suuri vaikutus voitelulle on laakeripesässä tapahtuvilla liikkeillä ja värähtelyillä, jotka vaikuttavat yhdessä voitelurasvan ominaisuuksien kanssa voitelurasvan liikkumiseen laakeripesässä ja perusöljyn syöttämiseen uudelleen laakerin vierintäkosketuskohtiin. Myös pitimen geometrialla ja sen pinnan laadulla on vierintälaakerien rasvavoitelussa merkittävä vaikutus. Lisäksi on huomattava, että voitelurasvalla kertavoidellussa laakerissa syntyvä kitkalämpö ei voi poistua voiteluaineen mukana kuten öljyvoitelussa tapahtuu, joten kitkalämpö rajoittaa laakerin kuormitettavuutta ja varsinkin nopeutta. 2 Voitelurasvojen tyypit Voitelurasvat ovat voiteluöljyn ja paksuntimen plastisia seoksia, joihin on sekoitettu lisäaineita hapettumisen eston, ruosteen eston ja pintapaineen keston parantamiseksi. Paksuntimen määrää ja tyyppiä sekä voitelurasvassa olevan öljyn viskositeettia ja lisäaineistusta vaihtelemalla voidaan valmistaa voitelurasvoja erilaisiin käyttölämpötila-, kuormitus- ja ympäristöolosuhteisiin. Nestemäisen voiteluaineen osuus voitelurasvoissa on yleensä 80-90 %. Voitelurasvat jaotellaan yleensä käytetyn perusöljyn ja paksuntimena käytetyn kuitumaisen saippuan tai muun paksuntimen perusteella. Voitelurasvan tulee olla sekä lämpötilan että mekaanisen rasituksen kestävä. Voitelurasvan lämmönjohtokyky on yleensä heikko, mikä aiheuttaa vaikeuksia kitkalämmön poistossa. Voitelurasvan käytön kannalta tärkeitä ominaisuuksia ovat esimerkiksi: rasvan jäykkyyttä kuvaava NLGI-kovuus käyttölämpötila-alue korkean lämpötilan kesto viskositeetti käyttäytyminen kylmässä hapettumisen kesto vesihuuhtelun kesto ruosteensuojaominaisuudet paineenkesto-ominaisuudet. Voitelurasvojen ominaisuuksiin vaikuttavat paksuntimen määrä ja laatu, perusöljyn ominaisuudet, lisäaineiden määrä ja laatu sekä valmistusprosessi (Airila et al. 1985).

8 (31) 2.1 Perusöljyt Perusöljy muodostaa pääosan voitelurasvan koostumuksesta (tyypillisesti noin 90 %) ja sillä on suuri merkitys voitelurasvan voiteluominaisuuksiin. Käyttötarkoituksesta riippuen voitelurasvan perusöljynä voidaan käyttää sekä mineraaliöljyjä että synteettisiä öljyjä. Suurin osa teollisuudessa käytettävistä voitelurasvoista perustuu edelleen mineraaliöljyihin, mutta synteettisiin voiteluaineisiin perustuvat voitelurasvat yleistyvät erityisesti kylmissä ja kuumissa käyttökohteissa. Synteettiset perusöljyt tarjoavat parempaa suorituskykyä nimenomaan paremman viskositeetti-indeksinsä ja kylmissä oloissa paremman juoksevuutensa ansiosta. Silikoniöljypohjaiset voitelurasvat sekä fluoriöljypohjaiset voitelurasvat sallivat korkeamman, yli 200 C käyttölämpötilan. Myös kasvisöljyjä voidaan käyttää voitelurasvan perusöljynä. Synteettisten voitelurasvojen yleistymistä rajoittaa lähinnä niiden mineraaliöljyyn perustuvia voitelurasvoja korkeampi hinta. Tietyt synteettiset, erityisesti esteriperustaiset voitelurasvat saattavat lisäksi olla aggressiivisia elastomeereille, mikä rajoittaa eräiden voitelurasva- ja tiivisteyhdistelmien käyttöä (Opetushallitus 2004). Taulukossa 1 on esitetty FAG:n (1998) julkaisema kooste erityyppisten perusöljyjen tärkeimmistä ominaisuuksista. Taulukko 1. Voitelurasvoissa käytettyjen perusöljyjen ominaisuuksia (FAG 1998). 2.2 Paksuntimet Rasva koostuu perusöljystä, paksuntimesta ja sen ominaisuuksia parantavista lisäaineista. Voitelurasvoja nimitetään käytetyn paksuntimen mukaan. Paksuntimina käytetään metallisaippuoita, metallikompleksisaippuoita, orgaanisia ei-saippuayhdisteitä

9 (31) tai epäorgaanisia yhdisteitä. Saippuanimitys johtuu emäksen, esimerkiksi litiumhydroksidin, ja rasvahapon, esimerkiksi steariinihapon muodostamasta suolasta, jota kutsutaan saippuaksi. Kompleksisaippua on emäksen ja kahden tai useamman rasvahapon yhteinen reaktiotuote. Liitteessä A on esitetty eri rasvatyypit sisältäen niiden tärkeimmät käyttöön liittyvät ominaisuudet (FAG 1998). Seuraavassa esitetään Opetushallituksen (2004) mukainen voitelurasvojen jaottelu. Litiumsaippuarasvat muodostavat valtaosan nykyisin käytetyistä voitelurasvoista. Litiumsaippuarasvoilla on useita hyviä ominaisuuksia kuten erinomainen leikkautumisenkestävyys, useaan sovellukseen riittävä lämpötilankesto, hyvät tiivistysominaisuudet, natriumsaippuarasvaa parempi vedenkestävyys ja korroosionestokyky sekä lujuus, ja ne tarjoavat hyvät mahdollisuudet vaikuttaa ominaisuuksiin lisäaineistuksella. Kalsiumsaippuarasva on perinteisempi voitelurasvatyyppi, jonka parhaita puolia ovat alhaiset valmistuskustannukset ja hyvät ominaisuudet vettä vastaan; se ei helposti emulgoidu veden kanssa, mikä ansiosta se ei peseydy pois voitelukohteesta. Kalsiumsaippuarasvat kestävät suhteellisen hyvin myös kylmiä olosuhteita, kun taas maksimikäyttölämpötila on rajoitettu noin 90 C tasolle. Natriumsaippuarasva oli aikaisemmin suosittu metallisaippuarasvatyyppi. Sen käyttö on kuitenkin vähentynyt natriumsaippuarasvan vesiliukoisuuden sekä ominaisuuksien muuntelumahdollisuuksien vähäisyyden vuoksi. Kompleksipaksuntimiin perustuvat voitelurasvat kehitettiin alun perin kestämään korkeampia toimintalämpötiloja kuin mihin perinteiset saippuarasvat kykenivät. Kompleksisaippuarasvojen käyttö on yleistynyt vaativissa voitelukohteissa. Vedenkesto on saippuarasvoja parempi. Kaupallisissa kompleksirasvoissa käytetyt paksuntimet ovat kalsium-, litium- tai alumiinikomplekseja, ja tämäntyyppisillä voitelurasvoilla päästään noin 150-170 C käyttölämpötiloihin. Orgaaniset paksuntimet, jotka eivät ole saippuoita, ovat yleensä polyureakuituja, jotka muodostuvat isosyanaattien ja amiinien välisissä reaktioissa, tai hienojakoista polytetrafluorietyleeniä (PTFE). Tällaisilla paksuntimilla toteutetut voitelurasvat omaavat yleensä hyvät veden- ja lämmönkesto-ominaisuudet, joiden ansiosta voitelurasvalle saavutetaan pitkä elinikä vaativissakin olosuhteissa. Polyurearasvoja käytetäänkin eräiden kertavoideltujen laakerien voiteluaineena, jolloin voitelurasvaa ei lisätä tai vaihdeta laakerin elinaikana. Polyurearasvojen pumpattavuusominaisuudet ovat saippuarasvoja huonommat, mikä rajoittaa niiden käyttöä keskusvoitelujärjestelmissä. Toinen polyurearasvojen käyttöä rajoittava tekijä on hinta, joka on selvästi saippuarasvoja korkeampi. Eräät kaupalliset PTFE-paksuntimella ja fluoriöljyllä toteutetut voitelurasvat sallivat jopa 250 C käyttölämpötilan. Näidenkin voitelurasvojen käyttöä rajoittaa niiden korkea hinta sekä PTFE-sisältö, joka muodostaa palaessaan myrkyllistä kaasua. Epäorgaanisista paksuntimista tärkein on bentoniittisavi, johon perustuvien voitelurasvojen paras ominaisuus on laaja käyttölämpötila-alue. Tämä johtuu kyseisten voitelurasvojen kyvystä vastustaa olomuotomuutoksia; niiltä puuttuu sulamispiste

10 (31) kokonaan. Bentoniittirasvojen valmistaminen on kuitenkin kallista, mistä johtuen niitä käytetään vain erikoissovelluksissa, joissa niiden kuumansietokykyä todella tarvitaan. Toinen, erikoissovellutuksiin käytetty ei-saippuarasva on silikonirasva, jonka paksuntimena on silikageeli ja perusöljynä esimerkiksi silikoniöljy. 2.3 Lisäaineet Perusöljyn ja paksuntimen ohella voitelurasvan toimintaan vaikuttavat voimakkaasti siinä olevat lisäaineet, joita lisätään voitelurasvoihin samoin kuin voiteluöljyihin lähinnä voiteluominaisuuksien ja voitelurasvan eliniän parantamiseksi. Voitelurasvatilavuudet ovat yleisesti ottaen pienemmät kuin vastaavaan kohteeseen käytettävät voiteluöljytilavuudet ja voitelurasvalta vaadittu toiminnallinen käyttöikä on monessa tapauksessa pitempi kuin vastaavien voiteluöljyjen vaihtoväli, mikä monesti johtaa suurempaan lisäaineistustarpeeseen voitelurasvoilla. Lisäaineiden valintaan vaikuttaa useat seikat, kuten suorituskyvyn parantaminen, yhteensopivuus pääkomponenttien ja muiden lisäaineiden kanssa, ympäristönäkökohdat, väri ja hinta. Saippuarasvojen paksuntimissa olevat metalliatomit toimivat toisinaan katalyytteinä hapettumisreaktioissa, joten voitelurasvan kohdalla hapettuminen saattaa olla suurempi ongelma kuin voiteluöljyn tapauksessa. Samoin joissain tapauksissa lisäannostus korroosionestoaineita saattaa olla tarpeen, koska paksuntimen lisäämisellä on taipumus heikentää perusöljyn omia korroosionesto-ominaisuuksia. Raskaimmin kuormitettuihin kohteisiin käytettäviin voitelurasvoihin lisätään usein kiinteitä voiteluaineita, joiden tarkoituksena on parantaa voitelurasvan suorituskykyä ääriolosuhteiden aiheuttamissa rajavoitelutilanteissa. Laajan suosion saavuttaneisiin voitelurasvoihin kuuluvat molybdeenidisulfiidirasvat (MoS 2 -rasvat), jotka rakenteeltaan ovat mineraaliöljypohjaisia tai synteettisiä voitelurasvoja, joihin on lisätty hienojakoista MoS 2 -jauhetta kiinteäksi voiteluaineeksi. Grafiitti on toinen kiinteänä voiteluaineena käytetty lisäaine (Teboil 2002). Tärkeimpiä lisäaineita ovat lähteiden (Kunnossapitoyhdistys 1998), (FAG 1998) ja (Mobil Oil 1999) mukaan: Hapettumisen estäjät eli antioksidantit, jotka estävät vanhenemisjätteiden ennenaikaisen synnyn. Tyypillisiä antioksidantteja ovat rikki- ja fosforiyhdisteet, amiinit ja fenolijohdannaiset. Korroosionesto- ja ruosteensuoja-aineet, jotka estävät metallipintojen ruostumisen. Korroosionestokemikaaleja ovat typpiyhdisteet, fosfori- ja karboksyylihappojen johdannaiset sekä rikkiyhdisteet. Detergentit, joiden tehtävänä on irrottaa vanhenemisjäänteet pinnoista. Detergentit ovat yleensä natriumin, kalsiumin tai magnesiumin yhdisteitä. Paineenkesto- ja kulumisenestolisäaineet, jotka vähentävät kitkaa ja kulumista ja siten kiinnileikkautumista. Tyypillisimpiä lisäaineita ovat sinkkiditiofosfaatit, joiden ohella käytetään rikki- ja fosforiyhdisteitä sekä amiineja. Aiemmin

11 (31) yleisesti käytetyt lyijypohjaiset yhdisteet ovat myrkyllisyytensä vuoksi jääneet vähitellen pois käytöstä. Polaariset lisäaineet, jotka parantavat voitelua vähentämällä kitkaa rajavoitelualueella. Viskositeetti-indeksin (VI) parantajat, jotka estävät perusöljyn viskositeetin alenemista korkeissa lämpötiloissa. Koostumukseltaan VI:n parantajat ovat polymeereja, kuten polyolefiineja ja metakrylaatteja. Metallinpassivoijat, joiden tarkoitus on estää metallipintoja hapettumasta. Tarkoitukseen käytetään mm. sinkkiditiofosfaattia ja bentsotriatsolia. 3 Voitelurasvan valinta Erilaiset voitelukohteet ja ympäristöolosuhteet asettavat voitelurasvoille erilaisia vaatimuksia. Joissakin kohteissa kitkan alentaminen on voitelurasvan ainoa tehtävä, toisissa kohteissa myös kone-elimen suojaaminen ympäristön sille asettamilta rasituksilta. Koneenosissa vaihtelevat liukunopeudet, kuormitukset ja lämpötilat varsin laajoissa rajoissa käyttö- ja ympäristöolosuhteiden mukaan. Sopivan voitelurasvan valinta on usein kompromissi eri tekijöiden välillä. Voitelurasvan valinta lähtee yleensä siitä periaatteesta, että voitelurasvan perusöljyn viskositeetin on oltava yhtä suuri kuin vastaavantyyppiseen öljyvoideltuun kohteeseen valittavan voiteluöljyn viskositeetti, mutta huomioitavana on lisäksi joukko erilaisia voitelua rajoittavia seikkoja. Voitelurasvan jäykkyys, johon perusöljyn lisäksi vaikuttaa paksuntimen tyyppi ja osuus, valitaan voitelukohteen perusolosuhteiden (geometria, voitelutapa, värähtelyt ym.) mukaan. Vierintälaakerirasvat on vakioitu standardin DIN 51 825 mukaan. Standardi määrittelee mm. laakerirasvojen lämpötilarajat ja standardia on käytetty eri valmistajien rasvanvalintaohjeissa. Liitteissä A ja B on esitetty alustavia ohjeita voitelurasvan valintaan (FAG 1998). Liitteiden taulukoista saadaan yleiskatsaus, jota voidaan tarkentaa rasvavalmistajilta saatavien rasvakohtaisten tarkkojen tietojen perusteella. Seuraavassa esitetään lisäksi valintakriteerejä, jotka perustuvat lähteissä (FAG 1998) ja (SKF 1982) esitettyihin rasvanvalinnan perusteisiin. 3.1 Perusöljyn viskositeetin määritys Perusperiaatteena voitelurasvan perusöljyn valinnassa voidaan pitää samoja, lähes itsestäänselvyyksinä pidettäviä asioita, kuin öljyn valinnassa öljyvoideltuun kohteeseen: Riittävän voitelukalvon muodostamiseksi pitää viskositeetin olla riittävä. Korkeilla kuormituksilla käytetään perusöljynä korkean viskositeetin EPlisäaineistettua öljyä.

12 (31) Laakerivalmistajat antavat suosituksia voiteluöljyn kinemaattiselle viskositeetille käyttölämpötilassa (ν 1 ), joka on riippuvainen laakerin koosta ja pyörimisnopeudesta. Kuvassa 2 on esitetty FAG:n ja SKF:n suositukset vierintälaakereille yleisesti. Kuvasta määritettävä arvo ν 1 kuvaa viskositeettia, joka laakerin käyttölämpötilassa tarvitaan moitteettoman voitelun saavuttamiseksi. Kuvassa 3 on lisäksi esitetty FAG:n julkaisema mineraaliöljyjen viskositeetti-lämpötila -käyrästö, jonka perusteella voidaan määrittää vaadittavan öljyn viskositeetti 40 o C lämpötilassa silloin, kun käyttölämpötila tunnetaan. Tämä viskositeettiarvo on tärkeä, koska se ilmaisee samalla teollisuusöljyn ISO VG - viskositeettiluokan. Kuvan 2 käyrästö pätee kuitenkin vain mineraaliöljyille, joiden viskositeetti-indeksi on 85. Tarkempi määritys voidaan tehdä laakerivalmistajien verkkosivuilla esitettyjen laskentaohjelmien avulla. SKF Interactive Engineering Catalogin avulla määritys voidaan tehdä myös öljylle, jonka viskositeetit tunnetaan kahdessa eri käyttölämpötilassa tai tapauksessa, jossa öljyn viskositeetti-indeksi ja viskositeetti 40 o C lämpötilassa ovat tunnettuja (www.skf.fi). Kuva 2. Laakerivalmistajan suosituksia kinemaattiselle viskositeetille käyttölämpötilassa, laakerin koosta ja pyörimisnopeudesta riippuen (FAG 1998). SKF:n pääluettelosta löytyy täsmälleen sama käyrästö. Esimerkkinä käyrästöjen käytöstä voidaan ottaa viskositeetin valinta laakerille, jonka käyttölämpötila on 80 o C, sisähalkaisija 90 mm ja ulkohalkaisija 190 mm, ja pyörimisnopeus 600 kierrosta minuutissa. Laakerin keskiläpimitta d m on silloin 140 mm. Vaadittava viskositeetti ν 1 käyttölämpötilassa on silloin kuvan 1 perusteella noin 15 mm 2 /s (cst). Kuvasta 2 taas saadaan vastaavan mineraaliöljyn viskositeetiksi 40 o C lämpötilassa noin 70 mm 2 /s (cst). SKF:n (1982) mukaan silloin, kun joudutaan valitsemaan öljy (esimerkiksi korkean käyntilämpötilan ja/tai alhaisen pyörimisnopeuden takia), jonka viskositeetti käyttölämpötilassa jää vaaditun vähimmäisviskositeetin alle, tulee käyttää EP-

13 (31) lisäaineistettua öljyä. Jos käyttöolosuhteet ovat erityisen kriittisiä, tulee kääntyä laakerija voiteluainetoimittajan puoleen sopivimman voiteluaineen löytämiseksi. Kuva 3. Laakerivalmistajan julkaisema käyrästö, jonka perusteella voidaan määrittää öljyn viskositeetti 40 o C lämpötilassa käyttölämpötilan viskositeetin ja lämpötilan perusteella (FAG 1998). Voiteluaineen viskositeetin valitsemiseksi on olemassa myös muita kuin edellä esitettyjä laakerivalmistajien ohjeita. Esimerkiksi Mobil Oil (1992) on esittänyt yksityiskohtaisemmat ohjeet, jotka ottavat huomioon myös käytettävän laakerityypin. 3.2 Käyttöparametrien ja olosuhteiden huomioonottaminen Käyttölämpötilan osalta voidaan yleisesti todeta, että lämpötila ei saa saavuttaa voitelurasvan alinta eikä ylintä käyttölämpötilarajaa (INA/FAG 2004): Korkeimman käyttölämpötilan tulee jäädä 20 C ylärajan alapuolelle Alimman käyttölämpötilan tulee jäädä 20 C alarajan yläpuolelle. Käytännössä lämpötilan vaikutus tulee ottaa voitelurasvan valinnassa tarkemmin huomioon. Kuvan 4 käyrästön (FAG 1998) avulla voitelurasva voidaan valita pyörimisnopeuden ja kuormituksen perusteella. Arvioinnissa tarvittavia suureita ovat laakeritaulukoista löytyvä dynaaminen kantoluku C [kn], laakerin yhdistetty dynaaminen kuormitus P [kn], joka lasketaan kestoikäteorian mukaisesti laakerikohtaisten taulukkoarvojen avulla, laakerin pyörimisnopeus n [rpm], laakerin sisä- ja ulkohalkaisijoiden keskiarvo eli keskiläpimitta d m [mm] sekä kerroin k a

14 (31) laakerityypin liukukitkaominaisuuksien huomioimiseksi. Kertoimen k a arvot riippuvat laakerityypistä seuraavasti (FAG 1998): Urakuulalaakerit, viistokuulalaakerit, nelipiste- ja pallomaiset kuulalaakerit, säteittäin kuormitetut lieriörullalaakerit ja aksiaali-urakuulalaakerit: k a = 1. Pallomaiset rullalaakerit, kartiorullalaakerit ja neulalaakerit: k a = 2. Aksiaalisesti kuormitetut lieriörullalaakerit ja täysrullaiset lieriörullalaakerit: k a = 3. Kuvan 3 käyrästöä käytettäessä on huomattava, että säteittäisessä kuormituksessa tulee käyttää vasenta ja aksiaalikuormituksessa oikeaa pystyasteikkoa. Kuvassa esitetty käyrästö on jaettu kolmeen alueeseen: Alueella N voidaan voiteluun käyttää lähes kaikkia standardin DIN 51 825 mukaisia vierintälaakerirasvoja. Ulkopuolelle jäävät voitelurasvat, joiden perusöljyn viskositeetti tai jäykkyys on "äärimmäinen", sekä eräät erikoisrasvat, kuten silikonirasvat. Alueella HL sijaitsevat korkeasti kuormitetut laakeroinnit, jolloin tulee valita EP- tai kiintoainelisäaineistettu voitelurasva, jonka perusöljyn viskositeetti on korkea. HN-alueelle sijoittuvat alhaisen kuormituksen laakerit, joiden pyörimisnopeus on korkea. Tällöin voitelurasvan aiheuttaman kitkan on oltava alhainen ja voitelurasvan on kiinnityttävä hyvin. Tällaisia ovat esimerkiksi voitelurasvat, joissa on matalaviskoosinen esteripohjainen perusöljy. Kuva 4. Voitelurasvan valinta tyypillisimpiin vierintälaakerikäyttöihin (FAG 1998). Liitteessä A on esitetty FAG:n esittämiä erityisiä arvosteluperusteita voitelurasvan valintaan. Tällaisia ovat esimerkiksi hiljaisen käyntiäänen vaatimukset, korkeat ja

15 (31) matalat lämpötilat, kondenssi- ja roiskevesien esiintymisen riskit, värähtely, vinot ja pystysuorat akselit ja sysäyskuormitukset. Näissä tapauksissa merkitykselliseksi nousee mm. NLGI-luokka eli voitelurasvan jäykkyyttä kuvaava suure, jonka arvon tulisi yleisesti ottaen olla korkea korkeissa lämpötiloissa ja kohteissa, joissa painovoiman voitelurasvaa poistava vaikutus voitelukohteessa on merkittävä. NLGI-luokituksen määritys esitetään luvussa 6.4 useiden muiden voitelurasvan laatua kuvaavien suureiden ohella. Nämä suureet ja niiden testausmenetelmät on yleensä standardoitu. Suureiden arvoja esitetään rasvanvalmistajien taulukoissa ja niitä voidaan hyödyntää voitelurasvan valinnassa. Liitteessä C on esitetty esimerkkinä Teboil Oy:n esittämä taulukko Teboilin tuotevalikoimaan kuuluvien voitelurasvojen sopivuudesta erilaisiin kohteisiin (Teboil 2002). 3.3 Varastoitavuus Kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset epäpuhtaudet tekevät riittävinä pitoisuuksina voiteluaineen käyttökelvottomaksi. Asianmukaisella varastoinnilla päästään jopa kolmen vuoden varastointiaikaan. Hyvältä varastolta vaaditaan seuraavia ominaisuuksia (INA/FAG 2004): Tulee olla erillinen varastotila. Lämpötilan tulee pysyä 0 C...+40 C välillä. Suhteellinen ilman kosteus ei saa ylittää 65 %. Varastossa ei saa olla aineita, jotka saattaisivat reagoida voitelurasvan kanssa. Voiteluaineita ei yleensä tulisi varastoida ulkotiloihin. Yleisimmät voiteluaineen pilaantumisen syyt ovat Mobilin (1999) mukaan ulkovarastointi ilman riittäviä varotoimenpiteitä, liian korkeat tai alhaiset varastointilämpötilat tai liian pitkät varastointiajat. Koska voitelurasvat on pakattu astioihin, joissa on irrotettava kansi, tulee astiat säilyttää pystyasennossa vuotamisen välttämiseksi. Mikäli astian kansi ja yläreuna pääsevät kosteuden takia ruostumaan sisäpuolelta, on päällimmäinen voitelurasvakerros poistettava. Kun voitelurasvaa otetaan astiasta toiseen, on syntyvä kuoppa syytä tasoittaa, jottei mahdollinen erkaneva öljy kerry syviin kuoppiin. Lisäksi astian kansi tulee sulkea huolellisesti erityisesti ohennusainetta sisältävien avohammasrasvojen tapauksessa, sillä ohennusaine haihtuu herkästi jäykistäen voitelurasvan. 4 Rasvavoitelukohteen jälkivoitelu Jälkivoitelussa tulee esille eri voitelurasvojen sekoitettavuus, voiteluväli, lisättävän voitelurasvan määrä ja voitelutapa. Lähtökohtana on, että jälkivoitelussa käytetään samantyyppistä voitelurasvaa, mitä alun perin on käytetty. Jotkut voitelurasvat menettävät voitelukykynsä, jos ne sekoitetaan toisen tyyppisen voitelurasvan kanssa. Samantyyppisen voitelurasvan käyttö ei kuitenkaan aina ole mahdollista. Taulukossa 3 on esitetty, mitä paksunnintyyppiä olevia voitelurasvoja voidaan sekoittaa keskenään ja

16 (31) mitä ei missään tapauksessa tule sekoittaa. Taulukko perustuu FAG:n (1998) esittämiin voitelurasvanvalintaohjeisiin. Taulukko 3. Erityyppisten voitelurasvojen sekoitettavuus FAG:n (1998) mukaan. Merkinnät: + tavallisesti hyvin sopiva, o usein sopiva, yksittäistapauksissa kokeiltava, - tavallisesti ei sopiva. Jälkivoitelurasvan paksunnin Poistuvan rasvan paksunnin Litium Likompleksi Natrium Nakompleksi Cakompleksi Bakompleksi Alkompleksi Bentoniitti Urea Litium + + - o o o - - + Li-kompleksi - + - o o o o - o Natrium - - + + o o - - + Na-kompleksi - o - + o o o - o Ca-kompleksi - o - o + + o - o Ba-kompleksi - o - o + + o - o Al-kompleksi - o - o o o + - o Bentoniitti - o - o o o - + o Urea - o - o o o - - + Jälkivoiteluvälin määrittämistä varten on annettu ohjeita useissa eri lähteissä. Luvussa 6 käsitellään näistä kolmea, SKF:n ja FAG:n ohjeita sekä vanhempaa, Karan (1989) esittämää määritystapaa. 4.1 Rasvanvaihtovälin määritys Kara (1989) on esittänyt korkealuokkaisten litiumrasvojen vaihtovälin ja rasvalla voidellun vierintälaakerin suurimman sallitun pyörimisnopeuden. Kuvasta 5 ilmenee, miten korkealaatuisten litiumrasvojen vaihtoväli riippuu laakerin lämpötilasta ja pyörimisnopeudesta. Diagrammin mukaiseen vaihtoväliin on lisäksi esitetty korjauskertoimia: Silloin, kun käytetään kestovoideltuja kevyen sarjan urakuulalaakereita sisäläpimitta-alueella alle 70 mm, kerroin on 2 (enintään 50 000 käyttötuntia). Lieriökuulalaakereilla korjauskerroin on 0,5 ja pallomaisilla rullalaakereilla sekä kartiorullalaakereilla 0,4, kuitenkin siten, ettei voiteluväli saa olla pidempi kuin kuvan 5 diagrammin 70 o C lämpötilassa antama voiteluväli. Kuva 6 puolestaan osoittaa, mikä rasvalla voidellun vierintälaakerin suurin sallittu pyörimisnopeus on. Vaikka laakerin alhainen lämpötila sallisi pitkän vaihtovälin, on voitelurasva vaihdettava ulkoisten epäpuhtauksien vuoksi yleensä useammin kuin diagrammin ohje edellyttää. Myös silloin, kun laakerin lämpötila on hyvin korkea, todellinen voiteluväli on lyhyempi kuin diagrammin antama, koska muodostuvat vanhenemistuotteet lyhentävät käyttöikää.

17 (31) Kuva 5. Korkealaatuisten litiumrasvojen vaihtovälin riippuvuus laakerin lämpötilasta ja pyörimisnopeudesta (Kara 1989). Kuvassa näkyvät prosenttiluvut kuvaavat pyörimisnopeuden suhdetta suurimpaan sallittuun pyörimisnopeuteen. Kuva 6. Rasvalla voidellun vierintälaakerin suurin sallittu pyörimisnopeus (Kara 1989).

18 (31) 4.2 SKF:n määritystapa jälkivoiteluvälien määrittelemiseen Laakerivalmistaja SKF (1994) on esittänyt kuvan 7 diagrammin jälkivoiteluvälin määritystä varten. Voiteluväli määräytyy ennen kaikkea laakerityypin, laakerikoon, pyörimisnopeuden, käyttölämpötilan ja voitelurasvalaadun mukaan. Diagrammi esittää keskilaatuisille, vanhenemista kestäville voitelurasvalaaduille sopivat voiteluvälit käyttötunteina. Diagrammi pätee kiinteästi asennettujen koneiden laakereille normaalikuormituksessa ja laakerien ulkorenkaalta mitatussa 70 o C lämpötilassa. Jos laakerin lämpötila ylittää 70 o C, on voiteluväli jokaista 15 o C kohoamista kohti vähennettävä puoleen. Kun käyttölämpötila on alle 70 o C, voiteluvälejä voidaan pidentää, ja alle 50 o C lämpötilassa voiteluväli voi olla jopa kaksinkertainen. Pienissä laakereissa voitelurasvan käyttöaika on usein niin pitkä, ettei laakerien kestoiän aikana tarvita jälkivoitelua. Tällöin tiivistys- tai suojalevyillä varustetut kertavoidellut laakerit ovat tarkoituksenmukaisia. Kuva 7. SKF:n esittämä diagrammi jälkivoiteluvälin määritystä varten (SKF 1994). Kuvassa näkyvät nuolet liittyvät määritysesimerkkiin, joka esitetään luvussa 4.4.

19 (31) SKF (1994) mainitsee edellisen lisäksi, että epäpuhtauksille ja kosteudelle alttiina olevia laakerointeja tulee voidella useammin. SKF ei kuitenkaan tässä tutkimuksessa mukana olleissa lähteissä esitä lyhennyskertoimia eri tekijöille, kuten epäpuhtauksille, kosteudelle tai laakerissa vaikuttavalle värähtelylle. Pystysuorilla laakeroinneilla (pystysuora akseli) voiteluväli on pienennettävä puoleen kaavion osoittamasta lukemasta, sillä näissä voitelurasvalla tai sen perusöljyllä on taipumus valua alaspäin akselia pitkin. 4.3 FAG:n määritystapa jälkivoiteluvälien määritykseen FAG:n (1998) mukaan voitelurasvan käyttöikä on aika laakerin käynnistymisestä vaurioon, joka johtuu voitelun loppumisesta. Siihen vaikuttavat: rasvamäärä rasvatyyppi (paksunnin, perusöljy, lisäaineistus) laakerityyppi ja -koko kuormituksen suuruus ja laatu kierrostunnusluku laakerin lämpötila. Rasvan käyttöikäparametrillä F 10 tarkoitetaan tietyn voitelurasvan käyttöikää 10 %:n vauriotodennäköisyydellä, ja se määritetään laboratoriokokeiden perusteella. FAG käyttää määritykseen vierintälaakereiden testauslaitetta, josta käytetään nimitystä FE9 (DIN 51821). Voiteluväli taas määritetään vakiorasvan lyhimmän saavutettavan voitelurasvan käyttöiän F 10 mukaan. Litiumsaippuapohjaisille vakiorasvoille annetaan voiteluväli yleisiä käyttötilanteita varten edullisissa ympäristöolosuhteissa. FAG:n (1998) esittämä diagrammi voiteluvälille t f on esitetty kuvassa 8. Diagrammin oletusarvoina ovat voitelurasvan jäykkyysluokka 2-3 ja laakerin ulkorenkaasta mitattu maksimikäyntilämpötila 70 o C, sekä suhdetta P/C<0,1 vastaava kuormitus. Suureet P (laakerin yhdistetty dynaaminen kuormitus) ja C (dynaaminen kantoluku) ovat kestoikäteorian mukaisia ja määritetään laakerikohtaisesti laakerivalmistajien esittämien ohjeiden ja laakeritaulukoiden avulla. Kuvan 8 käyttöolosuhteiden ratkaisemiseksi tarvitaan lisäksi laakerityyppikerroin k f. Laakerityyppikertoimen arvoja eräille laakeroinneille on esitetty taulukossa 4.

20 (31) Kuva 8. FAG:n esittämä diagrammi jälkivoiteluvälin määritystä varten (FAG 1998). X- akselin termi on laakerityyppikertoimen k f, laakerin pyörimisnopeuden n ja laakerin keskiläpimitan d m tulo. Taulukko 4. Laakerityyppikertoimen k f arvoja (FAG 1998). Laakerityyppi kf-kerroin Urakuulalaakeri, yksirivinen 0,9 1,1 Urakuulalaakeri, kaksirivinen 1,5 Viistokuulalaakeri, yksirivinen 1,6 Viistokuulalaakeri, kaksirivinen 2 Pallomainen rullalaakeri 1,3 1,6 Aksiaaliurakuulalaakeri 5 6 Lieriörullalaakeri, yksirivinen 3 3,5 Lieriörullalaakeri, kaksirivinen 3,5 Kartiorullalaakeri 4 Epäedullisissa käyttö- ja ympäristöolosuhteissa voiteluväli lyhenee. Lyhentynyt voiteluväli t fq lasketaan kaavasta (FAG 1998): t fq = t f * f 1 * f 2 * f 3 * f 4 * f 5 * f 6. (1) Pienennyskertoimet f 1...f 6 on esitetty liitteessä D. Joukolle erilaisia laakerointeja voidaan esittää kokonaispienennyskerroin q, joka ottaa huomioon kaikki epäedulliset käyttö- ja ympäristöolosuhteet. Tällöin lyhentynyt käyttöikä saadaan seuraavasta kaavasta (FAG 1998): t fq = q * t f. (2) Kertoimia q on esitetty liitteessä D.

21 (31) Edellä mainitut arvot muuttujille t f, f 1...f 6 ja q ovat yleisesti ottaen voimassa litiumsaippuapohjaisille vakiorasvoille, joissa on mineraalipohjainen perusöljy. Tällöin lämpötilaraja, jonka yläpuolella voiteluväliä on lyhennettävä (ks. liite D, kerroin f 3 ), on 70 o C. Voiteluvälin lyhennyskertoimia voidaan kuitenkin käyttää myös erikoisrasvoille, mutta kuormituksen ja lämpötilan huomioivat lyhennyskertoimet f 3 ja f 4 on silloin kysyttävä voiteluainevalmistajilta. Natrium- ja kalsiumsaippuarasvoilla lämpötilaraja on noin 40-60 o C ja korkean lämpötilan voitelurasvoilla 80-100 o C tai enemmän. 4.4 Uudelleenvoiteluvälien määritystapojen vertailua Lähtökohta Jälkivoiteluvälien määrittelyssä käytetään esimerkkinä urakuulalaakeria, jonka reiän halkaisija on 100 mm, joka pyörii 1000 rpm nopeudella ja jonka käyttölämpötila on 60-70 o C. Seuraavassa esitetään ja vertaillaan kolmea eri menetelmää käyttäen saatuja tuloksia. SKF (1994) SKF:n määritystavassa seurataan kuvan 7 kaavion X-akselilta lähtevää suoraa käyrän d = 100 mm leikkauspisteeseen. Leikkauspisteestä lähtevää vaakasuoraa seurataan tämän jälkeen vasemmalle Y-akselin sarakkeen "asteikko a" (säteiskuulalaakerit) arvon 12 000 kohdalle. Jälkivoiteluväli on tällöin 12 000 tuntia. Kara (1989) Karan (1989) esittämässä määritystavassa todetaan aluksi (kuva 6) että suurinta sallittua pyörimisnopeutta ei esimerkin tapauksessa voi ylittää, olipa laakeri kevyesti tai raskaasti kuormitettu. Kara (1989) ei määrittele tarkemmin, mitä ovat kevyen, keskiraskaan ja raskaan sarjan laakerit, mutta mikäli oletetaan laakerin kuormitus keskiraskaaksi, laakerin pyörimisnopeus 1000 rpm on noin 40 % suurimmasta sallitusta pyörimisnopeudesta. Kuvan 5 diagrammia käyttäen voidaan rasvanvaihtoväliksi määrittää tällöin maksimilämpötilan 70 o C mukaan noin 15 000 tuntia. FAG (1998) FAG:n määritystavassa on aluksi laskettava termi k f * n * d m. Laakerin kokoa kuvaava termi d m on sisä- ja ulkohalkaisijoiden keskiarvo. Jos oletetaan ulkohalkaisijaksi 125 mm, saadaan termin d m arvoksi 112,5. Kerroin k f saadaan taulukosta 4 ja se on yksiriviselle urakuulalaakerille 0,9...1,1. Jos oletetaan k f = 1, saadaan termin k f * n * d m arvoksi 112,5. Tällöin voiteluväliksi saadaan kuvan 8 mukaan alle 15 000 tuntia. Vertailu SKF:n määritysmenetelmä on yksinkertainen eikä vaadi erityistä laskentaa eri tekijöiden määritykseen. FAG:n menetelmä on siinä mielessä monimutkaisempi ja vaatii enemmän lähtötietoja. Mikäli esimerkissä olisi oletettu, että käyttöolosuhteet olisivat epäedullisia, FAG:n määritystapa antaisi tarkimmat lyhennyskertoimet eri tekijöille. FAG antaa myös karkeat määritysohjeet muillekin kuin litiumpohjaisille vakiorasvoille. Karan (1989) esittämä menetelmä on kolmesta tutkimuksen kohteena olleesta menetelmästä

22 (31) epämääräisin. Määrityksen kohteena oleva "rasvanvaihtoväli" ei ole täysin selkeä: Lähteessä ei eroteta jälkivoitelua ja voitelurasvan vaihtoa toisistaan. FAG (1998) mainitsee voitelurasvan vaihdon olevan suositeltavaa pitkillä jälkivoiteluväleillä erityisesti korkeissa lämpötiloissa, ja se suoritetaan "huuhteluna", jossa uutta voitelurasvaa lisätään jopa kolminkertainen määrä normaaliin jälkivoiteluun verrattuna. Kara (1989) ei myöskään määrittele tarkemmin, mitä ovat kevyen, keskiraskaan ja raskaan sarjan laakerit, vaikka tätä tietoa tarvitaan suurimman sallitun pyörimisnopeuden määrityksessä. Kirjassa ei viitata selkeästi mihinkään lähdeteokseen, josta kyseiset määritykset olisi haettavissa. 4.5 Rasvamäärät 4.5.1 Ensivoiteluun käytettävä rasvamäärä Laakerien ja laakeripesien vapaat tilat pitää yleensä täyttää voitelurasvalla vain osaksi (25...50 %), sillä jos voitelurasvaa käytetään liian paljon, lämpötila kohoaa suurilla pyörimisnopeuksilla (SKF 1982). Kuitenkin on huomattava, että kaikkiin toimintapintoihin on saatava varmasti voitelurasvaa. Jos laakerit ovat tiivistämättömiä, laakeri voidaan täyttää 100 %:sti, koska ylimääräinen voitelurasva ensitäytön jälkeen poistuu laakerista laakerin käyttöönoton yhteydessä. Ylitäyttö (70-90 %) voidaan sallia myös erittäin kuormitetuille hitaasti pyöriville laakereille, korroosiosuojaa vaativille laakereille tai voimakkaasti värähtelevässä kohteessa oleville laakereille. FAG:n (1998) mukaan hitaasti pyörivä laakeri määritellään pyörimistekijän d m *n mukaan ja sen tulee olla pienempi kuin 50 000 mm*min -1. Toisaalta hyvin nopeasti pyörivät laakerit täytetään vain osittain, lähteen (FAG 1998) mukaan täyttöaste on 20 % vapaasta tilasta ja lähteen (Kunnossapitoyhdistys 2003) mukaan täyttöaste on 10 % tilavuudesta. Hyvin nopeasti pyöriviä laakereita ovat esimerkiksi karalaakerit. FAG:n mukaan korkeana kierrostunnuslukuna voidaan pitää pyörimisnopeustekijää d m *n > 400 000 mm*min -1. Laakerin viereinen pesätila täytetään voitelurasvalla sen verran, että laakerista syrjäytyvälle voitelurasvalle on vielä tilaa riittävästi. Jos pesätila on suuri ja täyttämätön, laakerista poistuva voitelurasva vetäytyy kauas laakerin läheisyydestä eikä siten tue laakerin toimintaa. Tällaisissa tapauksissa tulisi laakeri varustaa suoja- tai tiivistelevyillä tai säätölevyllä. Laakerivalmistajien valmistamiin laakeripesiin asennettujen laakerien ensimmäiseen voiteluun tarvittava voitelurasvamäärä on ilmoitettu yleensä laakerivalmistajien taulukoissa. 4.5.2 Jälkivoiteluun tarvittava rasvamäärä SKF (1994) esittää jälkivoiteluun tarvittavan rasvamäärän kaavan seuraavasti: m = 0,005 * D* B (3)

23 (31) jossa m on rasvamäärä grammoina, D on laakerin ulkohalkaisija millimetreinä ja B laakerin leveys millimetreinä. FAG (1998) esittää saman kaavan siten, että kerroin, joka SKF:n kaavassa on aina 0,005, vaihtelee voiteluvälistä riippuen. Voiteluvälin ollessa viikko, kerroin on 0,002, kuukauden voiteluvälillä kerroin on 0,003 ja vuosittain tehtävän jälkivoitelun tapauksessa kerroin on 0,004. Kunnossapitoyhdistys (2003) antaa lisäksi kertoimen 0,001 päivittäin tehtävälle voitelulle ja 0,005 kahden vuoden välein tehtävälle jälkivoitelulle. Käyttöönotossa monivuotisen seisokin jälkeen käytetään FAG:n mukaan kerrointa 0,01. Erittäin lyhyillä jälkivoiteluväleillä rasvamäärän laskentaan voidaan FAG:n (1998) mukaan käyttää kaavaa m = (0,5...20) * V (4) jossa V on laakerin vapaa tila ja se lasketaan kaavalla: V = π/4 * B *(D 2 -d 2 ) * 10-9 - G/7800 (5) V:n yksikkö on m 3 ja jälkivoitelumäärän yksiköksi saadaan kg/h. Kaavassa esiintyvät D ja d tarkoittavat laakerin sisä- ja ulkohalkaisijaa millimetreinä ja G laakerin painoa kilogrammoina. Erittäin lyhyttä voiteluväliä (päivittäin tai tiheämmin) tarvitaan silloin, kun esiintyy äärimmäistä rasitusta, joka aiheutuu esimerkiksi yli 140 o C käyttölämpötilasta tai pyörimisnopeustekijästä n*d m > 500 000 min -1 *mm (FAG 1998). 5 Rasvan tutkimusmenetelmät Voitelurasvanäytteen kuntomääritys voi sisältää epäpuhtausanalyysien lisäksi mm. voitelurasvan jäykkyyden, hapettumisasteen, lisäainekoostumuksen ja öljypitoisuuden määritykset. Monipuolisen analyysivalikoiman avulla on mahdollista määrittää voitelurasvan kunto ja saada runsaasti tietoa myös voitelurasvalla voidellun kohteen kunnosta. Kunnonvalvontamenetelmien lisäksi erityisesti voiteluainevalmistajien käytössä on lukuisia, usein standardoituja testausmenetelmiä, joilla määritetään voitelurasvojen perusominaisuuksia. Seuraavassa esitetään joukko erilaisia suoria ja epäsuoria analyysimenetelmiä voitelurasvan kuntomääritykseen (Andersson 2000) sekä luettelonomaisesti eräitä yleisimmin käytössä olevia voiteluaineiden ominaisuuksien määritykseen käytettäviä menetelmiä. 5.1 Suorat menetelmät kiinteiden hiukkasten määrittämiseksi Suorissa menetelmissä voitelurasvan hiukkassisältö määritetään näytteestä siinä tilassa missä se on ollut näytettä otettaessa. Koska näyte ei muutu analyysin aikana, sille voidaan suorittaa tämän jälkeen muita analyysejä. Monissa tapauksissa suorien analyysimenetelmien tarkkuus on kuitenkin heikompi kuin esimerkiksi sellaisilla menetelmillä, joissa voitelurasvanäyte liuotetaan nestemäiseen muotoon.

24 (31) Yksinkertaisimpiin menetelmiin kuuluu suora mikroskopia. Federal test method FED- STD-791/3005.4 -mukaisessa menetelmässä näytettä tarkastellaan sen jälkeen, kun sitä on puristettu kahden lasilevyn väliin ohueksi kerrokseksi. Tätä muistuttava menetelmä on naarmuttamiskoe, ASTM D 1404 (ASTM 1994), jossa voitelurasvanäyte asetetaan kahden akryylilevyn väliin. Näitä levyjä kierretään toisiinsa nähden, jonka jälkeen levyjä tarkastellaan mikroskoopilla. Näin voitelurasvanäytteen sisältämistä hiukkasista saadaan käsitys konkreettisella tavalla. Perinteisistä suorista analyysimenetelmistä röntgenfluoresenssi on tarkin. Menetelmää voidaan käyttää suuren alkuainemäärän puolikvantitatiiviseen määritykseen tai tarkemman kalibroinnin jälkeen yksittäisten alkuaineiden kvantitatiiviseen määritykseen. Analyysiin käytettävä laitteisto on monimutkainen käsittäen röntgenputken, litiumfluorikiteen ja detektorin sekä laitetta käyttävän ja tuloksia käsittelevän tietokoneen. Analyysissä hiukkasten sisältämät alkuainepitoisuudet eivät erotu voiteluaineeseen liuenneista alkuainepitoisuuksista, mikä on heikkous hiukkasten tunnistamisen kannalta. Toisaalta menetelmällä voidaan arvioida myös voiteluaineessa tapahtuneita muutoksia kuten lisäaineiden katoamista (Hunt 1993). Voitelurasvanäytteen sisältämät magneettihiukkaset voidaan tunnistaa sähkömagneettisin keinoin. Metallihiukkaset vastustavat nopeita muutoksia induktiivisen anturin synnyttämässä magneettikentässä, mikä ilmenee elektronisen piirin impedanssin muutoksena. Menetelmän etuna on mm. analyysin suorittamisen ja tulosten saamisen nopeus. VTT on kehittänyt kyseistä periaatetta soveltavan sähkömagneettisen voitelurasva-analysaattorin, jota ei vielä ole kaupallistettu (Andersson 2002). Lisäksi suorista menetelmistä voidaan mainita suodatuskoe (DIN 51813), jossa voitelurasvanäyte puristetaan teräsverkon lävitse ja puhtaustaso todetaan suodattimeen jääneiden hiukkasten kokonaispainon perusteella. Menetelmää käytetään ennen kaikkea voitelurasvojen laadunvalvonnan apuvälineenä. 5.2 Liuotinmenetelmät kiinteiden epäpuhtaushiukkasten määrittämiseksi Liuotinmenetelmissä voitelurasvanäyte liuotetaan ennen analyysin suorittamista. Koska voitelurasvan rakenne on kaksifaasinen (perusöljy - paksunnin), liuottimen valinta on vaativaa ja perustuu fysikaalisen kemian sääntöihin. Tavanomaisia voitelurasvoja varten on helposti löydettävissä käyttökelpoisia liuotinyhdistelmiä, mutta esimerkiksi silikonirasvat ja polyurearasvat ovat varsin heikosti liukenevia. Öljyvoideltujen voitelujärjestelmien ja hydraulijärjestelmien kunnonvalvonnassa yleisesti käytetty menetelmä hiukkaslaskenta (kuva 9) määrittää optisen detektorin läpi virtaavasta näytteestä hiukkasmäärän ja hiukkasten kokojakauman. Menetelmä on tärkeytensä vuoksi standardoitu (ISO 4402, ISO 4406). Voitelurasvojen hiukkaslaskentaa haittaavat jossain määrin voitelurasvan paksunninrakenteen

25 (31) liukenemattomat jäänteet, joita detektori ei erota varsinaisista hiukkasista. Menetelmällä ei voida ottaa kantaa hiukkasten laatuun (Andersson & Sainio 1999). Kuva 9. VTT:n laboratoriossa automaattisessa hiukkaslaskennassa käytettävä PAMAS SBSS-C -laboratorioanalysaattori. Ferrografia (Andersson et al. 2001) käsittää useita erilaisia magneettiseen ja gravimetriseen sedimentaatioon perustuvia menetelmiä öljyssä olevien metallisten ja eimetallisten hiukkasten keräämiseksi lasi- tai muovilevyille tai lasiputkiin mikroskooppitarkastusta tai anturoitua määritystä varten. Menetelmä antaa kuvan näytteessä olevista hiukkastyypeistä sekä näytteen puhtaudesta ja hiukkasten kokojakaumasta. Vaikeutena on rasvarakenteen luottaminen niin pienijakoiseksi, että näytelevyn valomikroskooppitarkastelu onnistuu luotettavasti. Mikrosuodatuksessa (Andersson & Sainio 1999) liuotettu näyte suodatetaan hienojakoisella kalvosuodattimella ja määritetään suodattimeen jääneiden hiukkasten paino. Käytännössä hiukkasten painoon sisältyy osa rasvanäytteen paksunninrakenteesta, joten mikrosuodatuksen antama mittausepävarmuus on melko huomattava. Epäpuhtausten analysointiin voidaan käyttää myös kemiantekniikkaan perustuvia menetelmiä. Tällaisia ovat esimerkiksi atomiemissiospektroskopia (ICP-AES) ja atomiabsorptiospektroskopia (AAS, DIN 51815, 51831) alkuainepitoisuuksien määritykseen. Liuotetun rasvanäytteen kohdalla vaikeutena näissä menetelmissä on hiukkasten ja voiteluaineen sisältämien alkuainepitoisuuksien erottaminen toisistaan. Mikäli epäpuhtaushiukkasia voidaan eristää voitelurasvasta riittävän suuri tilavuus, hiukkasten faasikokoonpano on mahdollista määrittää röntgendiffraktiolla. Vastaavissa tapauksissa voidaan käyttää energiadispersiivistä spektroskopiaa (EDS) ja jo aiemmin mainittua röntgenfluoresenssia hiukkasten alkuainekoostumuksen ja siten mahdollisen alkuperän määritykseen (Andersson 2000).

26 (31) 5.3 Vanhenemisilmiöiden ja nestemäisten epäpuhtauksien määritys Veden sekoittuminen voitelurasvaan tuo mukanaan haitallisia vaikutuksia voideltavien komponenttien eliniän kannalta. Määrällisesti veden sekoittuminen on määritettävissä Karl Fischer -titrauksella (ASTM D1744, Andersson 2000), joka edellyttää voitelurasvan liuottamista, tislauskokeella (ASTM D95) tai karkeasti painonmuutoksena haihdutuskokeessa. Kyseisistä menetelmistä Karl Fischer -titraus sopii pienimpien vesipitoisuuksien analysointiin, mutta ei sovi kaikille voitelurasva- tai perusöljytyypeille. Huomattavan vesimäärän sekoittuminen voitelurasvaan on havaittavissa orgaanisen kemian FTIR-analyysilla (Fourier Transform Infra Red Spectrometry). FTIR-analyysi perustuu molekyylien sidosten värähtelyyn IR-valon vaikutuksesta. Menetelmän etu on sen tarvitsema pieni ainemäärä. Analyysissä pyritään usein vertaamaan ongelmallista käytettyä voitelurasvaa samasta voitelurasvasta otettuun käyttämättömään näytteeseen. Analyysi sopii myös hapettumisasteen määrittämiseen. Hapettuminen voi ilmetä esimerkiksi ns. karbonyylialueella näkyvien hapettumistuotteiden ilmestymisenä IRspektriin tai antioksidanttina toimivien aineiden aiheuttamien absorptiopiikkien katoamisena spektristä (Parikka & Vaajoensuu 2003). Hapettumisen arviointiin käytetään öljyjen analysoinnissa yleisesti kokonaishappoluvun TAN (ASTM D 664) määritystä, mutta sen soveltuminen voitelurasva-analyyseihin on epävarmempaa. Saatua TAN-arvoa tulee verrata aina käyttämättömästä voiteluaineesta mitattuun lähtöarvoon. Voitelurasvan hapettuminen ilmenee usein voitelurasvan tummenemisena, mikä on havaittavissa silmämääräisesti. Lisäainesisällön muutoksia voidaan mitata esimerkiksi edellä kuvatuilla ICP-AES - analyysilla ja röntgenfluoresenssilla. Toiminnallisesti lisäaineiden toimivuutta voidaan testata esimerkiksi nelikuulakokeella (DIN 51350) tai muulla tribologisella kokeella. Muita koejärjestelyjen avulla testattavia muutoksia ovat esimerkiksi voitelurasvan jäykkyyden muutos, joka on todettavissa tunkeumakokeella (DIN ISO 2137), sekä perusöljyn ja paksuntimen välisen suhteen muuttuminen, joka voidaan määrittää standardin ASTM D 4425 mukaisella öljynerotuskokeella. 5.4 Voiteluaineiden ominaisuuksien määrityksessä käytettävät menetelmät Koska voitelurasva koostuu ainakin kahdesta faasista, laadunvarmistuksessa ja toiminnallisessa testauksessa joudutaan käyttämään useita toisiaan täydentäviä testausmenetelmiä. Seuraavassa mainitaan keskeisimmät niistä ja esitetään menetelmien lyhyet kuvaukset. Rasvan kovuusluokka Rasvan kovuusluokka on mitta-arvo, joka kuvaa voitelurasvan jäykkyyttä. Suure esitetään NLGI-luokkina (National Lubricating Grease Institute). Kovuusluokan